Роль структурных белков кожи в развитии атопического дерматита

Полный текст

Введение

Атопический дерматит (АтД) представляет собой хроническое рецидивирующее воспалительное и многофакторное заболевание кожи [1, 2]. АтД существенно снижает качество жизни, являясь потенциальной причиной нарушения психического здоровья, проявляющегося депрессивным состоянием и социальной изоляцией [1]. Распространенность заболевания во всем мире очень высока: среди детского населения достигает 20%, среди взрослого – 2–8% [3].

Дисфункция эпидермального барьера и нарушение иммунной регуляции являются основополагающими механизмами, ответственными за развитие кожного воспалительного процесса при АтД [4].

Кератиноциты являются границей между внутренней и внешней средой [5], образуя при этом клеточный барьер [6]. Они участвуют в выработке антимикробных пептидов и активации защитных иммунных реакций. Таким образом, кератиноциты функционируют как физический и химический барьер [7, 8].

В основе эпидермального барьера лежат сложные взаимосвязанные молекулярные механизмы, обеспечивающие дифференцировку и последующую запрограммированную гибель кератиноцитов. Этот процесс сопровождается заменой клеточной мембраны на прочный, нерастворимый макромолекулярный роговой слой. Первоначальные этапы формирования этого слоя включают в себя последовательную выработку ключевых белковых компонентов. Белки – филаггрин, инволюкрин и лорикрин – необходимы для дифференцировки кератиноцитов и имеют решающее значение для структуры и функции мембраны данных клеток [9, 10].

В зернистом слое эпидермиса кератиноциты вырабатывают гранулы кератогиалина, которые в основном состоят из профилаггрина и лорикрина. Ороговевший слой образуют различные молекулы цитоскелета и барьерные белки, включая кератин (К) 1, K10, десмосомальные белки (энвоплакин и периплакин), лорикрин, филаггрин, филаггрин-2 и инволюкрин, которые сшиваются трансглутаминазой 1 и частично трансглутаминазами 3 и 5 [11–14].

В области хромосомы 1q21 расположена совокупность генов, известная как комплекс эпидермальной дифференцировки, который отвечает за развитие и восстановление эпителиальной ткани. Данный комплекс регулирует терминальную дифференцировку кератиноцитов. Эти гены кодируют структурные белки кожи, включая филаггрин, лорикрин, инволюкрин и другие белки небольших размеров, богатые пролином, которые ответственны за процесс ороговения в коже, а также ряд кальций-связывающих белков, включая профилаггрин и трихогиалин [15].

Экспрессия генов комплекса эпидермальной дифференцировки нестабильна и может активно регулироваться различными внешними стимулами, среди которых – ультрафиолетовое облучение [16, 17], климатические условия (низкая влажность), токсические органические соединения [18], продукты жизнедеятельности комменсальных или симбиотических микроорганизмов, таких как Malassezia или Staphylococcus epidermidis [19, 20], косметические и моющие средства [21] и др. Данные факторы активируют арил-углеводородный рецептор, который влияет на повышение экспрессии структурных белков и ускорение терминальной дифференциации кератиноцитов [16]. Не только внешние стимулы участвуют в регуляции выработки белков, но и внутренние, такие как цитокины.

Изменения в уровнях экспрессии структурных белков кожи могут свидетельствовать о повреждении или восстановлении кожного барьера при АтД. Согласно результатам исследований при АтД снижена экспрессия филаггрина, лорикрина и инволюкрина как в пораженной, так и непораженной коже [22, 23].

Роль филаггрина в развитии дисфункции кожного барьера

Наиболее изученным структурным белком кожи является филаггрин. Он играет важную роль в функционировании эпидермального барьера. Данный белок способствует уплотнению роговых клеток, усиливая механическую прочность цитоскелета путем агрегации пучков кератина в оболочках ороговевших клеток [24]. Агрегация филаментов K1 и K10 в более высокомолекулярные параллельные структуры, происходящая под контролем филаггрина, облегчает включение K1 и K10 в ороговевшую оболочку [11, 12]. Филаггрин также оказывает стимулирующее действие на механизмы выработки эпидермальных липидов. При развитии дефицита филаггрина происходит снижение плотности корнеодесмосом и экспрессии плотных соединений [24].

Белок филаггрин образуется из белка-предшественника – профилаггрина, который вырабатывается на поздних стадиях дифференцировки эпидермиса [25]. Профилаггрин представляет собой комплекс из 10–12 повторов филаггрина, небольшого N-концевого и C-концевого домена [26]. В результате дефосфорилирования под действием ряда протеаз профилаггрин расщепляется на молекулы филаггрина. В самых верхних слоях рогового слоя филаггрин отделяется от кератиновых волокон, претерпевая дезаминирование и расщепление под действием протеаз [27]. В результате распада филаггрина высвобождаются аминокислоты, такие как глутамин, аргинин и гистидин, которые затем трансформируются в в урокановую и пирролидонкарбоновую кислоту. Эти соединения в сочетании с ионами натрия и хлора, мочевиной и лактатом формируют натуральный увлажняющий фактор, который способствует поддержанию увлажненности и целостности кожного покрова [28, 29]. Кроме того, продукты распада филаггрина поддерживают слабокислую реакцию pH кожи, которая необходима для защиты от негативного воздействия некоторых видов микроорганизмов, а также для сохранения функциональной активности ферментов, принимающих участие в метаболизме церамидов [24].

Другой не менее значимой молекулой для нормального функционирования эпидермального барьера является филаггрин 2 [30]. Ген филаггрина 2 структурно похож на ген филаггрина, а сам белок филаггрина 2 имеет сходные биохимические и биофизические свойства с белком филаггрина [31]. Подобно филаггрину продукция белка филаггрина 2 снижается у людей с АтД [30]. Филаггрин 2 содержит два различных повторяющихся домена – A и B. Домен A демонстрирует высокую гомологию с повторами хорнерина, а домен B гомологичен филаггрину. Филаггрин 2 экспрессируется в гранулах кератогиалина в зернистом слое [32]. Снижение экспрессии филаггрина 2 вызывает паракератоз, повышение pH и снижение продукции свободных аминокислот и протеолитической обработки корнеодесмосина, хорнерина и филаггрина параллельно с уменьшением количества каспазы-14 [33]. Отсутствие филаггрина 2 вызывает заметное снижение экспрессии корнеодесмосина [34]. Таким образом, несмотря на сходство с филаггрином, филаггрин 2 выполняет несколько другие важные функции для нормальной работы кожного барьера.

Нарушение метаболизма белка филаггрина лежит в основе развития дисфункции кожного барьера и может быть обусловлено как внешними, так и внутренними факторами. Мутации гена филаггрина признаны значимыми генетическими факторами риска развития АтД [35]. В настоящее время существует разделение АтД на эндотипы по наличию мутаций гена филаггрина [24]. Этнические особенности, климатические условия также оказывают влияние на экспрессию данного белка [36].

Таким образом, нарушение метаболизма белка филаггрина может быть двух типов, обусловленных дефектом выработки филаггрина и/или профилаггрина и сбоем процессов распада. В результате дефекта распада филаггрина происходит его чрезмерное накопление в кератиноцитах. Поскольку филаггрин имеет значимую роль в процессе окончательной дифференцировки кератиноцитов, избыток мономеров белка приводит к преждевременному цитотоксическому действию на клетки кожи. Однако даже в условиях дисфункции кожного барьера происходит активация защитных механизмов кератиноцитов, в результате которых филаггрин захватывается внеклеточными везикулами и транспортируется во внеклеточную среду [25]. Последние зарубежные и отечественные исследования подтвердили наличие филаггрина в сыворотке крови [37, 38]. Так, при АтД отмечено повышение уровня филаггрина в сыворотке крови, однако удельный вес внеклеточных экзосом при этом стабилен [25]. Данный механизм очень важен для поддержания клеточного гомеостаза, однако при развитии кожного воспалительного процесса он может усугубить дисфункцию кожного барьера в результате истощения филаггрина в эпидермисе.

Роль инволюкрина в развитии дисфункции кожного барьера

Другим важным белком кожи является инволюкрин, но работ по изучению роли инволюкрина в механизмах развития АтД крайне мало. Инволюкрин является представителем структурных белков кератиноцитов, обеспечивающих механическую прочность эпидермального барьера [39]. Взаимодействие инволюкрина с липидами, а именно с омега-гидроксицерамидами, необходимо для формирования водонепроницаемой и нерастворимой оболочки клеток рогового слоя [40]. Более того, инволюкрин является основным субстратом для трансглутаминазы 1 – фермента, который обеспечивает образование поперечных связей между остатками лизина в структурных белках эпидермиса, что критически важно для создания надежного эпидермального барьера [41].

Инволюкрин демонстрирует выраженное структурное сходство с лорикрином в амино- и карбокситерминальных доменах, богатых глутамином и лизином [14]. Экспрессия инволюкрина наблюдается в верхних слоях шиповатого слоя, но преимущественно в зернистых слоях, и он участвует в начальных этапах формирования рогового слоя [11].

Формирование роговой оболочки начинается с десмосом, где инволюкрин при помощи трансглутаминазы 1 связывается с энвоплакином, периплакином и кератиновыми нитями [42]. Этот белковый комплекс также служит основой для липидной оболочки, ассоциированной с корнеоцитами [43].

Роль лорикрина в развитии дисфункции кожного барьера

Лорикрин представляет собой наиболее распространенный компонент роговой оболочки [44], составляющий около 70% общей массы белков клеточной оболочки, в то время как доля инволюкрина – только 3%. Данный белок богат глицином, серином и цистеином. Лорикрин имеет в своем составе 315 аминокислот и является крайне нерастворимым белком. Масса лорикрина достигает 26 кДа. Маленький размер лорикрина позволяет локализоваться белку как в цитоплазме, так и в нуклеоплазме в поверхностных зернистых клетках. В процессе ороговения клеток лорикрин формирует поперечные связи с ороговевшей клеточной оболочкой. Такие свойства лорикрина, как гидрофобность, нерастворимость и способность к полимеризации посредством дисульфидных связей при контакте с воздухом, делают его уникальным белком, укрепляющим роговой слой [44]. Экспрессия лорикрина происходит преимущественно в зернистом слое, где он сшивается с инволюкрином, энвоплакином и периплакиновыми каркасами при участии трансглутаминазы 1 [11].

Лорикрин может напрямую влиять на дифференциацию (созревание) клеток Лангерганса и тем самым модулировать функции иммунной системы в коже. Эта регуляция требует прямого взаимодействия между клетками Лангерганса и дифференцирующимися кератиноцитами в зернистом слое. Лорикрин дифференцируют кератины K1/K10 и корнеодесмосомы, устанавливая каркас десмосомы-кератина в роговом слое. Клетки Лангерганса прикреплены к кератиноцитам через интегрин α V β 6, экспрессируемый на плазматической мембране кератиноцитов, и активируют эндогенный сигнал трансформирующего фактора роста β (ТФР-β) для удержания в эпидермисе. Таким образом, успешное ороговение может включать дисульфидные (–S–S–) поперечные связи компонента соединения, возможно, инактивируя ТФР-β и способствуя созреванию клеток Лангерганса. Поскольку лорикрин способствует структурному созреванию корнеодесмосом (компактизации корнеоцитов), задержка созревания компонентов соединения приведет к сохранению адгезионных/плотных соединений на более апикальном конце. Задержка структурного созревания эпидермиса с дефицитом лорикрина может быть выгодна для клеток Лангерганса, чтобы оставаться активными in situ. Незрелая структура эпидермиса в результате дефицита лорикрина может формировать адаптивные иммунные реакции посредством более высокой биодоступности ТФР-β, вызывая иммунологическую толерантность (или иммунную привилегию) [45].

Влияние иммунной системы на продукцию структурных белков кожи

Помимо дисфункции эпидермального барьера АтД характеризуется развитием кожного воспалительного процесса, вызванного Т-хелперами (Th) 2-го типа [46]. Цитокины, полученные из Th-2, такие как интерлейкин (ИЛ)-4, 13 и 31, играют фундаментальную роль в развитии и прогрессировании АтД. В дополнение к мутациям генов белков комплекса эпидермальной дифференцировки и влиянию факторов внешней среды изменение иммунного ответа усугубляет продукцию филаггрина, что нарушает барьерную функцию кожи и приводит к колонизации Staphylococcus aureus и повышенному проникновению внешних аллергенов. В пораженной кожи при АтД среда Th-2 активирует механизмы высвобождения хемокинов, таких как CCL17, CCL22 и CCL26, которые усиливают привлечение клеток Th-2 и эозинофилов в очаг кожного воспалительного процесса [47].

ИЛ-4 и 13 разделяют ИЛ-4Rα/ИЛ-13Rα1 в кератиноцитах и активируют путь Janus kinase (JAK)1/JAK2/Non-Receptor Tyrosine-Protein Kinase (TYK)2-signal transducer and activator of transcription (STAT)6 и -STAT3, ингибируя экспрессию молекул комплекса эпидермальной дифференцировки, таких как филаггрин, лорикрин и инволюкрин. ИЛ-4 и 13 также ингибируют ядерную транслокацию Ovo Like Protein 1. Активация STAT6, вызванная ИЛ-4 и 13, стимулирует увеличение концентрации периостина, что в свою очередь усиливает синтез ИЛ-24. ИЛ-24, взаимодействуя с рецепторами ИЛ-20Rβ/ИЛ-22Rα или ИЛ-20Rβ/ИЛ-20Rα, запускает путь JAK1/TYK2-STAT3 и подавляет выработку филаггрина [11, 39].

Другие цитокины, такие как ИЛ-22, 31 и 17A, также оказывают ингибирующее воздействие на экспрессию филаггрина и лорикрина [48, 49]. В ряде исследований отмечены повышенные уровни данных цитокинов при АтД. ИЛ-22 взаимодействует с гетеродимерным рецептором, состоящим из ИЛ-22R1 и 10R2. Экспрессия данного рецептора ограничена эпителиальными клетками [50]. ИЛ-22 способствует пролиферации и миграции кератиноцитов в сочетании с активацией STAT3, ингибируя терминальную дифференцировку кератиноцитов. ИЛ-22 способствует подавлению экспрессии K1, K10, инволюкрина, лорикрина и филаггрина. При взаимодействии ИЛ-22 с рецептором ИЛ-22R1/ИЛ-10R2 происходит активация пути JAK1/TYK2-STAT3, что приводит к снижению экспрессии филаггрина, лорикрина и инволюкрина. С другой стороны, ИЛ-22 оказывает стимулирующее влияние на выработку антимикробных и провоспалительных молекул эпидермального комплекса дифференцировки в кератиноцитах [51].

ИЛ-17А стимулирует пролиферацию кератиноцитов прямым и опосредованным способом, увеличивая для этого продукцию ИЛ-19 [52, 53].

Подсемейство цитокинов ИЛ-20 вырабатывается кератиноцитами и действует на кератиноциты через комплексы рецепторов ИЛ-20, вызывая постоянную активацию STAT3 с ядерной локализацией, что приводит к нарушению регуляции эпидермальной дифференцировки [54].

ИЛ-31 индуцирует механизмы образования кожного зуда при АтД. Данный цитокин оказывает негативное влияние на образование филаггрина, К1, К10, но стимулирует выработку ИЛ-20 и 24. Кроме того, ИЛ-31 повышает экспрессию ИЛ-33. Стимуляция ИЛ-31 вызывает устойчивую активацию STAT3, которая отрицательно регулирует транскрипцию филаггрина. Ядерный ИЛ-33 играет важную роль в процессах регуляции сниженной продукции структурных белков кожи, обусловленных влиянием ИЛ-31, и повышенной экспрессии ИЛ-20 и 24. ИЛ-33, накапливаясь в пораженной коже пациентов с АтД, может способствовать прогрессированию заболевания в коже, подавляя эпидермальную дифференцировку, тем самым нарушая кожный барьер. Следовательно, ядерный ИЛ-33 может способствовать воспалению, действуя как транскрипционный регулятор [55–57].

Таким образом, среда, образованная цитокинами, продуцированными Th-2 и 22, при АтД мешает скоординированной эпидермальной дифференцировке и созреванию кератиноцитов, усугубляя продукцию защитных белков кожи, ухудшая при этом дисфункцию кожного барьера.

Заключение

Дисфункция кожного барьера играет важную роль в развитии АтД. При АтД снижается экспрессия структурных белков кожи, таких как филаггрин, инволюкрин, лорикрин. В настоящее время механизмы, посредством которых регулируется продукция структурных белков кожи, до конца не изучены, что открывает возможности для дополнительных исследований. Углубленное изучение данной проблемы несет перспективу для разработки новых стратегий в лечении АтД.

Раскрытие интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Disclosure of interest. The authors declare that they have no competing interests.

Вклад авторов. Авторы декларируют соответствие своего авторства международным критериям ICMJE. Все авторы в равной степени участвовали в подготовке публикации: разработка концепции статьи, получение и анализ фактических данных, написание и редактирование текста статьи, проверка и утверждение текста статьи.

Authors’ contribution. The authors declare the compliance of their authorship according to the international ICMJE criteria. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Источник финансирования. Авторы декларируют отсутствие внешнего финансирования для проведения исследования и публикации статьи.

Funding source. The authors declare that there is no external funding for the exploration and analysis work.

Об авторах

Юлия Андреевна Кандрашкина

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет»

Автор, ответственный за переписку.
Email: novikova10l@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5537-5729

канд. мед. наук, доц. каф. акушерства и гинекологии 

Россия, Пенза

Екатерина Александровна Орлова

ФГБОУ ДПО «Российская медицинская академия непрерывного профессионального образования» Минздрава России

Email: novikova10l@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3902-2018

д-р мед. наук, доц., зав. каф. аллергологии и иммунологии с курсом дерматовенерологии и косметологии, Пензенский институт усовершенствования врачей 

Россия, Пенза

Список литературы

Дополнительные файлы