Старение кожи, ассоциированное с инволюционными изменениями фибробластического дифферона и внеклеточного матрикса дермы

С возрастом в популяции дермальных фибробластов (ДФ) наблюдается уменьшение численности клеток, что подтверждено в ряде научных работ. Так, в исследовании L. Sole’-Boldo и соавт. (2020), проведенном с использованием одноклеточного секвенирования РНК ДФ из фотозащищенной кожи молодых и пожилых людей (проанализированы транскриптомы более 5000 ДФ), выявлено значимое сокращение численности этих клеток с возрастом [1]. Более раннее исследование J. Varani и соавт. (2006) продемонстрировало, что общее количество ДФ в группе пациентов в возрасте 80 лет и старше по сравнению с молодыми пациентами (18–29 лет) снижено в среднем на 35% [2].

Уменьшение численности ДФ оказывает существенное влияние на биологию кожи, поскольку фибробласты являются ведущими клетками ее соединительнотканной основы — дермы. Именно они отвечают за продукцию, организацию и обновление компонентов внутриклеточного матрикса (ВКМ), обеспечивающего морфофункциональные характеристики соединительной ткани [3]. Соответственно сокращение количества ДФ приводит к нарушению гомеостаза кожи и сопровождается значительными изменениями в ее микро- и макроструктуре [4].

Эти процессы в популяции ДФ носят селективный характер. Так, анализ характеристик фибробластов сосочкового и сетчатого слоев дермы показал, что с возрастом наиболее выраженные изменения претерпевают фибробласты сосочкового слоя [5]. Вероятно, это связано с преобладанием в составе фибробластов сосочкового слоя стволовых/прогениторных клеток (СК, тканеспецифичных мезенхимальных стволовых/стромальных клеток), в популяции которых изменения происходят в первую очередь [6].

Главной особенностью СК является способность к самоподдержанию и дифференцировке. Обеспечивая кожу, как и другие ткани организма, дифференцированными (зрелыми) фибробластами, они тем самым играют ключевую роль в поддержании гомеостаза тканей [7, 8]. Выявлено, что с возрастом происходит количественное и качественное снижение функций СК [9], которое приводит к истощению пула этих клеток, а соответственно, и к снижению регенеративных способностей тканей организма, что является одной из основных причин старения последних [10, 11].

Истощение пула СК имеет ряд причин, к основным из которых относят: снижение способности СК к поддержанию своего количества и сокращение их пролиферативного потенциала [7, 12], избыточную пролиферацию СК, способствующую истощению их пула [11, 13], усиление апоптоза [14], укорочение теломер [11, 15], клеточное старение [12, 15, 16]. Повреждения в самих СК (и их накопление с возрастом) затрагивают ДНК этих клеток, эпигенетическую регуляцию генома (модификацию гистонов, метилирование ДНК и пр. [7, 11], белковый и митохондриальный комплексы и другие клеточные структуры [8, 16].

Результаты исследований указывают на то, что изменения, ассоциированные с истощением пула СК, могут быть связаны с нарушениями не только в самих СК, но и в их нишах (микроокружении), от которых клетки постоянно получают сигналы, обеспечивающие их адекватное функционирование, в частности, повышение жесткости ВКМ ниши может приводить к нарушению функций СК [17, 18].

Таким образом, истощение пула СК является следствием множества повреждений, наблюдаемых в самих клетках и их микроокружении. Однако в первую очередь оно коррелирует с нарушениями в генетическом аппарате клетки [13], которые приводят к нестабильности генома и завершаются прекращением процессов клеточной пролиферации [18].

Нарушения в генетическом аппарате клетки происходят под влиянием ряда факторов как внутренних, так и внешних. К первым относятся активные формы кислорода (АФК), продуцируемые промежуточными продуктами метаболизма и дисфункциональными митохондриями, ошибки репликации и репарации ДНК, конечные продукты гликирования, дисфункция и укорочение теломер, воспаление окружающей ткани [19]. В результате воздействия этих факторов в каждой клетке может происходить около 100 000 повреждений ДНК в сутки.

Во вторую группу — внешних факторов — входят УФ- и рентгеновские лучи, химические вещества, табачный дым, алкоголь, вирусные инфекции [7, 18, 20].

Для клеток кожи наиболее значимо воздействие АФК, которые, повреждая ядро и другие органеллы клетки, способствуют индукции как хронологического, так и фотостарения [20, 21]. При фотостарении АФК образуются под влиянием УФО в результате фотохимических реакций, при хроностарении генерация АФК регулярно происходит в ДФ и кератиноцитах из молекулярного кислорода в процессе аэробного дыхания и клеточного метаболизма [22].

В нестабильности генома СК значительную роль играет и наблюдаемое с возрастом снижение его репаративных способностей. Этот процесс приводит как к невозможности репарации возникающих повреждений, так и к ошибкам репарации, вызывающим новые повреждения и прогрессирование накопления мутаций [11].

Изменения генома СК, по всей видимости, являются итогом реализации генетической программы, определяющей стабильность генома и динамику экспрессии различных генов на разных стадиях онтогенеза [23].

Состояние генетической нестабильности, сопровождаемое нарушением транскрипции жизненно важных генов и клеточного метаболизма, приводит к клеточному старению [24], которое фенотипически связано с широким спектром изменений на молекулярном и клеточном уровнях, включая геномные и эпигеномные изменения, дисфункцию митохондрий, нарушение протеостаза и функций других клеточных структур, дерегулирование сигнальных путей [7, 8, 16, 18] (см. таблицу).

Характеристика клеточных и молекулярных признаков клеточного старения [8]

Так, при повреждении ядерной ДНК происходит индукция ответа клетки на повреждение ДНК (ОПД), представляющего собой скоординированный каскад клеточных и неклеточных автономных реакций, главная цель которого — предотвращение пролиферации поврежденных и, следовательно, потенциально онкогенных клеток [11, 18]. ОПД приводит к активации сигнальных путей эффекторов старения — ингибиторов циклинзависимой киназы p53-p21 и/или p16INK4a [25]. Это, в свою очередь, приводит или к репарации ДНК, и клетка продолжает свой жизненный путь, или к гибели клетки (апоптозу), или к необратимой остановке клеточного цикла — клеточному старению (сенесценции, от лат. senex — старый), такие клетки получили название сенесцентных (сенК), по всей видимости, этот путь развития «судьбы клетки» вносит самый существенный вклад в истощение пула СК [12, 13, 16, 18].

Повреждение ядра клетки неизбежно приводит к нарушению функционирования и других клеточных структур, что сопровождается усилением в ней дегенеративных процессов. Так, увеличивающаяся с возрастом нестабильность ядерного генома имеет критическое значение для функционирования митохондрий (ключевых органелл эукариотических клеток, играющих центральную роль в производстве АТФ и биоэнергетике клетки), что способствует еще большему увеличению продукции АФК и прогрессированию старения СК [24, 26]. Дисфункция митохондрий, по мнению исследователей, служит важным фактором индукции как хронологического, так и фотостарения кожи и, возможно, составляет общее звено между ними [20, 27].

В процессе клеточного старения наблюдается также и нарушение протеостаза клетки, это приводит к снижению клеточных функций и окислению липидов клеточной мембраны, что способствует сокращению эффективности трансмембранного транспорта и нарушению функционирования трансмембранных сигнальных путей [12, 28].

Таким образом, клеточное старение представляет собой сложный процесс, включающий повреждение структуры и нарушение жизнедеятельности практически всех органелл клетки. Как следствие, формируется аутокринный замкнутый круг нарушений ее функционирования.

Сенесцентные ДФ (сенДФ), как и другие сенК, претерпевают морфологические изменения, в результате которых развивается их резистентность к апоптозу, что способствует накоплению этих клеток в дерме [29], и изменяется паттерн экспрессии генов. Причинами устойчивости сенДФ к апоптозу может служить, в частности, увеличение в них уровня таких антиапоптических белков, как BCL-2 и FOXO4 [30]. Измененный же паттерн экспрессии генов приводит к изменению метаболизма сенК и секреции широкого спектра растворимых и нерастворимых факторов, которые принято называть секреторным фенотипом, связанным со старением (Senescence-Associated Secretory Phenotype — SASP) [31, 32]. В составе SASP множество провоспалительных цитокинов/хемокинов, факторов роста, металлопротеиназ (ММП), внеклеточных везикул (экзосом) и других факторов. За счет секреции этих факторов SASP сенДФ «паракринным» путем способствуют старению соседних СК, воспалению ткани и за счет действия ММП — деструкции/деградации ВКМ дермы.

Идентифицируют сенДФ, не имеющие характерных маркеров, как и другие сенК, посредством комбинации характерных признаков [33].

Выявлено, что с возрастом в коже наблюдается накопление сенДФ, которые посредством ассоциированного с ними специфического SASP с помощью паракринных механизмов способствуют истощению пула СК, нарушению регенеративных способностей ткани и соответственно индукции и прогрессированию ее старения [19, 20].

У молодых людей иммунная система эффективно удаляет сенК из организма, с возрастом же ее функции снижаются [10] и наблюдается накопление этих клеток в тканях. В результате происходит деструкция последних за счет ряда патофизиологических процессов, опосредуемых SASP, как на уровне тканей, так и на уровне клеточных популяций [19, 32–37].

На уровне тканей наблюдаются деградация ВКМ, вызванная гиперпродукцией сенДФ ММП [34], и слабо выраженное хроническое асептическое воспаление, развивающееся вследствие секреции этими клетками множества провоспалительных факторов [19, 37], которые рекрутируют макрофаги, нейтрофилы и Т-клетки, инфильтрирующие ткани [35]. В результате происходят деградация мембранных рецепторов, сигнальных путей, белков и других компонентов ВКМ, изменение функций ниши СК, нарушение процессов аутофагии, активация NF-kB (транскрипционного ядерного фактора активированных В-клеток), способствующего прогрессированию воспаления в тканях [36]. Эта тесная связь старения и воспалительного процесса получила название инфламмэйджинг (inflammaging — воспаление + старение).

На уровне клеточных популяций развиваются прежде всего изменения, связанные с паракринным распространением фенотипа старения на СК, находящиеся в пространственной близости от сенК, — так называемое старение стороннего наблюдателя [37]. Таким образом, патогенетические процессы, связанные с накоплением с возрастом в кожных тканях дисфункциональных сенДФ, приводят к истощению пула СК и соответственно к снижению регенеративных способностей тканей и прогрессированию в них процессов старения [20].

Представленные молекулярные и клеточные механизмы, наблюдаемые в коже с возрастом, позволяют заключить, что изменения как в самих СК, так и в их микроокружении (нишах) вызывают истощение популяции СК — клеток — основоположников фибробластического дифферона, которое, в свою очередь, приводит к уменьшению численности дифференцированных (зрелых) ДФ, отвечающих за продукцию и ремоделирование ВКМ, а следовательно, и к снижению регенеративных способностей кожи, необратимому прогрессированию ее старения.

С возрастом в коже наряду с изменениями в фибробластическом диффероне, сопровождаемыми снижением регенеративного потенциала ткани и ее старением, происходят нарушения структуры, качества и функционирования ВКМ дермы, что способствует дальнейшему прогрессированию деструктивных процессов кожной ткани [38].

Показано, что сигналы, поступающие в дерму извне, воспринимаются ВКМ и передаются ДФ, которые, получая эти сигналы, обеспечивают гомеостаз ВКМ [39]. При этом функционирование ДФ напрямую зависит от состояния окружающего их коллагенового матрикса (КМ). При неповрежденном КМ наблюдаются адекватная адгезия и механическое натяжение ДФ, что позволяет этим клеткам обеспечивать гомеостаз коллагена, а ВКМ полноценно регулировать клеточные процессы, включая миграцию, пролиферацию, дифференцировку, апоптоз [40].

При повреждении целостности КМ, которое наблюдается и при хронологическом, и при фотостарении происходят изменения в передаче клеткам исходящих от ВКМ механических сигналов, нарушением баланса между внутренним натяжением в ДФ и давлением на них извне [23]. Это приводит к тому, что клетки теряют способность растягиваться, и, следовательно, нарушается их функциональная активность, продукция ими коллагена снижается, а выработка ММП, напротив, увеличивается, что способствует еще большей дезорганизации коллагена. Причем наблюдается параллельное снижение содержания коллагенов I и III типов, составляющих основные структурные волокна ВКМ дермы.

Несмотря на разную этиологию, в основе нарушений, наблюдаемых при обоих типах старения, лежат общие фундаментальные молекулярные механизмы [23]. Как полагают, главным их триггером является оксидативный стресс (ОС) [21, 41].

ОС в ДФ может формироваться как под действием УФО, так и вне связи с ним из молекулярного О₂ при аэробном дыхании и клеточном метаболизме [22]. Образовавшиеся АФК аккумулируются в ДФ и, преодолевая снижающуюся с возрастом антиоксидантную защиту, инициируют каскад сигнальных путей, индуцирующих нарушение гомеостаза коллагена (рис. 1) [42].

Рис. 1. АФК-опосредованная активация каскадов молекулярных сигнальных путей в коже человека [42].

В молодой и неповрежденной УФО коже нисходящие сигнальные пути в ДФ поддерживаются на низком уровне активации (см. рис. 1) [42, 43], что способствует низкой продукции ММП и адекватному синтезу коллагена; соответственно гомеостаз коллагена в кожных тканях сохраняется.

С возрастом АФК, которые образуются в ДФ в большой концентрации, активируют нисходящие сигнальные пути, включая семейство митогенактивируемых протеинкиназ (МАПК). Активация МАПК, в свою очередь, инициирует экспрессию факторов c-Fos и c-Jun, которые, объединяясь, образуют транскрипционный фактор — активирующий белок АП-1. Этот белок — главный индуктор нарушения гомеостаза коллагена в коже и центральное звено в патогенезе обоих типов старения (рис. 2) [23].

Рис. 2. Основные сигнальные пути, участвующие в нарушении гомеостаза коллагена.

АП-1 играет ключевую роль в увеличении экспрессии генов, отвечающих за синтез ММП (ММП 1, 3 и -9) [43]. В результате наблюдается деструкция КМ. Одновременно с этим активация АП-1 приводит к снижению синтеза проколлагена I и III типов путем блокировки сигнальных путей трансформирующего фактора роста TGF-β — главного регулятора гомеостаза коллагена в коже [23]. TGF-β осуществляет контроль гомеостаза, регулируя продукцию коллагена и его деградацию посредством сигнального пути Smad (TGF-β/Smad) через CCN2-фактор роста соединительной ткани [44].

Кроме того, АП-1, снижая на поверхности ДФ уровень TRII (рецептора II типа) к TGF-β, ингибирует фосфорилирование белков Smad 2/3 — важных транскрипционных модуляторов генов, отвечающих за синтез проколлагенов, и индуцирует сигнальные пути, блокирующие сигнальный путь TGF-β, подавляющий синтез проколлагенов (см. рис. 1) [44, 45]. Подавление экспрессии TRII к TGF-β на поверхности ДФ и активация АП-1 происходят также и посредством ассоциированного с ВКМ матрицеллюлярного белка CCN1 (см. рис. 2) [46]. В результате увеличения уровня CCN1 снижается экспрессия генов, отвечающих за синтез коллагена, и повышается экспрессия генов, отвечающих за синтез ММП-1.

Другим важным фактором нарушения гомеостаза коллагена является аккумуляция с возрастом в коже сенДФ. Выделяемый ими SASP характеризуется высоким уровнем ММП, фрагментирующих КМ, и провоспалительных цитокинов [19, 20, 33] (см. рис. 2). Последние, как показано, активируют транскрипционный фактор АП-1, индуцирующий продукцию ММП, что способствует деградации белков ВКМ и тем самым прогрессированию старения кожи, включая ее истончение и образование морщин [20]. В сенДФ отмечена также выраженная редукция сигнального пути IGF-1 — инсулиноподобного фактора роста, что сопровождается нарушением эпидермального морфогенеза и соответственно атрофией эпидермиса (IGF-1 синтезируется ДФ и участвует в регуляции пролиферации и дифференцировке эпидермальных клеток [47]).

Следует отметить, что в КМ дермы происходят не только ультраструктурные, морфометрические и механические изменения, но и конформационные. Речь идет об изменении макромолекулы коллагена вследствие его модификации за счет образования так называемых AGE-продуктов (AGEs). AGEs — крайне стабильные и резистентные к протеолитическому действию ММП конечные продукты неферментативной реакции между углеводами и свободными аминогруппами белков, т.е. гликирования [48]. В результате образования и аккумуляции AGEs происходия увеличение жесткости ВКМ дермы, нарушение биохимических свойств коллагена, необходимых для взаимодействий ВКМ и ДФ, нарушение клеточных процессов, включая адгезию и миграцию ДФ [49, 50].

Таким образом, с возрастом на гомеостаз коллагена кожи человека наблюдается многофакторное наступление.

Наблюдаемые в процессе старения КМ дермы многочисленные структурные изменения, в свою очередь, вызывают изменения морфологии и размеров ДФ [42, 49]. Так, плоские растянутые клетки с выраженными ядром и цитоплазмой, контактирующие с множеством неповрежденных коллагеновых волокон, превращаются с возрастом в редуцированные полуразрушенные клетки с остатками цитоплазмы. При этом увеличивается открытое пространство, окружающее ДФ (количество контактов ДФ с КМ уменьшается в среднем на 80%, а площадь клеточной поверхности — на 75%) [1, 42, 51]. Изменяется и секреторный профиль ДФ: снижается синтез коллагена и увеличивается продукция ММП, усугубляющие нарушение коллагенового гомеостаза кожи. Последнее приводит к формированию положительной обратной связи, стимулирующей дальнейшую деградацию ВКМ [52]. Как следствие, образуется замкнутый круг, способствующий дальнейшему прогрессированию старения кожи [42].

Очевидно, что многостороннее влияние ВКМ на ДФ настолько значительно, что правильнее рассматривать их связь не как взаимодействие, а как абсолютную взаимозависимость [23].

Изменения, наблюдаемые в дерме при старении, связаны как с ее основным клеточным компонентом — ДФ, так и с продуцируемым ими ВКМ дермы. Уменьшение численности популяции ДФ, которое происходит в первую очередь за счет истощения пула клеток-предшественников ДФ, приводит к снижению регенеративного потенциала кожной ткани. Вместе с тем развивающиеся возрастные структурные и конформационные изменения ВКМ дермы вызывают нарушение функций дифференцированных (зрелых) ДФ, отвечающих за ремоделирование/обновление ВКМ. Все эти деструктивные процессы образуют замкнутый круг, способствующий постоянному прогрессированию старения кожи.

Не вызывает сомнений, что исследование и понимание молекулярных механизмов вышеописанных процессов чрезвычайно важно, поскольку открывает путь для поиска новых подходов к решению данной непростой проблемы. Так, учитывая колоссальную роль сенДФ в старении тканей, в настоящее время многие лаборатории мира активно занимаются разработкой препаратов — так называемых сенолитиков, позволяющих избирательно удалять из тканей сенК, и сеноморфиков, которые ингибируют деструктивные эффекты SASP [53–55]. Не менее актуален и вопрос о разработке методов/препаратов, которые позволили бы снизить жесткость ВКМ дермы, включая ниши СК [56]. Можно ожидать, что такие инновационные подходы позволят обеспечить поддержание количественных и качественных функций СК, а соответственно и регенеративного потенциала тканей, препятствуя тем самым прогрессированию процесса их старения.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.