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Ultraviolet radiation and skin aging: roles of reactive oxygen species, inflammation and protease activation, and strategies for prevention of inflammation-induced matrix degradation – a review

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Synopsis Inflammation and the resulting accumulation of reactive oxygen species (ROS) play an important role in the intrinsic and photoaging of human skin . Environmental insults such as ultraviolet (UV) rays from sun, cigarette smoke exposure and pollutants, and the natural process of aging contribute to the generation of free radicals and ROS that stimulate the inflammatory process in the skin. UV irradiation initiates and activates a complex cascade of biochemical reactions in human skin. In short, UV causes depletion of cellular antioxidants and antioxidant enzymes (SOD, catalase), initiates DNA damage leading to the formation of thymidine dimmers, activates the neuroendocrine system leading to immunosuppression and release of neuroendocrine mediators, and causes increased synthesis and release of pro-inflammatory mediators from a variety of skin cells. The pro-inflammatory mediators increase the permeability of capillaries leading to infiltration and activation of neutrophils and other phagocytic cells into the skin. The net result of all these effects is inflammation and free radical generation (both reactive oxygen and nitrogen species). Furthermore, elastsases and other proteases (cathepsin G) released from neutrophils cause further inflammation, and activation of matrix metalloproteases. The inflammation further activates the transcription of various matrixes degrading metalloproteases, leading to abnormal matrix degradation and accumulation of non-functional matrix components. In addition, the inflammation and ROS cause oxidative damage to cellular proteins, lipids and carbohydrates, which accumulates in the dermal and epidermal compartments, contributing to the aetiology of photoaging. Strategies to prevent photodamage caused by this cascade of reactions initiated by UV include: prevention of UV penetration into skin by physical and chemical sunscreens, prevention/reduction of inflammation using anti-inflammatory compounds (e.g. cyclooxygenase inhibitors, inhibitors of cytokine generation); scavenging and quenching of ROS by antioxidants; inhibition of neutrophil elastase activity to prevent extracellular matrix damage and activation of matrix metalloproteases (MMPs), and inhibition of MMP expression (e.g. by retinoids) and activity (e.g. by natural and synthetic inhibitors).

French
Résumé

L'inflammation et l'accumulation de dérivés réactifs de l'oxygène qui en résulte jouent un rôle important sur le vieillissement normal (chronologique) et pathologique (photovieillissement) de la peau in vivo. Les attaques de l'environnement, tels que les UV, l'exposition a la fumée de cigarettes et a des polluants, et le procédé naturel du vieillissement, contribuent à la création de radicaux-libres et de dérivés réactifs de l'oxygène qui stimulent l'inflammation cutanée. Les radiations UV sont à l'origine d'une cascade complexe de réactions biochimiques sur la peau humaine. A court terme, les UV dégradent les antioxydants cellulaires et les enzymes antioxydants (SOD, catalase); endommagent l'ADN provoquant la formation de dimères de la thymidine; activent le système neuroendocrinien engendrant une immunodépression et la sécrétion de médiateurs neuroendocriniens; et enfin provoquent une synthèse accrue et la sécrétion de médiateurs pro-inflammatoires par diverses cellules cutanées. Les médiateurs pro-inflammatoires augmentent la perméabilité des capillaires engendrant l'activation et l'infiltration de neutrophiles et autres cellules phagocytes dans la peau. Le résultat de toutes ces réactions est l'inflammation et la génération de radicaux-libres (à la fois oxygénés et azotés). Puis, les élastases et autres protéases (cathepsine G) issues des neutrophiles accroissent l'inflammation et activent les métalloprotéases matricielles (MPM). En effet, l'inflammation ainsi créée active la transcription de diverses MPM néfastes à la matrice extracellulaire, générant sa dégradation anormale et l'accumulation de dérivés non fonctionnels en son milieu. De plus, l'inflammation et les dérivés réactifs de l'oxygène oxydent et dégradent les protéines, lipides et sucres cellulaires qui s'accumulent dans le derme et l’épiderme, contribuant à l‘étiologie du photovieillissement. Les stratégies pour prévenir de la photo-dégradation générée par cette cascade de réactions causées par les UV sont les suivantes: prévention de la pénétration des UV dans la peau par des écrans solaires physiques ou chimiques; prévention et réduction de l'inflammation en utilisant des agents anti-inflammatoires (tels les inhibiteurs de la cyclo-oxygenase et les inhibiteurs de la production de la cytokine); en complexant et bloquant les dérivés réactifs de l'oxygène; inhibition de l'activité du neutrophile élastase pour prévenir la dégradation de la matrice extracellulaire et l'activation des MPM; et inhibition de l'expression des MPM (ex: par des rétinoïdes) et de leur activité (ex: par des inhibiteurs naturels et synthétiques).
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Keywords: antipotease; elastase; matrix metalloprotease; neutrophils; serine protease

Document Type: Research Article

Publication date: February 1, 2005

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