Противоречия эстетической медицины. 3. Неоколлагеногенез – бесконечная сказка
И. Кругликов, доктор физико-математических наук, Wellcomet GmbH, Германия
Статья публикуется с любезного разрешения доктора И. Кругликова и журнала KOSMETISCHE MEDIZIN (1/13), Германия
ЭСТЕТИЧTЕСКАЯ МЕДИЦИНА, том XII, №3, 2013
1 ВВЕДЕНИЕ
Неоколлагеногенез – образование нового коллагена – одно из ключевых понятий в эстетической медицине. Ввиду важной роли, которую коллаген играет в механических и структурных свойствах соединительной ткани, неоколлагеногенез часто рассматривается как основная цель применения различных неинвазивных и минимально инвазивных методов лечения в эстетической медицине. Соответственно трактуются и результаты лечения: любое улучшение состояния кожи – уменьшение пор, сокращение глубины и количества морщин, повышение тургора и многое другое – объясняется локальной стимуляцией неоколлагеногенеза в коже. Это касается практически всех терапевтических методов «омоложения» или «подтяжки» кожи, таких, например, как лазерные, IPL- и LED-методы, методики, основанные на применении высокочастотных токов, ультразвуковых волн и их комбинаций. Все эти методы, согласно данным различных клинических исследований, должны были бы приводить к более или менее интенсивному неоколлагеногенезу.
Утверждение о том, что использование принципиально разных физических факторов должно приводить к воздействию на механизм неоколлагеногенеза, делается не случайно. Каждый из упомянутых методов хотел бы претендовать на получение пролонгированного эффекта, что теоретически возможно только в том случае, когда в результате процедуры можно достичь либо уплотнения, либо хотя бы значительного обновления структурной сетки зрелого нерастворимого коллагена в межклеточном матриксе. Эта идея возникла на основе результатов хорошо документированных исследований, которые показали, что по мере хронологического старения содержание в коже коллагена постоянно снижается и что его деструкция может быть дополнительно усилена фотоиндуцированным старением или повторным ремоделированием соединительной ткани [1].
В эстетической медицине неоколлагеногенез представляется таким образом как неспецифическая реакция фибробластов, например, на изменение температуры или давления в соединительной ткани, причем молчаливо предполагается, что этот эффект возникает даже при не очень значительных отклонениях этих параметров от их нормальных значений. Хотя в принципе это возможно, при изучении данного явления возникает ряд проблем, которые не так просто разрешить и которые противоречат закономерностям обмена коллагена, известным из фундаментальных исследований [2]. В данной статье анализируются такие противоречия, а также обсуждается сама достоверность гипотезы о важности процессов неоколлагеногенеза в наблюдаемых реакциях кожи на применение различных неинвазивных и минимально инвазивных методов эстетической коррекции.
2 ОСНОВНЫЕ ПРОТИВОРЕЧИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ПРОЦЕССАМИ НЕОКОЛЛАГЕНОГЕНЕЗА
Изменение содержания коллагена в соединительной ткани зависит как от количества содержащихся в ней фибробластов, так и от интенсивности процессов синтеза и распада коллагена. Эти процессы связаны между собой через механизмы обратной связи и характеризуются очень разным по длительности временем протекания. Именно отсюда возникают основные проблемы, связанные с реальным вкладом неоколлагеногенеза в улучшение структуры кожи после применения неинвазивных или минимально инвазивных методов эстетической коррекциию Эти проблемы можно разделить на две группы.
А. Саморегуляция внеклеточного матрикса (EZM)
Процессы синтеза коллагена в соединительной ткани прочно связаны с процессами его распада через механизм обратной связи. Любая стимуляция, ведущая к усиленной выработке фибробластами коллагена, одновременно вызывает и деструкцию вновь произведенного коллагена (в основном через стимуляцию матриксных металлопротеиназ, MMP), поэтому в квази-физиологических условиях система должна находиться в динамическом равновесии. Если процессы распада полностью отключены или частично не работают из-за какой-либо патологии, может возникнуть бесконтрольный рост содержания коллагена в коже. Такая саморегуляция подразумевает, что большая часть вновь синтезированного коллагена вскоре опять распадается. Этот процесс, впрочем, можно минимизировать, если применить специальную стратегию: стимулировать синтез нового коллагена и одновременно подавлять синтез соответствующих коллаген-разрушающих MMP.
Процессы саморегуляции происходят на всех этапах синтеза коллагена, однако управляются они по-разному и на каждом этапе имеют собственную динамику. Для правильной интерпретации клинических результатов, полученных после применения тех или иных малоинвазивных эстетических процедур, важно сначала выяснить, какая именно стадия синтеза коллагена имеется в виду – начальная стадия его выработки (образование проколлагена) или стадия ассемблирования зрелого коллагена.
Б. Стадии синтеза коллагена
Можно выделить три стадии синтеза коллагена: активацию матричной РНК (мРНК), образование проколлагена и ассемблирование зрелого коллагена.
Увеличить количество мРНК можно относительно просто. Однако стимуляция выработки мРНК не приводит к прямому увеличению оборота проколлагена в ткани. Если же количество проколлагена все же увеличивается, это увеличение оказывается гораздо менее впечатляющим, чем увеличение количества мРНК. Синтез тройной спирали (проколлагена) происходит в фибробластах. Как только проколлаген из фибробластов выделяется во внеклеточный матрикс, бόльшая его часть снова разлагается под действием ферментов. Только небольшая часть проколлагена превращается в так называемый ассемблированный (зрелый) коллаген с множественными поперечными связями, благодаря которым он оказывается очень устойчив к действию ферментов. Именно эта устойчивость и обуславливает крайне длительное время полураспада зрелого коллагена. При этом важно напомнить, что только устойчивый зрелый коллаген, а не неустойчивый проколлаген определяет в конечном итоге механические свойства кожи.
Описанные три стадии синтеза коллагена сильно различаются по своей динамике, имея принципиально разные периоды полураспада, отличающиеся друг от друга на порядки. Таким образом, возникает парадоксальная ситуация: время реагирования внеклеточного матрикса, который в основном состоит из зрелого коллагена, намного превышает временные границы, в рамках которых, как правило, наблюдается результат после одной неинвазивной или малоинвазивной корректирующей процедуры.
Практически во всех проведенных экспериментальных и клинических исследованиях в тканях измеряется содержание либо мРНК либо проколлагена, и увеличение их синтеза после воздействия определяется как неоколлагеногенез. Такой «неоколлагеногенез», конечно же, нельзя один к одному «переносить» на зрелый коллаген. И несоблюдение этого принципа приводит к классической ошибке – на основании наблюдаемой корреляции между измеренным увеличением синтеза проколлагена и улучшением состояния кожи вскоре после лечения делается вывод о наличии причинно-следственной связи между этими событиями. На самом же деле такой причинно-следственной связи не существует.
Покажем сначала на двух примерах, что применение различных методов эстетической коррекции может привести к совершенно разной динамике стимуляции коллагена.
Пример 1. Одновременная стимуляция синтеза проколлагена и матриксных металлопротеиназ (MMP)
Было показано, что аблятивное лазерное омоложение с применением CO2-лазера может значительно увеличить синтез проколлагена I типа (почти в 7,5 раз от нормального значения на 21 день после процедуры) [3]. Содержание мРНК MMP-1 при этом также резко возрастает (примерно в 40 000 раз на 7 день после процедуры), что коррелирует с измеренным увеличением количества протеина MMP-1. Хотя концентрация проколлагена I типа в обработанной коже остается повышенной в течение как минимум шести месяцев после процедуры, его концентрация все же значительно ниже, чем концентрация соответствующей мРНК, что объясняется вышеописанным механизмом обратной связи.
Пример 2. Стимуляция синтеза проколлаге- на при одновременном подавление выработки MMP
При использовании KTP-лазера (532 нм) или Q-switched Nd:YAG лазера (1,064 нм) с плотностью излучения всего 1,5 Дж/cм2 можно стимулировать выработку мРНК проколлагена I и III типов и одновременно подавить активность MMP-1 и MMP-2, что в конечном счете должно сильно уменьшить распад вновь синтезированного коллагена [4].
Процессы активации/подавления ММР в ткани сильно зависят от вида применяемого физического фактора и от того, при какой плотности излучения проводится обработка. Так, известно, что свет в зависимости от используемой плотности излучения и длины волны может оказывать на MMP либо стимулирующее, либо подавляющее действие. Эластокомпрессия (один из стандартных методов терапии при открытых ранах и рубцах, а также при целлюлите) неодинаково воздействует на желатиназы MMP-2 и MMP-9, которые, как известно, по-разному вырабатываются на различных стадиях заживления ран. Радиочастотный ток низкой интенсивности может подавлять синтез MMP, но при определенном повышении температуры в ткани, напротив, стимулирует их производство. Легкая гипертермия (43–45° C) может повысить концентрацию MMP-1 почти на 100%, что должно существенно отразиться на содержании в ткани коллагена I типа. В то же время, легкая гипотермия (32–34° C) может заметно сократить активность желатиназ. Статическое и циклическое моноаксиальное растяжение кожи также могут по-разному воздействовать на ММР желатиназы. Было, например, показано, что применение механического усилия в 1 дин/cм2 подавляет выработку MMP, а применение усилия более 6 дин/cм2 может оказывать на их синтез стимулирующее действие. Такое многообразие возможных реакций само по себе должно было бы поставить под сомнение исключительную роль неоколлагеногенеза при применении различных неинвазивных методов эстетической коррекции
3 ПЕРИОД ПОЛУРАСПАДА КОЛЛАГЕНА В КОЖЕ
В литературе встречаются различные оценки времени полураспада проколлагена и зрелого коллагена в коже. Это связано с тем, что скорость разрушения коллагена (особенно на первом этапе его формирования) в значительной степени зависит от окружающих условий. Наиболее часто приводимое значение скорости обновления коллагена в физиологических условиях составляет приблизительно 0,076% в час [5], что соответствует периоду полураспада проколлагена примерно в 28 дней. Согласно этой оценке, полное обновление проколлагена в коже должно происходить в течение 56 дней. При определении этих величин, естественно, предполагалось, что одновременная деструкция вновь образуемого проколлагена не происходит.
Период полураспада зрелого коллагена, напротив, очень длителен – он оценивается приблизительно в 15 лет [6], – что объясняется наличием в нем многочисленных поперечных связей и обусловленной этим высокой резистентностью к действию ферментов. Иными словами, замена зрелого коллагена в коже происходит крайне медленно, при этом новые структурные элементы коллагеновой сетки поступают из имеющегося пула проколлагена. Именно благодаря такому замедленному обмену зрелого коллагена по мере старения происходит хотя и постоянное, но относительно небыстрое ухудшение состояния кожи, обусловленное не только вышеупомянутым распадом коллагена, но и накоплением в коже фрагментированного коллагена, который сильно ограничивает адгезию фибробластов и тем самым производство нового коллагена [7]. Столь медленные процессы ремоделирования в коже делают быстрое изменение ее структуры в физиологических условиях невозможным даже теоретически.
Поскольку в физиологических или квазифизиологических условиях система находится в равновесии, можно легко вычислить, каково дожно быть при этих условиях локальное соотношение между проколлагеном и зрелым коллагеном. Если исходить из того, что весь проколлаген сможет преобразоваться в коже в зрелый коллаген (с периодами полураспада соответственно 28 дней и 15 лет), а не распадется хотя бы частично под действием ферментов, то его доля должна составлять приблизительно 0,5% от общего содержания коллагена. И хотя это максимальная (к тому же расчетная) величина, она хорошо согласуется с результатами некоторых известных исследований (см. обсуждение в [2]). Такая незначительная доля проколлагена в общем количестве коллагена в коже должна означать, что в физиологических условиях только небольшая часть зрелого коллагена лабильна и может быть подвержена влиянию различных физических факторов.
Механические свойства проколлагена значительно хуже, чем свойства зрелого коллагена, а его доля в общем количестве коллагена настолько низка, что проколлагены не могут играть существенной роли в улучшении состояния кожи ни сразу после лечения, ни в течение несколько более длительного интервала времени после процедуры. Напротив, волокна зрелого коллагена отвечают за механические и структурные свойства кожи, однако период его полураспада настолько велик, что никакая существенная модификация этой структуры в квази-физиологических условиях не может произойти в течение нескольких дней или недель после проведенной эстетической корректирующей процедуры.
4 РЕАЛИСТИЧНЫЕ ОЦЕНКИ
Насколько реально улучшение состояния кожи вследствие неоколлагеногенеза после проведения неинвазивной или малоинвазивной эстетической процедуры?
Чтобы произвести разумную оценку, предположим, что период полураспада зрелого коллагена составляет приблизительно 15 лет. Предположим также, что количество проколлагена I типа в дерме возрастает после процедуры в 2,4 раза (что соответствует максимальному значению, наблюдаемому после омоложения кожи с помощью фотодинамической терапии спустя 7 дней после процедуры [8]) и что возросшее количество проколлагена остается в течение всего времени наблюдения неизменным (что, естественно, сильно завысит нашу оценку). При соблюдении всех указанных условий доля зрелого коллагена, замена которого произойдет в течение первых 7 дней после процедуры, составит всего 0,15%. Даже если бы концентрация проколлагена I типа выросла от своего базового значения в 24 раза и оставалась бы стабильной в течение всех этих 7 дней, доля замещенного зрелого коллагена все равно составила бы максимум 1,5%. Представляется крайне маловероятным, что подобное минимальное изменение качества и количества зрелого коллагена может вызвать видимое улучшение состояния кожи.
Примерно то же самое можно сказать и о неинвазивной радиочастотной терапии. Через два дня после процедуры, описанной в [9], содержание в коже мРНК проколлагена I типа увеличилось в 2,4 раза от своего базового значения, а через 7 дней после процедуры оно уже несколько упало и лишь в 1,7 раза превышало свое нормальное значение. В данном случае увеличение содержания проколлагена I типа еще меньше чем после фотодинамической терапии [8], а доля замещаемого зрелого коллагена спустя 7 дней после процедуры вообще ничтожно мала.
Очевидно, что для улучшения эффекта можно было бы применить одну из следующих стратегий:
– значительно увеличить продолжительность лечения;
– повысить интенсивность разовой процедуры, что должно привести к значительной активации синтеза проколлагена (правда, скорее всего, уже в нефизиологических условиях).
Обе стратегии должны были бы сочетаться с эффективным локальным подавлением активности MMP в области проведения процедуры. Например, после ежедневного применения в течение 12 месяцев ретиноина (одного из сильнейших натуральных ингибиторов MMP) в коже устанавливается стабильно повышенный (почти на 80% [10]) уровень содержания проколлагена I типа, что соответствует более чем 6%-му дополнительному ремоделированию фибриллярной сетки коллагена в физиологических условиях.
5 ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ПАТОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Если при квази-физиологических условиях проведения терапии в коже не происходит существенного неоколлагеногенеза, то, может быть, можно достичь более сильной реакции при создании патологических условий? Патологические условия связаны, как правило, с применением минимально инвазивных методов эстетической коррекции или со значительным повышением интенсивности отдельных процедур.
При минимально инвазивных корректирующих процедурах в ткани обычно происходит неоднородное (точечное или каналообразное) распределение поглощенной энергии. В этих участках энергия специально концентрируется таким образом, чтобы ее плотность превышала допустимый уровень толерантности соединительной ткани. При этом в соединительной ткани стимулируется более интенсивный синтез коллагена, правда, уже не за счет физиологического неоколлагеногенеза, а в основном за счет развития патологического фиброза, связанного с возникающими микроожогами и их последующим рубцеванием.
Физиологический и патологический виды производства коллагена существенно различаются в одном пункте: физиологический нео- коллагеногенез изотропен, фиброз же всегда анизотропен и приводит к совершенно иному распределению давления и натяжения в соединительной ткани. В патологических условиях подобные фиброзы могут развиваться достаточно быстро, приводя к появлению в коже более высокого напряжения, проявляющегося в таком же быстром улучшения ее состояния. Именно это является типичным эффектом при использовании фракционных методов омоложения, таких, как лазерные или радиочастотные (особенно при пропускании высокочастотного тока через введенные в кожу иглы). Как себя поведут сформировавшиеся после такой процедуры микрорубцы при повторном снижении тургора кожи, предсказать сложно, так как в настоящее время результаты пролонгированных клинических исследований после применения минимально инвазивных эстетических процедур подобного рода практически отсутствуют.
В патологических условиях еще один механизм может оказывать значительное влияние на общее содержание коллагена в коже. Этот механизм – выработка и миграция новых фибробластов. Его можно наблюдать, в частности, при заживлении ран, когда происходит быстрое и значительное восстановление кожных структур и большая часть поврежденного коллагена должна быть сначала разрушена и элиминирована, а затем заново синтезирована и замещена. В квази-физиологических условиях данный механизм играет второстепенную роль.
6 ВЫВОДЫ
Многие неинвазивные и минимально инвазивные методы эстетической коррекции приводят к быстрому неспецифическому улучшению состояния кожи. Такое улучшение, согласно теории, часто связывается с процессами неоколлагеногенеза, которые должны обеспечить получение длительного омолаживающего эффекта после применения подобных процедур. В качестве доказательства этому обычно приводится корреляция, наблюдаемая между стимуляцией синтеза коллагена (на уровне мРНК или проколлагена) и отмечаемым после проведения процедуры улучшением состояния кожи. Предположения такого рода противоречат, однако, известным результатам фундаментальных исследований.
Начальные стадии неоколлагеногенеза, не имеющие прямого отношения к улучшению состояния кожи, можно действительно существенно стимулировать за короткое время. Но эта стимуляция просто не может привести к существенной структурной перестройке сети зрелого коллагена в соединительной ткани. Поэтому в квази-физиологических условиях проведения процедур омоложения практически невозможно добиться того, чтобы подобная перестройка привела к быстрому улучшению состояния кожи. Данный вывод подтверждается и тем, что улучшение состояния кожи после применения неинвазивных или малоинвазивных процедур омоложения остается заметным только в течение относительно короткого периода времени. Если бы усиленное производство зрелого коллагена действи- тельно играло значительную роль при процедурах омоложения, то все достигнутые в тканях изменения должны были бы исчезать очень медленно (благодаря все той же ферментативной устойчивости зрелого коллагена), чего не наблюдалось практически ни в одном из известных клинических исследований.
Таким образом, можно утверждать, что, хотя неоколлагеногенез во времени (как минимум, на этапе формирования проколлагена) и пространстве коррелирует с кратковременным улучшением состояния кожи после проведения различных неинвазивных и малоинвазивных эстетических процедур, он не может являться причиной этого улучшения.
Поскольку разного рода краткосрочное или среднесрочное улучшение состояния кожи после применения различных неинвазивных терапевтических процедур невозможно объяснить процессом неоколлагеногенеза, возникает естественный вопрос: какой же механизм может отвечать за эти изменения? Этот вопрос будет обсужден в другой статье.
Литература
1. Fligiel SEG, Varani J, Datta SC, et. аl. JJ. Collagen degradation in aged/photodamaged skin in vivo and after exposure to matrix metalloproteinase-1 in vitro. J Invest Dermatol, 2003;120:842–848.
2. Kruglikov IL. Neocollagenesis in non-invasive aesthetic treatments. J Cosm Dermat Sci, 2012;аppl 2(4).
3. Orringer JS, Kang S, Johnson TM, et. аl. Connective tissue remodeling induced by carbon dioxide laser resurfacing of photodamaged human skin. Arch Dermatol, 2004;140:1326–1332.
4. Dang Y, Ye X, Weng Y, Tong Z, Ren Q. Effects of the 532- nm and 1,064-nm Q-switched Nd:YAG lasers on collagen turnover of cultured human skin fibroblasts: a comparative study. Lasers Med Sci, 2010;25:719–726.
5. El-Harake WA, Furman MA, Cook B, et. аl. Measurement of dermal collagen synthesis rate in vivo in humans. Am J Physiol, 1998;274:E586–E591.
6. Verzijl N, DeGroot J, Thorpe SR, et. аl. Effect of collagen turnover on the accumulation of advanced glycation end products. J Biol Chem, 2000;275:39027–39031.
7. Fisher GJ, Varani J, Voorhees JJ. Looking older. Fibroblast collapse and therapeutic applications. Arch Dermatol, 2008;144:666–672.
8. Orringer JS, Hammerberg C, Hamilton T, et. аl. Molecular effects of photodynamic therapy for photoaging. Arch Dermatol, 2008;144:1296–1302.
9. Zelickson BD, Kist D, Bernstein E, et. аl. Histological and ultrastructural evaluation of the effects of a radiofrequencybased nonablative dermal remodeling device. A pilot study. Arch Dermatol, 2004;140:204–209.
10. Griffiths CEM, Russman AN, Majmudar G, et. аl. Restoration of collagen formation in photodamaged human skin by tretinoin (retinoic acid). New Engl J Med, 1993;329:530–535.
