Ochronne bariery fizykochemiczne skóry: naturalny czynnik nawilżający (NMF), macierz oraz płaszcz hydrolipidowy naskórka

Ludzka skóra jest narządem pełniącym szczególną rolę w zakresie utrzymania homeostazy organizmu. Jako bariera fizjologiczna oddzielająca organizm od czynników zewnętrznych środowiska, bierze udział w procesach integracji w zakresie utrzymania m.in. funkcji termoregulacyjnych, immunologicznych oraz równowagi wodno-elektrolitowej.
Prawidłowe funkcjonowanie skóry jest uwarunkowane m.in. stanem znajdującego się na jej powierzchni płaszcza hydrolipidowego oraz odpowiednim stopniem jej nawilżenia. Skóra nawilżona prawidłowo wiąże około 20% wody zawartej w organizmie, przy czym aż 60–70% wody znajduje się w skórze właściwej. To warunkuje m.in. jej prawidłowe napięcie oraz równowagę w zakresie utrzymania funkcji procesów metabolicznych.

Woda w skórze migruje zawsze z jej wnętrza w kierunku powierzchni i odparowuje (ucieczka wody przez naskórek; ang. Transepidermal Water Loss - TEWL). Wysychanie skóry jest więc zjawiskiem naturalnym. Ponadto woda wprowadzona do skóry z zewnątrz nie jest w niej zatrzymywana i szybko odparowuje. Stan nawilżenia skóry nie zależy jedynie od ilości wody dostarczonej z zewnątrz, ale przede wszystkim od zdolności skóry do jej zatrzymania. Pomiędzy szybkością migracji wody na zewnątrz i jej odparowywaniem, a szybkością jej przenikania powinna istnieć równowaga. Zahamowanie naturalnej utraty wody ze skóry uzyskać można dzięki ograniczeniu jej parowania (m.in. poprzez zmniejszenie gradientu stężeń), poprzez zwiększenie zdolności skóry do wiązania wody (obecność substancji higroskopijnych) oraz poprzez tworzenie układów barierowych (m.in. bariery lipidowej).

Niewłaściwe nawilżenie skóry, jej suchość i utrata elastyczności zaburzają procesy integracyjne tego narządu w zakresie funkcji ochronno-obronnych co manifestuje się jej nadwrażliwością (tj. brakiem tolerancji na powszechnie występujące czynniki środowiska). Skóra odwodniona staje się zatem bardziej podatna na niekorzystne działanie czynników fizykochemicznych (m.in. temperatura, wiatr, promieniowanie UV, mikrourazy oraz woda, detergenty, niewłaściwie dobrane kosmetyki) czy też biologicznych (grzyby, wirusy, bakterie).

W skórze istnieją naturalne systemy odpowiedzialne za utrzymanie w niej wody. W skórze właściwej za procesy te odpowiedzialne są m.in. glikozoaminoglikany (m.in. kwas hialuronowy, chondroityna oraz siarczany dermatanu, heparanu, keratanu) polisacharydy oraz białka (kolagen, elastyna). Egzogenna biodostępność ww. substancji jest ograniczona.
Funkcję podstawowej bariery fizykochemicznej skóry pełni naskórek, a przede wszystkim jego warstwa rogowa. Ma ona właściwości i skład biochemiczny całkowicie różny od warstw skóry położonych poniżej. Właściwa warstwa naskórkowa zostaje wytworzona w prawidłowym procesie rogowacenia komórek naskórka.

Proces ten polega na przechodzeniu i różnicowaniu czynnych podziałowo keratynocytów (dojrzewających komórek nabłonkowych) z warstwy podstawnej naskórka (rozrodczej, stratum basale; warstwa jednokomórkowa), poprzez warstwy kolczystą (stratum spinosum; warstwa 5-8 komórkowa) oraz ziarnistą (stratum granulo sum; warstwa 2-3 komórkowa) do warstwy rogowej (zrogowaciałej, stratum corneum; warstwa 15-20 komórkowa). Proces dojrzewania trwa około 14-28 dni. Przez kolejnych 14 dni korneocyty pozostają w warstwie rogowej, a następnie podlegają procesowi fizjologicznego złuszczania. Odnowa całej grubości naskórka trwa około 28 dni.

Proces fizjologicznej proliferacji, różnicowania, rogowacenia i złuszczania warstwy naskórkowej zaprezentowano na ryc. 1.

Ryc. 1. Proces rogowacenia naskórka (http://3.bp.blogspot.com/-65YHZBSyPqk/UxWor9Y1TGI/AAAAAAAAANQ/FiL-ThNqzYQ/s1600/Figure+1.jpg)

Podczas migracji keratynocytów w kierunku zewnętrznych warstw skóry zachodzi w nich szereg istotnych zmian, m.in. obniża się stopniowo ich aktywność metaboliczna, komórki ulegają stopniowo odwodnieniu i rogowaceniu, zachodzą w nich także procesy prowadzące do wytworzenia wewnętrznej koperty rogowej – struktury znajdującej się bezpośrednio pod błoną plazmatyczną, złożonej z białek: inwolukryny, lorykryny i filagryny. Koperta rogowa stanowi wewnątrzkomórkowy fragment bariery naskórkowej. Równolegle, w miarę postępu procesu rogowacenia, zachodzą procesy wytwarzania keratyny (białka nierozpuszczalnego w wodzie i odpornego na działanie czynników chemicznych), naturalnego czynnika nawilżającego (natural moisturizing factor – NMF) oraz płaszcza hydrolipidowego

Keratynocyty stają się stopniowo coraz bardziej płaskie, tracą jądra i umierają, tworząc warstwę terminalnie zróżnicowanych komórek zwanych korneocytami. Martwe i bezjądrzaste komórki tworzą tzw. warstwę rogową naskórka złuszczając się w tzw. procesie keratynizacji.
Warstwa rogowa skóry w sensie strukturalnym przypomina mur, gdzie cegłami są korneocyty, połączone ze sobą za pomocą kondesmosomów, zaprawą (cementem) natomiast jest tzw. macierz lipidowa, o charakterze hydrofobowym.

Ryc. 2. Struktura warstwy rogowej naskórka (Heather Brannon, MD lisensed to About com, Inc, 2007.)

Naskórek nie posiada naczyń krwionośnych, a jego odżywianie następuje na drodze dyfuzji substancji odżywczych i tlenu z obszaru skóry właściwej (zgodnie z gradientem stężeń), stąd o właściwościach barierowych naskórka decydują:
1/ białka (ilość i jakość) budujące korneocyty, istotny składnik wewnątrzkomórkowy tworzący NMF,
2/ macierz (cement) wypełniająca przestrzenie międzykomórkowe warstwy rogowej naskórka
3/ zewnątrzkomórkowy płaszcz hydrolipidowy warstwy rogowej (Ryc. 2).

Naturalny czynnik nawilżający (natural moisturizing factor – NMF)

Naturalny czynnik nawilżający to wewnątrzkomórkowy zespół składników warstwy rogowej odpowiadający za prawidłowe nawilżenie naskórka. To mieszanina związków o niskiej masie cząsteczkowej o charakterze hydrofilowym, m.in. aminokwasów, pyrolidonowego kwasu karboksylowego (ang. pyrrolidone carboxylic acid – PCA), mocznika, mleczanów, kreatyniny, glukozaminy, amoniaku oraz jonów sodowych, potasowych, wapniowych, magnezowych, chlorkowych i innych.
Aminokwasy stanowią podstawowy składnik NMF (48%). Powstają one w warstwie ziarnistej naskórka z białka, profilagryny. W procesach defosforylacji oraz proteolizy profilagryna zmagazynowana w ziarnistościach keratohialinowych ulega przekształceniu do filagryny, a dalsze etapy jej hydrolizy do pojedynczych aminokwasów zależne są od stopnia wilgotności środowiska. Najefektywniej hydroliza zachodzi przy wskaźniku uwodnienia tkanek (ang. water activity – WA) utrzymującym się w granicach 0,7–0,95.
Mutacje w zakresie regionu genów, określanego naskórkowym kompleksem różnicowania, a zwłaszcza zaburzenia ekspresji genu filagryny znajdującego się na krótkim ramieniu chromosomu 1, uznane są za jeden z istotnych mechanizmów uszkodzenia bariery naskórkowej.

Macierz

Hydrofobowa macierz (cement) międzykomórkowa składa się głównie z lipidów i ich pochodnych oraz węglowodanów. Macierz jest układem stabilnym termodynamicznie. Jest to układ składający się z miceli lipidowych, stabilizowanych oddziaływaniami niepolarnymi, pomiędzy którymi ulokowane są hydrofilowe struktury tworzące obszar NMF.
Macierz to układ warstwowy mieszaniny diglicerydów i triglicerydów, wolnych kwasów tłuszczowych, wosków, cholesterolu, skwalenu oraz ceramidów o układzie warstwowym. Skład lipidów macierzy cechuje się szczególne wysoką zawartością ceramidów i sfingolipidów (40–50%) oraz pochodnych sterolowych (25% łącznie z siarczanem cholesterolu). Lipidy macierzy powstają powyżej warstwy podstawnej skóry, w ciałkach Odlanda (ciałka lamelarne). Znajdujące się w ich wnętrzu fosfolipidy, glicerolipidy, glukozyloceramidy i sfingomielina ulegają egzocytozie do przestrzeni międzykomórkowej, a następnie poddawane są działaniu enzymów, a powstająca ostatecznie mieszanina lipidów wypełnia przestrzenie międzykomórkowe, wpływając na adhezję korneocytów. Ceramidy macierzy decydują o spoistości i szczelności bariery ochronnej naskórka, pełnia rolę przekaźników międzykomórkowych oraz biorą udział w procesach różnicowania keratynocytów. Zaburzenia homeostazy w zakresie prawidłowego nawilżenia skóry, w obszarze macierzy są głównie konsekwencją zaburzonego metabolizmu lipidów związanego z niedoborem δ-6-saturazy. W wyniku ww. defektu macierz cechuje się niedoborami ceramidów i wolnych kwasów tłuszczowych. Na ryc. 3 zaprezentowano wpływ niskich temperatur w zimie na stan struktury macierzy lipidowej warstwy rogowej naskórka.

Ryc. 3. Zmiany struktury macierzy lipidowej warstwy rogowej w skaningowym obrazie mikroskopowym skóry w niskich temperaturach (a, b –skóra „spierzchnięta”, c – skóra normalna); Rawlings AV, Trends in stratum corneum research and the management of dry skin conditions, Int J Cosmet Sci. 2003;25(1-2):63-95.

Płaszcz hydrolipidowy naskórka

Na powierzchni skóry związki lipidowe łoju mieszają się z lipidami macierzy, resztkami NMF oraz wydzieliną gruczołów potowych tworząc emulsję typu woda/olej, z zawartością wody około 10 %. W wyniku tego procesu obniża się gradient stężenia wody, doprowadzając do ograniczenia jej migracji z głębszych warstw skóry i zabezpieczając przed wysychaniem warstwy rogowej naskórka.
Kosmetyki dobre jakościowo i spełniające swoją funkcję nawilżającą cechują się okluzją (przyleganiem) nieciągłą, częściowo ograniczając TEWL oraz nie zaburzając homeostazy w zakresie procesu keratynizacji naskórka i produkcji endogennych lipidów macierzy. Tylko tak działające preparaty pielęgnacyjne zapewniają skuteczne nawilżenie, nie wpływając negatywnie na procesy odpowiedzialne za wytwarzanie płaszcza hydrolipidowego. Tak oddziałują na skórę emolienty, substancje o charakterze hydrofobowym (m.in. oleje organiczne, naturalne woski, ceramidy). Efektem ich działania jest zmiękczenie skóry, jej wygładzenie, częściowe ograniczenie TEWL oraz zwiększenie zawartości wody w warstwie rogowej i głębszych warstwach naskórka.

Literatura:

1/ Baroni A, Buommino E, De Gregorio V, Ruocco E, Ruocco V, Wolf R. Structure and function of the epidermis related to barrier properties. Clin Dermatol 2012; 30(3): 257-62
2/ Berardesca E.: Disorders of skin barriers: clinical implications. J. Eur. Acad. Dermatol. Venereol. 2002, 16, 559–561.
3/ Darlenski R, Fluhr JW. Influence of skin type, race, sex, and anatomic location on epidermal barrier function. Clin Dermatol 2012; 30(3): 269-273.
4/ Harding C.R.: The stratum corneum: structure and function in health and disease. Dermatol. Ther. 2004, 17, Suppl. 1, 6–15.
5/ Placek W., Kałużna L., Górnicki A., Zegarska B., Krzyżyńska-Malinowska E.: Wpływ wybranych emolientów na przeznaskórkową utratę wody (TEWL). Derm. Estet. 2004, 6, 95–99.
6/ Pons-Guiraud A.: Dry skin in dermatology: a complex physiopathology. J. Eur. Acad. Dermatol. Venereol. 2007, 21, Suppl. 2, 1–4.
7/ Rawlings AV, Trends in stratum corneum research and the management of dry skin conditions, Int J Cosmet Sci. 2003;25(1-2):63-95.
8/ Wertz P.W.: Lipids and barrier function of the skin. Acta Derm. Venereol.Suppl. (Stockh), 2000, 208, 7–11.

 

 

Ewa Skotnicka, PhD
Department of Physiology
Faculty of Biology
University of Szczecin
Felczka St 3C,
71-412 Szczecin, Poland
Tel: +48 91 4441597
E-mail: ewaskot@ univ.szczecin.pl