Физиологические аспекты кожного покрова человека как проявление адаптации под влиянием различных факторов

Введение. Современный мультидисцип-линарный подход в исследовании кожного покрова позволил выявить достаточно широкий спектр его важных функций, определяющий не только локальные реакции, но и участие в системном реагировании в процессе жизнедеятельности человека. Общеизвестна защитная роль кожи как интерфейса между окружающей средой и телом человека, обеспечивающей предохранение от неконтролируемого испарения и потери воды [7]. Трансэпидермальная потеря воды и средняя температура кожи очень чувствительны к климатическим особенностям и температуре окружающей сре- ды [17]. Кожа является защитным барьером от проникновения инфекции, имеет водно-липидную мантию. В диссипации энергии ударов тела и конечностей участвуют сетчатый слой и гиподерма. Кожный покров – один из органов иммунологической защиты организма человека [2]. В коже как защитном барьере представлены все типы клеток, способные осуществлять широкий спектр иммунных реакций. Отмечается участие в барьерной функции как первой линии защиты рогового слоя эпителия кожи [18].

При изучении invivo рядом авторов установлена важная взаимосвязь механических свойств кожи и водопроницаемости эпидермиса в сохранении ее барьерной функции [14]. После физической нагрузки у спортсменов увеличивается рН поверхности и содержание липидов в поверхностных слоях кожи, наблюдается гипергидратация рогового слоя эпидермиса [10]. Сообщается о распространении метициллин-устойчивых штаммов золотистого стафилококка у спортсменов различных видов спорта [12, 15, 16]. Этот вид инфекции опасен своей высокой контагиоз-ностью и приводит к высокой заболеваемости у спортсменов. Частота заболеваемости указанной инфекцией у борцов в США за период 2016–2017 гг. была наиболее высокой и достигала 100,0 на 10 000 [3].

Экстремальные климатические условия негативно влияют на кожу [5]. Низкие влажность и температуры ведут к снижению ее барьерной функции и повышению риска повреждений и обморожений. Кожный покров обладает эволюционно сложившимися биомеханическими упруго-эластическими свойствами. Известно, что биомеханические свойства кожи различаются у людей разного возраста, этнической и гендерной принадлежности, зависят от топографических особенностей, отличаются у здоровых и страдающих некоторыми видами патологии людей [4].

Ряд исследователей предлагают рассматривать кожный покров как единую иерархически устроенную многослойную систему – композицию из различных слоев, механическое и структурное взаимодействие между которыми по мере старения становится неустойчивым [8, 9]. В результате инволютивных структурных изменений упруго-эластические свойства кожи снижаются, что визуально выражается в появлении морщин. Актуальным остается изучение реактивности кожи различных участков человека на механические воздействия – растяжение, давление и сжатие. Наиболее частой проблемой в практической медицине является оценка способности кожи к растяжению, т. е. ее пластических возможностей, и профилактика пролежней при некоторых заболеваниях. Удаление патологически измененных образований (опухолей), некротизированных участков у травматологических больных, проведение пластических операций в косметологии предполагают прогнозирование резерва кожи к растяжению для успешного закрытия образовавшегося кожного дефекта.

Цель работы состояла в изучении акустической анизотропии, растяжимости и структурных изменений кожного покрова нижней конечности в условиях пролонгированного дозированного растяжения при врожденном ее укорочении и у спортсменов – высококвалифицированных борцов грекоримского стиля.

Организация и методы исследования. Обследовано три группы людей. В первую группу вошли пациенты с врожденным укорочением нижней конечности, которым уравнивали длину голени по методу Илизарова (n = 65) в возрасте от 7 до 35 лет. Тестирование проводили до начала удлинения, в периоде фиксации и в сроки 12–24 мес. после завершения лечения. Вторую группу составили спортсмены – высококвалифицированные борцы греко-римского стиля в возрасте 21,3 ± ± 2,8 года (n = 9), в третью группу вошли их сверстники-неспортсмены в возрасте 22,5 ± 1,3 (n = 8), ведущие малоподвижный образ жизни.

Прижизненное изучение акустической анизотропии кожного покрова нижней конечности изучали с помощью акустического анализатора кожи – ASA-4 (производства Москва – Белград). Датчик анализатора располагали параллельно, перпендикулярно и диагонально относительно продольной оси конечности. Определяли скорость распространения поверхностной сдвиговой волны (ПСВ). Диапазон скоростей ПСВ – 15–300 м/с [1, 6].

Растяжимость кожи (или относительную деформацию) оценивали с помощью устройства для изучения деформационных свойств кожи человека (разработка РНЦ ВТО им. акад. Г.А. Илизарова). Структуру кожного покрова изучали с помощью ультразвукового сканера с линейным датчиком с частотой 7,5 МГц (Siemens). Определяли толщину кожи (мм). Обследуемые находились в положении лежа на спине, коленные суставы были разогнуты.

Результаты исследования и обсуждение. Изучение показателя растяжимости кожного покрова голени в группе пациентов с укорочением нижней конечности в различные периоды удлинения выявило следующую динамику (табл. 1).

Анализ динамики показателя растяжимости кожи пораженной голени в группе пациентов с укорочением нижней конечности выявил максимальные его значения до начала дистракции (см. табл. 1). В обеих возрастных группах 15–16 лет и 17–35 лет указанный па-

Таблица 1

Table 1

Влияние пролонгированной дистракции на растяжимость кожи голени в группе пациентов, М ± m (%) Effect of prolonged distraction on shin skin elasticity in people with inborn limb shortening, М ± m (%)

Возраст, лет Age, years	Исх. (in.)	Д – 7 (D – 7)	Д –14 (D – 14)	Д – 21 (D – 21)	Д – 31 (D – 31)	Д – 45 (D – 45)	Д – 60 (D – 60)
15 – 16, n = 12,	1,11 ±	0,52 ±	0,80 ±	0,77 ±	0,75 ±	0,02 ±	0,10 ±
больн. / affected	0,24	0,26*	0,10*	0,12*	0,05*	0,01*	0,05*
15–16, n = 12,	0,77 ±	1,07 ±	1,08 ±	1,13 ±	1,43 ±	1,2 ±	0,55 ±
инт. / intact	0,13	0,70	0,33	0,07	0,88	0,50	0,08
17 – 35, n = 12,	1,56 ±	0,73 ±	0,55 ±	0,55 ±	0,45 ±	0,33 ±	0,10 ±
больн. / affected	0,12	0,28*	0,15*	0,20*	0,05*	0,12*	0,06*
17–35, n = 12,	0,71 ±	0,93 ±	0,83 ±	1,0 ±	0,88 ±	1,07 ±	0,55 ±
инт. / intact	0,11	0,48	0,38	0,50	0,33	0,70	0,12

Примечание. Статистическая значимость различий * – р < 0,05; исх. – исходный показатель растяжимости (%); Д – 7, Д – 60 – срок дистракции (дни).

Note. Statistical significance of differences * – р < 0.05; in. – initial index of elasticity (%); D – 7, D – 60 – distraction period (days).

Таблица 2

Table 2

Возрастная зависимость растяжимости кожного покрова голени до удлинения и после завершения лечения, М ± m (%).

Age-related dependence of lower limb skin elasticity before lengthening and after treatment, М ± m (%)

Возраст, лет Age, years Период лечения 7–8 10–11 12–14 15–16 17–35 Уравнения аппроксимации n = 65 Period of treatm. n = 7 n = 22 n = 12 n = 12 n = 12 Approximation equation Больн. / Affected Исх. 1,48 ± 1,75 ± 2,1 ± 1,11 ± 1,56 ± у = –0,07х2 ± 0,372х ± 1,254 In. 0,29 0,29 1,28 0,24 0,12 R2=0,1734 Инт. / Intact Исх. 0,75 ± 1,11 ± 0,98 ± 0,77 ± 0,71 ± у = –0,0657х2 ± 0,3523х ± 0,53 R2= 0,6534 In. 0,15 0,11 0,29 0,13 0,11 Больн. / Affected 18 мес. 1,4 ± 1,09 ± 0,88 ± 0,55 ± 0,5 ± у = –0,234х ± 1,586 R2= 0,9645 18 months 0,1 0,13 0,11 0,12 0,13 Инт. / Intact 18 мес. 1,8 ± 1,41 ± 0,78 ± 1,0 ± 0,78 ± у = –0,445х ± 2,729 R2= 0,9645 18 months 0,28 0,19 0,21 0,17 0,14 раметр составил 1,11 ± 0,24 и 1,56 ± 0,12 % соответственно. При этом растяжимость кожи интактного сегмента была достоверно ниже (р < 0,05). Так, в старшей возрастной группе показатель растяжимости кожи оказался более чем в два раза ниже, чем на укороченной голени. По мере дозированного уравнивания длины сегментов по методу Илизарова происходило закономерное снижение растяжимости кожи удлиняемой голени. В группе подростков ее минимальные показатели достигали к 45-му дню тракции, разница относительно исходных показателей составила 11,1 раза (см. табл. 1). В группе взрослых растяжимость кожи оперированного сегмента снизилась в 15,6 раза по сравнению с началь- ным периодом при завершении периода дистракции. Это свидетельствует о выраженной реакции кожи на механический стресс – дозированное растяжение и ее переход в напряженно-деформированное растяжение.

Исследование кожного покрова в первой группе обследованных выявило возрастную зависимость параметров растяжимости в различные периоды наблюдения (табл. 2).

До лечения прослеживается полиноминальная зависимость параметров растяжимости кожи голени. Наибольший параметр растяжимости кожи укороченной голени выявлен у пациентов 12–14 лет, что объясняется продолжающимся отставанием в росте пораженного сегмента даже в пубертатном периоде.

После завершения лечения у пациентов 7–8 лет растяжимость была максимальной по сравнению с другими возрастными группами (см. табл. 2). Это связано с более высоким пластическим резервом кожного покрова у пациентов 7–8 лет. После уравнивания длины конечностей наблюдается линейная зависимость указанного параметра кожи от возраста как пораженной, так и интактной голени. Результаты изучения влияния возрастного фактора на состояние кожи нередко противоречивы, особенно относительно микроциркуляции и толщины кожи. J.M. Waller, H.I. Maibach (2005) отмечают уменьшение кровотока в коже с возрастом, особенно в местах, подверженных воздействию окружающей среды; рН кожи, по их мнению, изменяется мало даже при достижении возраста 70 лет [19].

Помимо изучения функциональных свойств кожного покрова нами прижизненно были изучены особенности его структуры (табл. 3, 4).

По данным ультрасонографии, толщина кожи подверженной растяжению голени у па- циентов разного возраста до лечения колебалась от 1,89 ± 0,11 до 2,05 ± 0,14 мм (см. табл. 3). Так, у больных в возрасте 5–8 лет в процессе дистракции изучаемый показатель кожи удлиняемой голени увеличился на 24,9 %, а у пациентов 10–14 лет – на 7,8%. У взрослых прирост толщины кожи при дистракции составил 21,1 % (см. табл. 3). После прекращения растяжения толщина кожи удлиненной голени, по данным ультрасонографии, превышала исходный показатель у пациентов 5–8 лет на 32,7 %, пациентов 10–14 лет – на 17,3 %, а у взрослых – на 21,1 %. Это свидетельствует об адаптационных структурных перестройках и изменениях растяжимости кожи при воздействии дозированной тракции сегмента как о проявлении эффекта Илизарова. Структурные перестройки происходят во всех слоях кожи – эпидермисе, дерме и гиподерме. Утолщение кожного покрова удлиненной голени по сравнению с исходным уровнем сохранялось у пациентов всех возрастных групп и после лечения. Структурной основой таких адап-

Таблица 3

Table 3

Толщина кожи укороченной голени в процессе удлинения по данным ультрасонографии (М ± m, мм) Ultrasonography data on skin thickness in the shortened leg during lengthening (М ± m, mm)

Возраст, лет Age, years	n	Толщина кожи / Skin thickness
		До операции Before surgical intervention	Дистракция Distraction	Фиксация Fixation	Период лечения 1–3 года In 1–3 years after treatment
5–8	7	1,89 ± 0,11	2,36 ± 0,2*	2,81 ± 0,24*	–
10–14	18	2,05 ± 0,14	2,21 ± 0,22*	2,48 ± 0,12*	2,17 ± 0,18
15–16	10	1,94 ± 0,1	2,31±0,12*	2,56 ± 0,16*	2,52 ± 0,12*
17–35	11	1,95 ± 0,14	2,67 ± 0,14*	2,47 ± 0,16*	2,52 ± 0,02*

Примечание. *– статистическая значимость различий по критерию Манна–Уитни по сравнению с исходными показателями р ≤ 0,05; М ± m

Note. * – statistical significance of differences according to Mann–Whitney test compared to initial values р ≤ 0.05; М ± m

Таблица 4

Table 4

Толщина кожного покрова нижней конечности у неспортсменов и борцов греко-римского стиля по данным прижизненного неинвазивного тестирования, M ± m (мм)

Non-invasive test data on lower limb skin thickness in non-athletes and wrestlers, M ± m (mm)

	Возраст, лет Age, years	n	Бедро / Hip		Голень / Shin
Неспорт. / Non-athletes	22,5 ± 1,3	8	1,75 ± 0,14	(1,29:2,21)	1,15 ± 0,03	(1,06:1,24)
Медиана / Median			1,75	(1,5:2,0)	1,15	(1,1:1,2)
Спортсм. / Athlete	21,3 ± 2,8	9	2,03 ± 0,13	(1,7:2,35)	1,58 ± 0,05*	(1,46:1,7)
Медиана / Median			2,05	(1,7:2,2)	1,55	(1,5:1,6)

Примечание. M ± m – среднее значение ± стандартная ошибка; * – статистическая значимость различий по критерию Манна–Уитни р < 0,05.

Note. M ± m – mean value ± mean squared error; * – statistical significance of differences according to Mann– Whitney test р ≤ 0.05.

тивных реакций на механический стресс является модификация спиралевидности коллагена, переориентация коллагеновых и эластических волокон, а также активизация процессов фибриллогенеза [1].

Сопоставительный анализ структурных параметров кожи конечности в других группах с помощью ультразвуковой визуализации показал, что люди, занимающиеся силовыми видами спорта, имеют определенные морфологические особенности кожи относительно параметров у лиц контрольной группы – не-спортсменов (см. табл. 4).

Выявлено статистически значимое превышение толщины кожного покрова голени у спортсменов-борцов (n = 9, р < 0,05) по сравнению с контрольной группой сверстников-неспортсменов (n = 8). Для кожи бедра прослеживается тенденция к превышению показателя толщины в группе спортсменов (р > 0,05). Обнаруженные различия свидетельствуют о связи структурных изменений кожи конечности с долговременными адаптационными влияниями, происходящими вследствие регулярных физических тренировок. M.J. Mueller, K.S. Maluf (2002) предложили «теорию физического стресса» (Physical Stress

Theory), в соответствии с которой изменения относительного уровня физического напряжения вызывают предсказуемый адаптивный ответ во всех биологических тканях [13]. При высоком уровне физического стресса в коже повышаются содержание коллагена, диаметр коллагеновых волокон, толщина кожи и ее прочность.

С целью изучения влияния пространственного фактора – положения конечности при изменении угла в коленном суставе – были проведены функциональные пробы (табл. 5, 6). С этой целью тестировали механо-акустические свойства кожи голени как чувствительные характеристики состояния ткани и позволяющие оценивать анизотропные свойства кожи [1, 6] (см. табл. 5, 6).

Показатель скорости распространения ПСВ (Сх и Сz) в коже удлиненной голени на этапе фиксации достоверно выше относительно исходных показателей (р < 0,01). Это касается параметров ПСВ как в разогнутом, так и в согнутом положении в коленном суставе. Наиболее выраженная трансформация акустической анизотропии в коже пораженной голени наблюдалась до начала дистракции. Коэффициент анизотропии с уровня 0,98

Таблица 5

Table 5

Акустическая анизотропия в кожном покрове голени в группе с укорочением голени при сгибании в коленном суставе, M ± m (м/с)

Shin skin acoustic anisotropy during knee bending in people with leg shortening, M ± m (m/s)

Разгибание в коленном суставе / Knee unbending
Период / Period	n	Больная голень Affected shin			Интактная голень Healthy shin
		Сх	Сz	z/x	Сх	Сz	z/x
До лечения / Before treatment	15	75,7 ± 2,8	74,1 ± 3,1	0,98	76,2 ± 3,3	80,9 ± 4,4	1,1
Фиксация / Fixation	8	92,5 ± 3,5*	97,4 ± 3,6*	1,05	82,8 ± 1,9	73,7 ± 3,2	0,9
12 мес. п. л. 12 months after treatment	14	73,6 ± 3	75,8 ± 3	1,03	75,1 ± 2,0	75,0 ± 3,7	1,0
24 мес. п. л. 24 months after treatment	10	76,8 ± 2,4	81,8 ± 4,3	1,07	74,3 ± 4,7	77,5 ± 4,5	1,0
Сгибание в коленном суставе / Knee bending
До лечения / Before treatment	15	69,8 ± 2,3	90,5 ± 2,6	1,3	69,9 ± 2,7	85,5 ± 3,6	1,2
Фиксация / Fixation	8	96,8 ± 7,1*	106 ± 9,38*	1,1	75,3 ± 3,79	77,2 ± 4,7	1,0
12 мес. п. л. 12 months after treatment	14	73,1 ± 3,9	86,6 ± 2,9	1,2	69,8 ± 2,6	85,4 ± 3,6	1,2
24 мес. п. л. 24 months after treatment	10	68,4 ± 2,7	80,9 ± 5,1	1,2	74,3 ± 2,5	91,4 ± 6,6	1,2

Примечание: коэффициент z/x – соотношение скорости ПАВ в продольном и поперечном направлении; Сх и Сz – скорость ПАВ в поперечном и продольном направлении соответственно; * – статистическая значимость различий по критерию Манна–Уитни р < 0,01.

Note: z/x coefficient is a speed ratio of a surface acoustic wave in the longitudinal and transverse direction; Сх and Сz is a speed of a surface acoustic wave in the longitudinal and transverse direction respectively; * – statistical significance of differences according to Mann–Whitney test р ≤ 0.01.

Таблица 6

Table 6

Влияние положения конечности на механо-акустическую анизотропию кожи голени у борцов-единоборцев высокой квалификации, M ± m (м/с).

Effect of limb position on shin skin acoustic anisotropy in highly-skilled wrestlers, M ± m (m/s)

Возраст 18–22 года Age 18–22, n = 10	Разгибание в колен. суставе Knee unbending			Сгибание в коленном суставе Knee bending
	Сx	Сz	z/x	Сx	Сz	z/x
Правая голень / Right shin	85,8 ± 3,2	97,2 ± 3,5	1,13	80,61 ± 3,08	94,06 ± 4,81	1,17
Станд. откл. / Standard deviation	9,6	10,6		9,24	14,44
Левая голень / Left shin	88,4 ± 4,7	99,0 ± 3,9	1,12	86,06 ± 4,32	90,89 ± 5,73	1,06
Станд. откл. / Standard deviation	14,0	11,7		12,97	17,18

Примечание: коэффициент z/x – соотношение скорости ПАВ в продольном и поперечном направлении; Сх и Сz – скорость ПАВ в поперечном и продольном направлении соответственно.

Note: z/x coefficient is a speed ratio of a surface acoustic wave in the longitudinal and transverse direction; Сх and Сz is a speed of a surface acoustic wave in the longitudinal and transverse direction respectively.

до проведения пробы возрастал до 1,3 при сгибании в коленном суставе. Прослеживаются однонаправленные изменения – возрастание коэффициента механо-акустической анизотропии в коже удлиненной и интактной голени при сравнении до и после лечения. При изменении положения конечности распрямляются имеющиеся в коже запасные складки, переориентируются пучки коллагеновой вязи и др. Описанная нами трансформация акустической анизотропии в коже укороченной голени при сгибании в суставе до начала дистракции свидетельствует о ее высоких пластических резервах ткани (см. табл. 5). Об изменении поверхностного натяжения кожи конечности при сгибании в локтевом суставе описано в работе [11], в которой определяли поверхностное натяжение кожи и выявили уменьшение толщины эпидермального слоя.

При проведении функциональной пробы со сгибанием в коленном суставе в группе борцов-единоборцев существенных изменений коэффициента анизотропии не наблюдалось (см. табл. 6).

У этой же группы спортсменов обнаружено превышение толщины кожи нижней конечности по сравнению с показателем в контрольной группе, что связано с адаптивными структурными изменениями в результате многолетних регулярных тренирующих воздействий – физического стресса. В литературе отмечается другая физиологическая особенность функционирования кожного покрова у спортсменов – нарушение кожного барьера, которую авторы связывают с большими физическими нагрузками, сопровождающимися увеличением потоотделения [10].

Заключение. Таким образом, в нашем исследовании выявлена возрастная зависимость показателей толщины и растяжимости кожи врожденно-укороченной голени в условиях влияния механического стресса – пролонгированного растяжения. Структурной основой таких адаптивных реакций на механический стресс является модификация спи-ралевидности коллагена, переориентация коллагеновых и эластических волокон, а также активизация процессов фибриллогенеза.

Превышение толщины кожного покрова бедра и голени в группе спортсменов относительно показателей у неспортсменов свидетельствует о структурной адаптации ткани в ответ на регулярный физический стресс. Пластические свойства кожи нижней конечности укороченной голени до воздействия дистракции связаны с высокими резервными возможностями ткани, выявленными при выполнении функциональной пространственной пробы.