Сучасні методи оцінки гідратації та біомеханічних властивостей шкіри

Ольга Панова

Олена Губанова

Наталія Лапатіна

Олена Ернандес

Аліса Шарова

Шкіра людини одна із головних органів, що у підтримці гомеостазу організму. Вивчення її функціонального стану є одним із перспективних напрямків у дерматології та дерматокосметології. У сучасній дерматології при оцінці ефективності лікувальних та косметичних засобів, що покращують стан шкіри, найпопулярнішими вважаються неінвазивні біофізичні методи дослідження шкіри in vivo. Підвищення інтересу дослідників до подібних методів пов'язане з їхньою доступністю, простотою та швидкістю виконання, інформативністю, можливістю статистичної обробки результатів.

Перші розробки методів вимірювання фізіологічних параметрів шкіри з'явилися понад 30 років тому, але використовувалися вони виключно для вирішення наукових завдань, пов'язаних із дослідженнями шкіри, та оцінки ефективності/безпеки дерматотропних препаратів. Починаючи з середини 80-х років минулого століття, методи функціонального аналізу шкіри використовують у таких цілях:

• при проведенні наглядових, так званих епідеміологічних досліджень, спрямованих на отримання нових, більш детальних знань про зміни шкіри, що відбуваються з віком та під впливом різних факторів зовнішнього середовища;
• при проведенні клінічних випробувань нових косметичних та лікарських препаратів та засобів зовнішнього застосування;
• при проведенні порівняльних постмаркетингових клінічних досліджень ефективності застосування засобів та методів у терапії вікових змін;
• для діагностики функціонального стану шкіри та коректного призначення терапії у щоденній практиці дерматологів.

При оцінці функціонального стану шкіри одними з найважливіших параметрів є:

• зволоженість (рівень гідратації рогового шару);
• біомеханічні властивості шкіри (в'язкоеластичні властивості, пружність, міцність на розрив);
• мікрорельєф;
• колірні характеристики (пігментація, еритема);
• поверхневий рН;
• трансепідермальна втрата води;
• жирність.

Методи оцінки гідратації

Вимірювання вмісту вологи в роговому шарі набуло широкого поширення в оцінці ефективності проведення процедур з використанням зволожуючих засобів. Крім того, цей параметр має велике значення в клінічній дерматології та алергології.

Вплив вмісту вологи в роговому шарі з його механічні властивості відоме давно. У 1952 році I. Blank описав зміни еластичності та пружності рогового шару, пов'язані з його здатністю утримувати екзогенну воду. Перші біофізичні методи ґрунтувалися на дослідженні електро- та теплопровідності шкіри, оскільки відомо, що чим більше тканина містить вологи, тим краще вона проводить тепло та електрику.

У роговому шарі вода знаходиться у двох різних термодинамічних формах (що доведено, головним чином, методами диференціального калориметричного сканування та термогравіметрії):

• вільна вода, в якій розчинені численні іонізовані та неіонізовані речовини (солі металів, амінокислоти, сечовина). Ця вода знаходиться між ліпідними пластами міжклітинного простору рогового шару, куди вона надходить із нижчих шарів епідермісу. Вода повільно рухається у напрямку поверхні шкіри, досягнувши якої випаровується в атмосферу (процес носить назву «трансепідермальна втрата води»). Ця вода може замерзати за температури нижче 0°С;
• пов'язана вода становить близько 20-30% від загального вмісту води у роговому шарі. Вона пов'язана електростатичними (нековалентними) зв'язками з кератином, компонентами натурального зволожуючого фактора та ліпідами рогового шару та замерзає при нижчих температурах.

Кількість пов'язаної води можна оцінити диференціальною калориметрією, термогравіметрією, а також методами, що ґрунтуються на дослідженні ефекту резонансу (ІЧ-спектроскопія, ядерно-магнітний резонанс). Завдяки даним методам було доведено взаємодію водної та ліпідної фаз у роговому шарі: при підвищенні вмісту вологи рогового шару спостерігається зміна структури його ліпідних пластів. Надалі було показано, що більшість характеристик шкіри, таких як її рельєф та мікрорельєф, ліпідний та водний баланс, перебувають у тісному взаємозв'язку один з одним. Саме водна складова відіграє важливу роль у зміні таких характеристик, як рельєф та механічні властивості шкіри. Таким чином, судити про рівень гідратації можна не тільки за допомогою прямих методів оцінки вмісту води у роговому шарі, але й опосередковано, спираючись на дані методів, що визначають інші характеристики.

Корнеометрія

Корнеометрія є поширеним методом прямої оцінки гідратації рогового епідермісу. У роботі корнеометра використовується принцип конденсаторної ємності (зміни діелектричних властивостей шкіри залежно кількості вологи, що міститься в роговому шарі). Шкіра є діелектричним середовищем, і будь-які зміни постійної діелектричної в результаті зміни вмісту води в поверхневих шарах шкіри призводять до зміни ємнісних характеристик вимірювальної системи.

Корнеометр має низку безперечних переваг [1]:

• глибина проникнення електричних хвиль достовірно мала, тому вимірюється вологість саме поверхні шкіри у межах рогового шару;
• короткочасність вимірювань (близько 1 с) запобігає можливій оклюзії, яка впливає на точність вимірювань;
• виключається вплив ємності глибоколежачих тканин;
• вимірювальний датчик має невелику масу та простий у застосуванні;
• невеликий розмір вимірювальної головки датчика (діаметр 1 см) уможливлює проведення вимірювань на будь-яких ділянках тіла.

З урахуванням того, що корнеометрія дозволяє визначати сумарний вміст води у роговому шарі, даний метод може застосовуватися як для первинної діагностики патології шкіри, так і для оцінки ефективності косметичних засобів або процедур, спрямованих на підвищення гідратації поверхні шкіри.

Корнеометрія відноситься до напівкількісних методів, оскільки її результат виражається в умовних одиницях (балах або корнеометричних одиницях). Кожна модифікація приладу має свою шкалу. Наприклад, у корнеометра Monaderm Combined Unit CM825/SM 815/CT 580 (Courage Khazaka) шкала має межі від 0 до 120 од. Розмір нижче 30 од. характеризує дуже суху шкіру, від 30 до 45 од. - Суху шкіру, вище 45 од. – різною мірою зволожену шкіру.

Встановлено, що і температура, і відносна вологість впливають на показники корнеометрії. [2, 3]. Проведене нами дослідження щодо вивчення сезонних впливів на біомеханічні параметри губ та періоральної області також підтвердило вплив температури та вологості повітря на зволоженість шкіри: у літній період шкіра більш зволожена, ніж у зимовий період.

"СкінЧіп" (SkinChip)

Іншим приладом, призначеним для оцінки зволоженості шкіри, заснованому на тому ж фізичному феномені (зміна діелектричного опору матеріалу залежно від вмісту в ньому води), що і корнеометрія, є «Скінчіп» (SkinChip), розроблений та запатентований дослідною лабораторією Л'Ореаль.

«СкінЧіп» є електронним контактним датчиком, що складається з безлічі мікросенсорів, що вимірюють діелектричну провідність шкіри. Кожен мікросенсор приладу передає інформацію на комп'ютер, де вона трансформується у відтінки сірого. Загалом вони утворюють зображення, що відображає текстуру шкіри та рівень її зволоженості. Чим темніше зображення, тим вологість шкіри на цій ділянці вища. Гідратацію шкіри оцінюють за допомогою статистичного аналізу рівня яскравості (рівня сірого) на ділянці, що цікавить.

Проведене на базі московської лабораторії «СкінЛаб» дослідження з використанням двох перелічених вище приладів дозволило зробити висновок, що використання приладу «СкінЧіп» завдяки наявності в ньому великої кількості мікросенсорів у деяких випадках дозволяє отримати більш достовірні результати вимірювання [4–6].

До альтернативних методів вимірювання гідратації відносять ІЧ-спектроскопію, частотний резонанс, ядерно-магнітний резонанс. Крім того, низка досліджень показала, що рівень вмісту води в роговому шарі є необхідною умовою підтримки природних процесів ексфоліації [7]. Визначення ступеня десквамації шкіри за допомогою адгезивної стрічки дозволяє побічно судити про її гідратацію. Після нанесення та видалення адгезивної стрічки з поверхні шкіри на липкій поверхні стрічки залишаються злущені корнеоцити. Потім стрічку фотографують у світлі, після чого аналізують отримане зображення. На підставі отриманих даних розраховують індекс лущення, який обернено пропорційний ступеню зволоженості шкіри.

Вапориметрія (теваметрія)

До непрямих методів оцінки рівня гідратації відносять також вапориметрію, оскільки стан зволоженості шкіри безпосередньо пов'язаний із станом гідроліпідної мантії та ліпідного бар'єру рогового шару.

Вапориметрія (метод оцінки індексу трансепідермальної втрати води – ТЕПВ) заснована на вимірюванні тиску водяної пари над поверхнею шкіри. Сигнал надходить у цифровий аналізатор, який розраховує, скільки води випарувалося за одиницю часу. Індекс ТЕПВ вимірюється в г/м2/год.

Індекс ТЕПВ часто використовують у фармакологічних дослідженнях, оскільки він відбиває бар'єрні властивості рогового шару. Підвищення індексу ТЕПВ вище за норму свідчить про пошкодження/ослаблення бар'єрних властивостей; зниження індексу ТЕПВ спостерігається у тих випадках, коли на поверхні шкіри є оклюзійний шар, що перешкоджає випаровуванню води.
Показник ТЕПВ побічно характеризує стан гідроліпідного бар'єру шкіри. Оскільки цей параметр корелює з рівнем гідратації, вапориметрію доцільно поєднувати з коренеметрією та себуметрією. Як правило, при наростанні гідратації відзначається і незначне підвищення ТЕПЗ [8]. Також спостерігається кореляція між різною концентрацією ушкоджуючого хімічного агента (кислот) та ступенем зміни показників ТЕПВ та корнеометрії [9].
Крім того, встановлено, що індекс ТЕПВ і більшою мірою показники корнеометрії корелюють зі ступенем тяжкості перебігу деяких захворювань шкіри, наприклад, атопічного дерматиту [3].

При дослідженні впливу умов навколишнього середовища (температури та відносної вологості повітря) на зміну ТЕПВ виявлено сильний кореляційний зв'язок між ТЕПВ та температурою та слабкий кореляційний зв'язок між індексом ТЕПВ та вологістю повітря. Проведені нами дослідження також виявили залежність показників зволоженості та ТЕПВ на шкірі обличчя та рук від зміни вологості та температури повітря у весняно-літній період (рис. 1).

Мал. 1. Сезонні впливи вологості та температури повітря на показники корнеометрії та вапометрії у періоральній зоні

Дослідження стану ліпідного балансу шкіри

Додатковим параметром, що дозволяє охарактеризувати стан гідроліпідної мантії шкіри, є оцінка функції сальних залоз. Для цього застосовують прилади, що фіксують зміну оптичної щільності ліпофільних плівок, що абсорбують за певний часовий проміжок жир з поверхні шкіри (себуметрія), або проводять візуальний аналіз за допомогою спеціальної камери або плівки, яка змінює колір при всмоктуванні шкірного сала.

Себуметрія

Себуметр – найвідоміший вимірювальний інструмент для визначення кількості жиру на поверхні гладкої шкіри та волосистої частини голови. Прилад фіксує навіть незначні зміни вмісту шкірного сала на поверхні шкіри. Різні in vivo та in vitro тести та експерименти, описані в науковій літературі, що порівнюють його з іншими методами вимірювань, підтвердили високу інформативність себуметра у дерматологічних та косметологічних дослідженнях.

Датчик, який використовується у себуметрії, називається себуметрична касета. Усередині касети є рулон спеціальної синтетичної стрічки, здатної вбирати жир. Площа вимірювальної головки становить 64 мм2. Одна касета призначена для 450 вимірів.

Під час вимірювання невелика ділянка стрічки прикладається до поверхні шкіри. При абсорбції шкірного сала ця плівка стає прозорою. Для кількісного визначення секреції вимірювальний датчик вставляється в отвір приладу, де аналізується прозорість плівки фотометричним методом. Світлорозсіювання на плівці корелює із вмістом шкірного сала на поверхні шкіри. Мікропроцесор обраховує результат, який виводиться на дисплей в умовних одиницях - від 0 до 350 ("Monaderm Combined Unit CM825/SM 815/CT 580", Courage Khazaka).

Важливим аспектом правильно проведеної себуметрії є попереднє очищення шкіри спиртовмісним розчином за 1-2 години до проведення вимірювань.

Переваги методу [1]:

• короткий час вимірювань запобігає ефекту оклюзії, який може змінювати підсумковий результат;
• незначний тиск датчика на шкіру дає можливість повторювати вимірювання без впливу на фізіологічні функції шкіри;
• селективний вимір жирності шкіри;
• невеликий розмір вимірювального датчика дозволяє проводити вимірювання на всіх ділянках тіла, у тому числі і волосистої частини голови.

Показник себуметрії широко використовується для об'єктивізації результатів протиугрової терапії, замісної гормональної терапії, застосування засобів для чищення для різних типів шкіри (рис. 2).

Мал. 2. Результати себуметрії шкіри чола. 1 – жінки 20–35 років; 2 – жінки 40–55 років; 3 – жінки 50–60 років, які приймають замісну гормональну терапію (ЗГТ); 4 - жінки 50-60 років, які не приймають ЗГТ. Достовірність відмінностей вказана порівняно з 1, 2, 4 групою

При вивченні вікових змін жиру на поверхні шкіри нами було показано, що з віком відбувається зменшення продукції шкірного сала, а застосування замісної гормональної терапії в період постменопаузи призводить до підвищення його виділення.

Методи дослідження механічних параметрів шкіри

Процеси старіння шкіри характеризуються змінами на рівні білкових структур дерми – колагену та еластину, а також змінами міжклітинного матриксу дерми. Ці процеси проявляються зниженням еластичності та ослабленням тургору шкіри, що є типовою ознакою старіння шкіри. Тому дослідження механічних властивостей шкіри розглядається як обов'язковий елемент загальної оцінки змін шкіри, а також ефективності терапії, що проводиться [10]. Крім того, показники еластичності та щільності шкіри можуть використовуватися для формування типологічних та морфологічних груп, виявлення вікових тенденцій.

При вивченні механічних властивостей шкіри частіше використовують поняття «пружність», «еластичність» і «щільність» (жорсткість) [11].

Пружність – властивість тіла чи матеріалу чинити опір зміні його обсягу чи форми під впливом механічного напруги, обумовлене зростанням внутрішньої енергії.

Еластичність - здатність тіла або матеріалу формувати при порівняно невеликих зусиллях пружні оборотні деформації без його руйнування.

Щільність (жорсткість) – опір тіла чи матеріалу втиску. Недолік цієї характеристики полягає в тому, що твердість не є фізичною постійною матеріалів і є складною властивістю, що залежить як від пружності і пластичності, так і від методу вимірювання.

На жаль, на даний момент немає єдиної методики, що дозволяє об'єктивно і детально охарактеризувати біомеханічні властивості шкіри in vivo. Тому всі сучасні описи цих властивостей багато в чому залежить від використовуваного методу виміру. Відправною точкою для вимірювання механічних властивостей шкіри є створення деформації за допомогою фіксованої сили та подальший аналіз ступеня (глибини) деформації, що характеризує щільність (твердість) та пружність шкіри, та характеристики повернення шкіри у вихідний стан, що відображає еластичність.

Основні методи оцінки механічних властивостей:

• Методи поперечної деформації: балістометрія (метод вдавлювання), кутометрія (метод всмоктування);
• Методи поздовжньої деформації: тензометрія (метод розтягування), торсіометрія/токметрія (метод крутіння).

Найбільш поширеними та доступними методами виміру біомеханічних параметрів є методи, засновані на створенні поперечної деформації. Незважаючи на те, що в їх основі лежить подібний принцип, при порівнянні методу всмоктування з методом вдавлювання було показано, що обидва методи описують споріднені, але не ідентичні аспекти механічних властивостей шкіри. Різниця в принципі виміру передбачає, що метод всмоктування (кутометрія) більшою мірою визначає еластичність шкіри, тоді як метод вдавлювання (балістометрія) переважно вимірює щільність. Крім того, є дані, що свідчать, що на результати кутометрії впливають рельєф та товщина шкіри [12].

При виборі інструментального обладнання слід враховувати анатомічні особливості зони, що вивчається. Зважаючи на невеликий розмір вимірювального датчика балістометра, цей прилад доцільно використовувати на обмежених ділянках шкіри, що мають властивості, що істотно відрізняють цю зону від прилеглих. Зокрема, цей прилад може успішно використовуватися для дослідження біомеханічних властивостей такої делікатної зони, як губи.

Балістометрія

Балістометр (апарат Dia-Stron Torsional Ballistometer BLS 780, суміщений з PC) є своєрідним маятником, який ударяє з незмінної висоти по поверхні шкіри. Поширення ударної хвилі та реакція шкіри у відповідь залежать від стану еластичних волокон і вмісту води. Удар передає шкірі кінетичну енергію та змушує підскакувати датчик після удару. Атонічна шкіра поглинає велику кількість енергії, відповідно на дію у відповідь енергії залишається мало, і амплітуда коливань при впливі на таку шкіру нижче, ніж при впливі на щільну, пружну шкіру. Вбудований датчик фіксує коливання шкіри у відповідь і вибудовує графік цих коливань (рис. 3). Аналіз параметрів отриманої кривої дозволяє оцінити ступінь деформації шкіри та її еластичність.

До основних показників балістометрії, що відображають в'язкоеластичні властивості шкіри, відносять глибину вдавлення, ALPHA (профіль поглинання) та АREA (площа під кривою).

Мал. 3. Показники балістометрії

Глибина втиску (IND – Indentation) – висота першого піку під кривою на графіку. Цей параметр показує, наскільки глибоко вдавлюється шкіра при початковому ударі кульки маятника та вимірюється в міліметрах (мм). IND безпосередньо характеризує щільність шкіри – що вище IND, то менше щільність шкіри.

Профіль поглинання (ALPHA) – цей показник відображає рівень зниження двох ефективних відскоків кульки маятника від шкіри. Коли він підвищується, це означає, що відскок стає все менш і менш вираженим, а шкіра менш еластичною і в'язкішою.

Площа під кривою (AREA) – це площа під кривою, що відповідає числу відскоків. Для молодої пружної шкіри характерно безліч відскоків, тому і AREA у цьому випадку буде великою. Цей параметр безпосередньо корелює із показником ALPHA.

У проведених нами дослідженнях встановлено, що показник ALPHA з віком підвищується, а призначення процедур, що омолоджують (ін'єкцій стабілізованої гіалуронової кислоти, Термаж) призводить до його зменшення.

Кутометрія

Оцінка в'язко-еластичних параметрів шкіри методом кутометрії (Cutometer, Courage Khazaka) заснована на відомому принципі вертикальної деформації. Датчик є порожнистою трубкою, всередині якої створюється негативний тиск. У місці, де отвір стикається з поверхнею тіла, шкіра піднімається (всмоктується у трубку). Висота шкірного горбка та час його повернення у вихідний стан після того, як тиск усередині трубки відновлюється, фіксуються за допомогою оптичного сенсора. Оптична система складається з джерела та детектора світла, а також двох призм, розташованих один проти одного, які відображають світло від джерела до детектора. Інтенсивність світла змінюється залежно від висоти горбка. Результат можна подати у вигляді кривої (рис. 4).

Мал. 4. Показники кутометрії. Пояснення у тексті

Основні параметри кривої:

• Ue – негайна деформація під впливом зовнішнього впливу;
• Uv – деформація, що наростає, внаслідок в'язкоеластичних властивостей шкіри;
• Uf – загальна деформація шкіри;
• Ur – негайне відновлення у разі припинення зовнішнього впливу;
• Ud – прогресивне відновлення внаслідок в'язкості шкіри;
• Ua – загальне відновлення шкіри.

Основними показниками кутометрії є F - загальна деформація шкіри (або опір шкіри до негативного тиску) і U, що відображає еластичність шкіри (здатність повертатися у вихідний стан), що представлено на рис. 4 як R2=Ua/Uf. Більш інформативним вважається параметр U. Чим ближче до одиниці (100%), тим паче еластична шкіра, тобто. після створення зовнішньої деформації вона повністю повертається у вихідний стан.

Торсіометрія також широко використовується для оцінки механічних властивостей шкіри і заснована на створенні деформації, що скручує. Отримані результати подають у вигляді кривої з параметрами, аналогічними показниками кутометрії.

Обговорення

При виборі апарату вивчення біомеханічних властивостей шкіри слід керуватися як можливостями методу, а й наявністю датчика, що дозволяє виміряти необхідні показники в досліджуваної анатомічній зоні.

При дослідженні показників гідратації та біомеханічних властивостей шкіри велике значення має виявлення кореляційних зв'язків між ними [3, 9]. У проведених нами дослідженнях не виявлено прямої кореляції між деякими з описуваних параметрів балістометрії, корнеометрії та вапометрії. Проте результати останніх досліджень з вивчення впливу антивікової терапії на біомеханічні параметри шкіри показали, що зміни параметрів еластичності шкіри в процесі лікування корелювали з позитивною динамікою рівня гідратації та/або показників ТЕПВ [13].

Висновок

Таким чином, застосування функціональних методів діагностики дозволяє проводити об'єктивне дослідження біофізичних властивостей шкіри та її бар'єрних функцій, а також оцінювати ефективність засобів зовнішньої терапії та технологій, що покращують стан шкіри.

Література

Джерело: Вісник дерматології та венерології, №2/2009, стор. 80–87

1. Щукіна Є.В. Функціональне визначення стану шкіри за допомогою апарату "Скін-о-мат" // Натуральна фармакологія. 2005. Т. 2. С. 38-41.
2. Cravello B., Ferri A. Relationships між шкірними властивостями та природними параметрами. // Skin. Res. Technol. 2008 р. May. Vol. 14. No 2. Р. 180-6.
3. Kim DW, Park JY, Na GY, Lee SJ, Lee WJ. Correlation of clinic features and skin barrier function in adolescentes and adult patients with atopic dermatitis // Int. J. Dermatol. 2006. Jun. Vol. 45. No 6. Р. 698-701.
4. Caisey L., Goubanova E., Camus C., Lapatina N., Smetnik V., Leveque J.-L. Influence age and hormone replacement theraphy на функціональних властивостях of lips // Skin. Res. Technol. 2008. Vol. 14. Р. 220-225.
5. Caisey L., Gubanova E., Baras D., Leveque J.-L. Unexpected distribution of surface hydratation level of the lip // JEADV 2008. Р. 1–4.
6. Leveque J.-L., Goubanova E. Influence of Age on the Lips and Periora Skin // Dermatology. 2004. Vol. 208. Р. 307-313.
7. Rawlings A., Harding C., Watkinson A., Banks S., Ackerman C., Sabin R., Діяльність glycerol і humidity на глибокій деградації в stratum corneum // Arch. Dermatol. Res. 1995. Vol. 287. Р. 457-64.
8. Bernengo JC, Rigal J. Physical methods of measuring stratum corneum water content// Measuring the skin. Agache P., Humbert P. Springer - Verlag Berlin Heidelberg 2004. Р. 112-117.
9. Wu Y, Wang X, Zhou Y, Tan Y, Chen D, Chen Y, Ye M. Correlation між стингом, TEWL і capacitance. // Skin. Res. Technol. 2003 р. May. Vol. 9. No 2. Р. 90-3.
10. Ryu HS, Joo YH, Kim SO, Park KC, Youn SW Вплив age та regional differences на шкіру еластичність як застосовується до Cutometer® // Skin. Res. Technol. 2008. Vol. 14. No 3. Р. 354-358.
11. Балабанов Є.І. Шкіра людини. Механічні властивості. Теплопередача/Аналітичний огляд. М. 2001.
12. Smalls LK, Randall Wickett R, Visscher MO Діяльність дермальної хитрощі, tissue composition, і тіло на шкірі biomechanickих властивостей//Skin. Res. Technol. Feb. 2006. Vol. 12. No 1. Р. 43-49.
13. Лапатіна Н.Г., Шарова А. А., Губанова О.І. Оцінка ефективності препарату нестабілізованої гіалуронової кислоти Віскодерм 1,6 для біоревіталізації шкіри обличчя та рук // Естетична медицина. 2008. Vol. 7. No 4. Р. 459-470.