La biochimica del photoaging
Dott. Carlo Alberto Bartoletti, Pres. Società Italiana di Medicina Estetica Dott. Ferdinando Terranova
Un tempo la bellezza femminile era nel candore, oggi nell’abbronzatura calda e dorata. Ma sotto la cute covano le alterazioni cumulative prodotte dai raggi Ultravioletti
Fu Kligman, per primo nel 1989, a coniare il termine “photoaging” (1), un fenomeno che si realizza in modo assai diverso nei vari soggetti e nelle differenti regioni del corpo, giungendo a provocare oltre l’80% del degrado della cute lungamente irradiata (2). La normale architettura di una cute giovane è stata paragonata all’ordinata e rigogliosa geometria di un giardino ben curato che, per effetto del photoaging, può essere trasformata nell’incontrollata anarchia di una giungla. La cute cronicamente fotoesposta, risulta ruvida, chiazzata da vistose discromie e solcata dalle profonde incisure di una rugosita’ grossolana. La consistenza è rigida, anelastica. Si riscontra un aumento di spessore a carico dello strato corneo e dell’epidermide in toto. La giunzione tra i due tessuti (GDE) è frastagliata dallo sviluppo di papille e creste diseguali in forma e dimensione. Anche il derma è fortemente ispessito: fibroblasti e mastociti manifestano incremento numerico e segni di attivazione funzionale (3); un infiltrato cronico si accumula in sede pervasale; le fibre collagene appaiono raccolte in fasci irregolari e frammentati (4, 5); l’intreccio delle fibre elastiche è del tutto scompaginato (6), mentre si osservano ammassi voluminosi di un materiale anomalo, finemente granulare, (7) che, per le sue affinita’ istochimiche ed immunologiche con l’elastina, viene definito “elastosico”. L’attivita’ fotobiologica degli UVB consegue, principalmente, al loro assorbimento da parte del DNA cheratinocitario, che subisce danni diretti: si formano legami anomali fra residui di timina contigui lungo una stessa sequenza polinucleotidica, la quale viene, in tal modo, distorta. Benchè la gran parte dei guasti sia subito riparata, esigui dosaggi UVB bastano a produrre alterazioni genomiche tali da determinarne la morte per apoptosi di alcune cellule dell’epidermide, (sunburn cells) (8), mentre in altre residuano difetti permanenti (mutazioni) che, sommandosi, pongono le basi per il degrado senile e per la degenerazione neoplastica (9); allorchè una mutazione disattiva una copia dell’anti-oncogene p53, si sviluppa una precancerosi (cheratosi attinica) (10). Viceversa, gli UVA penetrano in profondita’ fino al derma, realizzando effetti lesivi indiretti (11), mediati attraverso l’eccitazione di cromofori cutanei (12,13,14) che, a loro volta, trasferiscono l’energia incamerata all’ossigeno, dando vita alle specie reattive dello stesso (ROS). La produzione foto-indotta di agenti ossidanti viene amplificata da una serie di circoli viziosi: gli UVA danneggiano il DNA mitocondriale; in particolare, la delezione a carico della coppia di basi n. 4977 è stata definita “common deletion” per la sua alta incidenza nei fibroblasti delle aree fotoesposte (15,16). Conseguentemente, vengono compromessi gli apparati enzimatici della catena respiratoria, il che porta ad un più elevato rilascio di ROS (17). Inoltre, nelle aree cutanee fortemente irradiate, si intensificano i processi di glicosilazione non enzimatica, come testimoniato dall’aumentata concentrazione dei relativi marker biochimici (gli AGE, ossia gli advanced glycosilation endproducts) (18); questi composti, oltre ad alterare la morfologia e la fisiologia tessutale, sono fotosensibilizzanti ed incrementano la produzione di ROS (19,20). Fotosensibilizzante risulta anche il materiale cellulare ossidato, che tende ad addensarsi in aggregati insolubili di tipo lipofuscinico; questi divengono inattaccabili da parte dei proteasomi (apparati cellulari per lo smaltimento delle scorie) ed, anzi, esercitano su di essi un effetto inibitorio, determinando un ulteriore aumento dei detriti indigeriti (21). Infine, l’esposizione cutanea agli UV stimola la secrezione di citochine e chemiochine (22) che richiamano ed attivano una vasta popolazione di leucociti. Questi riversano nei tessuti l’anione superossido, prodotto per azione della NADPH-ossidasi; anche i cheratinociti contengono una NADPH-ossidasi che raddoppia la sua attivita’ dopo 20 minuti di irraggiamento UV (23). I ROS sono in grado di innescare catene di reazioni ossidative che alterano non solo i bilayers fosfolipidici delle membrane (lipo-perossidazione) (24) ma anche il materiale genetico (25,26) e i costituenti cellulari ed extracellulari di natura proteica (27). Per di più, gli UVA e lo stress ossidativo fotoindotto disturbano, con interferenze a livello recettoriale e post-recettoriale, il complicato intreccio di segnali biochimici che governa l’omeostasi cellulare. Gli ultravioletti sono in grado di eccitare i recettori di membrana per l’EGF (28), per l’IL-1b (29) e per il TNF-a, inducendo, quindi, risposte simili a quelle normalmente prodotte dall’interazione con lo specifico ligando. Tra meccanismi che possono spiegare il fenomeno, vi sono l’impulso alla dimerizzazione recettoriale (che costituisce una fase cruciale della fisiologica attivazione); l’innesco delle tirosin-chinasi associate ai recettori (30) (cui segue la trasmissione del segnale, mediata dalla conversione in forma fosforilata dei trasduttori post-recettoriali); l’inibizione delle fosfatasi che, normalmente, riconvertono i trasduttori allo stato defosforilato inattivo (31,32). Tale deviazione degli apparati di controllo determina un improprio innesco dei fattori di trascrizione AP-1 ed NFk-B; questi si legano al DNA, su particolari sequenze promoter, inducendo la sintesi di m-RNA a partire da specifici geni target (33). Tra le proteine delle quali viene, cosi’, promossa l’espressione, vi sono le Metalloproteinasi della matrice (MMP), endopeptidasi zinco-dipendenti, capaci, nel loro insieme, di degradare tutti i componenti della sostanza intercellulare del connettivo. Sono stati, sinora, identificati circa 20 enzimi di questa classe. In base all’attivita’, sono distinti in collagenasi (in grado di iniziare la degradazione della struttura a tripla elica del collagene fibrillare), gelatinasi (interrompono i legami peptidici dei frammenti di collagene già parzialmente digerito), stromelisine (riconoscono, come substrati, il collagene IV, la laminina, la fibronectina e le core proteins dei proteoglicani) ed elastasi. Le MMP sono prodotte da fibroblasti, cellule endoteliali, cheratinociti, linfociti, mastociti, neutrofili, eosinofili, macrofagi. Per la gran parte, non risultano espresse in situazioni normali o lo sono a concentrazioni molto basse. Alcune citochine (34), come IL-1, IL-6 (35) ,TNF-a, TGF-a, EGF e PDGF, ne stimolano la sintesi ed il rilascio, altre, tra cui TGF-b ed IL-4, possiedono effetto inibitorio. Molte MMP sono secrete sotto forma di pro-enzimi inattivi. Inoltre, in condizioni di base, la funzione delle MMP viene impedita da antagonisti specifici (TIMP). Le MMP intervengono fisiologicamente nei processi di remodelling tessutale connessi all’embriogenesi, ed all’accrescimento, oltre che nel normale turnover della matrice. La concentrazione e l’attivita’ delle MMP aumentano drammaticamente in situazioni patologiche (36), come nella flogosi acuta e cronica, nella riparazione tessutale, nella riepitelizzazione delle ferite cutanee. In alcune affezioni, l’eccessivo degrado della matrice extracellulare provocato da una troppo elevata funzione delle MMP assume un rilievo patogenetico: tra queste, l’osteoartrosi, l’ A.R., le ulcere cutanee croniche, le periodontopatie. Nelle neoplasie, le MMP concorrono ai fenomeni di infiltrazione, metastatizzazione e neovascolarizzazione. Le MMP partecipano allo sviluppo delle alterazioni tipiche dell’invecchiamento fotoindotto (37,38,39). La luce solare, anche in seguito ad esposizioni assai modeste, è in grado di incrementare notevolmente la sintesi di MMP, cosicchè queste sfuggono al controllo dei rispettivi inibitori (40,41,42). Dosaggi UVB tra 0,1 e 0,5 MED (ben al di sotto, quindi, della soglia eritematogena e corrispondenti a pochi minuti di sole estivo) bastano a produrre, nei fibroblasti del derma, aumenti significativi delle MMP; per mantenere elevata l’attivita’ tessutale di questi enzimi è sufficiente che il lieve irraggiamento sia ripetuto a giorni alterni (43). La secrezione fotoindotta di citochine da parte dei fibroblasti e cheratinociti concorre, con meccanismi autocrini e paracrini, ad incrementare, negli stessi elementi, l’entita’ e la durata della produzione di MMP; inoltre richiama ed attiva una popolazione leucocitaria che, a sua volta, rilascia sia ROS, sia citochine, sia MMP (44,45). Un ulteriore causa dell’incremento delle MMP nella cute fotoesposta sta nell’accelerata progressione verso la senescenza replicativa. Tale condizione, definita come una sorta di “età pensionistica” delle cellule, è caratterizzata dal blocco delle mitosi e da una complessa serie di alterazioni funzionali (46) che rende improduttiva ed, anzi, svantaggiosa per la fisiologia tessutale (47) la permanenza degli elementi compromessi. Tra l’altro, i fibroblasti senescenti esprimono alti livelli di MMP e basse attivita’ di TIMP (48), trasformandosi da cellule produttrici di matrice in artefici del degrado della stessa (49). La senescenza replicativa è un processo correlato principalmente al chronoaging: interviene quando le cellule hanno portato a termine il numero massimo di duplicazioni concesse dal “contascatti mitotico” localizzato nei telomeri (segmenti terminali dei cromosomi) (50). Studi recenti hanno, tuttavia, dimostrato che le alterazioni genomiche fotoindotte erodono i telomeri (51), destabilizzandone la disposizione ad anello (loop) (52), in modo da avviare la cascata di eventi che porta all’innesco di p53 ed all’aumento delle proteine p21 e p16. In tal modo, nelle aree cutanee cronicamente irradiate, si accumula una quota di cheratinociti e fibroblasti senescenti assai più numerosa rispetto quella reperibile, nello stesso soggetto, in zone abitualmente coperte (53, 54, 55). Le manifestazioni cliniche dell’eccesso di attivita’ delle MMP sono molto precoci; nel topo una ridotta elasticita’ della cute e la comparsa delle prime rugosita’ si evidenziano dopo appena qualche settimana di ripetuto irraggiamento UV, a dosi sub-eritematogene (56,57). Negli anni, l’indiscriminata ed ininterrotta attivita’ proteolitica delle MMP sull’intera compagine proteica della matrice (fibre collagene ed elastiche (58, 59), componenti polipeptidiche dei proteoglicani, nectine, costituenti della GDE), conduce ad un progressivo scompaginamento del derma. I fibroblasti reagiscono contro il degrado della sostanza intercellulare, realizzando un incremento dei processi di sintesi, testimoniato dagli aspetti citologici di attivazione funzionale. Gli interventi di riparazione risultano, però, incompleti e disorganizzati (60). Al disordine nella neosintesi della matrice connettivale contribuiscono:
- lo squilibrio nella produzione dei diversi componenti delle fibre elastiche e/o nel loro assemblaggio. Le radiazioni UV (61) e lo stress ossidativo ad esse connesso inducono un frenetico incremento della sintesi dell’elastina (62), realizzato, almeno in parte, attraverso modifiche post-trascrizionali del relativo mRNA (63); il fenomeno è stato riscontrato non solo nei fibroblasti, ma anche nei cheratinociti (64). Viceversa, le proteine fibrillari che costituiscono l’involucro esterno della fibra elastica subiscono una grave deplezione, dovuta sia ad un’intensa attivita’ proteolitica (65), sia ad una ridotta espressione del mRNA della fibrillina-1. L’elastina neosintetizzata, incapace di aggregarsi in modo corretto, si accumula disordinatamente.
- la ridotta produzione di collagene I e III; a determinare questa carenza, concorrono sia l’inibizione che i frammenti polipeptidici della proteolisi del collagene sono in grado di indurre nella neosintesi dello stesso (66,67), sia l’interferenza che il fattore AP-1 esercita sulla trascrizione dei geni del procollagene (68), sia la diminuzione dello stimolo che, normalmente, il TGF-b opera sui fibroblasti. Quest’ultimo fenomeno consegue ad un’attivita’ inibitoria dell’AP-1 sul TBF-b (69) ed ad un effetto, UV-mediato, di down-regulation dei recettori cellulari per tale citochina (70).
- la diminuizione, che gli UV determinano, nella produzione del collagene VII (costituente delle fibrille ancoranti), testimoniata anche dalla bassa presenza del relativo mRNA (71). Ciò, insieme alla contemporanea scomparsa delle fibre elastiche ossitalane dell’asse papillare (72), configura una profonda alterazione della GDE e del derma superficiale limitrofo.
- il “rilasciamento” della matrice: man mano che viene degradata, la sostanza intercellulare perde tensione meccanica. Ciò innesca un ennesimo circolo vizioso, perché i fibroblasti, non più sottoposti a sollecitazione tensionale, non solo riducono le attivita’ di sintesi (73), ma vanno anche incontro a processi di apoptosi (74).
- la digestione delle unita’ polipeptidiche che concorrono a formare i proteoglicani (core-proteins, link-proteins, ecc): ciò impedisce alle catene polisaccaridiche dei glucosaminoglicani di assemblarsi in modo corretto; le alterazioni del feltro dei proteoglicani impediscono alle fibre collagene ed elastiche di disporsi in modo ben orientato.
Tutto ciò si traduce nella deposizione di una matrice degenerata, che assume caratteri morfologici simil-cicatriziali: la dermatoeliosi rivestirebbe, pertanto, i connotati patogenetici di una “cicatrice solare” (75). I retinoidi consentono di ottenere significative regressione dei segni cutanei prodotti dalle fotoesposizioni pregresse (76, 77, 78, 79); la loro attivita’ pare, almeno in parte, legata all’incremento della sintesi di TGF-b (80). Inoltre, i farmaci retinoidi sembrano poter svolgere un ruolo nella prevenzione, contrastando l’insorgenza di nuove manifestazioni di danno attinico. Il pretrattamento topico con tretinoina è, infatti, in grado di impedire che successive fotoesposizioni provochino un incremento della sintesi delle MMP. (81). E’ stato dimostrato che i retinoidi possono bloccare la sequenza biochimica che conduce alla formazione dell’induttore AP-1. Il prossimo futuro, molto probabilmente, ci riserva la disponibilità di una nuova classe di farmaci inibitori delle MMP, il cui studio è in fase avanzata. La ricerca, al momento, è finalizzata soprattutto ad individuare nuove possibilità terapeutiche per le patologie osteo-articolari e per le neoplasie (82, 83, 84, 85). Anche in campo dermatologico, comunque, sono state pubblicate alcune interessanti sperimentazioni. Estratti di malto ottenuti, con metodo biotecnologico, hanno evidenziato attivita’ TIMP-mimetica (86). Estratti di Sanguisorba Officinalis sono capaci di contrastare l’azione delle elastasi rilasciate dai fibroblasti e dai macrofagi (87). Un inibitore delle MMP, il fosforamidone, è stato modificato in modo da agevolarne l’assorbimento percutaneo; la sua applicazione topica ha impedito che una reiterata esposizione agli UV inducesse, nel topo, la comparsa di quei segni clinici ed istologici del fotodanneggiamento che, invece, si sono regolarmente manifestati nei controlli (88). Un altro antagonista delle metalloproteinasi, ottenuto per sintesi ed attivo per via topica, è stato presentato in un recentissimo articolo (89). Infine, va ricordato che l’applicazione di preparati a base di vitamina C si è dimostrata in grado di incrementare la concentrazione, nel derma, dell’inibitore tessutale TIMP-1 (90), mentre l’a-tocoferolo, nell’ambito delle funzioni non connesse all’attivita’ di radical scavenger, realizza un blocco della protein-chinasi C, in modo da ridurre l’incremento dell’espressione delle MMP connesso al chronoaging (91).
La fotoprotezione dal Centro America
La Polipodium Leucotomos è una felce originaria del Centro America e l’ estratto del suo rizoma è particolarmente ricco (3-10%) di composti fenolici. Questi agiscono come filtri interni per assorbire i raggi Ultravioletti e sono prodotti in quantità elevata dalle piante filogeneticamente più antiche, che si dovettero adattare alla vita terrestre evolvendo da piante acquatiche. In recenti studi, la Polipodium Leucotomos ha dimostrato in vitro un’ attivita neutralizzante selettiva dell’ ossigeno singoletto e dell’ anione superossido, temuti radicali liberi generati dagli UV. La Polipodium Leucotomos ha inoltre permesso di aumentare la sopravvivenza cellulare e di mantenere l’integrità del citoscheletro e la funzionalita’ di fibroblasti e di cheratinociti irradiati. Dai dati si evince che la produzione di PG2_ è ridotta del 90% e quella di IL-1 e di TNF-_ del 50%. Al contrario la produzione di collagenasi MMP-1 da fibroblasti irradiati è ridotta dell’ 80%. Inoltre, l’isomerizzazione dell’acido urocanico appare ridotta del 17%. Secondo i ricercatori, la Polipodium Leucotomos va considerato come un antiossidante con attivita’ fotoprotettrice nell’ uomo, con fattore di protezione, dopo esposizione ad UVB, pari a 3. Nell’ uomo, infatti, la Polipodium Leucotomos è capace di prevenire le alterazioni morfologiche e la scomparsa delle cellule di Langerhans causate da esposizioni solari e di inibire la tolleranza immune al Nichel indotta da esposizioni UVB. In studi condotti su modelli murini, si è visto che la somministrazione preventiva di Polipodium Leucotomos previene il fotoinvecchiamento evita la comparsa di cheratinociti atipici e riduce significativamente l’ infiltrato mastocitario, la formazione di nuovi vasi dermici e il grado di elastosi causati da esposizioni UVB ripetute. In conclusione la Polipodium Leucotomos presenta proprietà antiossidanti di assoluto interesse, e potenzialita’ ancora in gran parte inesplorate, per la fotoprotezione e la fototerapia.
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