Возрастные особенности межклеточного матрикса кожи

2. Возрастные особенности образования коллагена

Производство коллагена впервые начинается в утробе матери примерно на 5-й неделе первого триместра беременности, когда у развивающегося плода можно наблюдать тонкие фибриллы коллагена [34]. Во время последующего развития коллагеновая матрица увеличивается и связана с более крупными фибриллами, которые собираются в более крупные пучки. Уже на 15 неделе беременности можно различить отдельные участки папиллярной и ретикулярной дермы. Содержание коллагена типа I составляет примерно 70-75%, по сравнению с коллагеном типа III, которое составляет примерно 18-21% от общего содержания коллагена на всех сроках беременности. Этот уровень коллагена типа I ниже, чем измеренный в коже взрослого человека (~ 85% -90%), тогда как уровень коллагена типа III выше, чем наблюдаемый в коже взрослого человека (~ 8% -11%). Считается, что эта разница отражает более высокие потребности в производстве коллагена для поддержки развивающейся сосудистой сети и иннервации плода. Сообщалось, что активность ферментов, необходимых для синтеза коллагеновых волокон, меняется с возрастом, например, ферментативная активность гидроксилаз и глюкозилтрансферазы была максимально выражена в коже плода, сохраняя более высокий уровень активности в коже маленьких детей по сравнению со взрослыми [ 35].

В детстве, в период препубертатного периода роста и пубертатных изменений, вызванных выработкой половых гормонов у подростков, происходит быстрый и обширный обмен коллагена. Большинство публикаций по производству коллагена у подростков препубертатного и пубертатного возраста посвящено коллагену I типа, используемому в качестве органической поддерживающей матрицы, которая минерализована для развития костей. Коллаген постоянно синтезируется, откладывается в ECM, только для того, чтобы расщепляться ферментами, в частности, MMP, в сбалансированном цикле, который обеспечивает рост. Этот обмен коллагена происходит быстро во время развития и затем прекращается в течение взрослых лет, но снова увеличивается в более позднем возрасте, чтобы компенсировать кумулятивный вредный ущерб, связанный с хроностарением и фотостарением [36,37]. Таким образом, синтез и деградация коллагена - это точно контролируемые и биохимически сложные процессы, которые имеют решающее значение для развития ткани, восстановления ткани после повреждения и поддержания ткани в различных анатомических и физиологических системах.

Старение кожи является результатом ряда различных процессов, которые влияют на многие составляющие кожи и, следовательно, на ее внешний вид. Существует два основных механизма старения кожи: внутренний и внешний. Эти внутренние процессы контролируются преимущественно генетическими и гормональными вариациями, тогда как внешние компоненты включают курение, употребление алкоголя, хроническое пребывание на солнце, стресс и ряд других факторов. Внешне стареющая кожа характеризуется несколькими клиническими проявлениями, включая наличие тонких линий и повышенное образование морщин, снижение способности отдачи, повышенную хрупкость кожи и измененный меланогенез и пигментацию кожи.

Доля типов коллагена в коже меняется с возрастом [38]. Молодая кожа на 80% состоит из коллагена I типа и примерно на 15% из коллагена III типа [39]. С возрастом способность восполнять запасы коллагена естественным образом снижается примерно на 1,0–1,5% в год. Это уменьшение коллагена является одним из характерных признаков, связанных с появлением тонких линий и более глубоких морщин [Рисунок 5]. Более того, глубоко внутри дермы фибриллярные коллагены, волокна эластина и гиалуроновая кислота, которые являются основными компонентами внеклеточного матрикса, претерпевают отчетливые структурные и функциональные изменения.

Рисунок 5. Содержание коллагена в коже является максимальным между 2-м и 3-м десятилетием, после чего происходит медленное истощение и потеря коллагена (и связанных компонентов ВКМ, таких как эластин и ГАГ). Потеря коллагена четко коррелирует с изменениями характеристик внешнего вида, которые обычно называют тонкими линиями и морщинами.

Коллаген и эластин - стабильные белки с периодом полураспада, измеряемым годами (t1 / 2 для кожного коллагена составляет примерно 15 лет), и, следовательно, они предрасположены к долгосрочному клеточному стрессу [40]. При рассмотрении коллагенового пучка очевидно, что основная часть белка коллагена недоступна из-за плотной упаковки отдельных фибрилл. Даже во внешней оболочке белки химически сшиты с волокнами внутри пучка и, таким образом, не легко расщепляются протеазами. Это подчеркивает важность ферментов ММП, которые могут расщеплять тройную спираль коллагена и делать волокна доступными для ферментов деградации и рециклинга клеток [41].

В семействе ММП именно коллагеназы необходимы для выполнения первой стадии деградации, на которой волокна расщепляются на характерные ¼ и фрагменты [Рис. 6]. Согласно модели Лауэра-Филдса, расщепление происходит на границе плотной области тройной спирали (с высоким содержанием иминокислоты) и области рыхлой тройной спирали (с низким содержанием иминокислоты), где фермент может раскручивать цепочки тройной спирали и инициируют гидролиз отдельных цепей [42]. После этого первого шага другие протеиназы продолжают деградацию коллагеновых волокон, включая желатиназу (MMP-2), сериновые протеиназы, цистеиновые протеиназы и аспарагиновые протеиназы.

Рисунок 6. Коллагеназа (также называемая матриксной металлопротеиназой, ММП) связывает и локально раскручивает трехспиральную структуру, обеспечивая последующий гидролиз открытых пептидных связей. Фермент предпочтительно взаимодействует с цепью α2 (I) коллагена типа I и последовательно расщепляет 3 α цепи. Это приводит к получению характеристических фрагментов 3/4 и 1/4.

Коллагеновые волокна со временем накапливают повреждения, что снижает их способность правильно функционировать. Внутренне стареющая кожа обычно характеризуется атрофией дермы с пониженной плотностью коллагеновых волокон, эластина и гиалуроновой кислоты [43]. Помимо пониженной плотности, можно наблюдать дезорганизацию и аномалию волокон коллагена и эластина в стареющей коже по сравнению с молодой и здоровой кожей [44]. Когда уровень коллагена начинает снижаться, структура коллагена становится более хрупкой и хрупкой, что приводит к ослаблению структурной поддержки кожи. Кожа теряет объем и упругость, начинает истончаться и морщиться. Снижение выработки коллагена также совпадает с потерей гиалуроновой кислоты, что дополнительно влияет на гидратацию и эластичность кожи.

В исследовании, опубликованном Sibilla et al. [45], исследователи сообщили о пике содержания коллагена у субъектов в возрасте от 25 до 34 лет с последующим постепенным снижением, равным примерно 25% -ному снижению в течение 4 десятилетий (процентный показатель коллагена 73,28). ± 14,3 в возрасте 25-34 лет против 55,3 ± 13,1 в возрасте 65-74 лет, n = 64, рисунок 7). Это снижение коллагена в стареющей коже было измерено с использованием различных методологических подходов, которые в целом хорошо согласуются и поддерживают гипотезу о потере коллагена, являющейся ключевым фактором ухудшения внешнего вида кожи с возрастом [46,47].

Рисунок 7. Содержание коллагена в коже имеет тенденцию к увеличению примерно до середины 20-х годов. После этого на протяжении десятилетий наблюдается прогрессирующая потеря коллагена.