Researching the mechanism of two-component skin erythema, induced by UVB - radiation, to develop erythemal diagnostic (стр. 2 )

This work confirms the validity of the stays above, it is the theoretical generalization of the results obtained by the author and other researchers in the study of UVB effects on mammalian cells (mainly KC) in order to determine the dose dependence of UVB-induced apoptosis. Abstracts of the main provisions of work published by the author earlier [1,2,3,4,5,19] and over the past few years of experimental data, to significantly refine the parameters of non-monotonic dose dependence UVB - induced apoptosis, in the literature not found.

Обоснование природы немонотонной зависимости УФВ – индуцированного апоптоза КЦ кожи от дозы УФИ, приведенное в работе, позволяет объяснить такие явления, как, например, усиление УФ индуцированного апоптоза действием антиоксидантов и биофлавоноидов [14-16] или «парадоксальное» действие аппликации антиоксидантов (усиление покраснения кожи) на ранние стадии развития УФВ эритемы (собственные наблюдения [1]) и другие особенности УФ индуцированного апоптоза, а также разработать методику измерения параметров апоптоза, индуцированного УФИ.

Substantiation the nature of non-monotonic UVB - induced apoptosis of the skin KC from  dose UVB, given in the work, helps to explain phenomena such as, for example, increased UV-induced apoptosis effect by antioxidants and bioflavonoids [14-16] or "paradoxical" effect increasing redness skin after application of antioxidants for fast component of UVB erythema (own observations [1]), and other features of the UV-induced apoptosis, as well as to develop a method of measuring parameters of apoptosis induced by UVB.

Наибольшей биологической активностью обладает УФС (UVC, 200-280 нм) и УФВ излучение, что обусловлено хорошим поглощением ДНК клеток в этих спектральных диапазонах. Но УФС излучение Солнца обычно не достигает поверхности Земли, поглощается преимущественно роговым слоем эпидермиса и по этой причине механизм УФС эритемогенеза не интересен для эритемодиагностики. Несмотря на наличие репарационных систем, с ростом дозы УФИ (и при достаточно высокой интенсивности УФ облучения - УФО) вероятность того, что клетка восстановит свою нативность, снижается до нуля.

The highest biological activity has UVC (200-280 nm) and UVB radiation, due to good absorption UVR by the DNA cells in these spectral ranges. UVB solar radiation provided many biological affects, but UVC usually does not reach the earth's surface, is absorbed primarily the stratum corneum of the epidermis and therefore UVC is not interesting for eritemodiagnostik.

Despite the availability of repair systems, with increasing UVB doses (and at a sufficiently high intensity of UV radiation), the probability that a cell will restore its native, reduced to zero.

Время процессов репарации ДНК варьирует от нескольких минут до нескольких часов, и при медленном нарастании дозы повреждения репарационные процессы могут препятствовать росту нарушений в структуре ДНК. Результат воздействия УФИ проще анализировать для коротких по продолжительности (по сравнению со временем репарации) "импульсных" воздействий, то есть при достаточно высокой интенсивности облучения. Так как биологически активная часть УФ полностью поглощается в поверхностных слоях кожи, при дозиметрии УФ в качестве поглощённой дозы используют поверхностную плотность дозы УФ, то есть дозу УФ традиционно измеряют в Дж/м2.

DNA repair process time varies from a few minutes to several hours, and repair processes can inhibit the growth of irregularities in the structure of DNA because slow increase in the dose of damage. The result of exposure to UVB is easier to analyze for short duration (compared to the time of repair), "pulse" high irradiation intensity. Since the biologically active portion of UVB completely absorbed in the superficial layers of the skin, UVB dose measure as the surface density of dose of UVB - traditionally measured in J / m2.

Современные знания клеточных механизмов позволяют утверждать, что кроме репарации (восстановления) клетки, существует ещё один вариант физиологического ответа клетки на повреждение – апоптоз, который препятствует "патологическому" разрушению клетки посредством некроза. Роль апоптоза при летальном повреждении клетки - это обеспечение минимального роста энтропии в процессе элиминации клетки. Апоптоз является "тонкой прослойкой" между восстановлением клетки и её разрушением  посредством некроза. Эта прослойка является надёжной защитой (от некроза) только при достаточно медленном нарастании (дозы) воздействия, которое вызывает повреждение клетки. При высокой интенсивности и дозе повреждающего воздействия апоптоз не в состоянии предотвратить некроз вследствие поломки (частичной или полной) или инактивации (например, вследствие недостатка энергоресурсов) механизмов, реализующих программу апоптоза.

Current knowledge of cellular mechanisms suggest that in addition to the repair of the cell, there is another version of the physiological response to cell damage - apoptosis, which prevents the "pathologic" cells destroyed by necrosis. The role of apoptosis in cells lethal damage - is to ensure a minimum increase in entropy in the process of cell elimination. Apoptosis is a "thin layer" between the recovery of cells and its destruction by necrosis. This layer is a reliable protection from necrosis only at sufficiently slow dose rate. At high intensity and dose of the damaging effects of apoptosis unable to prevent necrosis due to damage (partial or complete) or inactivation (eg, due to a lack of energy) the mechanisms that implement the apoptosis program.

Следует учитывать, что апоптоз или некроз клетки может быть вызван УФ индуцированным повреждением не только ядерной ДНК, но и ДНК митохондрий, которые (являясь по происхождению прокариотами) обладают упрощенной системой репарации. Появляются работы (например, [8]), в которых предполагается, что УФ повреждения ДНК митохондрий КЦ (КЦ) могут быть причиной старения кожи. Суммарный объём ДНК митохондрий составляет менее процента от ДНК генома, но количество УФ повреждений в ДНК митохондрий может быть сравнимо с повреждениями генома клетки по той причине, что ДНК митохондрий равномерно распределена в объеме клетки, а ДНК генома (исключая отдельные фазы митоза) находится в конденсированном состоянии, труднодоступном для УФ фотонов. Важная роль митохондрий в индукции апоптоза очевидна и для действия проникающих ионизирующих излучений роль повреждения ДНК митохондрий хорошо изучена, но работы, в которых исследуется или обсуждается роль митохондриальной ДНК как мишени для УФ фотонов, в литературе не найдены.

Note that apoptosis or cell necrosis may be caused by UV induced damage of not only the nuclear DNA, but mitochondrial DNA also, which (being a prokaryotic origin) have simplified repair system. There are works (eg, [8]), in which it is assumed that UV damage to mitochondrial DNA KC (KC) may be the cause of skin aging. The total volume of mitochondrial DNA is less than one percent from genomic DNA, but the number of UV damage in mitochondrial DNA can be compared with the genome of the cell damage by reason that mitochondrial DNA is uniformly distributed in the volume of the cells, but genomic DNA (except for the individual phases of mitosis) stored in the condensed state, inaccessible to UV photons. The important role of mitochondria in apoptosis induction is obvious and for actions of penetrating ionizing radiation role of mitochondrial DNA damage is well understood, but the work in which we investigate and discuss the role of mitochondrial DNA as a target for UV photons are not found in the literature.

Хорошо известно, что причиной активации программы апоптоза может быть неэффективная работа митохондрий или гипоксия [9]. Но апоптоз можно блокировать, лишив клетку энергии - показано, что полное выключение митохондрий исключает апоптоз. Важно, что дефицит энергии не обязательно обусловлен повреждением митохондрий. Например, апоптоз кардиомиоцитов в условиях аноксии происходит только при условии их преинкубации в питательном растворе (глюкоза) и отсутствие такой преинкубации (в условиях аноксии) приводит к некрозу кардиомиоцитов [10].

It is well known that the cause of the activation of apoptosis may be inefficient mitochondria or hypoxia [9]. However, apoptosis can be blocked, depriving the cells with energy - it is shown that the complete shutdown of mitochondrial excludes apoptosis. It is important that the energy deficit is not necessarily caused by damage to the mitochondria. For example, apoptosis of cardiomyocytes in anoxic conditions occurs only when their pre-incubation in a nutrient solution (glucose), and no such preincubation (anoxic) leads to necrosis of cardiomyocytes [10].

При малой дозе УФИ репарационные системы восстанавливают нативность клетки (сублетальное повреждение). Если УФ повреждение и состояние систем репарации таково, что клетка не может быть восстановлена полностью, но сохраняет достаточный энергоресурс (летальное повреждение), она элиминируется (механизмом апоптоза). При очень большой (сверхлетальной) дозе облучения, полученной за короткое (в сравнении со временем репарации), время, клетка разрушается вследствие нарушения систем жизнеобеспечения посредством некроза. Механизм апоптоза зависит от энергии и, очевидно, это определяет причину бимодального действия УФИ на КЦ кожи, обнаруженного экспериментально Mammone T., 2000 г. [11] (апоптоз регистрировался по фрагментации ДНК).

At a low dose of UV repair to use intracellular system restore defect of cells (sublethal damage). If UV damage and the state of cell repair systems is such that the cell cannot be fully restored, but retains sufficient energy resource (lethal damage), it is eliminated (by help mechanism of apoptosis). At very high (over letal) radiation dose received by a short (compared with the time of repair) time, cell destroyed by necrosis. The mechanism of apoptosis is dependent on the energy and, obviously, it determines the cause of a bimodal action UVB skin KC firsts detected experimentally Mammone T., 2000 [11] (apoptosis was detected by DNA fragmentation).

Согласно этим данным, УФБ облучение кератиноцитов кожи дозой  УФВ  от 50 до 150 Дж/м2, приводит к активации апоптоза, который возрастал с дозой УФ, но только до некоторого предела.  в них активизировался и возрастал с дозой процесс апоптоза, но при дозах УФИ, больших 600 Дж/м2, апоптоз замещался некрозом. Исследование апоптоза нейтрофилов, индуцированного УФИ [12], показало, что максимальное (45%) количество ушедших в апоптоз клеток достигалось при дозе 300 Дж/м2 и при дальнейшем возрастании дозы достигалось "насыщение". Этих данных достаточно, чтобы поставить на осях графика "полуэмпирической" дозовой зависимости УФ индуцированного апоптоза численные значения.