Что такое ультрафиолетовое излучение?
Ультрафиолетовое излучение (УФИ) представляет собой часть электромагнитного спектра солнечной энергии. УФИ классифицируется в зависимости от длины волны в диапазоне от 100 до 400 нм.
- УФИ играет ключевую роль в формировании загара, ускоренном фотостарении кожи, повреждении структур глаза и индукции рака кожи.
- УФ-лучи также оказывают благоприятные физиологические эффекты, стимулируя эндогенный синтез витамина D в эпидермисе и проявляя иммуномодулирующее действие при ряде воспалительных дерматозов.
Другие источники ультрафиолетового излучения
К искусственным источникам УФ-излучения относятся солярии, ртутные дуговые лампы, некоторые галогенные, люминесцентные лампы и лампы накаливания, а также специализированные дерматологические лазеры.
Типы ультрафиолетового излучения
Ультрафиолетовое излучение диапазона A (UVA / УФ-A)
- УФ-A — длинноволновое ультрафиолетовое излучение (длина волны: 315–400 нм).
- УФ-A практически беспрепятственно проходит через атмосферу и составляет около 95% всего УФИ, достигающего поверхности Земли.
- Оно глубоко проникает через эпидермис непосредственно в дерму.
- УФ-A обладает меньшей квантовой энергией по сравнению с ультрафиолетом спектра B (УФ-B) и вызывает меньше непосредственных повреждений на один фотон.
- Вносит значительный вклад в развитие солнечных ожогов, фотостарения кожи и рака кожи за счет механизмов окислительного стресса (повреждения клеток активными формами кислорода).
- УФ-A стимулирует окисление эпидермального меланина (немедленный загар) и выработку нового пигмента (замедленный загар), обеспечивающих экранирование и защиту кожи путем поглощения УФИ в эпидермисе.
Ультрафиолетовое излучение диапазона B (UVB / УФ-B)
- УФ-B — средневолновое ультрафиолетовое излучение (длина волны: 280–315 нм).
- Большая часть солнечного спектра УФ-B поглощается и фильтруется озоновым слоем атмосферы.
- Проникает в эпидермис, практически не достигая глубоких слоев дермы.
- УФ-B обладает высокой энергией и вызывает прямое повреждение молекул ДНК эпидермальных клеток.
- Активно стимулирует синтез меланина (меланогенез).
- Является ведущим этиологическим фактором солнечных ожогов и большинства эпителиальных форм рака кожи.
Ультрафиолетовое излучение диапазона C (UVC / УФ-C)
- УФ-C — коротковолновое ультрафиолетовое излучение (длина волны: < 280 нм).
- Естественное солнечное излучение спектра УФ-C полностью элиминируется атмосферой и не достигает земной поверхности.
- УФ-C может генерироваться техногенными источниками (например, сварочной дугой, бактерицидными ртутными лампами).
- Несмотря на минимальную глубину проникновения, кванты УФ-C несут максимальную энергию и вызывают тяжелое повреждение поверхностного слоя клеток кожи.
- Экспозиция УФ-C может приводить к выраженному, но поверхностному солнечному ожогу (фотодерматиту).
Электромагнитный спектр видимого и ультрафиолетового излучения и их биологические эффекты на кожу
Ультрафиолетовый индекс (УФ-индекс)
Ультрафиолетовый индекс (UVI) — международный стандарт оценки интенсивности эритемогенного УФИ (провоцирующего солнечный ожог). Значение индекса > 10 указывает на экстремальный уровень опасности УФ-излучения, тогда как показатели < 3 расцениваются как низкие.
Факторы, повышающие уровень воздействия ультрафиолетового излучения
Показатели УФ-индекса выше, а само излучение интенсивнее в экваториальных широтах по сравнению с умеренными и полярными, поскольку солнце находится в зените и путь солнечных лучей через толщу атмосферы минимален. Интенсивность УФИ также существенно возрастает:
- В летние месяцы и в полуденные часы, когда угол падения солнечных лучей приближен к прямому;
- В высокогорных районах, где толщина экранирующего слоя атмосферы значительно меньше;
- В ясную безоблачную погоду по сравнению с пасмурными днями или условиями выраженного атмосферного смога;
- При наличии отражающих поверхностей, таких как снег, сухой песок, трава или вода;
- В Южном полушарии по сравнению с Северным вследствие меньшего расстояния между Землей и Солнцем в перигелии:
- В Новой Зеландии пиковые значения УФ-индекса на 40% превышают показатели аналогичных широт Северного полушария;
- При истощении стратосферного озонового слоя.
Регулярные мониторинговые измерения Национального института водных и атмосферных исследований (NIWA Taihoro Nukurangi) на станции Лаудер в Центральном Отаго демонстрируют сезонную и среднегодовую климатическую вариабельность толщины озонового экрана. Общее содержание озона измеряется в единицах Добсона (DU / ДЕ), где 1 ДЕ = 2,69 x 10¹⁶ молекул/см².
Колебания озонового слоя в 2016 году в Лаудере, Новая Зеландия
Что такое озоновый слой?
Озон представляет собой малый газовый компонент атмосферы, формирующий озоновый слой в пределах стратосферы.
- На каждые 10 миллионов молекул воздуха приходится всего около трех молекул озона.
- Озон — нестабильное химическое соединение высокой реакционной способности, состоящее из трех атомов кислорода (О₃).
- Озон абсорбирует губительное солнечное УФИ, преобразуя его в тепловую энергию стратосферы.
- Озоновый экран защищает биосферу Земли от биологически повреждающего коротковолнового излучения.
- Деградация озонового слоя приводит к резкому росту дозы достигающего поверхности Земли УФИ.
Озоновые дыры и Монреальский протокол
- Озоноразрушающие вещества (ОРВ), такие как хлорфторуглероды (ХФУ / фреоны) и галоны, массово применявшиеся в холодильном оборудовании, аэрозолях и огнетушителях, вызвали критическое истощение озона в стратосфере.
- Попадая в верхние слои атмосферы, ХФУ распадаются под действием УФИ с выделением свободного атомарного хлора. Хлор каталитически взаимодействует с озоном, разрушая молекулы О₃.
- Более 50% стратосферного озона над Антарктидой подверглось деструкции, что привело к феномену сезонной весенней «озоновой дыры». Летом обедненные озоном воздушные массы могут дрейфовать в сторону Южной Америки и Новой Зеландии, обуславливая нетипично высокие для данных широт уровни УФ-излучения.
- В Австралии в 1990-х годах регистрировались значительно более высокие зимние уровни УФИ, чем в 1970-х, что позволило прогнозировать всплеск заболеваемости УФ-индуцированным раком кожи.
В 1987 году был подписан Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой. Данное глобальное природоохранное соглашение установило строгие ограничения на производство и применение ОРВ. За прошедшие десятилетия концентрация ОРВ в атмосфере ощутимо снизилась; по расчетам климатологов, полное восстановление стратосферного озонового слоя ожидается к 2050 году.
Как ультрафиолетовое излучение воздействует на кожу?
- УФ-A вызывает преимущественно окислительное повреждение ДНК за счет фотосенсибилизации в присутствии меланина.
- УФ-B оказывает прямое повреждающее действие на молекулы ДНК независимо от меланина, формируя димеры пиримидина.
- Индуцированный УФ-B выброс провоспалительных цитокинов приводит к клинической картине эритемы и солнечного ожога, манифестирующего с максимумом через 8 часов после инсоляции. Последующее шелушение обусловлено апоптозом поврежденных кератиноцитов («клетки солнечного ожога»).
- Деструкция ДНК и внеклеточного матрикса ведет к утрате структурной целостности дермы и фотостарению.
- Накопление нерепарированных мутаций в совокупности с УФ-индуцированной местной иммуносупрессией многократно повышает риск злокачественной трансформации клеток и развития рака кожи.
Защитные механизмы
- Образование загара — сложный адаптивный каскад реакций меланоцитов в ответ на повреждение генетического аппарата кератиноцитов УФ-лучами.
- Утолщение рогового слоя и гиперплазия эпидермиса (акантоз) развиваются под действием ростовых факторов, секретируемых травмированными клетками эпителия.
Кожа участков хронической инсоляции (лицо, шея, кисти, безволосая часть волосистой части головы) приобретает характерный симптомокомплекс изменений:
- Фотоповрежденная кожа становится атрофичной и истонченной по сравнению с закрытыми областями у того же пациента;
- Отмечается выраженный ксероз кожи. Со временем на открытых участках манифестируют элементы актинического кератоза — болезненные шелушащиеся эритематозные папулы и бляшки;
- Теряется эластичность, появляется характерный тусклый желтоватый оттенок вследствие солнечного эластоза;
- Наблюдается дисхромия: неравномерная пигментация, формирование веснушек (эфелид), солнечных лентиго, очагов гипомеланоза и рубцовой атрофии; часто визуализируются расширенные сосуды — телеангиэктазии.
Роль ультрафиолетового излучения в развитии рака кожи
УФИ — доказанный физический канцероген I класса. Радиация индуцирует генерацию активных форм кислорода (свободных радикалов), повреждающих белки, липидные мембраны, РНК и ДНК. Согласно двухстадийной модели канцерогенеза, развитие рака кожи определяется как полиморфизмом генов чувствительности (в частности, аллелями гена MC1R, определяющими фенотип пигментации и фоточувствительность), так и воздействием УФ-лучей:
- УФИ инициирует неопластическую трансформацию путем мутагенеза ДНК.
- УФИ выступает в роли опухолевого промотора, поддерживая пролиферацию и прогрессию клона.
Меланома кожи
- Заболеваемость меланомой максимальна среди светлокожего населения, проживающего в субтропических и приэкваториальных регионах (наивысшие показатели фиксируются в Австралии и Новой Зеландии).
- У пожилых пациентов меланома преимущественно локализуется на коже головы и шеи (тип лентиго-меланомы) и коррелирует с суммарной накопительной дозой хронического ультрафиолета.
- У лиц молодого возраста преобладают поражения кожи туловища и конечностей (поверхностно-распространяющаяся меланома), особенно у пациентов с синдромом множественных меланоцитарных невусов. Ее этиология прочно связана с интермиттирующей высокоинтенсивной инсоляцией и эпизодами тяжелых солнечных ожогов в детстве и юности.
Немеланомный рак кожи
- Максимальная частота встречаемости плоскоклеточного рака (ПКР) и базальноклеточного рака (БКР) регистрируется в Австралии, наименьшая — на Африканском континенте.
- ПКР и БКР многократно чаще поражают людей со светлой кожей (фототипы по Фитцпатрику I, II и III), чем с гиперпигментированной кожей (IV, V и VI фототипы).
- Развитие актинического кератоза и ПКР напрямую коррелирует с суммарной кумулятивной пожизненной дозой солнечной радиации.
- БКР чаще является исходом интермиттирующего высокодозного УФ-облучения и тяжелых солнечных ожогов.
- Частота злокачественных опухолей на открытых участках тела резко возрастает у лиц с ятрогенной иммуносупрессией, особенно среди реципиентов трансплантатов паренхиматозных органов.
Большинство случаев БКР и ПКР на инсолированных участках кожи несут в себе характерный молекулярный «УФ-след» (UV signature mutations: транзиции цитозина в тимин на участках циклобутановых пиримидиновых димеров) в генах-онкосупрессорах (PTCH1 и TP53 соответственно).
Канцерогенез протекает ускоренными темпами у пациентов с наследственными генодерматозами, сопровождающимися врожденной фоточувствительностью, такими как:
- Пигментная ксеродерма;
- Глазокожный альбинизм;
- Синдром Блума;
- Трихотиодистрофия;
- Синдром Ротмунда — Томсона.
Инсоляция также повышает вероятность возникновения других опухолей:
- Карциномы Меркеля;
- Атипичной фиброксантомы;
- Редких форм сарком и придатковых карцином кожи.
Злокачественные новообразования кожи, ассоциированные с УФ-излучением
Поверхностно-распространяющаяся меланома
Плоскоклеточный рак нижней губы
Базальноклеточный рак
Влияние ультрафиолетового излучения на орган зрения
Глазное яблоко частично защищено костным каркасом надбровных дуг. Достигая сетчатки, отраженные УФ-лучи экранируются роговицей, меланином радужки, влагой передней камеры и хрусталиком. УФИ индуцирует окислительное повреждение митохондриальной ДНК макулярной зоны нейросенсорной сетчатки и ретинального пигментного эпителия, а также запускает синтез медиаторов воспаления.
С действием солнечного УФИ ассоциированы следующие офтальмологические заболевания:
- Фотокератит и фотоконъюнктивит («электроофтальмия»);
- Птеригиум (крыловидная плева);
- Катаракта (преимущественно кортикальная форма);
- Возрастная макулярная дегенерация (ВМД);
- Злокачественные новообразования периорбитальной зоны и глаза:
- Базальноклеточный рак — составляет более 90% злокачественных опухолей век;
- Плоскоклеточный рак — преобладающая неоплазия конъюнктивы и роговицы;
- Увеальная меланома — наиболее распространенная первичная внутриглазная злокачественная опухоль.
Влияние ультрафиолетового излучения на иммунную систему
Кванты УФИ поглощаются эндогенными хромофорами эпидермиса и дермы, индуцируя каскадные иммунные перестройки.
- УФИ стимулирует механизмы врожденного иммунитета за счет индукции экспрессии антимикробных пептидов в эпидермисе, защищающих кожу от микробной инвазии и способствующих эпителизации.
- УФ-лучи супрессируют реакции адаптивного клеточного иммунитета посредством генерации пула регуляторных T-клеток (Treg), играющих критическую роль в поддержании тканевого гомеостаза.
- УФИ (в особенности средневолновой диапазон УФ-B) индуцирует синтез фактора активации тромбоцитов, простагландина E2, гистамина и фактора некроза опухоли-альфа (ФНО-α); эти цитокины привлекают популяцию T-супрессоров и запускают нейтрофильное воспаление.
- УФ-B обеспечивает фотолиз предшественников с образованием витамина D, являющегося мощным стероидным иммуномодулятором.
Нарушение иммунологической толерантности и сбой адаптации к УФИ лежит в основе первичных фотодерматозов:
- Полиморфный фотодерматоз;
- Хронический актинический дерматит;
- Фотоконтактный дерматит;
- Фотоаггравированные аутоиммунные заболевания (в частности, кожная красная волчанка).
Фотосенсибилизация и фотодерматозы
Полиморфный фотодерматоз
Хронический актинический дерматит
Фотоконтактный дерматит
Другие патологические состояния, связанные с УФ-излучением
Бронхиальная астма
- У жителей приэкваториальных широт с высокими уровнями инсоляции UVB зарегистрирована более высокая распространенность атопической бронхиальной астмы. В то же время частота неатопических вариантов астмы у них статистически ниже.
Инфекционные заболевания
УФИ вызывает системное подавление приобретенного клеточного иммунитета против ряда бактериальных и вирусных инфекций, а также снижает поствакцинальный защитный титр антител. Фотоиндуцированная иммуносупрессия способна реактивировать латентные вирусы (в частности, простой герпес) и потенцировать онкогенный потенциал микроорганизмов, включая вирус папилломы человека (ВПЧ).
Благоприятные эффекты ультрафиолетового излучения
К позитивным физиологическим эффектам УФИ относятся:
- Эндогенный синтез витаминов D2 и D3 в мальпигиевом слое кожи;
- Снижение риска сердечно-сосудистой смертности — за счет эффектов метаболитов витамина D, снижения артериального давления (через мобилизацию оксида азота из депо кожи) и нормализации липидного профиля;
- Снижение частоты некоторых аутоиммунных заболеваний (рассеянный склероз, сахарный диабет 1 типа, ревматоидный артрит);
- Снижение риска развития тяжелых инфекций (включая туберкулез, в том числе туберкулез кожи, и сезонные острые респираторные вирусные инфекции);
- Улучшение психоэмоционального фона — связываемое с индукцией синтеза бета-эндорфина кератиноцитами;
- Нормализация циркадных ритмов благодаря ингибированию избыточной продукции мелатонина эпифизом в дневное время, что предотвращает сезонное аффективное расстройство (САР).
Литература
- National Institute of Water and Atmospheric Research (NIWA Taihoro Nukurangi). UV and ozone. Available from: https://www.niwa.co.nz/our-services/online-services/uv-ozone (accessed 12 November 2017).
- Velders GJM, Anderson SO, Daniel JS, Fahey DW, McFarland M. The importance of the Montreal Protocol in protecting climate. PNAS 2007; 104: 4814–19, DOI: 10.1073/pnas.0610328104. Journal
- United States Environmental Protection Agency. International treaties and cooperation. Available from: www.epa.gov/ozone-layer-protection/international-treaties-and-cooperation (accessed 10 November 2017)
- van Dijk A, Slaper H, den Outer PN, et al. Skin cancer risks avoided by the Montreal Protocol —worldwide modeling integrating coupled climate-chemistry models with a risk model for UV. Photochem Photobiol. 2013; 89: 234–46. Available from: DOI:10.1111/j.1751-1097.2012.01223.x. PubMed.
- US National Aeronautics and Space Administration (NASA) Advanced Supercomputing (NAS) Division. The Antarctic ozone hole. Available from: www.nas.nasa.gov/About/Education/Ozone/antarctic.html (accessed 10 November 2017)
- Lemus-Deschamps L, Makin JK. Fifty years of changes in UV Index and implications for skin cancer in Australia. Int J Biometerorol 2011; 56: 727–35. Available from: DOI 10.1007/s00484-011-0474-x [Accessed 10/11/2017]. PubMed.
- Lucas RM, Norval M, Neale RE, et al. The consequences for human health of stratospheric ozone depletion in association with other environmental factors. Photochem Photobiol Sci 2015; 14: 53-87. Available from: DOI: 10.1039/c4pp90033b. Journal.
- Holick MF. Biological effects of sunlight, ultraviolet radiation, visible light, infrared radiation and vitamin D for health. Anticancer Res 2016; 36: 1345–56. PubMed.
- Schuch AP, Morenob NC, Schuch NJ, Menck CFN, Garcia CCM. Sunlight damage to cellular DNA: Focus on oxidatively generated lesions. Free Radic Biol Med 2017; 107: 110–24. PubMed
- Pinault L, Bushnik T, Fioletov V, Peters CE, King WD, Tjepkema M. The risk of melanoma associated with ambient summer ultraviolet radiation. Health Reports. 2017; 28(5): 3–11. PubMed
- D’Orazio J, Jarrett S, Amaro-Ortiz A, Scott T. UV radiation and the skin. Int J Mol Sci 2013; 14: 12222–48. DOI:10.3390/ijms140612222. Journal.
- Ozone Secretariat, United Nations Environment Programme (UNEP). The Montreal protocol on substances that deplete the ozone layer. Available at: http://ozone.unep.org/en/treaties-and-decisions/montreal-protocol-substances-deplete-ozone-layer (accessed January 2018).
Материалы на DermNet
- Рак кожи
- Старение кожи
- Генетика базальноклеточного рака кожи
- Солнечный ожог
- Фотопротекция
- Витамин D
- Глобальный солнечный ультрафиолетовый индекс
- Влияние изменения климата на кожу
- Солнцезащитные средства
Другие ресурсы
- УФ-излучение и озон — Национальный институт водных и атмосферных исследований Новой Зеландии (NIWA Taihoro Nukurangi)