Maturitas 69 (2011) 249-256

Contents lists available at ScienceDirect

Maturitas

journal homepage www.elsevier.com/locate/maturitas

Review

Molecular aspects of skin ageing

Elizabeth C. Naylor^a,b, Rachel E.B. Watson^a,b, Michael J. Sherratt^a,c*

^a Manchester Academic Health Sciences Centre, The University of Manchester, Manchester M13 9PT, UK

^b School ofTranslational Medicine, Faculty of Medical and Human Sciences, The University of Manchester, Manchester, M13 9PT UK ^c School of Biomedicine, The University of Manchester, Manchester, M13 9PT UK

ARTICLE INFO

Article history: Received 7 April 2011 Accepted 20 April 2011

Keywords:

Skin

Ageing

Extracellular matrix Collagens Proteoglycans Elastic fibres

ABSTRACT

Ageing of human skin may result from both the passage of time (intrinsic ageing) and from cumulative exposure to external influences (extrinsic ageing) such as ultraviolet radiation (UVR) which promote wrinkle formation and loss of tissue elasticity. Whilst both ageing processes are associated with pheno-typic changes in cutaneous cells, the major functional manifestations of ageing occur as a consequence of structural and compositional remodeling of normally long-lived dermal extracellular matrix proteins. This review briefly considers the effects of ageing on dermal collagens and proteoglycans before focusing on the mechanisms, functional consequences and treatment of elastic fibre remodeling in ageing skin.

The early stages of photoageing are characterised by the differential degradation of elastic fibre proteins and whilst the activity of extracellular matrix proteases is increased in photoexposed skin, the substrate specificity of these enzymes is low. We have recently shown however, that isolated fibrillin microfibrils are susceptible to direct degradation by physiologically attainable doses of UV-B radiation and that elastic fibre proteins as a group are highly enriched in UV-absorbing amino acid residues. Functionally, elastic fibre remodeling events may adversely impact on: the mechanical properties of tissues, the recruitment and activation of immune cells, the expression of matrix metalloproteinases and cytokine signaling (by perturbing fibrillin microfibril sequestration of TGFp). Finally, newly developed topical interventions appear to be capable of regenerating elements of the elastic fibre system in ageing skin, whilst systemic treatments may potentially prevent the pathological tissue remodeling events which occur in response to elastic fibre degradation. Starzenie się skóry ludzkiej mogą wynikać zarówno z upływem czasu (wewnętrzny starzenie) i od łącznego narażenia na czynniki zewnętrzne ust zewnętrzna starzenie), takie jak promieniowanie ultrafioletowe (UVR) które promują powstawanie zmarszczek i utraty elastyczności tkanek. Choć oba procesy starzenia związane są z fenotyp-typic zmian skórnych komórek, główne funkcjonalne przejawy starzenia się pojawić jako konsekwencja strukturalnych i składu przebudowy zazwyczaj długowieczne skóry białek macierzy zewnątrzkomórkowej. Ta opinia krótko uważa efekty starzenia się skóry kolagenu i proteoglikanów przed zatrzymaniem się nad mechanizmami, konsekwencje funkcjonalne i leczenia elastycznej przebudowy włókna w starzejącej się skórze.
Wczesne stadia fotostarzeniu charakteryzują się degradację różnicowej elastycznych włókien i białek podczas aktywności pozakomórkowych proteaz macierzy zwiększa się w skórze photoexposed, specyficzność substratów tych enzymów jest niski. Niedawno wykazano jednak, że izolowane microfibrils fibrillin są podatne na degradację przez fizjologicznie kierować osiągalnych dawki promieniowania UV-B i że elastyczne proteiny włókien jako grupa są wysoko wzbogacony pochłaniający promieniowanie UV pozostałości aminokwasów. Funkcjonalnie elastyczne wydarzenia remodeling włókien może mieć negatywny wpływ na: właściwości mechaniczne tkanki rekrutację i aktywację komórek odpornościowych, ekspresja metaloproteinaz macierzy i sygnalizacji cytokin (przez zaburza fibrillin mikrofibryl sekwestracji z TGFp). Wreszcie, nowo opracowane miejscowe interwencje wydają się być zdolne do elementów regenerujących elastycznej systemu światłowodowego w starzejącej się skóry, a jednocześnie systemowe leczenie może potencjalnie zapobiec patologiczne wydarzenia przebudowie tkanek, które występują w odpowiedzi na elastycznej degradacji włókien.

© 2011 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Contents

1.	Introduction	250
2.	Structure and molecular composition of young skin	250
	2.1. Collagens	250
	2.2. Elastic fibres	250
	2.3. Proteoglycans and oligosaccharides	250
3.	ECM remodeling in ageing skin: structural and functional consequences	250
4.	Cellular and acellular mechanisms as drivers of elastic fibre remodeling	251
5.	Functional consequences of elastic fibre remodeling	252
6.	Reversing age-related changes in the dermal elastic fibre system	254
7.	Conclusions	254
	Contributors	255
	Competing interests	255
	Provenance and peer review	255
	Acknowledgments	255
	References	255

* Corresponding author at: School of Biomedicine, Faculty of Medical and Human Sciences, The University of Manchester, 1st floor Stopford Building, Oxford Road, Manchester, M13 9PT, UK. Tel.: [phone]; fax: [phone]. E-mail address: [e-mail] (M.J. Sherratt).

0378-5122/$ - see front matter © 2011 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.maturitas.2011.04.011

1. Introduction

The appearance and mechanical function of human skin undergo profound changes with both increasing chronological age and crucially with cumulative exposure to external factors such as ultraviolet radiation (UVR) and smoking (for recent reviews see [1,2]). The fine wrinkles [3] and reduced elasticity (both compli­ance and ability to recoil) which characterize intrinsically aged skin are exaggerated in photoaged skin, where exposure to UVR is asso­ciated with the development of both deep wrinkles and a marked loss of elasticity [4,5]. Whilst both the intrinsic and extrinsic age­ing processes are associated with phenotypic changes in cutaneous cells, major structural and functional changes occur in the dermal extracellular matrix (ECM) where fibrillar collagens, elastic fibres and proteoglycans are required to confertensile strength, resilience (recoil) and hydration, respectively. The extreme longevity of these biomolecules [6,7], compared with intracellular proteins [8] exposes these assemblies to accumulated damage, which in turn impacts on their ability to both confer mechanical properties and to mediate tissue homeostasis [9,10]. This review briefly summarises the current state of knowledge regarding age-related remodel­ing of dermal collagens, proteoglycans and, in particular, elastic fibre components before considering: (i) the cellular and acellu-lar mechanisms which may drive differential ECM remodeling, (ii) recent progress made in understanding the central biochemical role played by elastic fibres in maintaining tissue homeostasis and (iii) the potential for interventions to prevent or reverse age-related changes in ECM composition and architecture.

wprowadzenie
Wygląd i funkcję mechaniczną z ludzkiej skóry ulegają głębokim zmianom zarówno z wiekiem chronologicznym i co najważniejsze z łącznego narażenia na czynniki zewnętrzne takie jak promieniowanie ultrafioletowe (UVR) i palenie tytoniu (dla ostatnich opinii patrz [1,2]). Drobne zmarszczki [3] oraz zmniejszenie elastyczności (zarówno skomplikowana ¬ ność i zdolność do odrzutu), które charakteryzują wewnętrznie starszej skóry są przesadzone w photoaged skóry, gdzie ekspozycja na UVR jest zwią ¬ zane z rozwojem obu głębokich zmarszczek i znacznego utraty elastyczność [4,5]. Chociaż zarówno wewnętrznych i zewnętrznych wiek ¬ procesy ING związane z fenotypowych zmian skórnych komórek, główne strukturalne i funkcjonalne zmiany zachodzące w skórnej macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM), gdzie kolagen włóknisty, elastyczne włókna i proteoglikanów są zobowiązane do confertensile wytrzymałości, odporności w odrzut ) i nawodnienie, odpowiednio.Ekstremalne długowieczność tych biomolekuł [6,7], w porównaniu z wewnątrzkomórkowych białek [8] eksponuje te zespoły do zgromadzonego szkody, które w kolei wpływ na ich zdolność do zarówno nadawania właściwości mechaniczne i pośredniczyć homeostazy tkankowej [9,10]. Ta opinia krótko podsumowuje aktualny stan wiedzy na temat związanego z wiekiem przemodelować ¬ ING skóry kolagenu i proteoglikanów, a w szczególności elementów sprężystych włókien przed uwzględnieniem: (i) komórkowej i acellu-ności mechanizmów, które mogą Differential Drive ECM przebudowę (ii) ostatnie postępy w zrozumieniu centralny biochemicznej roli włókien elastycznych w utrzymaniu homeostazy tkankowej oraz (iii) możliwość interwencji, aby zapobiec lub odwrócić związane z wiekiem zmiany w składzie ECM i architektury.

2. Structure and molecular composition of young skin

Skin function is mediated primarily by the structure of the epidermal and dermal layers. The highly cellular, yet avascular, epi­dermis forms a barrier which both prevents water and heat loss and the entry of pathogenic organisms. In contrast, the dermis is both vascularised and relatively acellular. The two layers are joined by a compositionally complex undulating dermal-epidermal junction (DEJ) in which basal epidermal keratinocytes are secured to a type IV collagen-rich basement membrane by hemidesmosomes and the dermis is anchored by collagen VII fibrils and fibrillin-rich microfib­ril bundles (extensions of the elastic fibre system termed oxytalan fibres). Sparsely distributed, dermal fibroblasts are thought to be responsible for synthesising the three major groups ofdermal ECM proteins and collectively these ECM assemblies not only dominate the structure and function of the dermis, but via aberrant remod­eling, mediate the changing function of ageing skin (Fig. 1 ). Struktura przestrzenna i molekularny skład młodej skóry
Funkcja skóra pośredniczy przede wszystkim struktury warstw naskórka i skóry.Wysoko komórkowej, ale jałowa, epi ¬ skóry właściwej tworzy barierę, która zarówno zapobiega utracie wody i ciepła oraz wejście na rynek organizmów chorobotwórczych. Natomiast skóra właściwa jest zarówno unaczynioną i stosunkowo krztuścowi. Dwie warstwy są połączone przez kompozycyjnie złożonej falującej skórno-naskórkowej złącza (DEJ), w którym podstawne naskórka keratynocyty są zabezpieczone do kolagenu typu IV bogatej błony podstawnej przez hemidesmosomes i skóra właściwa jest zakotwiczona przez kolagenu VII włókienek i fibrillin bogatej microfib ¬ ril zestawy (rozszerzenia elastycznego systemu światłowodowego określanego oxytalan włókna). Rzadko rozmieszczone, przez skórę fibroblastów są uważane za odpowiedzialne za syntezę trzech głównych grup ofdermal białka ECM i zbiorowo nie te zespoły ECM tylko zdominować strukturę i funkcje skóry właściwej, lecz poprzez remod aberrant ¬ Eling, pośredniczyć zmieniającej się funkcji starzejącej się skóry (Rys. 1).

2.1. Collagens

Collagens I and III, which are the most abundant proteins in the dermis, co-polymerise to form extended mechanically stiff fib­rils which confer tensile strength to the tissue [9,11,12]. Although widely distributed throughout young dermis, there is evidence for their differential deposition in the papillary and deep reticular der­mis [13]. The architecture of these fibrils appears disorganised when compared with highly ordered tissues such as the cornea [14], but in skin, they are usually composed into bundles which in turn are often oriented parallel to the DEJ or organised into basket-weave arrangements [15]. In addition to the fibrillar col­lagens, collagen VII is localised to perpendicularly oriented [16] anchoring fibrils which play a key role in securing the dermis to the DEJ [17]. In turn, this specialised basement membrane is composed of laminins-1 and -5, nidogen and the network form­ing collagen IV [18]. Finally, whilst collagen VI microfibrils are widely distributed throughout most connective tissues, their role in skin remains unclear. It appears, however, that these ubiquitous assemblies mediate cell-matrix signaling [19] whilst mutations in collagen VI are associated with the development of muscle wasting and weakness [20,21]. Kolagen I i III, które są najbardziej obfite białka w skórze właściwej, co-polimeryzacji, tworząc rozszerzone mechanicznie sztywne fib ¬ rils nadające wytrzymałości na rozciąganie do tkanki [9,11,12]. Mimo szeroko rozpowszechniony w młodej skórze, istnieją dowody na ich składowania różnicowego w siatkowatego brodawkowatego i głęboko der ¬ mis [13].Architektura tych włókien pojawia się zdezorganizowane, w porównaniu z wysoko zamówionych tkankach, takich jak rogówki [14], ale w skórze, są one zazwyczaj składa się w wiązki, co z kolei często są zorientowane równolegle do Dej lub zorganizowane w basket-weave ustaleń [15 ]. Oprócz Fibrillar col ¬ lagens, kolagen VII zlokalizowane prostopadle zorientowane [16] zakotwiczenie włókienka, które odgrywają kluczową rolę w zabezpieczeniu skóry właściwej do Dej [17]. To z kolei specjalizuje się błona podstawna składa się z laminins-1 i -5 i nidogen i formy sieci ¬ nia kolagenu IV [18]. Wreszcie, podczas gdy kolagen microfibrils VI jest szeroko rozpowszechniony w tkankach najbardziej łącznej, ich rola w skórze pozostaje niejasny. Wydaje się jednak, że te wszędobylskie zespoły pośredniczyć komórkę matrycą sygnalizacja [19], podczas gdy mutacje w kolagenu VI są związane z rozwojem paleniem mięśni i osłabienie

2.2. Elastic fibres

In addition to possessing mechanical strength, skin is required to be both compliant (readily deformable) and resilient (able to recoil). Confusingly, these disparate properties are often referred to in the literature as constituting a single parameter: skin elasticity [22]. Whilst the anisotropic nature of skin structure undoubtedly complicates the task of assigning specific mechanical properties to individual components [23,24], the elastic fibre system is thought to be fundamental in mediating tissue resilience [25]. Elastic fibres may be composed of multiple components, including cross-linked elastin, fibrillin-rich microfibrils, microfibril-associated glycopro­teins (MAGPs), fibulins and latent transforming growth factor P-binding proteins (LTBPs) (for reviews see [26-28]). In young skin, the elastic fibre system adopts a characteristic highly ordered archi­tecture, in which perpendicularly oriented fibrillin-rich microfibrils (oxytalan fibres) at the DEJ merge with large diameter elastic fibres in the reticular dermis which are composed primarily of elastin

[29,30]. włókna sprężyste
Oprócz posiadania wytrzymałość mechaniczną, skóra musi być zarówno zgodne (łatwo odkształcalne) i sprężysta (możliwość odrzutu). Złudzenia te odmienne właściwości są często określane w literaturze jako jeden parametr: elastyczność skóry [22]. Choć anizotropowy charakter struktury skóry niewątpliwie komplikuje zadanie przypisanie konkretnych właściwości mechaniczne poszczególnych elementów [23,24], elastyczny system światłowodowy jest uważana za podstawową w mediacji odporność tkanek [25]. Elastyczne włókna mogą składać się z wielu składników, w tym usieciowanego elastyny, fibrillin bogate microfibrils i mikrofibryl związanej glycopro ¬ białkowe ust MAGPs), w fibulins i ukrytych transformujących wzrostu współczynnika P-wiązania białek (LTBPs) (dla opinii patrz [26 - 28]). W młodej skórze, elastyczny system światłowodowy przyjmuje cecha wysoce uporządkowane Archi ¬ zgłoszonych nieprawidłowości, w którym prostopadle zorientowane fibrillin bogate microfibrils ust oxytalan włókien) na Dej połączyć się z dużej średnicy włókien elastycznych w skórze właściwej siatkowego, które składają się głównie z elastyny

2.3. Proteoglycans and oligosaccharides

The dermal ECM is not wholly composed of fibrous proteins; carbohydrates, both in isolation and in conjunction with pro­teins, also play an important role in skin biology. Whilst these ECM components are often referred to as ground substance or glycosaminoglycans (GAGs), such terminology fails to distinguish between the three distinct forms of oligosaccharides which are present in human connective tissues. Many ECM proteins, includ­ing the fibrillins and fibrillar collagens are glycoproteins which have undergone post-translational modification with numerous, relatively short, yet branched, oligosaccharides [31,32]. In con­trast, proteoglycans are glycoproteins in which at least one of the oligosaccharide side chains is an un-branched, and usually long, glycosaminoglycan (GAG). Dermal proteoglycans range in size from the single GAG chain small leucine-rich proteoglycan (SLRP) decorin, which is thought to play a central role in controlling colla­gen fibril fusion [33,34], to the large proteoglycan aggrecan which may be comprised of over 100 individuals GAGs. Collectively, these hydrophilic glycoproteins and proteoglycans in conjunction with the abundant, polymeric hyaluronic acid are distributed through­out the dermis where they perform a key role in maintaining skin hydration [35]. Proteoglikany i oligosacharydy
Skórne ECM nie jest w całości składa się z białek włóknistych, węglowodany, zarówno w izolacji iw połączeniu z pro ¬ białkowe, również odgrywają ważną rolę w biologii skóry. Mimo tych składników ECM są często określane jako substancji podstawowej lub glikozaminoglikanów w GAG), takie terminologia nie rozróżnia trzy formy różnych oligosacharydów, które są obecne w ludzkich tkankach. Wiele białek ECM, w tym ¬ nia fibrillins i kolagen włóknisty są glikoproteiny, które przeszły potranslacyjnych modyfikacji z licznych, stosunkowo krótki, ale rozgałęziony oligosacharydów [31,32]. W kon ¬ Trast, proteoglikany są glikoproteiny, w których co najmniej jeden z oligosacharydów łańcuchów bocznych jest nie-rozgałęzione, zwykle długo, glikozaminoglikanów (GAG). Skórna zakres proteoglikany wielkości od jednego GAG łańcucha małych leucyna bogatej proteoglikanu ust SLRP) decorin, które jest uważane za odgrywają kluczową rolę w kontrolowaniu Colla ¬ gen fibryli termojądrowej [33,34], na dużą agrekan proteoglikanu który może składać się z ponad 100 jednostek GAG. Łącznie, te hydrofilowe glikoprotein i proteoglikanów w połączeniu z obfitym, kwasu hialuronowego polimerowym są rozpowszechniane poprzez ¬ out skóry właściwej, gdzie pełnią one kluczową rolę w utrzymaniu nawilżenia skóry

3. ECM remodeling in ageing skin: structural and functional consequences

In contrast with most internal organs, skin is subject to both an intrinsic ageing process (due to the passage of time) and to an extrinsic ageing processes (principally as a result of exposure to ultraviolet radiation [UVR]). Whilst clinically both intrinsically and extrinsically aged skin become wrinkled, stiffened and less able to recoil, the severity, age of onset and rate of these pathological changes is exacerbated by exposure to UVR [3,5,36,37] (for reviews see [38] and [2]). Furthermore, although structural re-organization of the dermal ECM is evident in both UV-protected and UV-exposed aged skin, the tissues are characterised by profoundly different remodeling events.

In intrinsically aged skin, there is evidence not only for the degradation of fibrous ECM components including elastin, fibrillin-containing oxytalan fibres [39] and the collagens I, III and IV [13]

but also for the loss of the oligosaccharide fraction which in turn impacts on the ability of skin to retain bound water [40,41] (Fig. 2). In contrast to the generalised extracellular atrophy which is evident in intrinsically aged skin, photoaged skin is characterised by both catabolic and anabolic remodeling events which may are matrix-component specific, highly localised and dose-dependent (Fig. 2). Specifically, in severely photoaged skin there is a loss of not only fibrillar collagens (I and III) throughout the dermis [13,42] but also the loss of collagen VII anchoring fibrils at the DEJ [43]. In contrast, dermal GAG content, in particular hyaluronic acid and the chon-droitin sulphate containing GAGs, is increased and redistributed to co-localise with the elastic fibre network [44]. In turn, this network is differentially remodeled in mild and acutely photoaged skin. During the early stages of photoageing, both fibrillin-1 [45] and fibulin-5 [46] are lost from the microfibrillar apparatus (oxytalan fibres) at the DEJ. In severely photoaged skin, however, the reticular dermis is characterised by the distribution of abundant, apparently disorganised elastic fibre proteins including tropoelastin, fibrillin-1, fibulins-2 and -5 and LTBP-1 [46-50]. Whilst it appears therefore, that components of the elastic fibre system are particularly suscep­tible to age-related degradation, the causative mechanisms are not, as yet, fully characterised.

Przebudowa ECM w starzejącej się skórze: strukturalne i funkcjonalne konsekwencje
W przeciwieństwie do większości narządów wewnętrznych, skóra podlega zarówno wewnętrznej procesu starzenia (ze względu na upływ czasu) i do zewnątrzpochodnych procesów starzenia (głównie w wyniku narażenia na działanie promieniowania ultrafioletowego [UVR]). Choć klinicznie zarówno wewnętrznie i zewnętrznie w wieku skóra staje się pomarszczona, wzmocnione i mniej zdolne do odrzutu, waga, wiek chorego i stawki tych patologicznych zmian jest zaostrzenie przez narażenie na UVR [3,5,36,37] (dla opinii patrz [38] i [2]). Ponadto, choć strukturalne re-organizacja skóry ECM jest oczywiste zarówno chronić przed promieniowaniem UV i UV-odsłoniętą skórę wieku, tkanki charakteryzują się głęboko różnych zdarzeń przebudowy.
W samoistnie w wieku skóry, istnieją dowody, nie tylko do degradacji włóknistych komponentów ECM tym elastyny, fibrillin włókien zawierających oxytalan [39] i kolagen I, III i IV [13] ale również dla utraty oligosacharydów ułamek który w oddziaływania kolei na zdolność skóry do zatrzymywania wody związanej [40,41] (ryc. 2). W przeciwieństwie do uogólnionego zaniku zewnątrzkomórkowej, która jest widoczna w ściśle wieku skóry, photoaged skóra charakteryzuje się zarówno katabolicznych i anabolicznych wydarzeń przebudowy, która może są składnikiem macierzy specyficzny, bardzo lokalna i zależne od dawki (ryc. 2). W szczególności, w skórze poważnie photoaged jest strata nie tylko kolagenów Fibrillar (I i III) w całej skóry [13,42], ale również utrata kolagenu VII włókien mocujących na Dej [43]. W przeciwieństwie, przez skórę zawartość GAG, w szczególności kwasu hialuronowego i siarczanu Chon-droitin zawierających GAG, wzrasta i redystrybuowane do współpracy lokalizować z elastycznej sieci światłowodowej [44]. Z kolei ta sieć jest zróżnicowany przebudowany w skórę łagodnym i ostrym photoaged. Podczas wczesnych etapów fotostarzeniu, zarówno fibrillin-1 [45] i fibulin-5 [46] zostały utracone z aparatu microfibrillar ust oxytalan włókien) w Dej. W skórze poważnie photoaged jednak siatkowo skóra właściwa charakteryzuje się dystrybucją obfite, najwyraźniej białek niezorganizowanej elastycznych włókien tym tropoelastin i fibrillin-1, fibulins-2 i -5 i LTBP-1 [46-50]. Choć wydaje się zatem, że elementy elastycznego systemu światłowodowego są szczególnie podatne na degradację ¬ tible związanego z wiekiem, sprawczy mechanizmy nie są, jak dotąd, w pełni określone.

4. Cellular and acellular mechanisms as drivers of elastic fibre remodeling

The remarkable longevity of ECM proteins in general and of the elastic fibre system in particular, is thought to pre-dispose these assemblies to the risk of molecular ageing [7,9]. In contrast to intra­cellular proteins, whose half-lives are measured in hours, or at most days [8], many ECM proteins have half-lives which are measured in years (Fig. 3). For example, types I and II collagen in human skin and cartilage have estimated half-lives of 15 and 95 years [51], whilst the age of elastic fibre components is equivalent to [6] or many times [52,53] the age of the individual. In addition, elastin synthe­sis and deposition is predominantly confined to foetal and early postnatal development by post-transcriptional mechanisms which mediate the decay of elastin mRNA in adults [54]. As a consequence, in humans, individual elastic fibre proteins are required to function for many years, during which time they are at risk of accumulating damage via glucose-mediated cross-linking [55,56], calcium and lipid accumulation [57-59] and the time-dependent modification of aspartic acid residues [60]. In turn these events have a profound effect on the mechanical properties of elastin-rich tissues, reduc­ing the ability of ageing arteries [61], lungs [62] and skin [37,63] to deform and recoil. Komórkowe i krztuścowi mechanizmy dotyczące kierowców elastycznej przebudowy włókien
Niezwykła trwałość białek ECM w ogóle i elastycznego systemu światłowodowego w szczególności uważa się, że wstępnie wyrzucać tych zespołów na ryzyko molekularnych starzenia się [7,9]. W przeciwieństwie do intra ¬ białek komórkowych, których okresy półtrwania są mierzone w godzinach, lub co najwyżej dni [8], wiele białek ECM ma okres połowicznego rozpadu, które są mierzone w latach (rys. 3). Na przykład typy I i II kolagenu w skórze ludzkiej i chrząstki oszacowali półtrwania 15 i 95 lat [51], podczas gdy wiek elementów sprężystych włókien jest równoznaczne z [6] lub wiele razy [52,53] wieku jednostki. Ponadto, elastyna Synthe ¬ sis i odkładanie jest głównie ogranicza się do płodu i wcześnie po urodzeniu rozwoju poprzez post-transkrypcyjne mechanizmy, które pośredniczą rozkład mRNA elastyny ​​u dorosłych [54]. W konsekwencji, u ludzi, poszczególne elastyczne proteiny włókien muszą funkcjonować przez wiele lat, podczas których są one narażone na uszkodzenia przez glukozy gromadzenia pośredniczy sieciowanie [55,56] akumulacja, wapnia i lipidów [57-59 ] oraz zależny od czasu modyfikacji reszt kwasu asparaginowego [60]. Z kolei te wydarzenia mają ogromny wpływ na właściwości mechaniczne tkanek elastyna-bogatych, zmniej ¬ ing zdolność tętnic starzenia [61], płuca [62] i skóry [37,63] do deformacji i odrzut.

Despite the apparent importance of acellular mechanisms in mediating age-related elastic fibre degradation, to date, most studies of photoageing have focused on the upregulation and activation of ECM-degrading matrix metalloproteinases (MMPs) [64,65]. Whilst MMP activity is increased in UV-exposed skin and extracellular proteases such as MMPs-2, -3, -9, -12 and -13 are cer­tainly capable of catabolising elastic fibre components [66,67], their low substrate-specificity makes them blunt instruments [68] with which to mediate the early and specific degradation of fibrillin-1 and fibulin-5 at the DEJ in photoaged skin [45,46]. As a consequence, we recently suggested that elastic fibre-associated proteins may be uniquely susceptible to direct degradation by UVR [68]. Mimo pozornego znaczenia bezkomórkowych mechanizmów mediacji wiekiem elastyczny degradacji włókien, do tej pory, większość badań fotostarzeniu koncentrowały się na aktywację i aktywacji ECM-degradujących metaloproteinaz macierzy (MMP) [64,65]. Choć aktywność MMP jest zwiększone w UV-odsłoniętej skóry i pozakomórkowych proteaz, takich jak MMP-2, -3, -9, -12 i -13 są cer ¬ tainly stanie catabolising elastyczne komponenty włókien [66,67], ich niski substrat-specyfika czyni z nich tępe narzędzia [68], z którym do mediacji wczesne i szczegółowe degradacji fibrillin-1 i fibulin-5 na Dej w photoaged skóry [45,46]. W związku z tym niedawno zasugerował, że elastyczne włókna towarzyszące białka mogą być wyjątkowo podatne na degradację przez bezpośredniego UVR [68].

Whilst the idea that UVR be may capable of directly degrad­ing ECM proteins is not new [69,70], previous studies have only succeeded in influencing collagen structure and function using UVR doses which were two to three orders of magnitude greater than the dose required to cause mild skin reddening [64]. In our 2010 study, however, we not only confirmed that type I collagen was resistant to UV-mediated structural changes (at physiologi­cally attainable doses) but crucially also demonstrated that the structures of both fibrillin-rich microfibrils and the major adhe­sive glycoprotein fibronectin were profoundly altered by exposure to such doses of UVR. We further suggested that the differential susceptibility of these ECM components (type I collagen as com­pared to fibronectin and fibrillin) to UVR was due to their differing amino acid compositions. UVB radiation is absorbed by five amino acid residues (Cys, His, Phe, Tyr and Trp) [71] which collectively

account for less than 10% of the residues in dermal fibrillar col­lagens compared with up 17% of dermal glycoproteins (including fibronectin). Crucially, with the exception of elastin, elastic fibre-associated proteins, and in particular the fibrillins and fibulins, are highly enriched in these UVB chromophores (Fig. 4). Although it remains to be determined if UVR is capable of directly inducing microfibrillar remodeling in vivo and to what extent direct expo­sure to UV-A and infra-red radiation may also mediate molecular photoageing [72], the amino acid content, longevity, location (in the papillary dermis) and architecture (loose candelabra of oxyta-lan fibres) may all combine to increase the susceptibility of these structures to direct damage by UVR with profound consequences for tissue homeostasis. Choć pomysł, że być może UVR w stanie bezpośrednio degrad ¬ ing białek ECM nie jest nowy [69,70], poprzednie badania tylko udało się wpływ struktury kolagenu i funkcji za pomocą dawki UVR które były dwa do trzech rzędów wielkości większe niż dawka wymagane powodować lekkie zaczerwienienie skóry [64]. W naszym badaniu 2010, jednak nie tylko potwierdziły, że kolagen typu I był odporny na promieniowanie UV pośredniczy zmian strukturalnych (co physiologi ¬ Cally dawkach osiągalnych), ale co najważniejsze również wykazały, że struktura obu microfibrils fibrillin bogatych i głównym podkładowy ¬ sive fibronektyny glikoproteiny były głęboko zmienione przez działanie takich dawkach UVR. Mamy dodatkowo sugeruje, że podatność różnica tych ECM komponentów ust kolagenu typu I jak com ¬ niu do fibronektyny i fibrillin) do UVR było spowodowane ich różnych aminokwasów kompozycji kwasów. Promieniowanie UVB jest pochłaniana przez pięciu reszt aminokwasowych (Cys, His, Phe, Tyr i Trp) [71], które wspólnie stanowią mniej niż 10% pozostałości w skórę Fibrillar płk ¬ lagens w porównaniu z 17% do skóry glikoprotein w tym fibronektyny). Co najważniejsze, z wyjątkiem elastyny, elastycznych włókien związanych białek, aw szczególności fibrillins i fibulins są wysoko wzbogaconego w te chromofory UVB (rys. 4). Mimo to pozostaje do ustalenia, czy UVR jest w stanie bezpośrednio wywoływania microfibrillar remodeling in vivo i do jakiego stopnia bezpośrednie expo ¬ pewny na promieniowanie UV-A i podczerwone może również pośredniczyć molekularną fotostarzeniu [72] Zawartość aminokwasów, długowieczność, lokalizacja (w brodawkowej skóry właściwej) i architektury (luzem świeczniki z oxyta-Lan włókien) mogą wszystko połączyć, aby zwiększyć wrażliwość tych struktur do bezpośrednich szkód przez UVR z głębokimi konsekwencjami dla homeostazy tkanek.

5. Functional consequences of elastic fibre remodeling

Whilst the age of onset and severity of elastic fibre remodel­ing differ between intrinsically and extrinsically aged skin, both

f Ornithine decarboxylase 0.2

Tryptophan ozygenase 2.5

Glucokinase 12.0

Glutamate dehydrogenase 24.0

Monamine oxidase 2.3

GAPDH 5.4

Pyruvate dehydrgenase 8.1

\^ Histone 18.0

Proteoglycans 11-23

Fibrillar collagen 15-95

Elastin >lifespan

Fibrillin microfibrils >lifespan

Fig. 3. Relative longevityofintracellularand extracellularproteins. Manyintracel-lular proteins undergo rapid turnover and as a consequence have no opportunityto accumulate damage during the ageing process. Even the longest lived intracellular proteins,thenuclearhistones,havehalflivesofjust18days[8].Incontrast,thelarge proteoglycan aggrecan has a halflife of11years in intervertebral disc and 23 years in articular cartilage [99], whilst type II collagen in articular cartilage has a halflife of 95 years [100]. Finally, both fibrillin microfibrils and elastin remain in the tissue for the age of the individual [6].

ageing processes are associated with the loss of tissue compli­ance and resilience and the formation ofwrinkles [2,5,37]. It seems likely, therefore, that there is a causative link between these struc­tural (elastic fibre remodeling) and functional (loss of elasticity) changes in ageing skin [73]. To date, however, in the absence of appropriate micro-mechanical methodologies [24], such relation­ships have been inferred rather than experimentallydemonstrated.

In addition to the potential mechanical consequences, aberrant remodeling of the elastic fibre system is likely to have profound cellular and biochemical effects. In particular, elastin fragments (also referred to as elastokines) appear to exert an influence on the immune system (for a review see [74]), acting on lymphocytes to induce activation, up-regulate elastase expression and promote apoptosis [75-77] and on monocytes to counter proinflammatory stimuli [78]. Whilst both elastin and fibrillin-1 peptides may also act chemotactically to recruit macrophages and monocytes into vascu­lar and pulmonary tissues respectively [79,80]. Elastin and fibrillin peptides also influence the phenotype of non-inflammatory cells with elastin peptides acting to induce the expression of membrane type 1 MMP (MT1-MMP) by vascular endothelial cells [81] and MT1-MMP and MMP-2 by dermal melanoma cells [82]. In contrast, fibrillin peptides up-regulate the expression of MMP-1 and -3 but not -2 [83]. Collectively, however, these up-regulated MMPs have the potential to degrade most major dermal ECM proteins includ­ing collagens I, III, IV, and VII, the elastic fibre proteins elastin and fibrillin-1 and DEJ components [66,67]. Funkcjonalne konsekwencje elastycznej przebudowy włókien
Choć wiek wystąpienia i nasilenia elastycznej przebudowę włókien ¬ nia różnią się wewnętrznie i zewnętrznie skóry wieku, procesy bothageing są związane z utratą tkanki powikłań ¬ ność i elastyczność oraz tworzenie ofwrinkles [2,5,37]. Wydaje się zatem, że istnieje przyczynowy związek pomiędzy tymi struk ¬ turalnych (elastyczne remodeling włókien) i funkcjonalne (utrata elastyczności) zmian starzenia się skóry [73]. Do tej pory jednak, w przypadku braku odpowiednich mikro-mechanicznych metod [24], taki stosunek ¬ statki zostały wywnioskować zamiast experimentallydemonstrated.
Oprócz potencjalnych skutków mechanicznych, aberrant przebudowa elastycznego systemu światłowodowego może mieć głębokie komórkowych i biochemicznych efektów. W szczególności fragmenty elastyny ​​(określany również jako elastokines) wydają się wywierać wpływ na układ odpornościowy (do przeglądu patrz [74]), działając na limfocytach wywołać aktywację, up-regulacji ekspresji elastazy i promować apoptozę [75-77 ] i monocytach przeciwdziałania bodźce prozapalne [78]. Chociaż zarówno elastyny ​​i fibrillin-1 peptydy mogą również działać chemotactically rekrutować makrofagów i monocytów do vascu ¬ ności i tkanki płucnej odpowiednio [79,80]. Elastyny ​​i fibrillin peptydy również wpływać na fenotyp komórek nie-zapalnych z peptydami elastyny ​​działających do indukcji ekspresji membranowej typu 1 MMP (MT1-MMP) przez komórkach śródbłonka naczyń [81] i MT1-MMP oraz MMP-2 w komórkach czerniaka skóry [82]. W przeciwieństwie do fibrillin peptydy się regulować ekspresję MMP-1 i -3, ale nie -2 [83]. Łącznie, jednak te up-regulowane MMP mają potencjał do degradacji większości głównych białek skórnych ECM TYM ¬ nia kolagen I, III, IV i VII, elastyczne włókna białka elastyny ​​i fibrillin-1 i komponenty Dej

Finally, it was recently established that fibrillin microfibrils play a key role in mediating tissue homeostasis via sequestration of TGFP. Specifically, TGFP binds intracellularly to members of the latent TGFP binding protein (LTBP) family to form a large latent complex which in turn associates extracellularly with fibrillin-rich microfibrils [84]. Using a model of Marfan syndrome, Neptune and colleagues initially demonstrated that aberrant TGFP signaling and activation in fibrillin-1 deficient mice induces developmental abnormalities in the lung which are rescued by the administra­tion of TGFP neutralizing antibodies [85]. This group later went on to demonstrate that the life-threatening cardiovascular effects of Marfan syndrome may be treated pharmaceutically by the admin­istration of losartan, an angiotensin II type 1 receptor (AT1) and TGFP antagonist [86]. Whilst the impact of skin ageing (both intrin­sic and extrinsic) on microfibril-mediated TGFP sequestration remains to be determined, with the passage of years, these assem­blies may be exposed to both cellular (MMP) and acellular (UVR)

.a a

.У "ö

Ш ⁰³

и £

"I S

"5 >>

8 S >> a

U a.

Fibrillins LOX/LOXLs Fibulins LTBPs MAGPs Elastin

Anti-adhesive (GP) Adhesive (GP)

BM (PG)

SLRPs (PG) Hyalectans (PG)

Network forming FACIT Anchoring Transmembrane Fibrillar

0

5 10 15

UV-B chromophore content (%)

25

Fig. 4. Differential distribution of UV chromophores in dermal ECM proteins. Whilst sparsely distributed in collagenous proteins, the UV-B absorbing amino acid residues Cys, His, Phe, Trp and Tyr are more commonly found in glycoproteins and proteoglycans and crucially (with the exception of elastin) are abundantly distributed throughout elastic fibre associated proteins. Specifically, the UV-B chromophore content of the constituent alpha chains are plotted for types I, III and V (fibrillar), XIII, XVII and XXIII (transmembrane), VII (anchoring),XII,XIV,XVI andXXII (FACIT) and IV, VI and VIII (network forming) collagens. Proteoglycans including aggrecan and versican (hyalectans), the basement membrane proteoglycans agrin and perlecan (BM PGs) and the small leucine rich proteoglycans fibromodulin, decorin and biglycan (SLRPs) are also found in skin as are the adhesive glycoproteins vitronectin, fibronectin, laminin-5 (сврз-у2) and laminin-6 (сврз-у2) and the anti-adhesive glycoproteins thrombospondin-1 and -2, tenascin-X and-C, SPARC and osteopontin. In addition to elastin, dermal elastic fibres may contain the microfibril associated glycorpteins-1 and 2 (MAGPs), the latent transforming growth factor p binding proteins-1 and -2 (LTBPs), the fibulins-1, -2 and -5, the lysyl oxidase (LOX) and lysyl oxidase-like-1, -2 and -3 (LOXL) enzymes and fibrillin-1, -2 and -3.

degradative mechanisms which are capable of profoundly influenc­ing their supra-molecular architecture in vitro [66,68]. Evidence for the involvement of abnormal microfibril morphologies in patho­logical tissue remodeling is provided by the loss of elasticity which characterizes the tight skin mouse model of scleroderma and by the prematurely aged appearance which is a feature of neonatal Mar­fan syndrome [87,88]. As our preliminary studies also suggest that loss of microfibril tensile strength is a feature of intrinsically aged skin [89], it appears therefore, that abnormal microfibril structure may either cause or be a consequence of aberrant ECM remodeling in ageing skin.

ing this elastic fibre component a useful biomarker of skin repair [96]. This system has now been used to assess the potential for repair of over-the-counter cosmetic products [90,97,98]. However, whilst the deposition of fibrillin in the dermal matrix following the application of both retionoids and over-the-counter cosmetic prod­ucts is promising, it is still unclear whether the resultant newly formed fibrillin-rich microfibrils are structurally and functionally analogous to those that they seek to replenish. Finally, the effects of systemic treatments, such as the TGFP antagonist losartan [86], on the structure and function of the ageing elastic fibre system remain to be determined.

Wreszcie niedawno ustalono, że microfibrils fibrillin odgrywają kluczową rolę w mediacji homeostazy tkanek przez sekwestracji TGFP. Konkretnie TGFP wiąże wewnątrzkomórkowej do członków utajonego wiążącego TGFP białka ust LTBP) rodziny, tworząc duży kompleks ukrytego który w jednostkach stowarzyszonych kolei zewnątrzkomórkowo z microfibrils fibrillin bogatych [84]. Korzystanie z zespołem Marfana model, Neptun i wsp. wykazano, że początkowo zdrowemu rozsądkowi sygnalizacja TGFP i aktywacja w fibrillin-1 u myszy z niedoborem wywołuje nieprawidłowości rozwojowych w płucach, które są wspomagane przez nia ¬ administracji z TGFP przeciwciał neutralizujących [85]. Ta grupa później udał się do wykazania, że ​​zagrażające życiu działanie na układ krążenia zespołu Marfana mogą być traktowane farmaceutycznie przez admin ¬ dzania losartanu, inhibitory receptora typu II 1 (AT1) i antagonistą TGFP [86]. Choć wpływ starzenia się skóry ust zarówno intrin ¬ sic i zewnętrznych) na mikrofibryl pośredniczy sekwestracji TGFP pozostaje do ustalenia, z upływem lat te Zgroma blies ¬ mogą być narażone zarówno komórkowej (MMP) i bezkomórkowej (UVR) rozkładających mechanizmy, które są w stanie głęboko influenc ¬ Ing. ich supra-molekularnej architektura in vitro [66,68]. Dowodem na zaangażowanie nieprawidłowych cech morfologicznych mikrofibryl w pato ¬ logicznych przebudowy tkanki jest utratą elastyczności, jaką odznacza się mocno mysim modelu skóry w twardzinie i przedwcześnie w wieku wygląd, który jest cechą noworodkowego zespołu ¬ Mar wentylatora [87,88 ]. Ponieważ nasze wstępne badania sugerują również, że utrata siły mikrofibryl rozciąganie jest cechą nieodłącznie wieku skóry [89], wydaje się zatem, że zaburzenia struktury mikrofibryl mogą albo spowodować lub być następstwem nieprawidłowej przebudowie ECM w starzejącej się skórze.
inż tej elastycznej składnik błonnika użyteczny biomarker naprawy skóry [96]. System ten został wykorzystany do oceny potencjału naprawy over-the-counter produktów kosmetycznych [90,97,98]. Jednakże, podczas osadzania się fibrillin w matrycy skóry po zastosowaniu obu retionoids i over-the-counter kosmetyczne pro ¬ duktów obiecuje, że nadal nie wiadomo, czy powstały niedawno powstały fibrillin bogate microfibrils są strukturalnie i funkcjonalnie analogiczne do tych że starają się uzupełniać. Wreszcie, efekty zabiegów ogólnoustrojowych, takich jak losartan TGFP antagonisty [86], struktury i funkcji starzejącej systemu elastycznego włókna pozostają do ustalenia.

6. Reversing age-related changes in the dermal elastic fibre

system

The clinical treatment of choice, or 'gold standard', to benefit both intrinsically aged and photoaged skin is the topical applica­tion of a class of molecules, the retinoids, which are derivatives of vitamin A [90,91].Their positive effects on UV-damaged, photoaged skin are well characterised and influence both the collagenous and elastic dermal matrices. Clinically, the skin appears 'rejuvenated', with significant reductions in the appearance of fine lines and wrin­kles [92]. This is in part explained by the induction and deposition of newly synthesised collagens I and III [93,94] coupled with a significant increase in the number of anchoring fibrils [95]. More recent work has identified that retinoids can also induce deposi­tion of fibrillin-rich microfibrils in the upmost papillary dermis, adjacent to the DEJ [96], so potentially re-establishing a physical link between superficial skin layers and mature elastic fibres in the deep dermis. In an in vivo system, we have shown that induction of fibrillin-1 expression occurs prior to that of the collagens, so mak- Cofania związane z wiekiem zmiany w skórę włókna elastycznego
system
Klinicznego leczenia z wyboru, czy też "złoty standard", aby przynieść korzyści zarówno wewnętrznie wieku i photoaged skóra jest miejscowo Zgłoszenie ¬ nia klasy cząsteczek, retinoidów, które są pochodnymi witaminy A [90,91]. Ich pozytywne efekty na promieniowanie UV uszkodzonej skóry photoaged są dobrze scharakteryzowane i wpływać zarówno kolagenowe i elastyczne matryce skórnych. Klinicznie skóra wygląda "odmłodzona", ze znamiennym zmniejszeniem w wyglądzie drobne linie i wrin ¬ kles [92]. Jest to częściowo wyjaśnione przez indukcję i depozycji nowo syntetyzowanych kolagenu I i III [93,94] w połączeniu ze znacznym wzrostem liczby włókien mocujących [95]. Ostatnie prace stwierdziła, że ​​retinoidy może również wywoływać odkładania ¬ nia fibrillin bogatych microfibrils w upmost skóry brodawczaka, przylegających do Dej [96], a więc potencjalnie przywrócenia fizyczny związek między powierzchownych warstw skóry i dojrzałych włókien elastycznych w głęboko skóry. W w układzie in vivo, wykazaliśmy, że indukcja fibrillin-1 wyraz występuje przed że z kolagenu, więc mak-
ustalona.

7. Conclusions

Remodeling of the ECM, and in particular the elastic fibre sys­tem, is a key feature of both intrinsic and extrinsic skin ageing. Whilst diverse mechanisms, including the action of cell derived proteases, calcification and glucose-mediated cross-linking have all been implicated as mediators of elastic fibre remodeling we have recently demonstrated that a key elastic fibre component, the fibrillin microfibril, may be degraded by direct exposure to UV radiation (Fig. 5). Crucially, in common with the fibrillins many elas­tic fibre associated proteins are cysteine-rich and hence may be particularly sensitive to UV-mediated damaged. The results of this damage may impact not only on the mechanical but also the bio­chemical function of the tissue by activating lymphocytes, inducing the expression of proteases and profoundly influencing TGFP sig­naling. Despite the apparent sensitivity of the elastic fibre system to accumulating age-related damage, treatment of aged skin with both clinically prescribed retinoids and over the counter cosmetic products can repair the histological distribution of the elastic fibre network, although it remains to be determined if newly deposited microfibrils are fully functional.

wnioski
Przebudowę macierzy zewnątrzkomórkowej, aw szczególności elastyczne włókno sys ¬ tem, jest kluczowym elementem zarówno wewnętrznych i zewnętrznych starzenia się skóry. Mimo różnorodnych mechanizmów, w tym działania komórek pochodzących proteazy, zwapnienia i glukozy-mediated sieciowania wszystkie zostały zaangażowane jako mediatorów elastycznej przebudowy włókien mamy ostatnio wykazano, że kluczowym elementem włókna sprężyste, fibrillin mikrofibryl, może ulec pogorszeniu na skutek bezpośredniego ekspozycja na promieniowanie UV (rys. 5). Co najważniejsze, wspólne z fibrillins ELAS wielu ¬ tic włókien związane białka są bogate w cysteinę, a tym samym mogą być szczególnie wrażliwe na uszkodzenia UV-zależne. Wyniki tego uszkodzenia mogą mieć wpływ nie tylko na mechanicznym, ale również bio ¬ chemiczny funkcją tkanki przez aktywację limfocytów, powodując ekspresji proteaz i głęboko wpływa TGFP sig ¬ naling. Pomimo pozornej wrażliwości elastycznego systemu światłowodowego do gromadzenia wiekiem uszkodzeń, leczenie starszej skóry zarówno z klinicznie określonych retinoidów i ponad licznik produktów kosmetycznych można naprawić histologicznego dystrybucję elastycznej sieci światłowodowej, choć pozostaje do ustalenia, czy nowo zdeponowane microfibrils są w pełni funkcjonalne.

Contributors

All authors contributed to the writing of the manuscript and have seen and approved the final version.

Competing interests

ECN is a Ph.D. student funded by an Alliance Boots programme grant awarded (in part) to REBW and MJS. Alliance Boots have approved submission of the manuscript but have exerted no edito­rial control over the contents.

Provenance and peer review

Commissioned and externally peer reviewed. Acknowledgments

This work was supported in part by a programme grant from Alliance Boots, Nottingham, UK. MJS is a Research into Ageing senior research Fellow.

Dostawcy
Wszyscy autorzy przyczyniły się do pisania manuskryptu i nie widziałem i zatwierdziła ostateczną wersję.

konkurencyjnymi interesami
ECN jest dr Student finansowane przez Alliance Boots programu przyznanego dofinansowania (w części) do REBW i mjs. Alliance Boots zatwierdziły złożenia rękopisu ale wywarły żadnego Edito ¬ rial kontrolę nad treścią.

Pochodzenie i wzajemnej weryfikacji
Na zlecenie i na zewnątrz zweryfikowane. podziękowanie
Ta praca została wsparta częściowo z grantu programu z Alliance Boots, Nottingham, UK. MJS jest Badania nad starzejącym się starszy pracownik naukowy.

References

[1] Yaar M, Gilchrest BA. Photoageing: mechanism, prevention and therapy. Br J

Dermatol 2007;157(November(5)):874-87. [2] Langton AK, Sherratt MJ, Griffiths CEM, Watson REB. Review article: a new

wrinkle on old skin: the role of elastic fibres in skin ageing. Int J Cosmet Sci

2010;32(5):330-9.

[3] Montagna W, Kirchner S, Carlisle K. Histology ofsun-damaged human-skin. J

Am Acad Dermatol 1989;21(November(5)):907-18. [4] Warren R, Gartstein V, Kligman AM, Montagna W, Allendorf RA, Ridder GM.

Age, sunlight, and facial skin: a histologic and quantitative study. J Am Acad

Dermatol 1991;25(November(5 Pt 1)):751-60. [5] Agache PG, Monneur C, Leveque JL, Derigal J. Mechanical-properties

and youngs modulus of human-skin in vivo. Arch Dermatol Res

1980;269(3):221-32. [6] Shapiro SD, Endicott SK, Province MA, Pierce JA, Campbell EJ. Marked

longevity of human lung parenchymal elastic fibers deduced from preva­lence of D-aspartate and nuclear weapons-related radiocarbon. J Clin Invest

1991;87(May(5)):1828-34.

[7] Ritz-Timme S, Laumeier I, Collins MJ. Asparticacid racemization: evidence for marked longevity of elastin in human skin. BrJ Dermatol 2003;149(November

(5)):951-9.

[8] Jennissen HP. Ubiquitin and the enigma of intracellular protein-degradation.

EurJ Biochem 1995;231(July (1)):1-30. [9] Bailey AJ. Molecular mechanisms of ageing in connective tissues. Mech Ageing

Dev 2001;122(May (7)):735-55. [10] Robert L, Robert AM, Fulop T. Rapid increase in human life expectancy:

will it soon be limited by the aging of elastin? Biogerontology 2008;9(April

(2)):119-33.

[11] Gosline J, Lillie M, Carrington E, Guerette P, Ortlepp C, Savage K Elastic proteins: biological roles and mechanical properties. Philos Trans: Biol Sci

2002;357(1418):121-32.

[12] Heim AJ, Matthews WG, Koob TJ. Determination of the elastic modulus of native collagen fibrils via radial indentation. Appl Phys Lett 2006;89(October

(18)):3.

[13] El-Domyati M, Attia S, Saleh F, et al. Intrinsic aging vs. photoaging: a com­parative histopathological, immunohistochemical, and ultrastructural study of skin. Exp Dermatol 2002;11(October(5)):398-405.

[14] Clark JI. Fourier and power law analysis of structural complexity in cornea and lens. Micron 2001;32(April (3)):239-49.

[15] Graham HK, Hodson NW, Hoyland JA, et al. Tissue section AFM: in situ ultrastructural imaging of native biomolecules. Matrix Biol 2010;29(May

(4)):254-60.

[16] Keene DR, Sakai LY, Lunstrum GP, Morris NP, Burgeson RE. Type-VII collagen forms an extended network of anchoring fibrils. J Cell Biol 1987;104(March

(3)):611-21.

[17] Christiano AM, Anhalt G, Gibbons S, Bauer EA, UittoJ. Premature termiantion codons in the type-VII collagen gene (COL7A1) underlie severe, muti­lating recessive dystrophic epidermolysis-bullosa. Genomics 1994;21(May

(1)):160-8.

[18] Fleischmajer R, Utani A, MacDonald ED, et al. Initiation of skin basement membrane formation at the epidermo-dermal interface involves assemblyof laminins through binding to cell membrane receptors. J Cell Sci 1998;111(july (14)):1929-40.

[19] Baldock C, Sherratt MJ, Shuttleworth CA, Kielty CM. The supramolecular orga­nization of collagen VI microfibrils. J Mol Biol 2003;330Quly (2)):297-307.

[20] Scacheri PC, Gillanders EM, Subramony SH, et al. Novel mutations in colla­gen VI genes - Expansion of the Bethlem myopathy phenotype. Neurology 2002;58(Feburary (4)):593-602.

[21] Vanegas OC, Bertini E, Zhang RZ, et al. Ullrich scleroatonic musculardystrophy is caused by recessive mutations in collagen type VI. Proc Natl Acad Sci U S A 2001;98(|une (13)):7516-21.

[22] Doubal S, Klemera P. Visco-elastic response of human skin and aging. J Am Aging Assoc 2002;25(July (3)):115-7.

[23] Diridollou S, Berson M, Vabre V, et al. An in vivo method for measuring the mechanical properties of the skin using ultrasound. Ultrasound Med Biol 1998;24(February (2)):215-24.

[24] Akhtar R, Sherratt MJ, Cruickshank JK, Derby B. Characterizing the elastic properties oftissues. MaterToday 2011;14(March (3)):96-105.

[25] Aaron BB, Gosline JM. Elastin as a random-network elastomer: a mechanical and optical analysis of single elastin fibers. Biopolymers 1981;20(6):1247-60.

[26] Kielty CM, Sherratt MJ, Shuttleworth CA. Elastic fibres. J Cell Sci 2002;115Quly

(14)):2817-28.

[27] Sherratt MJ. Tissue elasticity and the ageing elastic fibre. Age 2009;31(Decem-

ber (4)):305-25.

[28] Ramirez F, Carta L, Lee-Arteaga S, Liu C, Nistala H, Smaldone S. Fibrillin-rich microfibrils - structural and instructive determinants of mammalian devel­opment and physiology. Connect Tissue Res 2008;49(1):1-6.

[29] Cotta-Periera G, Guerro Rodriguez F, Bittencourt-Sampaio S. Oxytalan, elaunin and elastic firbes in human skin. J Invest Dermatol 1978;66:143-8.

[30] Dahlback K Ljungquist A, Lofberg H, Dahlback B, Engvall E, Sakai LY. Fib­rillin immunoreactive fibers constitute a unique network in the human dermis: Immunohistochemical comparison of the distributions of fibrillin, vitronectin, amyloid P component, and orcein stainable structures in normal skin and elastosis.J Invest Dermatol 1990;94(3):284-91.

[31] Rock MJ, Cain SA, Freeman LJ, et al. Molecular basis of elastic fiber formation - critical interactions and a tropoelastin-fibrillin-1 cross-link. J Biol Chem

2004;279(May(22)):23748-58.

[32] Notbohm H, Nokelainen M, Myllyharju J, Fietzek PP, Muller PK, Kivirikko KI. Recombinant human type II collagens with low and high levels ofhydroxyly-sine and its glycosylated forms show marked differences in fibrillogenesis in vitro. J Biol Chem 1999;274(March (13)):8988-92.

[33] Danielson KG, Baribault H, Holmes DF, Graham H, Kadler KE, lozzo RV. Tar­geted disruption of decorin leads to abnormal collagen fibril morphology and skin fragility. J Cell Biol 1997;136(February (3)):729-43.

[34] Graham HK, Holmes DF, Watson RB, Kadler KE. Identification of collagen fibril fusion during vertebrate tendon morphogenesis. The process relies on unipo­lar fibrils and is regulated by collagen-proteoglycan interaction. J Mol Biol 2000;295Qanuary (4)):891-902.

[35] Waller JM, Maibach Hl. Age and skin structure and function, a quantitative approach (ll): protein, glycosaminoglycan, water, and lipid content and struc­ture. Skin Res Technol 2006;12(August (3)):145-54.

[36] Warren R, Gartstein V, Kligman AM, Montagna W, Allendorf RA, Ridder GM. Age, sunlight, and facial skin -ahistologic and quantitative study. J Am Acad Dermatol 1991;25(November(5)):751-60.

[37] Escoffier C, de Rigal J, Rochefort A, Vasselet R, Leveque JL, Agache PG. Age-related mechanical properties of human skin: an in vivo study. J lnvest Dermatol 1989;93(September(3)):353-7.

[38] Gilchrest BA. A review of skin ageing and its medical therapy. Br J Dermatol 1996;135(December(6)):867-75.

[39] Robert C, Lesty C, Robert AM. Aging of the skin - study of elastic fiber network modifications by computerized image-analysis. Gerontology 1988;34(September-December(5-6)):291-6.

[40] Ghersetich l, Lotti T, Campanile G, Grappone C, Dini G. Hyaluronic-acid in cutaneous intrinsic aging. lnt JDermatol 1994;33(Feburary(2)):119-22.

[41] Timar F, Soos G, Szende B, Horvath A. Interdigitation index - a parameter for differentiating between young and older skin specimens. Skin Res Technol 2000;6(Feburary (1)):17-20.

[42] Talwar HS, Griffiths CEM, Fisher GJ, Hamilton TA, Voorhees JJ. Reduced type-l and type-lll procollagens in photodamaged adult human skin. J lnvest Der­matol 1995;105(August (2)):285-90.

[43] Craven NM, Watson REB, Jones CJP, Shuttleworth CA, Kielty CM, Griffiths CEM. Clinical features of photodamaged human skinare associated with a reduction in collagen Vll. BrJ Dermatol 1997;137(September (3)):344-50.

[44] Bernstein EF, Underhill CB, Hahn PJ, Brown DB, Uitto J. Chronic sun exposure alters both the content and distribution of dermal glycosaminoglycans. Br J Dermatol 1996;135(August (2)):255-62.

[45] Watson REB, Griffiths CEM, Craven NM, Shuttleworth CA, Kielty CM. Fibrillin-rich microfibrils are reduced in photoaged skin. Distribution at the dermal-epidermal junction. J lnvest Dermatol 1999;112(May (5)):782-7.

[46] Kadoya K, Sasaki T, Kostka G, et al. Fibulin-5 deposition in human skin: decrease with ageing and ultraviolet B exposure and increase in solar elasto-sis. BrJ Dermatol 2005;153(September (3)):607-12.

[47] Mitchell RE. Chronic solar dermatosis - a light and electron microscopic study of dermis. J lnvest Dermatol 1967;48(March (3)):203.

[48] Bernstein EF, Chen YQ, Tamai K, et al. Enhanced elastin and fibrillin gene-expression in chronically photodamaged skin. J lnvest Dermatol 1994;103(August (2)):182-6.

[49] Karonen T, Jeskanen L, KeskiOja J. Transforming growth factor beta 1 and its

latent form binding protein-1 associate with elastic fibres in human dermis:

accumulation in actinic damage and absence in anetoderma. Br J Dermatol

1997;137(July(1)):51-8. [50] Hunzelmann N, Nischt R, Brenneisen P, Eickert A, Krieg T. Increased deposition

of fibulin-2 in solar elastosis and its colocalization with elastic fibres. Br J

Dermatol 2001;145(August (2)):217-22. [51] Verzijl N, DeGroot J, Thorpe SR, et al. Effect of collagen turnover on

the accumulation of advanced glycation end products. J Biol Chem

2000;275(December(50)):39027-31. [52] Davis EC. Stability of elastin in the developing mouse aorta: a quantitative

radioautographic study. Histochemistry 1993;100(July (1)):17-26. [53] Rucker RB, Tinker D. Structure and metabolism of arterial elastin. Int Rev Exp

Pathol 1977;17:1-47.

[54] Zhang MC, Pierce RA, Wachi H, Mecham RP, Parks WC. An open read­ing frame element mediates posttranscriptional regulation of tropoelastin and responsiveness to transforming growth factor beta 1. Mol Cell Biol 1999;19(November (11)):7314-26.

[55] Stamatas GN, Estanislao RB, Suero M, et al. Facial skin fluorescence as a marker of the skin s response to chronic environmental insults and its dependence on age. Br J Dermatol 2006;154(January (1)):125-32.

[56] Konova E, Baydanoff S, Atanasova M, Velkova A. Age-related changes in the glycation of human aortic elastin. Exp Gerontol 2004;39(Feburary

(2)):249-54.

[57] Elliott RJ, McGrath LT. Calcification of the human thoracic aorta during aging. Calcif Tissue Int 1994;54(April (4)):268-73.

[58] Bestetti-bosisio M, Cotelli F, Schiaffino E, SorgatoG, Schmid C. Lung calcifica­tion in long-term dialyzed patients - a light and electronmicroscopic study. Histopathology 1984;8(January (1)):69-79.

[59] Jacotot B, Beaumont JL, Monnier G, Szigeti M, Robert L, Robert B. Role of elastic tissue in cholesterol depostion in arterial-wall. Nutr Metabol

1973;15(1-2):46-58.

[60] Ritz-Timme S, Collins MJ. Racemization of aspartic acid in human proteins. Ageing Res Rev 2002;1(Feburary (1)):43-59.

[61] Bruel A, Oxlund H. Changes in biomechanical properties, composition of col­lagen and elastin, and advanced glycation endproducts of the rat aorta in relation to age. Arteriosclerosis 1996;127(December (2)):155-65.

[62] Lai-Fook SJ, Hyatt RE. Effects of age on elastic moduli of human lungs. J Appl Physiol 2000;89(July (1)):163-8.

[63] Smalls LK, Wickett RR, Visscher MO. Effect of dermal thickness, tissue com­position, and body site on skin biomechanical properties. Skin Res Technol 2006;12(February(1)):43-9.

[64] Fisher GJ, Datta SC, Talwar HS, et al. Molecular basis of sun-induced pre­mature skin ageing and retinoid antagonism. Nature 1996;379(January

(6563)):335-9.

[65] Saarialho-Kere U, Kerkela E, Jeskanen L, et al. Accumulation of matrilysin (MMP-7) and macrophage metalloelastase (MMP-12) in actinic damage. J Invest Dermatol 1999;113(October(4)):664-72.

[66] Ashworth JL, Murphy G, Rock MJ, et al. Fibrillin degradation by matrix met-alloproteinases: implications for connective tissue remodelling. Biochem J

1999;340(May(1)):171-81. [67] Chakraborti S, Mandal M, Das S, Mandal A, Chakraborti T. Regulation of

matrix metalloproteinases: an overview. Mol Cell Biochem 2003;253(Novem-

ber (1-2)):269-85.

[68] Sherratt MJ, Bayley CP, Reilly SM, Gibbs NK, Griffiths CEM, Watson REB. Low-dose ultraviolet radiation selectively degrades chromophore-rich extra­cellular matrix components. J Pathol 2010;222(September(1)):32-40.

[69] Cooper DR, Davidson RJ. Effect of ultraviolet irradiation on soluble collagen.

Biochem J1965;97(1):139-47.

[70] Menter JM, Cornelison LM, Cannick L, et al. Effect of UV on the susceptibility of acid-soluble Skh-1 hairless mouse collagen to collagenase. Photodermatol Photoimmunol Photomed 2003;19(Feburary (1)):28-34.

[71] Du H, Fuh RCA, Li JZ, Corkan LA, LindseyJS. PhotochemCAD: a computer-aided design and research tool in photochemistry. Photochem Photobiol

1998;68(August (2)):141-2.

[72] Kim HH, Lee MJ, Lee SR, etal. Augmentation ofUV-induced skin wrinklingby infrared irradiation in hairless mice. Mech Ageing Dev 2005;126(November

(11)):1170-7.

[73] Lee JY, Kim YK, Seo JY, et al. Loss of elastic fibers causes skin wrinkles in sun-damaged human skin. J Dermatol Sci 2008;50(May (2)):99-107.

[74] Adair-Kirk TL, Senior RM. Fragments of extracellular matrix as mediators of inflammation. Int J Biochem Cell Biol 2008;40(6-7):1101-10.

[75] Debret R, Antonicelli F, Theill A, et al. Elastin-derived peptides induce a T-Helper type 1 polarization ofhuman blood lymphocytes. ArteriosclerThromb

Vasc Biol 2005;25(July(7)):1353-8.

[76] Peterszegi G, Texier S, Robert L. Cell death byoverload ofthe elastin-laminin receptor on human activated lymphocytes: protection by lactose and meli-biose. Eur J Clin Invest 1999;29(February (2)):166-72.

[77] Peterszegi G, Mandet C, Texier S, Robert L, Bruneval P. Lymphocytes in human atherosclerotic plaque exhibit the elastin-laminin receptor: potential role in atherogenesis. Arteriosclerosis 1997;135(November(1)):103-7.

[78] Baranek T, Debret R, Antonicelli F, et al. Elastin receptor (Spliced galactosi-dase) occupancy by elastin peptides counteracts proinflammatory cytokine expression in lipopolysaccharide-stimulated NF-kappa B down-regulation. J Immunol 2007;179(November (9)):6184-92.

[79] Guo G, Booms P, Halushka M, et al. Induction of macrophage chemotaxis by aortic extracts of the mgR Marfan mouse model and a GxxPG-containing fibrillin-1 fragment. Circulation 2006;114(October(17)):1855-62.

[80] Houghton AM, Quintero PA, Perkins DL, et al. Elastin fragments drive disease progression in a murine model of emphysema. J Clin Invest 2006;116(March

(3)):753-9.

[81] Fahem A, Robinet A, Cauchard JH, et al. Elastokine-mediated up-regulation of MT1-MMP is triggered by nitric oxide in endothelial cells. Int J Biochem Cell

Biol 2008;40(8):1581-96.

[82] Ntayi C, Labrousse AL, Debret R, et al. Elastin-derived peptides upregu-late matrix metalloproteinase-2-mediated melanoma cell invasion through elastin-binding protein. J Invest Dermatol 2004;122(February (2)):256-

65.

[83] Booms P, Pregla R, Ney A, et al. RGD-containing fibrillin-1 fragments upreg-ulate matrix metalloproteinase expression in cell culture: a potential factor in the pathogenesis ofthe Marfan syndrome. Hum Genet 2005;116(January

(1-2)):51-61.

[84] Isogai Z, Ono RN, Ushiro S, et al. Latent transforming growth factor beta-binding protein 1 interacts with fibrillin and is a microfibril-associated protein.J Biol Chem 2003;278(4):2750-7.

[85] Neptune ER, Frischmeyer PA, Arking DE, et al. Dysregulation of TGF-beta activation contributes to pathogenesis in Marfan syndrome. Nat Genet 2003;33(March (3)):407-11.

[86] Habashi JP, Judge DP, Holm TM, et al. Losartan, an AT1 antagonist, pre­vents aortic aneurysm in a mouse model of Marfan syndrome. Science 2006;312(April(5770)):117-21.

[87] KieltyCM,RaghunathM,SiracusaLD,etal.TheTightskinmouse: Demonstra­tion of mutant fibrillin-1 production and assembly into abnormal microfibrils. J Cell Biol 1998;140(5):1159-66.

[88] ter Heide H, Stumpel C, Pals G, Delhaas T. Neonatal Marfan syndrome: clinical report and review ofthe literature. Clin Dysmorphol 2005;14(April (2)):81-

4.

[89] Sherratt MJ, Bastrilles JY, Bowden JJ, Watson REB, Griffiths CEM. Age-related deterioration in the mechanical function of human dermal fibrillin microfib­rils. Br J Dermatol 2006;155(July (1)):240-1.

[90] Weiss JS, Ellis CN, Headington JT, Tincoff T, Hamilton TA, Voorhees JJ. Topical tretinoin improves photoaged skin - a double-blind vehicle-controlled study. J Am Med Assoc 1988;259(January (4)):527-32.

[91] Kafi R, Kwak HSR, Schumacher WE, et al. Improvement of naturally aged skin with vitamin A (retinol). Arch Dermatol 2007;143(May (5)):606-12.

[92] Kligman AM, Leyden JJ. Treatment of photoaged skin with topical tretinoin. Skin Pharmacol 1993;6:78-82.

[93] Griffiths CEM, Russman AN, MajmudarG, Singer RS, Hamilton TA, Voorhees JJ. Restoratrion of collagen formation in photodamaged human skin by tretinoin (retinoic acid). N Engl J Med 1993;329(August (8)):530-5.

[94] Fisher GJ, Esmann J, Griffiths CEM, et al. Cellular, immunological and biochemcial-characterization of topical retinoic acid-treated human skin. J Invest Dermatol 1991;96(May (5)):699-707.

[95] Woodley DT, Zelickson AS, Briggaman RA, et al. Treatment ofphotoaged skin with topical tretinoin increases epidermal-dermal anchoring fibrils - a pre­liminary report. J Am Med Assoc 1990;263(June (22)):3057-9.

[96] Watson REB, Craven NM, Kang SW, Jones CJP, Kielty CM, Griffiths CEM. A short-term screening protocol, using fibrillin-1 as a reporter molecule, for photoaging repair agents. J Invest Dermatol 2001;116(May (5)):672-8.

[97] Farwick M, Watson REB, Rawlings AV, et al. Salicyloyl-phytosphingosine: A novel agent forthe repairof photoaged skin. IntJCosmet Sci 2007;29:319-29.

[98] Watson REB, Ogden S, Cotterell LF, et al. A cosmetic 'anti-ageing' product improves photoaged skin: a double-blind, randomized controlled trial. Br J Dermatol 2009;161(August (2)):419-26.

[99] Sivan SS, Tsitron E, Wachtel E, et al. Aggrecan turnover in human interver­tebral disc as determined by the racemization of aspartic acid. J Biol Chem 2006;281(May (19)):13009-14. [100] Verzijl N, DeGroot J, Oldehinkel E, et al. Age-related accumulation of Mail­lard reaction products in human articular cartilage collagen. Biochem J

2000;350(September):381-7.

E.C. Naylor et al./ Maturitas 69 (2011) 249-256

E.C. Naylor et al./ Maturitas 69 (2011) 249-256

Hours

Intra­cellular

Days

ECM

Years

Fig. 1. Cellular and extracellular components of young skin. In mammalian skin, the avascular epidermis is supported by a vascularised and ECM-rich dermis which in turn, is composed of structurally distinct papillary and reticular layers. The cellular population of skin is concentrated in the epidermis where keratinocytes are secured by hemidesmosomes to a specialised basement membrane: the dermal-epidermal junction (DEJ). In the dermis, sparsely distributed fibroblasts are predominantly responsible for synthesizing an ECM which is composed of collagens, elastic fibre associated proteins and proteoglycans. The fibrillar collagens (I and III) whilst widely distributed throughout young dermis are particularly abundant in the papillary and deep reticular dermis. In contrast, the distribution of collagen VII is confined to anchoring fibrils located at the DEJ. The elastic fibre system also adopts a characteristic, highly ordered, architecture in which perpendicularly oriented fibrillin microfibrils at the DEJ merge with large diameter elastin-rich elastic fibres in the reticular dermis. Finally, the skin is hydrated primarily by oligosaccharides and proteoglycans such as hyaluronic acid (hexamers), and chondroitin sulphate glycosaminoglycan side chains (lines) which are distributed throughout the dermis.

Fig. 2. ECM remodeling in intrinsically and extrinsically aged skin. Dermal collagens, elastic fibres and glycosaminoglycans (visualised with picrosirrius red, Millers elastin and periodic acid staining respectively) all undergo significant, yet differential, remodeling in photoprotected and photoexposed aged skin (young: 23 year old upper inner arm, old photoprotected: 75 year old buttock, old photoexposed: 75 year old forearm). Specifically, whilst atrophy of dermal collagens (particularly in the reticular dermis) is evident in intrinsically aged skin, extrinsically aged skin is characterised both by a profound reduction in fibrillar collagen staining and by the specific loss of collagen VII from the DEJ. The elastic fibre system also undergoes atrophy in intrinsically aged skin as fibrillin-rich microfibrils, which form oxytalan fibres at the DEJ, are selectively degraded. In contrast, the late stages of photoageing are characterised by the accumulation of disorganised elastic fibre proteins throughout the dermis, in a process termed solar elastosis. Similarly, glycosaminoglycans which are lost in intrinsically aged skin accumulate in apparently disorganised aggregates in extrinsically aged skin.

M •• •••■•••••• • •• •• • •• ••• ••• •• M•• •M•• • *

20

Fig. 5. Potential mechanisms of skin ageing. Skin is subject to both an intrinsic ageing process (due to the passage of time-left hand panel) and to an extrinsic ageing processes (principally as a result of exposure to ultraviolet radiation [UVR]-right hand panel). Mitochondrial DNA damage, increased ROS production and telomere shortening are thought to play a role in the intrinsic ageing process where an accumulation of senescent cells not only proves incapable of proliferation but exhibits an altered synthetic phenotype and hence may play a role in pathologically remodeling the ECM. In contrast, the mechanisms leading to photoageing of skin are caused mainly by the repetitive adsorption of UVR which can upregulate the expression of ECM proteases via AP-1 signaling. In addition, UVR can directly damage cutaneous biomolecules which are rich in chromophores and may induce the production of ROS which in turn can act on both cells and matrix components to mediate further turnover.

5

5

---