Опасные химические вещества окружают нас повсюду, а между тем человек редко обращает на них внимание: ведь его тело с головы до пят покрыто кожей. Этот важный орган прекрасно справляется со своей защитной функцией, и исследователям конечно же интересно, как ему удаётся создавать барьер между окружающей средой и живыми клетками органов и тканей.

Рис. 1.  Схема воздействия химических веществ на кожу.

Напомним, что кожный покров состоит в основном из трёх слоев. Верхний — это условно мёртвые клетки: обезвоженные, они тем не менее дышат, в них функционируют некоторые ферменты. В клетки верхнего слоя превращаются с течением времени живые клетки эпидермиса, которые лежат ниже. А глубже всех находится дерма — базовый слой, пронизанный микрососудами и капиллярами.

Процесс воздействия веществ на кожу схематически представлен на рис. 1. Под „химикатами из окружающей среды“ каждый читатель может понимать то, что попадает на его руки чаще всего: автолюбители — бензин и масла, домохозяйки — моющие средства, садоводы — удобрения и пестициды.

Ступенчатая защита

Химические компоненты, контактирующие с кожей, в первую очередь воздействуют на ороговевшие кожные чешуйки, у которых есть своя функция: они закрывают проходы в межклеточное пространство. Не всякому веществу, адсорбировавшемуся на них, удаётся преодолеть это препятствие, тем более что сразу под верхним слоем кожи находится эффективный барьер, мешающий проникновению воды (а значит, и растворённых в ней веществ) в тело. Это межклеточный слой жироподобных соединений — липидов, толщиной примерно 0,02 микрона.

Рис. 2.  Изменение значения рН по толщине кожи:1) верхний слой; 2) барьерная зона; 3) эпидермис;4) кровеносные сосуды; 5) дермис.

Наличие такого барьера подтверждают измерения рН кожи: в процессе погружения в неё электрода этот показатель меняется очень существенно. Если на поверхности значение рН близко к 6,0 (слабо кислая среда), то на границе с эпидермисом оно снижается до 4,5 (рис. 2), потому что в составе липидов есть остатки жирных кислот. Если же погрузить электрод ещё глубже, реакция среды вновь становится близкой к нейтральной: рН достигает величин 7–7,5. Такова особенность нормальной кожи, хотя вообще-то её рН — очень нестабильный и чувствительный параметр: он меняется от механического воздействия, влажности воздуха или облучения кожи ультрафиолетом.

А то, что именно липиды препятствуют проникновению воды внутрь, можно подтвердить экспериментально. Для этого на поверхность нормальной кожи наносят водный раствор иодистого натрия, в состав которого входит радиоактивный изотоп 131I. За проникновением ионов иода (а значит, и молекул воды) в глубь эпидермиса можно следить с помощью микродозиметра. Если обработать один участок поверхности тела эфиром, в котором липиды хорошо растворяются, а другой оставить нетронутым, то видно, что изотоп иода проникает в толщу кожи на этих участках с разной скоростью (рис. 3). Обезжиренная кожа через час впитает в себя до 40% растворённого изотопа, а через шесть часов — 80%, в то время как даже за восемь часов сквозь необработанную поверхность ионы иода, а следовательно, и молекулы воды в эпидермис практически не проникнут.

Рис. 3.  Изменение содержания ионов иода в эпидермисе: 1) нормальная кожа; 2) кожа, обезжиренная эфиром.

В общем, слой межклеточных липидов — препятствие действительно серьёзное. Однако если он нарушен, то любой химикат может проникнуть сквозь наружные чешуйки и заполнить поры в межклеточном пространстве эпидермиса, используя в том числе и обходные пути — волосяные фолликулы, протоки потовых и сальных желёз (рис. 4).

Что же происходит, когда „химикату из окружающей среды“ удалось преодолеть первое препятствие?

Вещества, воздействующие на кожу, можно разделить на гидрофильные, которые менее опасны для неё, и гидрофобные — они проникают через кожу лучше, так как преодолевают липидный барьер без особых проблем.

Гидрофильные вещества, проникшие в глубокие слои эпидермиса и достигшие кровеносных сосудов дермы, обычно выводятся из организма с мочой через почки. Сама кожа в их обезвреживании почти не участвует, если, конечно, эти вещества не относятся к химически агрессивным: сильные кислоты или щёлочи, как известно, вызывают ожоги любых тканей, и первой от них страдает кожа, защищая лежащие под ней слои.

Рис. 4.  Схема прохождения химических веществ через кожу (на примерекомпонентов крема).

Если же мы имеем дело с менее едким веществом, то за его судьбой в толще кожи можно проследить. В качестве примера возьмем нитроглицерин — действующую основу специального лечебного пластыря. Когда это вещество помечено изотопом 14С, его с лёгкостью выявляют в различных биологических жидкостях. Наложив пластырь на кожу и сделав затем анализы крови и мочи, удалось установить, что в плазму крови попадает примерно 87% изотопа, а с мочой выводится около 82%. Из этого следует, что клетки кожи перерабатывают только 10–15% лекарственного препарата, а в кровяном русле вступает в метаболизм не более 5% вещества.

Много это или мало — 10–15%? Если конечные продукты метаболизма идут на обновление структур клеток или, по крайней мере, нетоксичны, то всё в порядке. А вот когда в коже „застревает“ 10–15%, скажем, ядохимиката, это может сказаться на ней не лучшим образом: если вещество или продукты его метаболизма токсичны, раздражения, а то и язв не избежать.

Однако гидрофильные вещества — это ещё полбеды. Мало того что гидрофобные соединения без труда преодолевают липидный барьер, так ещё и бороться с агрессивными молекулами приходится в основном нашему покровному органу. Главную роль играют здесь ферменты — монооксигеназы, содержащиеся в эпидермисе. Они пытаются окислить непрошеных гостей так, чтобы у молекул появились гидроксильные группы и они стали гидрофильными.

Если это не удаётся, то в результате метаболизма с этими веществами протекает ряд реакций с образованием азот- или серосодержащих соединений. Многие химические продукты, например пестициды, накапливаются при этом в коже и могут стать потенциальными источниками её разрушения, аллергии и других патологий.

Преимущества трансдермальной терапии

Эксперименты, которые позволили разобраться в механизмах, обеспечивающих защитную функцию кожи, привели к созданию нового направления в способах приёма лекарств — трансдермальной терапии.

Раньше лекарства наносили на кожу в основном для того, чтобы лечить её самоё (например, при экземах), но позднее стало понятно: кожный покров — прекрасный путь доставки многих лекарственных веществ. Особенно он эффективен, когда требуется создать их высокую концентрацию в какой-токонкретной зоне, например при болях в суставах, поражённых артритом. Кроме того, при введении через кожу лекарство не раздражает пищеварительный тракт, а значит, снижается риск появления внутренних кровотечений. Более того, иногда при новом способе доставки веществ удаётся обойти даже печень, что тоже немаловажно: орган, одна из главных задач которого состоит в детоксикации организма, при оральном введении разрушает некоторые лечебные компоненты так быстро, что по адресу они почти не попадают.

Рис. 5.  Изменение концентрации лекарства в организмепри оральном (1) и трансдермальном (2) приёме.

Первые промышленные трансдермальные лекарства появились в конце 70-х годов. Они служили для предупреждения инфаркта, и делали их как раз на основе нитроглицерина, скорость выделения которого через мембрану с мелкими отверстиями (0,2–0,5 микрон) удавалось контролировать. Подобные пластыри оказались удобными для пациентов: нитроглицерин в таблетках часто вызывает нежелательные побочные эффекты, поэтому его принимают с большой осторожностью даже те, кому он действительно необходим. Более того, при новом способе введения правильно дозировать этот препарат оказалось проще.

При традиционном оральном введении концентрация лекарства в плазме крови больного меняется от максимума вскоре после приёма таблетки, до значений, близких к нулю перед следующим приёмом (рис. 5). Применяя лекарственный пластырь, подобных скачков можно избежать: поскольку вещество поступает в кровь постепенно, его концентрация в кровяном русле всегда остаётся в заданной терапевтической зоне. Передозировки или падения концентрации до слишком низкого уровня не происходит.

Лекарство, похожее на крем

Что и говорить, лечебный пластырь — вещь удобная. Однако для большинства лекарств, как и для других веществ, кожа — барьер почти непреодолимый. Лишь природные алкалоиды, такие, как никотин, почти не замечают его и беспрепятственно всасываются через кожу в кровь (кстати, именно на этом эффекте основано действие знаменитого антиникотинового пластыря, который многим помог бросить курить). Чтобы ввести таким способом вещество другой природы, приходится проявить изобретательность — не случайно трансдермальные лекарства по своей консистенции, а во многом и по составу похожи на косметические кремы. Ведь и те и другие разрабатывают специалисты, хорошо изучившие особенности кожи.

В зависимости от того, какие именно вещества предлагают коже и от того, какой ткани они адресованы, лекарственные компоненты „упаковывают“ немного по-разному. Тем не менее практически все кремы представляют собой эмульсии одного из двух типов: масла в воде или воды в масле. А чтобы они не расслаивались, в рецептуру включают поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Впрочем, у ПАВ в качестве составляющих крема есть и другая функция: они воздействуют на проницаемость клеточных мембран и, следовательно, влияют на дыхание и питание клеток. Кроме того, присутствие ПАВ уменьшает поверхностное натяжение воды в коже, что позволяет водорастворимым компонентам крема лучше проникать к живым клеткам эпидермиса и взаимодействовать со структурами, участвующими в регуляции синтеза внутриклеточных и межклеточных липидов.

Рис. 6.  Влияние коллоидной структуры крема на проницаемость кожи для тетрациклина: 1) микроэмульсия 2) гель 3) крем.

Существует множество поверхностно-активных веществ, и все они ведут себя в составе эмульсии несколько по-разному, особенно в сочетании друг с другом. Эта особенность ПАВ позволяет подбирать варианты, которые способны обеспечить оптимальный перенос лекарств. Примером, на котором хорошо видно, как соотношение между двумя ПАВ в рецептуре влияет на процесс диффузии в коже, может служить перенос в её глубокие слои известного антибиотика тетрациклина (рис. 6). Он обладает флуоресцентными свойствами, и за проникновением вещества вглубь наблюдают по интенсивности свечения различных слоёв кожи в ультрафиолетовом свете.

Изменяя соотношение между двумя эмульгаторами, на основе масла и воды готовят композиции с различными коллоидными структурами. В зависимости от размера частиц эмульсии такие композиции условно называют кремом (среднийразмер частиц около 100 мкм), гелем (10 мкм) или микроэмульсией (0,1 мкм). Результаты исследований, представленные на рис. 6, убедительно показывают, что чем мельче частицы в составе косметического или лечебного крема, тем лучше проникают они в глубокие слои кожи и тем эффективнее перенос лекарства.

Последним научным достижением по доставке полезных компонентов крема и лекарств через все кожные барьеры стала упаковка их в липосомы (см. „Химиюи жизнь“, 1999, № 1), которые часто действуют не только как носители, но и как активные ингредиенты. Эти крохотные шарики состоят из молекул, ориентированных своими полярными „головками“ в водную среду, а нейтральными „хвостами“ к жирорастворимым веществам или друг к другу. Благодаря такой особенности молекул с помощью липосом удобно эмульгировать нерастворимые в воде компоненты крема без применения других органических веществ и при необходимости капсулировать водорастворимые лекарства и увлажнители.

Сами липосомы можно разделить на три основные группы: в первую входят липосомы, состоящие из фосфолипидов (например, фосфолипидов сои или яичного желтка), во вторую — катионные липосомы, образованные молекулами длинноцепочечных алифатических аминов (С12 — С22 ), содержащих две или три гидроксильные группы. К третьей группе относят неионные липосомы (ниосомы) — чаще всего это продукты взаимодействия неионных ПАВ(например, несущих полиоксиэтиленовые цепи) с холестеролом. Так что у производителей кремов имеется богатый выбор „упаковочного материала“ для лекарств, витаминов, масел и водных экстрактов, которые требуется доставить в глубокие слои кожи или даже сквозь неё.

Бег с препятствиями

Когда вещества лечебного пластыря или крема контактируют с живыми клетками эпидермиса, они запускают сразу несколько различных процессов. В частности, густой крем или мазь закупоривает поры, затрудняя воздушное дыхание клеток, и тогда они начинают потреблять энергию в анаэробном режиме. Это способствует накоплению в клетках молочной кислоты (как в мышцах бегуна на длинной дистанции), а её избыток, в свою очередь, смещает внутриклеточный рН в сторону более низких значений. При снижении рН ионные насосы в мембране клеток активизируются, а значит, усиливается приток к этим клеткам новых питательных веществ, причём как изнутри, так и снаружи. В результате клетки становятся способны усваивать компоненты крема или лекарство.

Рис. 7.  Схема распределения потоков воды в коже:а) открытый участок б) участок, покрытый слоем крема.

Процесс будет протекать более эффективно, если кожа хорошо увлажнена, или, как говорят специалисты, гидратирована. Слой крема или пластырь решают и эту проблему — ведь они изменяют процесс испарения воды с поверхности тела (рис. 7). Скорость выделения пота уменьшается, и собравшиеся в капиллярах капельки распределяются в межклеточном пространстве эпидермиса.

С токсикологической точки зрения это, правда, не особенно хорошо, зато компоненты крема начинают активнее проникать в толщу кожи. Пока относительная влажность кожи невысока, вода сорбируется в областях, где больше полярных функциональных групп(например, пептидных), а при более высокой влажности она образует тонкие плёнки и включается в виде кластеров в белковые структуры. При избытке межклеточной влаги вода проникает сквозь оболочку клетки внутрь (осмотический эффект), клетка расширяется и продолжает увеличиваться в объёме до тех пор, пока снова не наступит равновесие между давлением изнутри и снаружи. Степень набухания клетки зависит от способности содержащихся в ней веществ адсорбировать воду, а также от эластичности оболочки. Гидратация кожи создаёт благоприятные условия для доставки к живым клеткам лекарств и питательных веществ извне.

Коэффициент диффузии веществ в гидратированной коже больше, чем в сухой, а следовательно, выше скорость прохождения сквозь покровы компонентов крема и лекарств.

Барьерный слой кожи представляет собой двухфазную систему, состоящую из гидратированного слоя и лежащего под ним слоя липидов. При этом неполярные компоненты крема (масла и некоторые витамины) растворяются в неполярной липидной матрице и диффундируют в ней. Полярные вещества(вода, гликоли) проходят через водные слои, но диффузия водорастворимых веществ сильно затруднена. Ведь свободной воды в коже практически нет, она включена, как правило, в белковые структуры. Отсюда следует, что без хорошей гидратации белков пользы от водорастворимых компонентов крема будет немного. Это свидетельствует о важной роли ПАВ и других органических компонентов с небольшой длиной цепи в составе композиции.

Проникая в глубокие слои кожи, компоненты крема могут оказывать прямое стимулирующее воздействие на клетки и сосуды, причём иногда вещества, составляющие композицию, действуют как бы поодиночке, а иногда желаемый эффект достигается только в результате их совместного влияния. Продукты, которые не усваиваются клетками кожи и не вступают ни в какие реакции после попадания в кровяное русло, удаляются затем через почки, лимфатическую систему, потовые и сальные выделения.

Хорошо ли нашей коже?

В общем нет никаких сомнений, что кожа защищает организм от агрессивных внешних воздействий и в то же время иногда помогает доставлять внутрь лекарственные вещества. Но для того чтобы она могла хорошо справляться с этими задачами, следует позаботиться о самой коже, учитывать её строение и особенности функционирования при разработке рецептуры кремов и особенно лечебных пластырей.

Рис. 8.  Инфракрасный спектр кожи человека.

О состоянии кожного покрова можно судить, например, по инфракрасным(ИК) спектрам (рис. 8). Так, широкая полоса поглощения в зоне частот около3300 см –1 может рассказать о степени гидратации кожи, интенсивные пики между 3100 и 2700 см –1 характеризуют колебания С–Н-связей и служат важным индикатором состояния липидного слоя — степени его упорядоченности или дезорганизации. Область спектра между 1800 и 1000 см –1 отражает особенности амидных связей белков — здесь наиболее сильно выражены колебания С=О– (1650 см –1 ) и N–Н-связей (1550 см –1 ). Поглощение в диапазоне частот от 1200 до 1000 см –1 характеризует колебания С–С-связейлипидных цепей.

По интенсивности пиков ИК-спектров, а также по их смещению можно делать выводы о состоянии кожи после различных физических или химических воздействий на неё. Однако это предмет размышлений для специалистов. Что же касается повседневной жизни, то в соответствии со схемой на рис. 1читателям журнала рекомендуется контактировать только с полезными(и приятными) химическими веществами. Можно пользоваться косметическими средствами, если есть необходимость — применять трансдермальные лекарственные формы, но по мере сил следует избегать контактов с агрессивными „химикатами из окружающей среды“. Особенно нежелательно их воздействие на кожу сразу после использования питательных кремов — ведь косметические композиции повышают проницаемость кожи для самых разных веществ. Пренебрегать специальными средствами защиты в подобной ситуации ни в коем случае не следует.

„Химия и жизнь — XXI век“