Гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота (или гиалуронан) – один из самых важных небелковых компонентов внеклеточного матрикса.

С химической точки зрения это полимер, состоящий из остатков D-глюкуроновой кислоты и D-N-ацетилглюкозамина.

Это уникальный ГАГ. Он не сульфированный и не образует протеогликанов, тем не менее обладает свойствами, характерными для остальных представителей группы.

Гиалуроновая кислота стабилизирует структуру коллагеновых волокон¹⁶, участвует во взаимодействии и миграции клеток и играет важную роль в регенерации тканей.

Самое примечательное свойство гиалуроновой кислоты – сохранение влаги: одна молекула гиалуронана способна захватить и удержать вокруг себя 500 молекул воды. В дальнейшем эта жидкость используется для увлажнения, клеточных взаимодействий или для создания объема ткани.

Именно последним свойством пользуются косметологи при инъекциях гиалуроновой кислоты, например, в губы. Гелеобразная субстанция, содержащая гиалуронан, будет «раздуваться» при любом увлажнении и поддерживать свой объем достаточно долго, чем и объясняется эффект подобных процедур.

Помимо того, что «гиалуронка» входит в состав внеклеточного матрикса, она – основной компонент слюны и синовиальной жидкости (которая служит биологической «смазкой» нашим суставам) и содержится в других биологических смазках, например между связками мышц¹⁷.

Синтезируется гиалуронан в коже преимущественно фибробластами дермы и обновляется довольно быстро – примерно треть всей гиалуроновой кислоты за день. Процесс происходит на внутренней поверхности мембраны фибробласта, в синтезе участвуют специальные ферменты – гиалуроновая синтаза трех видов (HAS-1, HAS-2 и HAS-3). После синтеза гиалуронан выбрасывается наружу¹⁸.

Гиалуроновая кислота способствует заживлению механических ран. Но при фотоповреждении возникает обратная ситуация: клетки перестают синтезировать гиалуроновую кислоту, вероятно, даже повышается синтез разрушающих ее ферментов. В итоге длинные молекулы гиалуронана разрываются, становятся более короткими и подают сигнал опасности, который стимулирует локальное воспаление, а затем и восстановление ткани¹⁹.

Любопытно, что экстремальное долгожительство и устойчивость к онкологическим заболеваниям голых землекопов – животных, которые стали популярным объектом для изучения механизмов старения, – объясняются высоким содержанием и особыми свойствами гиалуроновой кислоты в их коже. Крупные молекулы гиалуроновой кислоты голого землекопа подавляют воспаление и клеточное деление, препятствуя развитию онкологических заболеваний²⁰.

Гиалуронидаза

В связи с упоминанием о гиалуроновой кислоте расскажем об одном связанном с ней интересном факте. Как бы ни был полезен для организма гиалуронан, его избыток связан с развитием некоторых патологий, к примеру фиброза и склероза.

Для регуляции уровней содержания гиалуроновой кислоты и других веществ внеклеточного матрикса (мукополисахаридов) существует специальный разрушающий их фермент – гиалуронидаза. Она повышает проницаемость тканей, облегчая тем самым циркуляцию жидкостей в межтканевых пространствах и способствуя замедлению и предотвращению патологического роста соединительной ткани^[8].

В живой природе существует множество видов этого фермента.

Гиалуронидаза может участвовать и в патологических процессах, связанных с инфекциями. Дело в том, что бактерии взяли на вооружение главное свойство гиалуронидазы – прореживание соединительной ткани – и используют его для повышения собственной патогенности (то есть способности заражать организм).

Гиалуронидаза бактерий, которую они впрыскивают в клетки человека и животных при попадании внутрь, расщепляет гиалуроновую кислоту и другие мукополисахариды кожи, подкожной и межмышечной клетчатки. Это позволяет патогенам убирать на своем пути препятствия и проникать в глубоко лежащие ткани.

Среди бактерий, имеющих на вооружении фермент гиалуронидазу, можно перечислить: клостридий (имеют еще один расщепляющий матрикс фермент – коллагеназу, вызывают столбняк, ботулизм, злокачественный отек и многие другие болезни), стафилококков (имеют еще один расщепляющий фермент – фибринолизин), возбудителей чумы Yersinia pestis (также имеют фибринолизин), дифтерийную палочку Corynebacterium diphtheriae (имеет еще один расщепляющий фермент – нейраминидазу), стрептококков (имеют целый ряд расщепляющих ферментов – протеазы, липазы, эстеразы, дезоксирибонуклеазы) и других.

Кроме бактерий, гиалуронидазу синтезируют скорпионы и змеи в составе ядов, а также пиявки.

Обновление матрикса

Компоненты матрикса постоянно обновляются: старые расщепляются матриксными металлопротеиназами, а новые синтезируются специализированными клетками (например, фибробластами и хондроцитами). Интенсивнее всего такой синтез происходит после повреждений и ожогов.

Некоторые компоненты матрикса обновляются быстро, другие, например коллаген и эластин, – поразительные долгожители. Период полураспада коллагена в межпозвоночных дисках составляет целых 95 лет²¹! Логично, что он претерпевает различные химические изменения и со временем накапливает повреждения.

Остановимся на металлопротеиназах. Они разрушают белки матрикса, тем самым позволяя ему обновляться и перестраиваться. В каталитический центр этих ферментов входит металл (отсюда и название), чаще всего это цинк, реже – кобальт. Как и другие ферменты, они подразделяются на две группы: экзопептидазы (отщепляют аминокислоты от конца белка) и эндопептидазы (расщепляют белок внутри пептидной цепи).

Металлопротеиназы, к примеру, помогают разрушать матрикс, чтобы проложить сквозь него новые кровеносные сосуды, то есть участвуют в процессе ангиогенеза.

Регулирует работу матриксных металлопротеиназ белок катепсин С^[9] (относится к протеиназам)²². Он отщепляет небольшой фрагмент от протеиназ-мишеней и переводит их из неактивного состояния в активное. В частности, катепсин С выделяется клетками иммунной системы²³, и его роль значительна при развитии воспалительной реакции, поскольку необходимо активировать матриксные металлопротеиназы для устранения и обновления межклеточного вещества в воспаленной ткани.

На данный момент известно, что основную роль в процессе репарации дермы играют фибробласты. Интересны работы по стимулированию фибробластов для выработки коллагена. Они могут помочь не только в разработке препаратов для заживления ран, но и при реставрации стареющих тканей за счет синтеза новых компонентов межклеточного матрикса.

Экспериментально было показано, что фактор роста фибробластов-1 стимулирует развитие собственной ткани организма и помогает ранам эффективно закрыться (тем самым блокируя инфекцию и уменьшая образование рубцов). Использование фактора роста фибробластов – более эффективный способ заживления ткани, чем применение существующих тканевых герметиков^[10], так как в результате его применения образуется очень прочный коллаген типа I²⁵.

Общение матрикса с клеткой

Здесь важно сказать о селектинах – гликопротеинах, пронизывающих мембрану клетки и участвующих в связывании клетки с матриксом и другими клетками. По своей природе они относятся к семейству лектинов – белков, прочно и специфично связывающихся с остатками углеводов, что необходимо для узнавания клетками друг друга. Важно помнить, что селектины, как и другие лектины, участвуют не только в связывании клеток, но и во внутриклеточной сигнализации.

Они также играют роль в привлечении и миграции лейкоцитов в места воспаления. Это делает селектины незаменимыми для формирования иммунного ответа. Почему это важно, расскажем немного позднее.

Активация селектинов иногда происходит при развитии патологических процессов, например при атеросклерозе, тромбозе глубоких вен и запуске метастазирования у опухолей. Значит, в некоторых случаях искусственная блокировка селектинов может облегчить течение заболевания²⁷.

Связь старения и матрикса

Изменение матрикса с возрастом

С возрастом матрикс теряет эластичность, становится более жестким. Также жесткости способствует образование избыточных поперечных сшивок между волокнами коллагена и эластина. Вернемся к нашему любимому образцу матрикса – коже: все это хорошо заметно и проявляется в виде морщин и потери упругости.

Повышение жесткости матрикса связывают с развитием ряда возрастных заболеваний: утолщения стенок сосудов и увеличения их жесткости²⁸, изменений в тканях сердца²⁹, онкологических³⁰ и нейродегенеративных заболеваний³¹.

На молекулярном уровне жесткость нарушает общение матрикса с клетками, сбивает работу иммунной системы, способствует хроническому воспалению.

Разберем все эти процессы немного подробнее.

Потеря эластичности

Эластичность тканей очень важна для работы органов кровеносной, дыхательной и некоторых других систем. В первую очередь от эластических волокон зависит упругость стенок кровеносных сосудов и в итоге – кровяное давление во всем организме.

Необратимое разрушение волокон со временем запускает и другие процессы старения, например воспаление. Дальше запускаются хорошо нам знакомые «порочные круги».

Разрушение эластических волокон также приводит к высвобождению биоактивных пептидов – фрагментов эластина, так называемых эластокинов, играющих активную роль в разных физиологических процессах, включая клеточную адгезию, хемотаксис, миграцию и пролиферацию клеток, активацию протеаз и апоптоз³². Выделение эластокинов – одна из основных причин запуска «порочных кругов» воспаления, генерации активных форм кислорода (АФК), чрезмерной экспрессии разрушающих матрикс протеаз и прочих патологических процессов.

Рассмотрим основные факторы снижения эластичности матрикса и основные патологические последствия старения эластических волокон (рис. 2).

Во-первых, это внешние небиологические факторы: ультрафиолет, активные формы кислорода (АФК), табак и другие^{33, 34, 35, 36, 37}.

Во-вторых, активность ферментов, отвечающих за образование поперечных сшивок волокон: когда их становится слишком много, жесткость ткани повышается, а эластичность – снижается.

Третий фактор – неферментативные повреждения, возникающие в ходе химических реакций: гликирования, окисления, кальцификации и т. д. Также к неферментативным повреждениям стоит отнести механический износ волокон и карбамилирование. Наличие старых, изношенных волокон в ткани неизбежно ведет к потере их эластичности и многочисленным патологиям кровеносной и дыхательной систем, таким как гипертоническая болезнь и эмфизема легких.

Таким образом, здоровый образ жизни не может полностью предотвратить внутренние процессы старения эластина. Они связаны с модификацией эластиновых волокон липидами, а также их кальцификацией и ферментативной деградацией. Липиды, кальций и углеводы – часть рациона человека, и эластин накапливает все больше и больше повреждений с возрастом. В итоге продолжительность жизни человека ограничена сроком сохранения эластических свойств кровеносной и дыхательной систем, что примерно составляет 100–120 лет⁹.

Рисунок 2.1. Внешние и внутренние факторы, влияющие на эластичность матрикса при старении. Патологические последствия старения эластических волокон⁵. (1) карбамилирование; (2) механическая усталость; (3) цистеиновые протеазы; (4) курение; (5) гликирование; (6) сериновые протеазы; (7) рацемизация аспарагиновой кислоты; (8) кальцификация; (9) активные формы кислорода; (10) матриксные металлопротеазы; (11) УФ-излучение; (12) загрязнение воздуха; (13) окислительное повреждение

Рисунок 2.2. Патологические последствия старения эластических волокон

Механическая связь с клеткой

Свойства матрикса сильно влияют на функционирование связанных с ним клеток, в частности на их развитие и дифференцировку. Клетки «чувствуют» степень жесткости матрикса при помощи различных механорецепторов: силы натяжения, сжатия и сдвига переводятся в биохимические сигналы. Этот процесс известен как механотрансдукция^[11].

Растущая с возрастом жесткость матрикса и изменения в его структуре влияют на работу клеток, их способность к адгезии, снижение подвижности и другие аспекты их поведения⁴¹. Более того, повышение жесткости матрикса приводит к высвобождению клетками факторов роста, стимулирующих синтез компонентов матрикса и еще сильнее ее увеличивающих⁴² (рис. 3).

Многочисленные данные подтверждают, что клетки активно перестраивают окружающий их матрикс для поддержания оптимального уровня его жесткости⁴³.

Рисунок 3. Механизмы повышения жесткости внеклеточного матрикса, силы механического натяжения и биохимические изменения, возникающие в ответ на возрастание жесткости матрикса