Naturalne mechanizmy komórkowe na poziomie macierzy międzykomórkowej i fibroblastów wykorzystywane w biostymulacji iniekcyjnej 

Spis treści

• Macierz międzykomórkowa i jej rola w procesie biostymulacji skóry
• Wpływ macierzy międzykomórkowej na regenerację organizmu, w tym proces gojenia się ran
• Fibroblasty a macierz międzykomórkowa
• Fibroblasty a proces gojenia – jaki mechanizm wykorzystujemy poprzez iniekcje?
• Jak wykorzystać ten fakt w zabiegach iniekcyjnych
• Fibroblasty a biostymulacja kwasem hialuronowym mało- i wielkocząsteczkowym
• Właściwości: HMW-HA >1000kDa
• Właściwości: LMW-HA <250 kDa
• Podsumowanie

Macierz międzykomórkowa odgrywa zasadniczą rolę w utrzymaniu struktury, wytrzymałości i elastyczności skóry, a zmiany w jej składnikach są decydującymi czynnikami prowadzącymi do widocznych oznak starzenia. Dzięki zabiegom iniekcyjnym można zmieniać te procesy, przyczyniając się do utrzymania nie tylko estetyki, ale i zdrowia. Starzenie się jest przewlekłym, skomplikowanym procesem, który przebiega m.in. w kościach, mięśniach, tkance podskórnej czy skórze. Jest zależny od wielu czynników i w konsekwencji prowadzi do pogorszenia funkcji ludzkiego ciała. Towarzyszą mu zmiany biochemiczne i biomechaniczne zarówno narządów, tkanek, jak również komórek i organelli komórkowych, co przekłada się na ich witalność i funkcjonalność.  W 2013 roku Carlos Lopez-Otin w swojej pracy The Hallmarks of Aging określił 9 ściśle związanych ze sobą cech, które odpowiadają za proces starzenia na poziomie komórkowym: 

1. zaburzenie komunikacji międzykomórkowej,
2. niestabilność genomu,
3. skracanie telomerów,
4. zmiany epigenomu w procesie metylacji, 
5. utrata proteostazy,
6. zaburzenia metaboliczne,
7. dysfunkcje mitochondrialne,
8. wyczerpanie nakładów komórek macierzystych,
9. starzenie komórkowe (inaczej senescencja, związane ze wzrostem poziomu stanu zapalnego).

Macierz międzykomórkowa i jej rola w procesie biostymulacji skóry

Fibroblasty, obficie występujące w skórze i przestrzeniach międzytkankowych, produkują duże ilości macierzy międzykomórkowej (ECM – ang. extracellular matrix), aby wspierać inne komórki funkcjonalne w tkankach. Starzeniowe zmiany mechaniczne w komórkach ludzkich fibroblastów skórnych są związane ze zmianami w organizacji i gęstości kolagenu oraz elastyny w ECM. Rysunek 1.  Starzejąca się skóra charakteryzuje się szeregiem zmian fenotypowych, takich jak przerzedzenie naskórka i skóry właściwej, utrata tkanki podskórnej, spłaszczenie połączenia naskórkowo-skórnego oraz degradacja i utrata sieci kolagenu oraz elastyny,  które zaburzają integralność strukturalną i funkcje różnych kompartmentów skóry. Udowodniono, że senescencyjne melanocyty, które z wiekiem gromadzą się w ludzkim naskórku, mogą indukować parakrynne uszkodzenie telomerów w otaczających komórkach. To z kolei upośledza proliferację keratynocytów, przyczyniając się do związanych z wiekiem przerzedzeń naskórka.  

Wpływ macierzy międzykomórkowej na regenerację organizmu, w tym proces gojenia się ran

Macierz międzykomórkowa jest kluczowym elementem strukturalnym tkanki, zapewniającym komórkom wsparcie i strukturalną integralność. ECM składa się z różnorodnych białek, w tym kolagenu, elastyny, fibronektyny i lamininy, a także innych składników, takich jak glikoproteiny i proteoglikany, które łącznie tworzą złożoną sieć. Odgrywa ona także ważną  rolę w regulacji wielu procesów komórkowych, w tym adhezji, migracji, różnicowania oraz mechanotransdukcji – przekazywania sygnałów mechanicznych z zewnątrz komórki do jej wnętrza, co ma znaczący wpływ na aktywność komórkową.  Można zidentyfikować kilka kluczowych składników ECM oraz ich funkcje w skórze:

1. Kolagen: to główny element ECM, zapewniający skórze wytrzymałość i strukturalną integralność. Kolagen typu I występuje w niej najobficiej i jest odpowiedzialny za tworzenie gęstych, włóknistych struktur wspierających komórki skóry i zapewniających jej siłę. Zmiany w strukturze i ilości kolagenu są główną przyczyną widocznych oznak starzenia, takich jak zmarszczki i utrata jędrności. Fragmentacja i dezorganizacja włókien zwiększają sztywność skóry.
2. Elastyna: zapewnia skórze elastyczność i zdolność do powrotu do pierwotnego kształtu po rozciągnięciu. Włókna elastyny w młodej skórze są cienkie i pojedyncze, ale z wiekiem mogą stawać się grubsze i tracić zdolność do sprężystego powrotu, co przyczynia się do zwiotczenia skóry.
3. Proteoglikany (PG) i glikozaminoglikany (GAG): te hydrofilowe biomolekuły odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu nawilżenia skóry, wiążąc cząsteczki wody i zapewniając skórze jędrność i nawilżenie. GAG, takie jak kwas hialuronowy, występują w niewielkich ilościach w starzejącej się skórze, co przyczynia się do jej suchości i utraty objętości.
4. Metaloproteinazy macierzy (MMP): to enzymy, które degradują białka ECM, takie jak kolagen i elastyna. Wzrost aktywności MMP w starzejącej się skórze prowadzi do degradacji włókien kolagenowych i elastynowych, przyczyniając się do oznak starzenia. 
5. Białka CCN: rodzina białek CCN, w tym CCN1 (bogate w cysteinę białko 61), odgrywa istotną rolę w regulacji różnorodnych funkcji komórkowych w ECM, w tym migracji, proliferacji, różnicowania i apoptozy. W skórze białka CCN mogą wpływać na ekspresję MMP i produkcję kolagenu, oddziałując na strukturę i funkcje ECM.
6. Fibroblasty: choć nie należą do składników ECM, są komórkami odpowiedzialnymi za produkcję i utrzymanie ECM. Wytwarzają kolagen, elastynę, proteoglikany i inne białka ECM, a także regulują procesy remodelingu ECM poprzez wytwarzanie enzymów degradujących uszkodzone włókna podporowe. W starzejącej się skórze fibroblasty mogą tracić zdolność do efektywnej produkcji składników ECM i utrzymania ECM, co przyczynia się do oznak starzenia. 

Degradacja kolagenu i elastyny w ECM prowadzi do utraty elastyczności i jędrności skóry, a także pojawienia się zmarszczek. Procesy te są wynikiem naturalnego starzenia się oraz szkodliwego wpływu czynników zewnętrznych, takich jak ekspozycja na promieniowanie UV, zanieczyszczenia środowiskowe i palenie tytoniu, ale przyczynia się do nich również  zmniejszona zdolność do syntezy nowych włókien kolagenowych i elastynowych, co dodatkowo powoduje pogorszenie właściwości mechanicznych i estetycznych ECM. Rysunek 2. Krytyczne mechanobiologiczne składniki komórkowe dotknięte procesem starzenia. Ponadto starzenie się skóry wiąże się ze zmianami w mechanotransdukcji, czyli procesie, w którym komórki skóry odbierają i przekształcają sygnały mechaniczne z ich otoczenia w odpowiedzi komórkowe. Zmniejszona mechanosensytywność komórek w starzejącej się skórze może prowadzić do zaburzeń w komunikacji komórkowej, regeneracji oraz procesów naprawczych, co wpływa na zdolność skóry do odpierania szkodliwych czynników i utrzymania właściwej struktury. 

Fibroblasty a macierz międzykomórkowa

Jedną z oznak utraty homeostazy ECM w skórze jest starzenie się wynikające ze zmniejszonej liczby i aktywności fibroblastów.  Fibroblast nie jest składnikiem ECM, ale ECM jest środowiskiem życia fibroblastu. Ten jest natomiast komórką odpowiedzialną za produkcję najważniejszych składników ECM, takich jak kolagen, elastyna, kwas hialuronowy, czyli składników, które bezpośrednio decydują o wyglądzie naszej skóry. Jakość ECM wpływa na żywotność i aktywność fibroblastów i odwrotnie – aktywność fibroblastów oddziałuje na skład macierzy. Jak wiadomo, z wiekiem nasza skóra w wyniku działania różnych czynników traci kolagen, elastynę, kwas hialuronowy (ang. hyaluronic acid, HA), a fibroblasty nie produkują ich już tak efektywnie. Naszym zadaniem będzie zatem zmusić fibroblasty do produkcji wyżej wymienionych składników.

Fibroblasty a proces gojenia –  jaki mechanizm wykorzystujemy poprzez iniekcje?

Uszkodzenie tkanki będzie prowadziło do powstania stanu zapalnego, który jest potrzebny w procesie regeneracji. Proces ten może zaburzyć cukrzyca typu I, stąd trudności z gojeniem się ran u diabetyków. W stanie zapalnym dochodzi do migracji komórek zapalnych i aktywacji czynników wzrostu. Jednym z nich jest czynnik wzrostu fibroblastów (FGF). Mechanizm podziału fibroblastów w procesie gojenia jest ściśle związany z działaniem czynników wzrostu fibroblastów (FGF), które sygnalizują przez receptory czynników wzrostu fibroblastów (FGFR). Regulują one szeroki zakres funkcji biologicznych, w tym proliferację komórkową, przetrwanie, migrację i różnicowanie. Rysunek 3. Aktywność czynnika wzrostu fibroblastów.  Połączenie  czynnika wzrostu fibroblastów (FGF) z jego receptorem obecnym na fibroblaście wywołuje kaskadę reakcji i prowadzi do aktywacji odpowiednich genów w jądrze, czego skutkiem są podziały komórkowe fibroblastów, a co za tym idzie – ich zwiększenie. FGR  łączy się z receptorem czynnika wzrostu fibroblastów (FGFR), wywołuje reakcję prowadzącą do aktywacji genów w jądrze. To z kolei skutkuje odpowiedziami komórkowymi, takimi jak podział komórkowy lub proliferacja. Fibroblasty, będące kluczowymi komórkami w procesie gojenia, reagują na FGF poprzez zwiększoną proliferację, co przyczynia się do naprawy tkanki. FGF stymulują również angiogenezę, czyli tworzenie nowych naczyń krwionośnych, co jest niezbędne dla dostarczenia składników odżywczych i tlenu do miejsc gojenia. Działanie to wspiera nie tylko wzrost i podział fibroblastów, ale także migrację komórek i różnicowanie w inne typy komórek potrzebne do odbudowy uszkodzonej tkanki. Podsumowując, mechanizm podziału fibroblastów w procesie gojenia, związany z działaniem FGF, obejmuje zarówno bezpośredni wpływ na te komórki, jak i pośredni – poprzez promowanie angiogenezy i dostarczanie kluczowych składników potrzebnych do regeneracji tkanki. 

Jak wykorzystać ten fakt w zabiegach iniekcyjnych

Wykonując zabieg iniekcyjny, używamy dwóch rodzajów odpowiedzi: odpowiedzi zapalnej,  związanej z mikrouszkodzeniem, co rozpoczyna kaskadę reakcji prowadzących do naprawy tkanki i może tłumaczyć fakt poprawy wyglądu skóry przy dużej liczbie nakłuć bez podaży preparatu, oraz odpowiedzi biologicznej związanej z ilością substancji aktywnych dostępnych w preparacie.

Fibroblasty a biostymulacja kwasem hialuronowym mało- i wielkocząsteczkowym

W naszym organizmie występuje zarówno wysokocząsteczkowy kwas hialuronowy (HMW-HA), jak i niskocząsteczkowy (LMW-HA), które wspólnie odgrywają kluczowe role w wielu procesach fizjologicznych. HMW-HA dominuje w zdrowych, nienaruszonych tkankach i pełni funkcje strukturalne i ochronne, zapewniając odpowiedni poziom nawilżenia, elastyczności oraz uczestnicząc w utrzymaniu integralności macierzy zewnątrzkomórkowej. Jego obecność jest niezbędna do zachowania prawidłowego środowiska dla komórek i zapewnia podstawę dla ich prawidłowej adhezji i komunikacji. Z drugiej strony, LMW-HA powstaje w wyniku naturalnego procesu degradacji HMW-HA, który może być przyspieszony przez takie czynniki, jak urazy, stany zapalne lub proces starzenia. W organizmie LMW-HA uważany jest za „sygnał uszkodzenia”, który mobilizuje odpowiedź immunologiczną i regeneracyjną. Stymuluje on aktywację makrofagów i fibroblastów, co jest niezbędne w procesie gojenia, a także wspomaga syntezę nowego kolagenu i elastyny, które są konieczne do naprawy i odnowy uszkodzonej tkanki. Proporcje między HMW-HA i LMW-HA mogą się zmieniać w zależności od kondycji tkanki i ogólnego stanu zdrowia organizmu. W  homeostatycznych warunkach HMW-HA występuje obficiej i tworzy stabilną strukturę ECM. Podczas urazu, infekcji lub w stanach patologicznych aktywowane są takie enzymy, jak hialuronidazy, które rozkładają HMW-HA do form LMW-HA, zwiększając tym samym ich proporcje w celu inicjacji i wsparcia odpowiedzi naprawczych. Równowaga między HMW-HA i LMW-HA jest istotna dla utrzymania zdrowia tkankowego i odpowiedniej odpowiedzi na urazy. W procesach patologicznych lub przewlekłych stanach zapalnych nadmierna lub przedłużona produkcja LMW-HA może prowadzić do przewlekłego stanu zapalnego i dalszych uszkodzeń tkanki, co wskazuje na potrzebę uregulowania tych dwóch form kwasu hialuronowego w organizmie.

Właściwości: HMW-HA >1000kDa

1. Dominuje w zdrowej tkance: wysokocząsteczkowy HA jest głównym składnikiem zdrowej macierzy międzykomórkowej (ECM), w której pełni funkcje strukturalne i biochemiczne.   
2. Odpowiada za integrację tkanki: HMW-HA sprzyja adhezji i spójności komórek, co przyczynia się do integralności tkankowej.   
3. Tworzy rusztowanie ECM: jako duże molekuły HMW-HA tworzy sieć wspierającą komórki i inne składniki ECM, pełniąc funkcję rusztowania.   
4. Nawilża: przyciąga i zatrzymuje wodę, zapewniając właściwy poziom nawilżenia i napięcia skóry, co jest kluczowe dla jej turgoru.   
5. Działa poprzez receptory CD44 i RHAMM: HMW-HA oddziałuje z receptorami na powierzchni komórek, takimi jak CD44 oraz RHAMM, modulując różne funkcje komórkowe.

• Adhezja i migracja komórek: HMW-HA poprzez interakcje z receptorami CD44 i RHAMM wpływa na przyleganie komórek do siebie oraz ich zdolność do przemieszczania się, co ma duże znaczenie w procesach gojenia się ran, angiogenezie i odpowiedziach zapalnych.
• Procesy zapalne: receptory te mogą modulować aktywację komórek układu odpornościowego i odpowiedź zapalną, zarówno tłumiąc ją, jak i prowadząc do jej indukcji, w zależności od kontekstu.
• Proliferacja komórek: HMW-HA może stymulować podział komórkowy, zwłaszcza w przypadku fibroblastów, które są odpowiedzialne za produkcję macierzy zewnątrzkomórkowej, w tym dodatkowych ilości HA.
• Różnicowanie komórek: wysokocząsteczkowy HA może wpływać na dalszy los komórki, w tym jej specjalizację i funkcję, na przykład oddziałując na różnicowanie komórek macierzystych.
• Odpowiedzi immunologiczne: poprzez CD44, HMW-HA może wpływać na prezentację antygenów i aktywację limfocytów T, co ma znaczenie dla regulacji odpowiedzi immunologicznej.
• Właściwości biofizyczne komórek: HA może modulować mechaniczne właściwości komórek, takie jak ich sztywność i kształt, co oddziałuje na ich funkcjonowanie i interakcje z macierzą zewnątrzkomórkową.

6. Działa antyoksydacyjnie: HMW-HA może zmniejszać stres oksydacyjny w tkankach, chroniąc komórki przed uszkodzeniem wywołanym przez wolne rodniki.   
7. Funkcjonuje w ECM jako czynnik przeciwzapalny i immunosupresyjny: HMW-HA może modulować odpowiedź zapalną, przyczyniając się do homeostazy i wyróżniając się działaniem immunosupresyjnym.

Wysokocząsteczkowy kwas hialuronowy jest znany ze swoich właściwości wspomagających utrzymanie struktury i nawilżenia skóry. HMW-HA może wpływać na fibroblasty poprzez wspieranie syntezy kolagenu, co jest kluczowe dla elastyczności i jędrności skóry. Fibroblasty są głównymi komórkami w tkance łącznej, odpowiedzialnymi za produkcję kolagenu, elastyny oraz innych składników macierzy zewnątrzkomórkowej, które zapewniają skórze wytrzymałość i sprężystość. Podanie stymulatora tkankowego opartego na wysokocząsteczkowym kwasie hialuronowym stymuluje organizm w nieco inny sposób niż aplikacja jego niskocząsteczkowego odpowiednika. Dzięki dużej masie molekularnej HMW-HA ma zdolność do tworzenia stabilnego, trójwymiarowego rusztowania w macierzy zewnątrzkomórkowej, które wspiera utrzymanie odpowiedniej struktury i nawilżenia tkanki. HMW-HA działa przez receptory, takie jak CD44, obecne na powierzchni wielu typów komórek, w tym fibroblastów. Ta interakcja nie tylko pomaga w utrzymaniu turgoru i elastyczności skóry, ale również wpływa na procesy komórkowe, np. proliferację, migrację i różnicowanie, przyczyniając się do utrzymania zdrowia skóry. Dodatkowo HMW-HA pełni funkcję ochronną, tworząc barierę fizyczną, która może zmniejszać penetrację patogenów i innych szkodliwych czynników. 

Właściwości: LMW-HA <250 kDa

1. Efekt degradacji HMW-HA: LMW-HA powstaje w wyniku rozpadu większych molekuł HA, często w odpowiedzi na uszkodzenie tkankowe lub procesy zapalne.
2. Ilość wzrasta w tkankach po urazie i w początkowej fazie gojenia: zwiększona obecność LMW-HA jest obserwowana w uszkodzonych tkankach i może sygnalizować potrzebę regeneracji i naprawy.
3. Funkcjonuje w ECM jako czynnik prozapalny poprzez receptory CD44 oraz TLR2: LMW-HA może angażować receptory, takie jak CD44 i TLR2, aktywując procesy zapalne, które są częścią odpowiedzi immunologicznej i inicjacji procesu gojenia.
4. Promuje aktywację makrofagów, keratynocytów oraz fibroblastów w celach naprawczych: LMW-HA stymuluje te komórki do działania w procesach regeneracyjnych, takich jak fagocytoza, proliferacja i produkcja nowej macierzy zewnątrzkomórkowej.   
5. Wspiera syntezę kolagenu, elastyny, HA: LMW-HA może indukować produkcję kluczowych składników ECM, takich jak kolagen i elastyna, co jest niezbędne dla utrzymania struktury i elastyczności tkanki oraz dla kontynuacji syntezy HA. 

Małocząsteczkowy kwas hialuronowy jest uznawany za silny czynnik stymulujący regenerację i naprawę tkanek, w tym skóry. Ze względu na swoją niską masę molekularną  L-HA ma zdolność do głębszej penetracji w warstwy skóry, co umożliwia bezpośrednią interakcję z fibroblastami – kluczowymi komórkami odpowiedzialnymi za produkcję kolagenu i elastyny, zapewniającymi skórze jej właściwą strukturę, elastyczność i wytrzymałość.  Mechanizm stymulacji fibroblastów przez L-HA: 

1. Aktywacja receptorów na powierzchni komórkowej: L-HA może wiązać się z określonymi receptorami na powierzchni fibroblastów, takimi jak CD44. Ich aktywacja może inicjować szereg reakcji wewnątrzkomórkowych prowadzących do zwiększenia syntezy kolagenu i innych składników macierzy zewnątrzkomórkowej. 
2. Kształtowanie ścieżek sygnałowych: małocząsteczkowy kwas hialuronowy może modulować aktywność różnych ścieżek sygnałowych wewnątrz komórek, co prowadzi do zwiększenia ekspresji genów odpowiedzialnych za syntezę kolagenu, elastyny oraz innych ważnych białek macierzy zewnątrzkomórkowej. 
3. Wpływ na proliferację i migrację: L-HA może również promować proliferację (rozrost) i migrację fibroblastów, co jest istotne w procesach regeneracji skóry i naprawie uszkodzeń tkankowych.
4. Zwiększenie produkcji czynników wzrostu: interakcja L-HA z fibroblastami może stymulować produkcję czynników wzrostu, takich jak czynnik wzrostu fibroblastów (FGF) i transformujący czynnik wzrostu-beta (TGF-β), które dodatkowo wspierają syntezę kolagenu i regenerację tkankową.

Podanie stymulatora tkankowego opartego na niskocząsteczkowym kwasie hialuronowym inicjuje skomplikowaną kaskadę reakcji w organizmie, które sprzyjają regeneracji tkankowej. LMW-HA jako substancja rozpoznawana przez specjalistyczne receptory na komórkach układu odpornościowego, takie jak CD44 i TLR2, uruchamia kontrolowaną odpowiedź zapalną. Jest to kluczowy etap w procesie gojenia, gdyż zapalenie jest sygnałem dla organizmu do rozpoczęcia naprawy uszkodzeń. Następnie LMW-HA aktywuje fibroblasty, które są niezbędne do produkcji najważniejszych składników macierzy zewnątrzkomórkowej, takich jak kolagen i elastyna, a także stymuluje je do syntezy własnego HA. Proces angiogenezy jest dodatkowo wzmacniany przez LMW-HA, indukujący produkcję czynników wzrostu, sprzyjając tym samym tworzeniu się nowych naczyń krwionośnych. Są one  niezbędne, aby dostarczyć niezbędnych składników odżywczych i tlenu do miejsc wymagających regeneracji. Również w zakresie komunikacji komórkowej LMW-HA odgrywa znaczącą rolę, modulując różnorodne ścieżki sygnałowe, które kontrolują takie procesy, jak podział, migracja i różnicowanie komórek. Dzięki tym złożonym interakcjom LMW-HA jest cennym narzędziem w terapiach regeneracyjnych, szczególnie przydatnym w medycynie estetycznej, leczeniu blizn, gojeniu ran oraz wsparciu zdrowia stawów.

Podsumowanie

Kwas hialuronowy jest strukturą przyciągającą wodę i tworzącą duże kompleksy makrocząsteczkowe współdziałające z kolagenem i innymi składnikami ECM. HA o masie >1000 kDa działa jak przeciwutleniacz. Chroni fibroblasty i umożliwia składnikom odżywczym przepływ. Stanowi rusztowanie, na którym zawieszone są włókna kolagenowe i elastynowe. Z kolei HA o masie <200 kDa, reagując ze swoistymi receptorami na fibroblastach, reguluje dynamikę syntezy elementów strukturalnych, takich jak kolagen i elastyna.  Naturalną poprawę mechanicznej równowagi ECM można osiągnąć poprzez iniekcję preparatów na bazie HA.  Bibliografia:

1. Ann N Y Acad Sci. 2021 May;1491(1):3-24.
2. Cell. 2013 Jun 6;153(6):1194-217.
3. Cell Cycle 2020 Mar;19(5):532-540.
4. Cell Physiol Biochem. 2017;44(3):1078-1092.
5. J Cell Commun Signal. 2018 Mar;12(1):35-43.