Зачастую междисциплинарная граница, разделяющая различные, как правило, близкородственные области знаний, носит достаточно условный характер. Так, в 80-е годы прошлого столетия автор этой монографии работал в Институте химической физики АН СССР, а мой одногруппник по институту был сотрудником Института физической химии АН СССР, и при этом круг наших научных исследований практически полностью совпадал. В этом смысле провести четкую грань между традиционной и молекулярной косметологией едва ли возможно. Но что очень важно, молекулярную косметологию следует рассматривать как часть доказательной антивозрастной медицины, основанной на анализе результатов, полученных с помощью современных методов исследования молекулярно-биологических структурных организаций. Приведем следующий пример. Целью любого косметологического средства для местного применения является эффективная трансдермальная доставка его активного компонента. Однако такая доставка нередко проблематична из-за низкой эффективности проникновения через внешний роговой слой (stratum corneum) нормального эпидермиса и особенно через плотные слои фиброзной рубцовой ткани дермы, которые формируются в результате агрессивных инвазивных косметологических процедур. Исследования физиологических процессов в эпидермисе на молекулярном уровне до недавнего времени не могли похвастать хорошим прогрессом. Такая важнейшая характеристика, как проницаемость эпидермиса для биологических субстанций, была и остается недостаточно понятной. Как следствие, поиск и апробация новых препаратов для косметических целей проводились практически вслепую (Lowry, 2020). Появившийся в последние годы метод компьютерного моделирования биологического эксперимента (in silico) вкупе с экспериментами in vitro, а также развитие более чувствительных технологий физического и визуального анализа позволили глубже заглянуть в этот мир (Gorzelanny et al., 2020). Представилась возможность проследить детали прохождения конкретной биоактивной субстанции через эпидермис и количественное измерение ее концентрации (то есть, по сути, оценить биоактивность) (Dragicevic, Maibach, 2017). Приведем, на наш взгляд, наглядный пример: относительно недавно на рынке появилась косметика, включающая кофеин, которая позиционируется как средство замедления процесса фотостарения кожи. Однако не было предпринято никаких попыток понять функциональную ингибирующую активность кофеина в отношении ферментов, связанных с фотостарением. В исследовании (Lee E. et al., 2019; Tabolacci et al., 2021) были установлены профили молекулярного взаимодействия и ингибирующей активности кофеина в отношении соответствующих ферментов при совместном использовании методов in silico и in vitro (рис. 6.1).
&hide_Cookie=yes)
Рис. 6.1. Результаты совместного использования методов in silico и in vitro, которые позволяют установить, что кофеин предохраняет коллаген и эластин от деградации, ингибируя коллагеназу, эластазу и тирозиназу (Lee E. et al., 2019)
Результаты исследования in silico показывают, что кофеин, по-видимому, взаимодействует с коллагеназой, эластазой и тирозиназой, образуя с ними стабильные белок-лигандные комплексы, что было подтверждено моделированием молекулярной динамики (белок-лигандные контакты и анализ изменений вторичной структуры). Кроме того, данные in vitro показали, что кофеин (в дозе 1000 мкг/мл) обладает максимальной ингибирующей активностью: 42, 36 и 14% в отношении коллагеназы, эластазы и тирозиназы соответственно. Благодаря этим современным методикам были выяснены детали структур механических барьеров в эпидермисе и их изменение при старении кожи. Понимание основных молекулярных процессов в эпидермисе позволит в перспективе разрабатывать более эффективные препараты для косметологии и дерматологии и средства их трансдермальной доставки.
Дерма содержит все компоненты соединительной ткани и обеспечивает прочность на разрыв и эластичность кожи, которые изменяются в процессе формирования фиброзной ткани (см. раздел 2.3 главы 2). Трансдермальная доставка активных биокомпонентов должна быть в принципе осуществима для нормальной кожи, но при этом имеются свои проблемы. Во-первых, большинство химических соединений с молекулярной массой выше 500 Да неспособны диффузионно проникать через эпидермис. Соответственно, стали разрабатываться методы транспортной доставки активных биокомпонентов через эпидермис и базальную мембрану, отделяющую его (эпидермис) от дермального слоя кожи. Наиболее эффективным (что не является неожиданным) оказалось использование гиалуроновой кислоты в качестве партнера-носителя (Bayer, 2020; Zhu et al., 2020; Juncan et al., 2021). Был даже предложен специальный термин для таких комплексов — «гиалуросомы» (Castangia et al., 2016). Наглядным примером этому является препарат Solaraze (3% диклофенак диспергированный в 2,5% гиалуроновой кислоте), используемый для лечения актинического кератоза, который служит альтернативой методам обычной деструктивной хирургии (How et al., 2020). Точный молекулярный механизм транспорта гиалуроновой кислоты через кожные слои еще предстоит детально изучить, для чего прежде всего необходимо понять, как проникает в кожу сама макромолекула гиалуроновой кислоты. Было обнаружено, что она обладает высокой аффинностью к белку кератину (Cilurzo et al., 2014). Это позволяет предположить, что ГК «продирается» сквозь корнеоциты по направлению к дерме. Когда молекулы гиалуроновой кислоты связываются с stratum corneum, α-спиральная структура белка кератина трансформируется в β-листковую структуру, которая обладает более выраженными пермиссивными свойствами для чужеродных субстанций. С увеличением концентрации гиалуроновой кислоты конверсия от α-структур к β-структурам белков резко усиливается и может достигать 90%. Определить это экспериментально возможно с помощью метода Рамановской спектроскопии (Рамановская спектроскопия — спектральный метод, основанный на физическом эффекте рамановского рассеяния) (Franzen, Windbergs, 2015). Этот спектральный метод анализа, адаптированный для биополимерных структур, позволяет обнаруживать конформационные изменения в белковых, полисахаридных и подобных молекулах. Так, полоса спектра поглощения амида I представляет собой общий белок в коже, и ее сдвиг с 1667 см–1 на 1656 см–1 указывает на переход β-листов к α-спиралям в молекулах коллагена (Basson et al., 2021). Следует отметить, что метод Рамановской спектроскопии неспособен провести различие между коллагеном I типа и коллагеном III типа, хотя демонстрирует различие между типами I и IV. К сожалению, экспериментальные данные о подобном структурном преобразовании молекул кератина ограничены пока для гиалуроновой кислоты массой менее 100 кДа (Witting et al., 2015). Если гиалуроновой кислоте удается преодолеть барьер stratum corneum, то она может связываться с молекулами рецепторов (CD44 и др.), расположенными на поверхности клеток эпидермиса. Молекулы природной (нативной) гиалуроновой кислоты могут иметь размер в диапазоне от 5 кДа (фрагментируется при воспалениях) до 2000 кДа. Было обнаружено, что нижнее пороговое значение молекулярной массы фрагмента полисахаридных молекул гиалуроновой кислоты, при котором еще можно регистрировать их связывание с молекулами рецепторов, составляет 10 кДа. В диапазоне 10–30 кДа такое связывание динамично и обратимо. Фрагменты с массой 30–260 кДа необратимо связываются с поверхностными клеточными рецепторами. При массе >262 кДа этот процесс остается необратимым, но становится независим от концентрации (Wolny et al., 2010). При атопическом применении с целью омоложения кожи обычно используют гидрогели из гиалуроновой кислоты, молекулы которой имеют линейный размер около 3000 нм (3 микрона). Такая полисахаридная макромолекула не проникает в кожу, но эксперименты по уменьшению размеров ее молекул до 5 нм продемонстрировали проникновение низкомолекулярных фракций в глубокий слой дермы (Jegasothy et al., 2014). В недавнем исследовании метод Рамановской спектроскопии применялся для мониторинга проникновения через человеческую кожу гиалуроновой кислоты различной молекулярной массы (Essendoubi et al., 2016). Авторы использовали три коммерческих производных гиалуроновой кислоты: Cristalhyal (1000–1400 кДа), Bashyal (100–300 кДа) и Renovhyal (20–50 кДа) (производства фирмы SO LIANCE, Франция). Результаты исследования обнаружили различия в проницаемости трех вариантов гиалуроновой кислоты, а именно — проницаемость кожи для гиалуроновой кислоты увеличивается с уменьшением ее молекулярной массы: гиалуроновая кислота с относительно малой молекулярной массой 100–300 кДа эффективно проходила через роговой слой эпидермиса в отличие от гиалуроновой кислоты с высокой молекулярной массой (1000–1400 кДа). Гиалуроновая кислота массой 20–50 кДа проявляла наиболее высокую скорость проникновения через эпидермис. На модели брюшинной мышиной кожи изучали свойства композитного геля, состоящего из нанокристаллов байкалина (Baicalin) и гиалуроновой кислоты молекулярной массой ~800–1000 кДа с различной концентрацией (0,5; 1; 1,5 и 2%) (Wei et al., 2018). Гели с гиалуроновой кислотой концентрацией 0,5 и 1% проявляли наибольшую проникающую способность. В совокупности вышеприведенные данные согласуются с результатами других исследований, показавшими, что атопическое применение гиалуронана с массой менее 50 кДа ассоциируется со значительным улучшением гидратации кожи и снижением глубины морщин. В исследовании проникновения композиции гиалуроновой кислоты с бычьим сывороточным альбумином на модели свиной кожи установили, что использование геля 10% гиалуронана приводило к более низкой гидратации кожи по сравнению с 5%. При этом наилучший эффект гидратации и эффективность проникновения бычьего сывороточного альбумина наблюдались для составов с 5 кДа гиалуроновой кислоты (Witting et al., 2015). Из результатов исследований можно заключить, что общая гидратационная способность гидрогелей на основе гиалуроновой кислоты снижается при более высоких ее концентрациях и увеличении ее молекулярной массы. Гиалуронан с высокой молекулярной массой (>1000 кДа) образует пленку на поверхности кожи, предотвращая потерю ею воды. Другая важная проблема с самостоятельной (диффузионной) доставкой активных биокомпонентов в глубокие слои кожи связана с тем, что такие средства, как правило, представляют собой липофильные субстанции, которым затруднительно проникать через эпидермис (Son et al., 2017; Huerta-Ángeles et al., 2018). Хотя молекула гиалуронана в целом проявляет (и очень сильно) гидрофильные свойства, вдоль ее углеродных цепей расположено много гидрофобных доменов (см. главу 4). Они потенциально способны взаимодействовать с stratum corneum эпидермиса и увеличивать проникающие и биоадгезионные свойства гиалуронансодержащих биокомплексов (Zhu et al., 2020). Структура дисахаридного звена гиалуроновой кислоты позволяет осуществлять с ней многочисленные химические модификации, включая присоединение различного рода бифункциональных молекул (Хабаров, Иванов, 2020; Li и др, 2021). Такие химерные структуры могут обладать улучшенными по сравнению с нативной гиалуроновой кислотой биологическими свойствами, поэтому их конструирование и апробация происходят уже в течение ряда лет во многих лабораториях мира. Таким образом, даже традиционные, давно ставшие классическими, спектральные методы анализа позволяют достаточно успешно решать важные вопросы, касающиеся трансдермального переноса активных биокомпонентов.