Біофізичні властивості шкіри щурів із метаболічним синдромом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вищий навчальний комунальний заклад Львівської обласної ради «Львівська медична академія імені Андрея Крупинського»

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Біофізичні властивості шкіри щурів із метаболічним синдромом

Н.Р. ГРИЦЕВИЧ, В.В. ВЕРЕЩАКА

Львів, Київ

Резюме

Відомо, що метаболічний синдром (МС) подовжує тривалість загоєння ранової поверхні різного ґенезу. Ми припустили, що це може бути пов'язано зі змінами в біофізичних властивостях шкіри.

Мета: дослідити біофізичні властивості шкіри (вміст вологи, колагену, виплавленої желатини в шкірі та температуру термічного зварювання шкіри) у щурів із МС.

Матеріали та методи. Дослідження проведені на 40 білих нелінійних щурах (20 - самці, 20 - самки). Після народження самці і самки були розділені на 2 групи. Перші групи слугували контролем для других груп, у яких моделювали МС шляхом введення глутамату натрію в дозі 4,0 мг/кг на 2-й, 4-й, 6-й, 8-й і 10-й постнатальні дні. У віці 4-х місяців тварин декапітували під ефірним наркозом. Проводили біохімічні дослідження для підтвердження розвитку МС. У нативній шкірі визначали відсоток вологи, вміст колагену, деструктивні зміни колагенових волокон та резистентність колагену шкіри до термічних факторів.

Результати. У 4-місячних щурів, яким у ранньому неонатальному періоді вводили глутамат натрію, розвивався МС, свідченням якого були абдомінальне ожиріння, резистентність до інсуліну та дисліпідемія. Порівняно з тваринами контрольної групи, в шкірі щурів самців і самок із МС зменшувався вміст вологи, не змінювався вміст колагену. При цьому вдвічі зростав відсоток виплавленої желатини, що свідчить про глибину деструктивних змін колагенових волокон. Термічне зварювання зразків шкіри щурів самців і самок, що мали ознаки МС, відбувалося за досить низьких температур порівняно з щурами контрольної групи.

Висновок. Зміни в біофізичних властивостях шкіри, які реєструються у щурів із МС, можуть бути причиною більш пізнього закриття ранової поверхні.

Ключові слова: метаболічний синдром, вологість шкіри, колаген, желатина, гідротермічне зварювання шкіри.

Abstract

Biophysical properties of the skin of rats with metabolic syndrome

It is known that metabolic syndrome (MS) prolongs the healing time of the wound surface of various genesis. We hypothesized that this may be related to changes in the biophysical properties of the skin.

The aim of the work was to investigate the biophysical properties of skin (content of moisture, collagen, fused gelatin in the skin, and skin thermal fusion temperature) in rats with MS.

Materials and methods. Research was conducted on 40 white non-linear rats (20 - males, 20 - females). After birth, males and females were divided into 2 groups. The first group served as a control for the second groups, in which MS was simulated by administering monosodium glutamate at a dose of 4.0 mg/kg on the 2nd, 4th, 6th, 8th, and 10th postnatal days. At the age of 4 months, the animals were decapitated under ether anesthesia. Biochemical studies were conducted to confirm the development of MS. The percentage of moisture, collagen content, destructive changes in collagen fibers and resistance of skin collagen to thermal factors were determined in native skin.

The results. 4-month-old rats injected with monosodium glutamate in the early neonatal period developed MS as evidenced by abdominal obesity, insulin resistance, and dyslipidemia. In comparison with animals of the control group, in the skin of male and female rats with MS, the moisture content decreased, and the collagen content did not change. At the same time, the percentage of melted gelatin doubled, which indicates the depth of destructive changes in collagen fibers. Thermal welding of skin samples of male and female rats with signs of MS occurred at rather low temperatures compared to rats of the control group.

Conclusion. Changes in the biophysical properties of the skin, which are registered in rats with MS, may be the reason for the later closure of the wound surface.

Key words: metabolic syndrome, skin moisture, collagen, gelatin, hydrothermal skin welding.

Виклад основного матеріалу

Метаболічний синдром (МетС) вперше був описаний у 1988 році GM Reaven, який дав йому назву «синдром X». МетС -- це група аномалій, яка включає абдомінальне ожиріння, гіпертензію, резистентність до інсуліну та дисліпідемію [1, 2]. За сучасними даними, приблизно від однієї чверті до однієї третини населення світу страждає від МетС [3]. Зростаюча поширеність метаболічного синдрому [4] є проблемою охорони здоров'я в усьому світі, а зв'язок між МетС і шкірними захворюваннями останнім часом привертає чимраз більше уваги. Про те, що такий зв'язок існує, свідчить суттєва кількість робіт, яка постійно зростає [5, 6]. Так, доведена кореляція між МетС та захворюваністю на псоріаз, гнійний гідраденіт, гірсутизм, розацеа, атопічні дерматити та ін. [7--9]. Також показано, що поширеність метаболічного синдрому, як правило, вища в пацієнтів з акне [10]. На сьогодні особливої актуальності набувають роботи, в яких встановлено порушення процесів загоєння ранового процесу на тлі розвитку метаболічного синдрому [11--14]. До того ж, у цих та інших роботах наводять спільні патогенетичні механізми розвитку МетС та шкірних захворювань [11--14].

І майже поза увагою залишаються біофізичні властивості шкіри, зміни в яких на тлі метаболічного синдрому можуть збільшувати тривалість процесу загоєння. До біофізичних властивостей шкіри належать вміст води, колагену, виплавленої желатини в шкірі та резистентності колагену до дії фізико-хімічних факторів, як зовнішнього, так і внутрішнього походження, наприклад, високих температур.

Мета роботи: дослідити біофізичні властивості шкіри щурів із метаболічним синдромом.

Матеріали й методи дослідження

Дослідження проведені відповідно до рекомендацій Європейської конвенції про захист хребетних тварин, що використовуються для дослідних та інших наукових цілей (Страсбург, 1986), правил Міжнародного комітету редакторів медичних журналів (ICMJE), а також рекомендацій «Біоетична експертиза доклінічних та інших наукових досліджень, що виконуються на тваринах» (Київ, 2006). Прилади, що використовувалися під час наукових досліджень, підлягали щорічному метрологічному контролю. Усі процедури схвалив комітет з питань етики наукових досліджень Вищого навчального комунального закладу Львівської обласної ради «Львівська медична академія імені Андрея Крупинського» № 3 від 15.12.2023 р.

Робота виконана на 40 білих нелінійних щурах, 20 з яких були самцями, а 20 -- самками. Самці і самки були народжені від декількох самок з різницею в 1--2 дні. Після народження і самці, і самки були розділені на групи, відповідно. Перша група у самців і перша у самок слугували контролем для других груп, у яких моделювали метаболічний синдром [15]. Щурам контрольних груп на 2-й, 4-й, 6-й, 8-й і 10-й дні після народження підшкірно вводили фізіологічний розчин у дозі 8 мкг/мл. Щурам II групи у самців і II групи у самок на 2-й, 4-й, 6-й, 8-й і 10-й постнатальні дні вводили розчин глутамату натрію в дозі 4,0 мг/кг [15]. Протягом 4-х місяців ми періодично контролювали масу тіла щурів та споживання корму. У віці 4-х місяців тварин зважували і вимірювали назо-анальну довжину. Далі їх декапітували під ефірним наркозом з дотриманням положення «Європейської конвенції по захисту хребетних тварин, яких використовують в експериментальних та інших наукових цілях» (Страсбург, 1986). Збирали кров. За допомогою глюкометра (On Call Extra) в крові визначали концентрацію глюкози. Стандартним методом (протягом години інкубували при температурі 38°С, а потім центрифугували 15 хвилин при 1000 g) отримували сироватку крові та спектрофотометричним методом за допомогою біохімічного аналізатора МісгоІаЬ 300 з використанням стандартних наборів для їх визначення виробництва «PLIVA-Lachema Diagnostika» (Чехія) визначали в ній концентрацію загального холестерину, тригліцеридів, ліпопротеїдів високої щільності (ЛПВЩ) та на основі одержаних даних розраховували концентрацію ліпопротеїдів низької щільності (ЛПНЩ) і ліпопротеїдів дуже низької щільності (ЛПДНЩ). Інсулін у сироватці крові визначали за допомогою набору Rat/Mouse Insulin для імунно-ферментного аналізу (Linco Research, USA). Індекс інсулінорезистентності HOMA-IR (Homeostasis Model Assesment of Insulin Resistance) обчислювали за формулою: HOMAIR = глюкоза натще (ммоль/л) х інсулін натще (мкОд/мл) / 22,5 [16].

Усіх щурів перевіряли на наявність ожиріння за допомогою індексу Лі. Його розраховували за формулою: кубічний корінь маси тіла (у грамах) / довжину тіла (у сантиметрах). Якщо індекс Лі виявлявся меншим або дорівнював 0,30, ожиріння не було. Якщо більшим, ми констатували ожиріння [17]. Далі виділяли вісцеральний жир і зважували його. В експериментальних тварин (дослідні групи) вирізали шкіру в ділянках колишнього ранового ложа. У щурів контрольних груп вирізали шкіру в тих самих місцях, як у тварин дослідних груп.

Визначення відсотка вологи в нативній шкірі живота досліджували методом зваження на аналітичних терезах перед і після висушування до постійної маси (відповідає нульовому відсотку вологи) при температурі 80°С у сушильній шафі СНОЛ 3,5.3.5.3.5/И1.

Для визначення вмісту колагену використовували загальноприйнятий у промисловості метод К'єльдаля, адаптований для дослідження нативної шкіри [18]. Цей метод відрізняється простотою і дешевизною, що дає змогу провести велику кількість досліджень.

Глибину деструктивних змін колагенових волокон моделювали за термічною екстракцією желатини (частково гідролізований колаген) методом гідротермічного зварюванням шкіри при 100°С [19].

Резистентність колагену шкіри до термічних факторів визначали гідротермічним зварюванням. Температуру зварювання нативної шкіри (початок руху стрілки індикатора часового типу при повільному нагріванні) фіксували за допомогою приладу ПТЗ-1 і ртутного термометра на зразках шкіри 3x5 см [18].

Результати досліджень піддавали статистичній обробці з використанням методів варіаційної статистики в програмі Statistica 8.0. Отримані дані тестували на нормальність розподілу за допомогою тесту Шапіро-Уїлка. Оскільки результати виявились нормально розподіленими, для порівняння виборок був використаний t-критерій Стьюдента. За достовірні приймали зміни з рівнем значущості більш ніж 95 % (р < 0,05).

Результати дослідження та їх обговорення

У 4-місячних як самців, так і самок, яким у ранньому неонатальному періоді вводили глутамат натрію, розвивався метаболічний синдром, свідченням якого були абдомінальне ожиріння, резистентність до інсуліну та дисліпідемія. У раніше опублікованій нами статті ми детально описали антропометричні показники, показники вуглеводного та ліпідного обміну у щурів віком 16 тижнів після введення глутамату натрію в ранньому неонатальному періоді [20], що повністю відповідало даним літератури стосовно моделі глутамат-індукованого ожиріння у щурів [15, 21]. Задля запобігання повторів ми не наводимо в цій статті результати, що свідчать про метаболічний синдром у 4-місячних щурів після введення їм глутамату натрію в ранньому неонатальному періоді, адже в різних серіях з моделювання глутамат-індукованого метаболічного синдрому хоча і були відмінності, вони були статистично недостовірними.

Внаслідок проведених досліджень встановлено, що у щурів самців із метаболічним синдромом вміст вологи в шкірі був на 34,0 % (р < 0,01) меншим порівняно з самцями контрольної групи (табл.). У щурів самок із метаболічним синдромом вміст вологи в шкірі був на 31,6 % (р < 0,01) меншим порівняно з самками контрольної групи (табл.).

Результати в наведеній таблиці вказують, що між вмістом вологи в шкірі самок і самців як контрольних груп, так і груп із метаболічним синдромом статистично достовірної різниці не було.

Звичайно, нам потрібно порівняти одержані результати з даними літератури. За пошуковими словами «вологість шкіри і метаболічний синдром» (skin hydration and metabolic syndrome) у пошуковій системі PubMed ми знайшли лише 4 роботи, з яких тільки одна робота опосередковано свідчить про зменшення вмісту води в шкірі чоловіків і жінок із ожирінням та інсулінорезистентністю [22]. Ми вважаємо, що ця робота відповідає одержаним нами результатам.

Таблиця

Вміст вологи (%), колагену (%), виплавленої желатини (%) і температура зварювання (°С) в шкірі щурів із метаболічним синдромом (М ± m; n = 10)

Примітка: * - p < 0,05, ** - p < 0,01 стосовно відповідного контролю

На нашу думку, зменшення вмісту вологи в шкірі щурів із метаболічним синдромом не може не відобразитися на стабільності гідрантних оболонок колагенового волокна і, як наслідок, утворенні пептидних зв'язків на кінцевих ділянках поліпептиду з метою компенсаторної стабілізації структури. Ці зв'язки є досить міцними, однак вони зменшують швидкість обмінних процесів сполучної тканини.

Вміст колагену у шкірі щурів самців із метаболічним синдромом статистично достовірно не відрізнявся від такого у щурів самців контрольної групи (табл.). Аналогічна картина спостерігалася у самок: вміст колагену у шкірі щурів самок із метаболічним синдромом статистично достовірно не відрізнявся від вмісту колагену у щурів самок контрольної групи. Між вмістом колагену в шкірі самок і самців як контрольних груп, так і груп із метаболічним синдромом статистично достовірної різниці не було. Для підтвердження наших даних ми знайшли роботу, в якій вивчали вплив розтягування шкіри на вміст колагену в ній та на товщину шкіри в групі суб'єктів із хронічним ожирінням [23]. Незважаючи на те, що поверхня шкіри збільшувалась, зберігалася її нормальна товщина, вміст колагену в ній та її щільність. Зроблено висновок, що розтягнення шкіри, викликане тривалим ожирінням, призвело до гіпертрофії колагену, і це зберегло як товщину шкіри, так і вміст колагену. Невідомо, чи це пов'язано з посиленням синтезу, чи зниженням розпаду колагену. Наступна серія досліджень дала змогу відповісти на це запитання. метаболічний синдром щур шкіра

Відсоток виплавленої желатини зі шкіри щурів самців із метаболічним синдромом на 91,3 % (p < 0,01) перевищував значення контролю (табл.). У самок вплив метаболічного синдрому на відсоток виплавленої желатини зі шкіри проявлявся у збільшенні останнього на 100 % (p < 0,01) (табл.). І в цьому випадку відсоток виплавленої желатини зі шкіри самок із метаболічним синдромом статистично достовірно не відрізнявся від відсотка виплавленої желатини зі шкіри самців із метаболічним синдромом. Також не було статистично достовірної різниці між відсотками виплавленої желатини зі шкіри самок і самців контрольних груп. Зростання відсотка виплавленої желатини зі шкіри тварин з метаболічним синдромом свідчить про фрагментацію та гомогенізацію колагенових волокон. Отже, ми можемо стверджувати, що в шкірі щурів одночасно відбувалося два процеси: зростав як синтез колагену, так і його деградація. Вміст колагену не змінювався, а вміст виплавленої желатини як показника деградації колагену зростав. На користь наших результатів свідчить робота, в якій показано, що шкіра мишей із змодельованим МетС мала тонший епідерміс і дерму, товстіший жировий шар, знижену щільність і звивистість фрагментованих колагенових волокон [24].

Термічне зварювання зразків шкіри щурів самців, що мали ознаки метаболічного синдрому, відбувалося за досить низьких температур (48,10 ± 4,21°С) порівняно з самцями контрольної групи (58,4 ± 5,10°С). Тобто, цей показник у самців із метаболічним синдромом зменшувався на 17,6 % (p < 0,05) (табл.). Схожа картина була в самок. Термічне зварювання зразків шкіри щурів самок із метаболічним синдромом відбувалося при температурі 53,62 ± 4,06°С, що було на 18,6 % (p < 0,05) менше порівняно з самками контрольної групи (65,91 ± 6,23°С). Одержані результати свідчать про зменшення резистентності шкіри до термічного фактора у щурів із метаболічним синдромом. Це може бути наслідком одержаних вище результатів: зменшення вологи в шкірі та зростання фрагментов аності колагенових волокон.

Висновки

У щурів (як самок, так і самців) із метаболічним синдромом біофізичні властивості шкіри зазнавали суттєвих змін порівняно з щурами контрольної групи: зменшувався вміст вологи, зростав відсоток виплавленої желатини та зменшувалась температура термічного зварювання зразків шкіри. Різниця в ефектах у самців і самок була статистично недостовірною. Зміни в біофізичних властивостях шкіри, які реєструються у щурів з метаболічним синдромом, можуть бути причиною більш пізнього закриття ранової поверхні та більшої уразливості до дії підвищених температур.

Посилання

1. Favaro L, Masini F, Maffei ML, Botti G. [Syndrome X]. Recenti Prog Med. 1989;80:281285.

2. Rochlani Y, PothineniNV, Kovelamudi S, Mehta JL. Metabolic syndrome: pathophysiology, management, and modulation by natural compounds. Ther Adv Cardiovasc Dis. 2017;11:215-25. 10.1177/1753944717711379.

3. Samson SL, Garber AJ. Metabolic syndrome. Endocrinol Metab Clin North Am. 2014;43:123. 10.1016/j.ecl.2013.09.009.

4. Karadag AS, Lavery MJ. Skin and the metabolic syndrome. Clin Dermatol. 2018;36:1-2. 10.1016/j.clindermatol.2017.09.001.

5. Karadag AS, You Y, Danarti R, Al-Khuzaei S, Chen W. Acanthosis nigricans and the metabolic syndrome. Clin Dermatol. 2018;36:48-53. 10.1016/j.clindermatol.2017.09.008.

6. Gui XY, Yu XL, Jin HZ, Zuo YG, Wu C. Prevalence of metabolic syndrome in Chinese psoriasis patients: a hospital-based cross-sectional study. J Diabetes Investig. 2018;9:39-43. 10.1111/jdi.12663.

7. Singh S, Young P, Armstrong AW. Relationship between psoriasis and metabolic syndrome: a systematic review. G Ital Dermatol Venereol. 2016;151:663-77.

8. Adibi N, Robati RM. Skin and metabolic syndrome: A review of the possible associations. J Res Med Scie. 2021 Feb;26:16. doi: 10.4103/jrms.JRMS_585_20.

9. Hu Y, Zhu Y, Lian N, Chen M, Bartke A, Yuan R. Metabolic syndrome and Skin Diseases. Frontiers in Endocrynology. November 2019;10:788. doi: 10.3389/fendo.2019.00788.

10. Nagpal M, De D, Handa S, Pal A, Sachdeva N. Insulin resistance and metabolic syndrome in young men with acne. JAMA Dermatol. 2016;152:399-404. 10.1001/jamadermatol.2015.4499.

11. Rodrigues M, Kosaric N, Bonham CA, Gurtner GC. Wound Healing: A Cellular Perspective. Physiol Rev. 2019;99:665-706.

12. Wilkinson HN, Hardman MJ. Wound healing: cellular mechanisms and pathological outcomes. Open Biol. 2020;10:200223.

13. Patel S, Srivastava S, Singh MR, Singh D. Mechanistic insight into diabetic wounds: Pathogenesis, molecular targets and treatment strategies to pace wound healing. Biomed Pharmacother. 2019;112:108615.

14. Strollo F, Gentile S, Pippcelli AMV, Mambro A, Monici M, Magni P. Space Flight-Promoted Insulin Resistance as a Possible Disruptor of Wound Healing. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. May 2022;10: 868999. doi: 10.3389/fbioe.2022.868999.

15. Sanabria ER, Pereira MF, Dolnikoff MS, Andrade IS, Ferreira AT, Cavalheiro EA, Fernandes MJ. Deficit in hippocampal long-term potentiation in monosodium glutamate-treated rats. Brain Res Bull. 2002;59:47-51.

16. Vogeser M, Konig D, Frey I, Predel HG, Parhofer KG, Berg A. Fasting serum insulin and the homeostasis model of insulin resistance (HOMA-IR) in the monitoring of lifestyle interventions in obese persons. Clin Biochem. 2007;40:964-968.

17. Bernardis LL, Patterson BD. Correlation between 'Lee index' and carcass fat content in weanling and adult female rats with hypothalamic lesions. J Endocrinol. 1968;40:527-528.

18. Верещака ВВ. Етіологія та патогенез старечої в'ялості шкіри лиця і механізми формування його структурних змін у сучасної людини європеоїдного типу. К.: Наук. думка, 2008. 481 с.

19. Хімічний аналіз і фізико-механічні випробування шкіри та хутра: методичні вказівки до лабораторних робот з дисципліни «Аналітичний контроль у шкіряно-хутровому виробництві» / Київ. нац. ун-т технологій та дизайну ; упоряд.: О. А. Охмат, В. П. Плаван, О. Р. Мокроусова, А. Г. Данилкович. К.: КНУТД, 2006. 64 с.

20. Грицевич НР, Нікітіна НС, Степанова ЛІ, Савчук ОМ, Верещака ВВ. Вміст факторів росту та фактора 1а, індукованого гіпоксією, в рановому ложі шкіри щурів із метаболічним синдромом. Фізіол. журн. (Fiziol. Zh.). 2023;69(6):69-76. doi: https://doi.org/10.15407/fz69.06.077.

21. Savcheniuk O, Kobyliak N, Kondro M, Virchenko O, Falalyeyeva T, Beregova T. Shortterm periodic consumption of multiprobiotic from childhood improves insulin sensitivity, prevents development of non-alcoholic fatty liver disease and adiposity in adult rats with glutamateinduced obesity. BMC Complement. Altern. Med. 2014;14:247.

22. Laaksonen DE, Nuutinen J, Lahtinen T, Rissanen A, Niskanen LK. Changes in abdominal subcutaneous fat water content wirh rapid weight loss and long-term weght maintenance in abdominally obese men and women. Int J Obes Relat Metab Disord. 2003 Jun;27(6):677-683. doi: 10.1038/sj.ijo.0802296.

23. Black MM, Bottoms E, Shuster S. Skin collagen and thickness in simple obesity. Br Med J. 1971;4:149-150.

24. Akase T, Nagase T, Huang L, Ibuki A, Minematsu T, Nakagami G, Ohta Y, Shimada T, Aburada M, Sugama J, Sanada H. Aging-like skin changes induced by ultraviolet irradiation in an animal model of metabolic syndrome. Biol Res Nurs. 2012 Apr;14(2):180-187. doi: 10.1177/1099800411401013.

Размещено на Allbest.ru