Пищевая химия
Пищевая химия (лекция 8)
1. Белки мяса и молока
Наиболее распространенным белком в животном мире является коллаген (кожа, сухожилия, кровеносные сосуды, кости, роговица глаз, хрящи). Он обеспечивает внеклеточную структуру в соединительной животной ткани, существуя не менее чем в пяти различных типах. Коллаген внеклеточный белок, но синтезируется он внутри клетки в виде молекул-предшественников.
Близкий по свойствам к коллагену, в эластичных фибриллах соединительной ткани обнаружен белок эластин, содержащийся в связках и стенках кровеносных сосудов. Этот белок беден пролином.
Мясо, содержащее много соединительной ткани, остается жестким и после тепловой обработки; усвояемость коллагена и эластина в нем очень низкая. Однако при необходимости усилить двигательную функцию кишечника целесообразно использовать продукты, богатые соединительной тканью.
Желатин – продукт неполного гидролиза коллагена. По аминокислотному составу желатин неполноценен, но желеобразные продукты из него перевариваются без напряжения секреции пищеварительных органов. Данное свойство позволяет применять желатин в диетах щадящего режима.
Молоко – это гетерогенная система, в которой в качестве дисперсной фазы выступают эмульгированные жировые глобулы и коллоидные мицеллы казеина, а в роли дисперсионной среды – раствор белков, лактозы, солей и витаминов. Общее содержание белков в молоке колеблется от 2,9 до 3,5 %. Среди них выделяют две основные группы: казеины и сывороточные белки.
В молоке содержится более 20 ферментов, а также гормоны и белки в составе оболочек жировых шариков.
Основными белками молока являются казеины, которые легко перевариваются и являются источниками незаменимых аминокислот, кальция, фосфора и ряда физиологически активных пептидов. Например, при действии в желудке на κ-казеин химозина высвобождаются глико- и фосфопептиды, которые регулируют секрецию желудочного сока, моделируют физико-химические свойства белков, осуществляют защиту от протеолиза и влияют на проницаемость мембран клеток. Важнейшими физиологическими функциями обладают сывороточные белки. Иммуноглобулины выполняют защитную функцию, лактоферрин и лизоцим являются носителями антибактериальных свойств, лактоферрин и β-лактоглобулин выполняют транспортную роль, перенося в кишечник микро- и макроэлементы, витамины и липиды.
Казеин в молоке содержится в виде казеинаткальциевого фосфатного комплекса.
Кальций в составе комплекса выполняет роль структурообразователя, создавая мостик между серинфосфатными группами двух молекул казеина. Казеин молока осаждается при рН 4,6-4,7, когда на его молекулах наступает равенство положительных и отрицательных зарядов. Нерастворимый казеин обладает способностью связывать воду в достаточно больших количествах, что важно для устойчивости частиц белка в сыром, пастеризованном или стерилизованном молоке. Гидрофильные свойства казеина усиливаются при взаимодействии его с β-лактоглобулином, которые наблюдаются в процессе тепловой обработки молока, и от них зависят структурно-механические свойства сгустков, образующихся при кислотном свертывании или получении сырной массы при созревании сыров.
Промышленные казеины получают из обезжиренного молока действием кислот, кисломолочной сыворотки, введением солей кальция, химозина и др. В зависимости от способа получения различают казеинат натрия, казеинат кальция, кислотный, сычужный казеин и копреципитат с разными функциональными свойствами. При производстве новых форм белковой пищи большое значение имеет гелеобразование казеина, его взаимодействие с веществами небелковой природы, образование стойких эмульсий и явление синерезиса.
Белки молока характеризуются высокой биологической ценностью, они содержат в избыточных количествах лизин и триптофан с одновременным недостатком серосодержащих аминокислот. Белки сыворотки содержат незаменимые аминокислоты в значительно больших количествах, чем казеин.
При какой температуре денатурирует белок в человеческом организме
Белковая недостаточность представляет собой болезненное состояние организма, связанное с недостаточным поступлением и усвоением белка либо с его усиленным распадом. Истинный дефицит поступления белков с пищей может развиваться у лиц, длительное время недоедающих, придерживающихся так называемых монодиет, или у вегетарианцев. Вторичный дефицит белка, связанный с его усиленным распадом, может сопровождать целый ряд заболеваний, например тяжелые формы инфекционных заболеваний, ожоги, патологии почек, наследственные нарушения обмена веществ. Белки являются основным строительным материалом организма, поэтому даже легкие формы белковой недостаточности, внешне протекающие бессимптомно, влияют на способность противостоять инфекции или на скорость заживления ран, замедляют рост ногтей и волос, вызывают сухость кожи. Тяжелая белковая недостаточность может нарушить нормальную работу всех органов и систем. Особенно опасен дефицит белка в детском возрасте, так как он способен повлиять на развитие умственных способностей, формирование мышц, замедлить рост ребенка.
Своевременное выявление белковой недостаточности и установление ее причины крайне важно, так как позволяет избежать опасных для жизни осложнений.
Дефицит белка, белковая дистрофия, белково-энергетическая недостаточность.
Легкие формы белковой недостаточности чаще всего протекают бессимптомно. Исключение могут составлять наследственно обусловленные дефициты отдельных аминокислот (структурных компонентов молекулы белка), характерные признаки которых наблюдаются в раннем детском возрасте.
Внешние проявления дефицита белка:
Проявления со стороны нервной системы:
Проявления со стороны костно-мышечной системы:
Со стороны органов пищеварения:
Кто в группе риска?
Общая информация о заболевании
Белки относятся к числу основных питательных веществ, выполняющих в организме следующие функции.
Реализация этих функций происходит за счет белкового обмена – постоянно протекающих процессов образования (синтеза) и распада белка.
Основные причины белковой недостаточности:
В зависимости от степени выраженности недостаток белка может приводить к:
Белковая недостаточность в первую очередь может быть заподозрена у пациентов с дефицитом массы тела, а также у лиц с симптомами заболеваний, для которых характерен дефицит белков. Для подтверждения диагноза проводится комплекс исследований.
Дополнительные (инструментальные) методы исследования
Объем диагностических исследований зависит от предполагаемой причины белковой недостаточности и должен определяться лечащим врачом. К числу основных методов диагностики относятся:
Лечение белковой недостаточности направлено на восполнение объема белка и нормализацию белкового обмена. Одновременно лечится основное заболевание.
Оно может включать в себя следующие пункты.
Белковая недостаточность
Белковая недостаточность – это болезненное состояние человеческого организма, которое связано либо с усиленным распадом белка, либо с его недостаточным поступлением и последующим усвоением. Действительно сильный дефицит поступления белков вместе с пищей может развиться у тех, кто недоедает долгое время, придерживается монодиет или же практикует вегетарианство. Вторичный дефицит белка связан с его повышенным распадом и наблюдается у людей, страдающих от различных заболеваний, включая наследственные нарушения обмена веществ, тяжелые инфекционные болезни, патологии почек и ожоги.
Организм использует белки в качестве строительного материала, поэтому даже при легкой форме белковой недостаточности, которая может проходить без всяких внешних симптомов, кожа становится слишком сухой, а рост волос и ногтей замедляется. При тяжелой форме дефицита белка нарушается нормальная работа всех систем и органов. Для детей белковая недостаточность особенно опасна: она может спровоцировать замедление роста, повлиять на формирование мышц и на развитие умственных способностей.
Крайне важно своевременно обнаруживать дефицит белка и устанавливать его причины: это позволит избежать осложнений, которые могут даже представлять угрозу жизни.
Симптомы недостатка белка
Легкие формы дефицита белка обычно проходят без всяких симптомов. Единственное исключение – наследственные дефициты определенных аминокислот, которые являются структурными компонентами белковых молекул. Характерные симптомы таких дефицитов обычно наблюдаются еще в раннем детстве.
Внешние симптомы белковой недостаточности:
Симптомы со стороны нервной системы:
Симптомы со стороны костно-мышечной системы:
Симптомы со стороны органов пищеварения:
Кто в группе риска белковой недостаточности?
Диагностика белковой недостаточности
В первую очередь дефицит белка можно заподозрить у пациентов с низкой массой тела, а также у лиц с симптомами заболеваний, для которых дефицит белков характерен. Чтобы подтвердить данный диагноз, специалисты проводят различные исследования.
Лабораторные исследования, которые проводятся для диагностики дефицита белка:
Дополнительные исследования, которые проводятся для диагностики дефицита белка:
Лечение белковой недостаточности
При лечении белковой недостаточности основной упор делается на то, чтобы восполнить объем белка и нормализовать его обмен. Параллельно с этим специалисты лечат основную болезнь.
Само лечение может включать в себя следующие пункты:
Нарушение белкового обмена
Белок имеет важную функцию в организме, так как является пластическим материалом, из которого идет строительство клеток, тканей и органов организма человека. Помимо этого, белок – основа гормонов, ферментов и антител, которые выполняют функции роста организмы и защищают его от воздействия негативных факторов окружающей среды. При нормальном обмене белка в организме, у человека высокий иммунитет, отличная память и выносливость. Белки влияют на полноценный обмен витаминов и минеральных солей. Энергетическая ценность 1 г белка составляет 4 ккал (16,7 кДж).
При недостатке белков в организме возникают серьезные нарушения: замедление роста и развития детей, изменения в печени взрослых, деятельности желез внутренней секреции, состава крови, ослабление умственной деятельности, снижение работоспособности и сопротивляемости к инфекционным заболеваниям.
Белковый обмен играет важную роль в процессе жизнедеятельности организма. Нарушение белкового обмена вызывает снижение активности, также понижается сопротивляемость к инфекциям. При недостаточном количестве белков в детском организме – возникает замедление роста, а также снижение концентрации. Необходимо понимать, что нарушения возможны на разных этапах синтеза белка, но все они опасны для здоровья и полноценного развития организма.
Этапы синтеза белков:
На всех этапах могут существовать нарушения, которые имеют свои особенности. Рассмотрим их детальнее.
Первый этап: Всасывание и синтез
Основное количество белков человек получает из пищи. Поэтому при нарушении переваривания и всасывания развивается белковая недостаточность. Для нормального синтеза белков необходимо правильное функционирование системы синтеза. Нарушения этого процесса могут быть приобретенными или наследственными. Также уменьшение количества синтезируемого белка может быть связано с проблемами в работе иммунной системы. Важно знать, что нарушения в процессе всасывания белков приводит к алиментарной недостаточности (дистрофия тканей кишечника, голодание, несбалансированный состав пищи по аминокислотной составляющей). Также нарушение процессов синтезирования белков чаще всего ведут к изменению количества синтезированного белка или к образованию белка с измененной молекулярной структурой. В результате происходят гормональные изменения, дисфункция нервной и иммунной системы, также возможны геномные ошибки.
Второй этап: Обмен аминокислот
Нарушения обмена аминокислот также могут быть связаны с наследственными факторами. Проблемы на этом этапе чаще всего проявляются в нехватке тирозина. Это, в частности, провоцирует врожденный альбинизм. Более страшное заболевание, спровоцированное нехваткой тирозина в организме – наследственная тирозенемия. Хроническая форма заболевания сопровождается частой рвотой, общей слабостью, болезненной худобой (вплоть до возникновения анорексии). Лечение состоит в соблюдении специальной диеты с высоким содержание витамина D. Нарушения обмена аминокислот приводятк дисбалансу процессов трансаминирования (образования) и окислительного разрушения аминокислот. Влиять на негативное развитие этого процесса может голодание, беременность, заболевания печени, а также инфаркт миокарда.
Третий этап: конечный обмен
При конечных этапах белкового обмена, может возникнуть патология процесса образования азотистых продуктов и их конечного выведения с организма. Подобные нарушения наблюдаются при гипоксии (кислородном голодании организма). Также следует обращать внимание на такой фактор, как белковый состав крови. Нарушение содержания белков в плазме крови может указывать на проблемы с печенью. Также катализатором развития болезни могут быть проблемы с почками, гипоксия, лейкоз. Восстановлением белкового обмена занимается терапевт, а также врач-диетолог.
Симптомы нарушения белкового обмена
При большом наличии белка в организме, может быть его переизбыток. Это связано в первую очередь с неправильным питанием, когда рацион больного почти полностью состоит из белковых продуктов. Врачи выделяют следующие симптомы:
Избыток белка также может привести к подагре и ожирению. Фактором риска при возникновения подагры может быть чрезмерное употребление в пищу большого количества мяса, особенно с вином и пивом. Подагрой чаще болеют мужчины пожилого возраста, для которых характерна возрастная гиперурикемия.
Симптомы подагры:
Симптомы ожирения:
При наличии вышеуказанных проблем, необходимо снизить потребление белковых продуктов, пить больше чистой воды, заниматься спортом. Если же организму наоборот не хватает белков для синтеза, он реагирует на ситуацию следующим образом: возникает общая сонливость, резкое похудание, общая мышечная слабость и снижение интеллекта. Отметим, что в «группу риска» попадают вегетарианцы и веганы, которые по этическим причинам не употребляют животный белок. Людям, которые придерживаться подобного стиля питания, необходимо дополнительно принимать внутрь витаминные комплексы. Особенно обратить внимание на витамин B12 и D3.
Наследственные нарушения обмена аминокислот
Важно знать, что при наследственном нарушении синтеза ферментов, соответствующая аминокислота не включается в метаболизм, а накапливается в организме и появляется в биологических средах: моче, кале, поте, цереброспинальной жидкости. Если смотреть на клиническую картину проявления этого заболевания, то она определяется в первую очередь появлением большого колличества вещества, которое должно было метаболизироваться при участии заблокированного фермента, а также дефицитом вещества, которое должно было образоваться.
Нарушения обмена тирозина
Нарушения белкового состава крови
Также стоит упомянуть о нарушениях белкового состава в крови. Изменения в количественном и качественном соотношении белков крови наблюдаются почти при всех патологических состояниях, которые поражают организм в целом, а также при врожденных аномалиях синтеза белков. Нарушение содержания белков плазмы крови может выражаться изменением общего количества белков (гипопротеинемия, гиперпротеинемия) или соотношения между отдельными белковыми фракциями (диспротеинемия) при нормальном общем содержании белков.
Гипопротеинемия возникает из-за снижения количества альбуминов и может быть приобретенной (при голодании, заболеваниях печени, нарушении всасывания белков) и наследственной. К гипопротеинемии может привести также выход белков из кровеносного русла (кровопотеря, плазмопотеря) и потеря белков с мочой.
Противоречия эстетической медицины. 6. Методы скинтайтинга: миф о схлопывании коллагеновых волокон
И. Кругликов, доктор физико-математических наук, «Веллкомет ГмбХ», Германия
Статья публикуется с разрешения доктора И. Кругликова и журнала KOSMETICHE MEDIZIN (4/2013), Германия
1 ВВЕДЕНИЕ
Неинвазивные и минимально инвазивные аппаратные методы лечения находят все большее применение в эстетической медицине. Некоторые из этих методов, особенно те, которые предназначены для подтяжки кожи, декларируют долгосрочную модификацию коллагеновой сети как основную цель их применения. Этот эффект может быть достигнут, в частности, за счет конформационных изменений в коллагеновых структурах, вызываемых локальным выделением тепла в ткани-мишени. Одно из таких конформационных изменений – так называемое схлопывание коллагеновых структур – эффект, который практически всеми лазерными и радиочастотными методами подтяжки кожи заявляется в качестве основы их воздействия. Несмотря на то что молекулы коллагена действительно изменяют свою конфигурацию при нагревании и при этом даже могут существенно схлопываться (что было продемонстрировано во многих исследованиях in vitro и in vivo), действительный вклад этого феномена в наблюдаемые клинические результаты после применения различных методов подтяжки кожи остается спорным.
2 МЕХАНИЗМЫ ИЗМЕНЕНИЯ КОЛЛАГЕНОВЫХ СТРУКТУР ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
Сшитый (зрелый) коллаген – важная составная часть соединительной ткани, а его содержание определяет механические свойства и стабильность этой ткани. Содержание коллагена в ткани сильно зависит от скорости его обновления, которое протекает на разных уровнях – от активирования матричной рибонуклеиновой кислоты и синтеза проколлагена до производства зрелой коллагеновой сетки. Причем первые стадии этого процесса очень неустойчивы и могут чувствительно реагировать на различные физические факторы [1, 2]. Свободные белки проколлагена нестабильны, их внутримолекулярные связи слабы и могут быть ферментативно, а также под воздействием физических факторов расщеплены. Эти белки сами по себе не играют роли в механических свойствах соединительной ткани, поскольку только коллагеновые волокна, образующиеся путем фибриллогенеза, формируют механически ригидные и ферментативно устойчивые структуры (которые связаны также гликозаминогликанами и потому могут эффективно управлять накоплением воды в тканях).
Общепризнанно, что содержание коллагена в соединительной ткани с возрастом непрерывно уменьшается, что может иметь драматические последствия для ее механических свойств. Снижение содержания коллагена, а также деформация коллагеновой сетки ведут к возникновению крупнозернистой и несовершенной пространственной структуры, ригидность которой соответственно уменьшается. Искусственное уплотнение и упрочение этой сетки теоретически должно было бы привести к подтяжке кожи, а значит, и к улучшению ее внешнего вида.
Существуют три основные возможности добиться таких изменений. Некоторые из них могут быть реализованы в долгосрочной перспективе, другие – в среднесрочной или краткосрочной.
Смещение равновесия между формированием и разрушением соединительной ткани
Эта стратегия в долгосрочной перспективе может привести к стабильному обновлению коллагеновой сетки. Смещение в направлении разрушения соединительной ткани развивается в течение длительного времени вследствие разных заболеваний, действия солнечного излучения, а также по мере старения. Обратного развития этого процесса можно добиться путем целевого стимулирования фибробластов при одновременном подавлении матриксных металлопротеиназ, отвечающих за разрушение коллагена. Однако следует учесть, что обновление зрелой коллагеновой сетки в коже протекает в квазифизиологических условиях крайне медленно c периодом полураспада коллагена около 15 лет [3], поэтому такое обновление кожи может произойти только спустя длительное время [1].
Локальное повреждение соединительной ткани, которое приводит к образованию рубцов и соответствующему изменению натяжения кожи Именно такие изменения типичны при проведении минимально инвазивных омолаживающих процедур – лазерных (Fraxel и др.), радиочастотных и других. Эффект подтяжки кожи должен возникнуть при этом в среднесрочной перспективе (от недель до нескольких месяцев) и по времени должен коррелировать с образованием рубцов в соединительной ткани.
Модификация внутри- или межмолекулярных связей в коллагене в целях воздействия на структуры коллагеновой сетки на уровне отдельных коллагеновых молекул, коллагеновых фибрилл и/или коллагеновых волокон
Самым известным примером такой модификации является обратимая или необратимая денатурация коллагена под воздействием тепла, которая терапевтически применяется для укрепления слабой соединительной ткани в нестабильных суставных капсулах с помощью термической капсулорафии, а также в термокератопластике и для подтяжки кожи (Skin Tightening) в эстетической медицине. При массивной денатурации коллагена подтяжка соединительной ткани должна возникнуть сразу или через непродолжительное время после проведения процедуры.
Наиболее важные методы скинтайтинга в эстетической медицине основываются на локальном повышении температуры, причем в связи с этим следует различать следующие виды нагрева: с помощью воды, лазерный, ультразвуковой и радиочастотный. Хотя в основе этих методов лежат разные физические механизмы передачи энергии (а значит, и распределение энергии в тканях происходит по-разному), в конечном итоге все они осуществляют некоторое тепловое воздействие на целевую область.
Практически все эстетические методы коррекции, основанные на выделении тепла, декларируют схлопывание коллагеновых волокон как наиболее важный механизм их действия, не только обеспечивающий надежную теоретическую базу для этих методов, но и обосновывающий получение быстрого и относительно долгосрочного эффекта. Данное объяснение было перенято у достаточно хорошо изученных неинвазивных или минимально инвазивных методов (например, у капсулорафии) без критического анализа различий в распределении энергии и длительности воздействия. При этом часто игнорируется и тот факт, что схлопывание коллагеновых волокон зависит от многих, как правило, плохо контролируемых параметров и при квазифизиологических температурах в живом организме может быть в действительности реализовано лишь очень ограниченно. Так, для большинства применяемых на практике радиочастотных методов
коррекции время местного воздействия составляет менее 10 секунд, а во многих случаях оно лежит даже в миллисекундном диапазоне. В большинстве же исследований in vitro и клинических исследованиях по применению капсулорафии при температуре 60–70° C используется время воздействия в минутном диапазоне. Кроме того, обычно не принимается во внимание и то, что денатурированные молекулы коллагена не могут долго оставаться в ткани и должны быть элиминированы аутогенными желатиназами, что должно достаточно быстро снизить достигнутый эффект, если бы он действительно возникал от схлопывания коллагеновых волокон.
Все это порождает законный вопрос: насколько реально схлопывание коллагеновых волокон при проведении неинвазивных эстетических процедур. Этот вопрос становится особенно актуальным в свете все большей популярности радиочастотных методов эстетической коррекции независимо от используемых технических решений, связанных с моно-, би-, три- или даже мультиполярным расположением электродов.
3 ТЕРМИЧЕСКАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ КОЛЛАГЕНА
Молекулы проколлагена состоят из трех полипептидных цепей, которые с помощью слабых внутримолекулярных связей образуют тройную спиральную структуру (три закрученные в левую сторону спирали составляют суперспираль, закрученную в правую сторону). Слабые внутримолекулярные связи (водородные мостики) возникают между глицинами одной спирали и пролинами другой, так что на каждый триплет приходится обычно один водородный «мостик». Такие тройные спиральные структуры могут в дальнейшем организоваться и удерживаться в параллельно расположенных структурах более высокого порядка – микрофибриллах (состоящих из 5 молекул проколлагена) и фибриллах, а также в коллагеновых волокнах, где их связывают уже альдегидные мостики, которые являются существенно более прочными, чем водородные. Только такие зрелые фибриллярные структуры, а не проколлагены могут отвечать за механические свойства соединительной ткани.
Тройные спирали коллагена формируют матриксные структуры различных типов тканей и при нормальных температурах тела остаются термически и механически относительно стабильными. Поэтому длительное время предполагалось, что эти молекулы обладают маргинальной термостабильностью и денатурируют лишь при температурах, на несколько градусов Цельсия превосходящих температуру тела. Однако в настоящее время многое говорит в пользу того, что температура денатурации (TD) тройных спиралей проколлагена на самом деле ниже температуры тела [4]. Если это действительно так, то можно предположить, что молекулы проколлагена уже при температуре тела не существуют в устойчивой для них форме тройной спирали, а должны иметь стохастическую (случайную) структуру. Как только молекулы проколлагена выделяются из клетки, они сразу же начинают распадаться. Предполагается, что это может быть связано с отсутствием стабилизирующих белков теплового шока. Такой быстрый распад объясняет, почему абсолютное большинство вновь синтезированных молекул проколлагена снова спонтанно распадаются и никогда не образуют зрелых фибриллярных структур.
Итак, нагревание при квазифизиологических температурах приводит к тому, что неустойчивые внутримолекулярные связи разрушаются, хотя при этом межмолекулярные сшивки могут сохраняться и дальше. Таким образом происходит денатурация коллагена, часто называемая также схлопыванием коллагеновых волокон, – коллагеновые фибриллы теряют свою внутреннюю спиральную структуру, схлопываются вдоль главной оси и в дальнейшем удерживаются вместе в основном за счет внутримолекулярных связей. Подобное конформационное изменение соответствует переходу коллагена из высокоорганизованной кристаллообразной структуры в гелеобразное (денатурированное) состояние.
Разрушение молекул коллагена по механизму обратной связи приводит к активации фибриллогенеза (образованию коллагеновых фибрилл из отдельных молекул проколлагена), что позволяет вновь стабилизировать коллагеновые структуры. Так из нестабильных молекул проколлагена могут быть образованы стабильные структуры коллагена [5].
Как уже было сказано, квазифизиологическое нагревание ткани может усилить распад молекул проколлагена. Однако этот процесс в первую очередь затронет именно свободные молекулы проколлагена и не должен привести к существенному изменению зрелой коллагеновой сетки, для термической модификации которой потребуются намного более высокие температуры. Зрелый коллаген денатурирует обычно при температуре 60–65° C. Здесь имеется в виду так называемая температура перехода, при которой денатурируют 50% всех молекул коллагена. Поскольку конформационные изменения происходят в температурном диапазоне 10–12° C, первые переходы, как правило, могут наблюдаться уже при температуре на 5–6° C ниже среднего значения TD. Это определяет абсолютный предел минимально эффективной температуры денатурации коллагена в соединительной ткани на уровне 55° C.
Предельная температура, при которой наблюдаются первые признаки денатурации зрелого коллагена во время эстетической процедуры, зависит от различных контролируемых и неконтролируемых параметров – скорости нагрева- ния, гидратации ткани, стресса, предшествующих процедур и т.д. Снижение TD всего на 1° C способно уменьшить длительность распада коллагена с нескольких дней до нескольких часов, вследствие чего может существенно измениться динамический баланс между распадом коллагена и образованием коллагеновых фибрилл.
К этому добавляется еще один важный момент: изменения в структуре коллагена во время нагревания в зависимости от температуры и длительности воздействия могут быть либо обратимыми, либо необратимыми. Умеренное и относительно краткосрочное повышение температуры приводит к локальным изменениям во внутримолекулярной структуре молекул коллагена, которые, однако, регенерируют спустя некоторое время после процедуры (обратимые изменения), если, конечно, прежде эти поврежденные молекулы не были расщеплены ферментативно. При более высоких температурах в молекулах коллагена возникают необратимые структурные изменения, в результате чего они больше не могут спонтанно восстановиться. Такие денатурированные коллагеновые структуры могут быть элиминированы только посредством матриксных металлопротеиназ.
4 УСЛОВИЯ СХЛОПЫВАНИЯ КОЛЛАГЕНОВЫХ МОЛЕКУЛ: ЗАВИСИМОСТЬ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Результат нагревания коллагена в большой степени зависит от различных параметров.
Наиболее важными из них являются:
– максимальная температура в ткани;
– длительность воздействия;
– механический стресс во время нагревания;
– содержание коллагена и ориентация коллагеновых волокон;
– возраст соединительной ткани;
– значение pH в ткани;
– степень гидратации ткани.
Максимальная температура и длительность нагрева
Чем выше температура, до которой нагреваются коллагеновые структуры, тем короче время, необходимое для получения одинакового модифицирующего эффекта. Так, нагрев in vitro коллагена из плечевого сустава при температуре воды 65° C в течение 10 минут приводит к 10%-ному схлопыванию его волокон, а нагревание до 80° C уже через 1,5 минуты способно вызвать 60%-ную денатурацию коллагена.
Похожий эксперимент по воздействию на такие же коллагеновые пробы радиочастотным током продемонстрировал другие значения: при нагревании пробы до 65° C произошло схлопывание менее 4% коллагеновых волокон, а при ее нагревании до 80° C – 14% [6]. А при исследовании коллагеновых проб из сухожилий крысиных хвостов [7] денатурация коллагена произошла при еще более низкой температуре: через 1,5 минуты нагрева до 58° C денатурировало менее 10% коллагена, а через 9 минут – уже почти 50%.
Исследования in vitro демонстрируют при этом еще один эффект – так называемый эффект плато: при достижении определенной степени денатурации дальнейшего разрушения коллагеновых волокон не происходит, несмотря на последующее повышение температуры.
Если принять во внимание, что повышение температуры всего лишь до 45° C уже существенно влияет на витальность клеток, то представляется совершенно невероятным, что схлопывание коллагена во время неинвазивных радиочастотных процедур (которые, как правило, не вызвают в тканях локальных ожогов) может быть главной причиной часто наблюдаемого на практике эффекта подтяжки кожи.
Механический стресс
Если ткань во время нагревания подвергается механическому стрессу, то температура денатурации коллагена при прочих равных условиях может отчетливо меняться. Если при этом степень нагрева и длительность теплового воздействия демонстрируют качественно схожее воздействие на деградацию коллагена, то влияние механического стресса может проявиться в снижении процентного количества денатурированных коллагеновых волокон при одинаковой длительности нагрева (или в увеличении необходимой длительности нагрева для достижения той же степени денатурации).
Этот эффект может быть объяснен переориентированием коллагеновых волокон под воздействием механического стресса. Действительно, механический стресс может существенно изменить физические свойства ткани и вызвать искусственную анизотропию в направлении натяжения. Этот феномен может играть важную роль при практическом применении некоторых методов подтяжки кожи (например, при комбинации радиочастотного воздействия с вакуумом).
Содержание коллагена и ориентирование коллагеновых волокон
Чем выше содержание коллагена в ткани и чем упорядоченное расположены фибриллы, тем более высокие температуры или более длительное время нагрева будут необходимы, чтобы добиться одной и той же степени модификации коллагена. Это может объяснить, почему результаты температурного воздействия (например, при применении радиочастотного тока) на различных участках тела могут отличаться. Участки с особенно правильно упорядоченными коллагеновыми волокнами в значительной степени анизотропны. Известным примером могут служить так называемые линии Лангера, которые определяют не только предпочтительное направление образования кожных складок или рубцов при повреждении кожи, но и поглощения тканью света [8]. При такой анизотропии выбранное направление прохождения электрического тока или распространения света (параллельно или перпендикулярно локальной ориентации коллагеновых волокон) может оказывать существенное влияние на результаты коррекции.
Возраст и значение pH ткани
Восстанавливаемые ковалентные альдегидные связи с возрастом заменяются на невосстанавливаемые мультивалентные связи. Последние значительно более стабильны и для своего разрушения требуют существенно более высоких температур. Это служит еще одной причиной того, что реакция старческой кожи на температурное воздействие заметно слабее, чем молодой.
Умеренное изменение значения pH ткани в щелочном направлении может привести к существенному повышению температуры денатурации коллагена. Поэтому все дополнительные методы воздействия, которые могут вызвать хотя бы временное снижение pH кожи, должны демонстрировать усиление эффекта от коррекции с применением обсуждаемых здесь методов.
Гидратация ткани
Уже давно известно, что дополнительная гидратация ткани приводит к усилению денатурации коллагена при одинаковых температурах нагрева [9]. Ведущие к этому изменения не до конца понятны, однако можно предположить, что свободные молекулы водорода образуют дополнительные связи с деформированными молекулами коллагена, за счет чего последние больше не в состоянии самопроизвольно восстанавливаться.
Снижение гидратации ткани с возрастом приводит к тому, что реакция старческой кожи на тепловое воздействие протекает значительно хуже, чем молодой. Соответственно дополнительные методы воздействия, ведущие к увеличению содержания воды в ткани перед ее нагревом, должны положительно сказываться на результатах коррекции.
Впрочем, гидратация ткани может и сама изменяться при повышении (в определенных пределах) температуры. Это связано, в частности, с тем, что при температурах выше 42° C в ткани происходит дополнительное производство эндогенной гиалуроновой кислоты [10], которое коррелирует с локальной выработкой белков теплового шока. Добавочное связывание воды новопроизведенной гиалуроновой кислотой ведет к краткосрочному увеличению тургора кожи в районе коррекции, что может повлечь за собой отчетливое, но также относительно краткосрочное улучшение состояния кожи после ее подтяжки радиочастотными токами.
Все это показывает, что денатурация коллагеновых волокон зависит от очень многих параметров и в неодинаковых условиях может протекать совершенно по-разному. Если данный процесс взять за теоретическую основу тепловой трансформации соединительной ткани при применении аппаратных методов подтяжки кожи, то становится очевидно, что результаты лечения разных пациентов должны сильно различаться и, таким образом, будут практически непредсказуемы.
5 МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ТЕРМИЧЕСКИ ПОВРЕЖДЕННОЙ ТКАНИ
В термически поврежденной ткани в результате денатурации коллагена обычно происходят следующие морфологические изменения:
– размножение и миграция фибробластов (фиброплазия);
– замена нативных бимодальных коллагеновых структур (состоящих из коллагеновых волокон малых и больших диаметров) преимущественно мелкими коллагеновыми волокнами.
Оба этих процесса характерны для заживления ран и образования рубцов, однако они возникают только при настоящем повреждении ткани. Эти же два процесса обеспечивают решающие различия между неинвазивным омоложением кожи и заживлением ран – процессами, которые часто сравнивают друг с другом. Поскольку при продолжительном нагревании ткани при температуре выше 60° C должна происходить не только денатурация коллагеновых волокон, но и массовая гибель клеток, после успешной процедуры радиочастотной коррекции в области обработки теоретически должны наблюдаться как некроз ткани, так и фиброплазия. Впрочем, это скорее исключение, чем правило.
Если бы эффект подтяжки кожи после коррекции радиочастотными токами можно было в основном объяснить денатурацией коллагеновых волокон, то денатурация коллагена должна была бы сочетаться с повышенной упругостью (сопротивлением деформации) кожи. Однако эксперименты показывают совершенно обратное: при подтвержденной денатурации коллагена кожа теряет свою упругость. Более того, известно, что потеря упругости соединительной ткани положительно коррелирует со степенью денатурации коллагеновых волокон (см. обсуждение в [6]). Недавно было также показано, что под влиянием нагрева кожа может по-разному вести себя при растяжении и сжатии: если при растяжении упругость кожи заметно понижается с повышением температуры, то при ее сжатии происходит совершенно обратное [11].
Все это означает, что настоящая термическая денатурация коллагена, хотя и может приводить к краткосрочному увеличению плотности ткани, одновременно должна вызывать ухудшение ее механических свойств, что в капсулорафии даже рассматривается как послеоперационный риск. Такого ухудшения механических свойств кожи после неинвазивного или минимально инвазивного лечения радиочастотным током на практике не наблюдается, что само по себе должно поставить под вопрос всю теорию денатурации коллагеновых волокон как основу тепловых методов подтяжки кожи. Но если существенное механическое ослабление кожи после применения тех или иных неинвазивных методов тепловой коррекции будет действительно установлено, они больше не смогут оцениваться как безопасные из-за возникающих в связи с этим рисков.
6 ВЫВОДЫ
Гипотеза о том, что схлопывание (денатурация) коллагеновых волокон является основной причиной подтяжки кожи при применении различных неинвазивных (прежде всего, связанных с радиочастотным воздействием) методов коррекции должна рассматриваться как крайне сомнительная.
Во-первых, необходимая для этого температура и длительность воздействия находятся далеко за пределами того, что фактически обеспечивают большинство приборов.
Во-вторых, настоящая денатурация коллагеновых волокон должна сопровождаться массовой гибелью клеток в области обработки, чего клинически почти никогда не наблюдается.
В-третьих, существенная зависимость степени денатурации коллагеновых волокон от самых разных параметров сделала бы результаты коррекции очень вариабельными и практически непредсказуемыми.
В-четвертых, массовое схлопывание коллагеновых структур привело бы к значительной потере локальной упругости кожи, которая наблюдалась бы сразу после проведения такой коррекции и привела бы к развитию некоторых побочных явлений.
Хотя феномен денатурации коллагеновых волокон после нагревания действительно существует и во многих исследованиях in vitro и in vivo был надлежащим образом подтвержден, вопрос о том, может ли он быть главной причиной получения клинических результатов, наблюдаемых после применения описанных методов коррекции, все еще остается предметом дискуссии. Даже в капсулорафии нет единого мнения о том, отвечает ли за укрепление сустава непосредственно денатурация коллагеновых волокон или это, скорее, заслуга последующей фиброплазии, заживления ран и образования рубцов [6]. В пользу второго варианта говорит то, что итоговые результаты можно увидеть лишь через несколько месяцев после лечения. Более того, в [12] было показано, что лечение ахиллова сухожилия радиочастотным током не вызывает денатурации коллагеновых волокон, тем не менее существенное укрепление пролеченного сухожилия было достигнуто через 8 недель после выполнения процедур.
В качестве главного механизма, лежащего в основе термических методов подтяжки кожи, происходящей непосредственно во время или вскоре после проведения процедуры, намного более реалистичным представляется не денатурация коллагеновых волокон, а активация местного синтеза гиалуроновой кислоты. Ее выработка ведет к накоплению воды и соответствующему увеличению тургора кожи в области коррекции – быстровозникающему эффекту, почти моментально улучшающему состояние кожи. Несмотря на то что такая быстрая выработка гиалуроновой кислоты относится к неспецифическим реакциям и в большей или меньшей степени должна была бы возникать при всех типах нагревания ткани, она в значительной мере зависит от конкретного типа распределения тепла в ткани, а также от потенциальной способности соединительной ткани к подобному синтезу, которая в стареющей коже, как правило, существенно снижается. Последнее может обусловливать известный возрастной предел эффективности при применении подобных методов коррекции.
