Брой 7/2020
Доц. д-р В. Брощилова
Клиника по дерматология и венерология, ВМА – София
Катедра по инфекциозни болести, паразитология и дермато-венерология,
Медицински университет „Проф. Д-р Параскев Стоянов“ – Варна
Въведение
Процесът на кератопоеза се осъществява в епидермиса под въздействие на синхронно активиращи се ензими, обуславящи матурацията на кератиноцитите и тяхната апоптоза. Така се създава stratum corneum – най-важният компонент на хидро-липидната мантия, осигуряваща бариерната функция на кожата чрез регулация на трансепидермалната водна загуба, електролитния метаболизъм и превенцията на навлизането на токсини и микробиологични агенти. Дисфункцията на епидермалната бариера води до хронификация и терапевтична резистентност при всички инфламаторни дерматози – атопичен дерматит, псориазис, ихтиози и задължително съпътства процеса на стареене1. Стареещата кожа обикновено е тънка, с повишена фражилност и трудна епителизация2 като следствие от промените в структурата на водно-липидната мантия и особено на нейния липиден компартимент. За съжаление, този процес е малко изучен и доста неясен. Настоящата студия представя съвременната концепция за ролята на липидните субстанции за правилното структуриране и нормалната функция на stratum corneum.
Участието на ω-O-ацилцеремиди в епидермалната бариера
Липидите играят важна роля в пермеабилитета на епидермалната бариера. Stratum corneum съдържа 50% церамиди, 25% холестерол, 10-15% дълговерижни, наситени свободни мастни киселини и 5% други липиди. Себацейните жлези продуцират триглицериди, сквален, восъци, холестерол и свободни мастни киселини, формиращи хидро-липиден филм на повърхността на кожата, докато повечето компоненти на липидния екстрацелуларен матрикс на корнеалния слой се продуцират от кератиноцитите в гранулозния слой. Ето защо прекурсорите на липидите в stratum corneum се образуват в тубуло-везикулозните секреторни органели, наречени ламеларни телца в stratum granulosum. Основните липидни субстанции, изграждащи тези ламеларни телца са гликозил(ацил)церамидите, фосфолипидите и сфингомиелина. На границата между корнеалния и гранулозния слой прекурсорните липиди биват екскретирани, за да оформят хидрофобни, липидни ламели, обвиващи корнеоцитите. Тези ламеларни телца се прекръстосват с белтъчните компоненти на плазматичната мембрана на корнеоцитите, оформяйки корнификационен липиден филм3.
Церамидите са сфинголипиди, съставени от свързването на мастни киселини със сфингоидна основа чрез аминна връзка. Те представляват основния компонент на stratum corneum и се характеризират с изключителна молекулна хетерогенност. Главните представители са сфингозин, дихидросфингозин, фитосфингозин и 6-хидрокси-сфингозин. Биохимичното им разнообразие се допълва от липидната компонента, свързана на аминна позиция с хидрокси-, алфа-хидрокси и естерифицирани свободни мастни киселини като преобладаващ е броят наω-хидроксицерамидите с ултра дълга въглеводородна верига (C28-C38). В състава на корнификационния липиден филм влизат два основни класа епидермални церамиди: липидни – ω-мастнокиселинни (най-често линоленови) и протеинови (най-често глутаматни) деривати4.
Биохимичната роля на епидермалните церамиди се отнася основно към участие в поддържането на хомеостазата на епидермалната бариера. Многобройни ензими и кофактори взимат участие в процесите на синтез, транспортиране, секреция и екстрацелуларна матурация. Естерифицираните-мастни и протеин-свързаните церамиди, участващи в оформянето на корнификационния липиден филм, започват синтеза си от ω-хидроксилирани дълги мастни киселини в ендоплазматичния ретикулум на гранулозните кератиноцити в присъствието на елонгаза ELOVL4 5и хидроксилаза CYP4F226. Следва кондензиране на продукта със сфингоидна основа до хидрокси-дихидро-церамид и естерификация с линоленова киселина под въздействие на скорост-определящия ензим – трансацетилазата PNPLA16. По-голяма част от готовите сфинголипиди се транспортират през апарата на Голджи до плазматичната мембрана вече под формата на добре комплектовани плоски структури, наречени ламеларни телца, които формират фракцията на екстрацелуларните липиди7. По-малкото на брой транс-естерифицирани сфинголипиди се свързват с протеините от плазматичната мембрана, създавайки корнификационния липиден филм 8,9. Синтезът на този филм се регулира от трансглутаминазата TGase19.
Следователно, синтезът на сфинголипидите се регулира основно от ензима PNPLA1, докато нормалното протичане на кератопоезата и матурирането на кератиноцитите зависи главно от функцията на трансглутаминазата TGase1.
Морбидни състояния, обусловени от нарушения в сфинголипидния метаболизъм
Множество вродени кожни заболявания са обусловени от нарушения в сфинголипидния синтез. В последните години огромен научен интерес е съсредоточен върху изолиране на генетичните предпоставки, водещи до тези аномалии 10. Оказва се, че автозомно-рецесивните ихтиози изцяло се дължат на мутации в гените на корнификацията. Тези пациенти обикновено се раждат с плътна целофанова обвивка, известна като „колоидно бебе“ и в последствие развиват генерализиран десквамативен дерматит, нозологично представен от спектър ихтиозиформени състония: от ламеларна ихтиоза до конгенитална ихтиозиформена еритродермия.
Към днешна дата са идентифицирани над 10 различни генетични мутации, всички засягащи липидния метаболизъм в stratum corneum. През 2017 г. независими научни колективи демонстрират ключовата роля на ензима PNPLA1 за формирането на ω-естерифицираните церамиди6,7. Доказва се, че дефицит на PNPLA1 в експериментални миши модели е несъвместим с живота, поради изграждането на плътен, индуративен епидермален щит, възпрепятстващ мобилитета и храненето на ембрионите. Тази клинична находка напълно съответства на феномена на колоидното бебе при хората. Хистологично, тя се представя от акантоза и компактна хиперкератоза. Наблюдава се изразена дисфункция на епидермалната бариера9 с нарушена продукция на екстрацелуларния липиден матрикс при липса на нормален синтез и подреждане на ламеларните телца. Хроматографско-спектрометричен анализ демонстрира промяна в сфинголипидната компонента с драстична редукция на ω-естерифицираните церамиди и повишена акумулация на техните метаболитни прекурсори9. Всички тези експерименти доказват ключовата роля на трансацетилазата PNPLA1 за синтеза на ω-естерифицираните церамиди.
Церамидите в метаболизма на стареещата кожа
Хронологичното стареене зависи от различни фактори – генетична предиспозиция, тютюнопушене, замърсеност на околната среда, експозиция на УВ радиация, хормонални и метаболитни предпоставки. Комплексността от външни и вътрешни тригери създава огромно въздействие върху епидермалната функция – по-голяма фражилност, спонтанни екхимози, намален еластицитет и дисхромии. Хистологичните стигми на стареенето са изглаждане на дермо-епидермалната граница, намален брой меланоцити и антиген-представящи клетки, хиперкератоза тип „плетена кошница“.
Функционалните параметри се променят по типа на повишена транс-епидермална водна загуба, намалена хидратация на stratum corneum, увеличено рН10. Наблюдава се повишен пермеабилитет на токсични вещества и по-бавна епителизация. Липидната компонента на кератиноцити в гранулозния слой е непроменена – ламеларните телца са нормален брой в клетъчния цитозол. Наблюдава се, обаче редукция на техния брой в екстрацелуларния компартимент, като в отделни зони те напълно липсват. Това се потвърждава от спектрофотометричените анализи на корнеоцитния слой, където общото количество на липидите е намалено с около 30% без качествени различия в отделните фракции11.
Ето защо усилията към възстановяване на липидния компонент в stratum corneum има важно значение за поддържане на нормалната бариерна функция при възрастните индивиди. Множество in vitro модели и клинични проучвания при пациенти с атопичен дерматит, псориазис и ихтиози доказват рационализма на този емолиентен подход12. Особено важно е възстановяването на церамидните нива. Няколко научни групи доказват необходимостта от локално приложение на продукти, съдържащи церамиди, в самостоятелни формули или в комбинация с други липидни субстанции. Изключителна важна е и ролята на вехикулумите. В последните години акцент се поставя върху сфинго-миелин базирани липозоми и миметични системи с ламеларни телца13. Ефикасността на субституиращите липиди се определя и от техния произход – биосинтетични продукти или такива с животински или растителен характер. Тези научни постановки верифицират изключителното значение на ежедневната субституция на липидната фракция на епидермалната бариера. Такива продукти изобилстват на фармацевтичния пазар. Трябва да се съобразява обаче тяхната мастна фракция и да се прецизират качествата на техния вехикулум. В този аспект липобазите (Lipobase, Karopharma) остават водещи топикални формулировки в практиката на дерматолога.
Правят се и опити за стимулиране продукцията на сфинголипидите in vivo. Приемането на никотинамид, аскорбинова киселина и нейни деривати водят до ефективно повишен церамиден синтез14. Корекцията на епидермалното рН чрез приложение на лакто-киселинни субстанции, въздействащи върху липидните хидроксилази и повишаващи нивата на ламеларните телца, има благоприятен ефект за забавяне на епидермалното стареене15. Доказва се, че локалното приложение на бактериална сфингомиелиназа, извлечена от Streptococcus thermophiles, увеличава нивата на церамидите, подобрявайки бариерната функция и намалявайки ксерозата при възрастни индивиди16.
Заключение
Липидите в stratum corneumи, по-специално ω-O-ацилцерамидите, играят ключова роля за правилното функциониране на епидермалната бариера. Те се синтезират от кератиноцитите в гранулозния епидермален слой, претърпяват екстрацелуларна матурация при екскрецията си на границата с stratum corneum и оформят двата основни липидни компартимента на водно-липидната мантия – ламеларните телца в екстрацелуларния липиден матрикс и корнификационния липиден филм. Скорост-определящ ензим с основно значение за регулацията на метаболизма на сфинголипидите е PNPLA1. Генетичните мутации с дисфункция в неговата хомеостаза водят до автозомно-рецесивни форми на ихтиози, някои от които са несъвместими с живота. Инфламаторно-обусловени модификации на неговата функция и промени в неговата активност, съпътстващи процесите на хронологично или акцелерирано стареене, създават промени в бариерната функция, изразяващи се в повишен пермеабилитет, повишена проникваемост на иританти и токсични вещества, забавена регенерация на епидермиса. Възстановяването на церамидната епидермална фракция е важен компонент от общия терапевтичен план при инфламаторните дерматози (псориазис, атопичен и контактен дерматит) и в борбата с кожното стареене.
Библиография
1. vanSmeden J, Janssens M, Gooris GS, Bouwstra JA. The important role of stratum corneum lipids for the cutaneous barrier function. BiochimBiophysActa 2014; 1841: 295–313.
2. Gilchrest BA. A review of skin ageing and its medical therapy. Br J Dermatol 1996; 135: 867–875.
3.Menon GK, Cleary GW, Lane ME. The structure and function of the stratum corneum. Int J Pharm 2012; 435: 3–9.
4. Rabionet M, Gorgas K, Sandhoff R. Ceramide synthesis in the epidermis. BiochimBiophysActa 2014; 1841: 422–434.
5. Li W, Sandhoff R, Kono M. Depletion of ceramides with very long chain fatty acids causes defective skin permeability barrier function, and neonatal lethality in ELOVL4 deficient mice. Int J BiolSci 2017; 3: 120–128.
6. Ohno Y, Kamiyama N,Nakamichi S, Kihara A. PNPLA1 is a transacylase essential for the generation of the skin barrier lipid omega-O-acylceramide. Nat Commun 2017; 8: 14610.
7. Schiller SA, Seebode C, Wieser GL. Establishment of two mouse models for CEDNIK syndrome reveals the pivotal role of SNAP29 in epidermal differentiation. J Invest Dermatol 2017;136: 672–679.
8. Breiden B, Sandhoff K. The role of sphingolipid metabolism in cutaneous permeability barrier formation. BiochimBiophysActa 2014; 1841: 441–452.
9. Krieg P, Rosenberger S, de Juanes S. Aloxe3 knockout mice reveal a function of epidermal lipoxygenase-3 as hepoxilin synthase and its pivotal role in barrier formation. J Invest Dermatol 2013;133: 172–180.
10. Boireau-Adamezyk E, Baillet-Guffroy A, Stamatas GN. Age-dependent changes in stratum corneum barrier function. Skin Res Technol 2014; 20: 409–415.
11. Rogers J, Harding C, Mayo A, Banks J, Rawlings A. Stratum corneum lipids: The effect of ageing and the seasons. Arch Dermatol Res 1996; 288: 765–770.
12. Popa I, Watson AL, Solgadi A, Butowski C, Allaway D, Portoukalian J. Linoleate-enriched diet increases both linoleic acid esterified to omega hydroxy very long chain fatty acids and free ceramides of canine stratum corneum without effect on protein-bound ceramides and skin barrier function. Arch Dermatol Res 2018; 310: 579–589.
13.Itaya Y, Tokudome Y. Upregulation of gene expression levels of ceramide metabolic enzymes after application of sphingomyelin-based liposomes to a three-dimensional cultured human epidermis model.BiochemBiophys Res Commun 2016; 473: 114–117.
14. Katsuyama Y, Taira N, Tsuboi T, Yoshioka M, Masaki H, Muraoka O. 3-O-Laurylglyceryl ascorbate reinforces skin barrier function through not only the reduction of oxidative stress but also the activation of ceramide synthesis. Int J CosmetSci 2017; 39: 49–55.
15. Choi EH, Man MQ, Xu P et al. 2007. Stratum corneum acidification is impaired in moderately aged human and murine skin. J Invest Dermatol 2007;127: 2847–2856.
16. Di Marzio L, Cinque B, Cupelli F, De Simone C, Cifone MG, Giuliani M. Increase of skin-ceramide levels in aged subjects following a short-term topical application of bacterial sphingomyelinase from Streptococcus thermophilus. Int J ImmunopatholPharmacol 2008; 21: 137–143.
