Introducción y objetivos 

La piel es el órgano de mayores dimensiones del cuerpo y representa la primera línea de defensa física contra la mayoría de las agresiones del exterior. Una descripción simplificada de su organización estructural define que la piel está compuesta por 3 capas: la epidermis superficial, la dermis subyacente y la hipodermis. La exposición de la piel humana a la luz ultravioleta (UV) se asocia con algunos efectos beneficiosos, como la producción de vitamina D y la fototerapia (eccema atópico), esta última relacionada con la apoptosis inducida por la luz UV en ciertas células. Sin embargo, la exposición prolongada a radiación UV también se vincula con carcinogénesis, con envejecimiento prematuro y con alteración de la cicatrización de heridas.

La radiación lumínica induce cambios en la fisiología cutánea, que incluyen estimulación de la actividad fibroblástica, variaciones en la pigmentación, cambios en la temperatura y secreción de enzimas catabólicas, como las metaloproteinasas de la matriz (MPM), por los fibroblastos. Las MPM (colagenasa intersticial, metaloeslastasa, entre otras) pueden actuar sobre componentes de la matriz extracelular (MEC) dérmica y sobre las fibras de colágeno, pero las investigaciones sobre los efectos de la radiación UV sobre las propiedades mecánicas de la piel han arrojado resultados divergentes, entre aumento de la fragilidad y aumento de la resistencia tisular.

La luz UV puede ser separada en 4 tipos de acuerdo con su longitud de onda: UVA (315 nm a 400 nm), UVB (280 nm a 315 nm), UVC (100 nm a 280 nm) y UV al vacío (100 nm a 200 nm). La luz UVC y UV al vacío son absorbidas en la atmósfera superior, aunque existen fuentes no solares de UVC (p. ej., equipos fotodesinfectantes y fotoesterilizadores, soldadores, entre otros). Los tipos de luz UVA, UVB y UVC pueden causar degradación del estrato córneo de la piel, pero no hay estudios que hayan investigado el impacto biomecánico de la exposición prolongada a la luz UV en la piel completa.

La epidermis tiene un papel importante para limitar la penetración de los rayos UV en las capas profundas de la dermis, dado que puede atenuar el 80% de los UVC, el 62% de los UVB y el 45% de los UVA. Por su parte, la MEC está compuesta principalmente por colágeno y por elastina, en una matriz de glucosaminoglucanos. Las fibras de colágeno I y III constituyen entre el 75% y el 80% de la masa cutánea seca, mientras que las fibras de elastina contribuyen a la elasticidad cutánea.

La microestructura de la piel tiene características anisotrópicas no uniformes, en las que la orientación de las fibras de colágeno determina la rigidez de la piel. No ha habido estudios que evalúen la relación entre la exposición prolongada a rayos UV y las propiedades mecánicas de la piel. El objetivo de este estudio fue investigar los cambios microestructurales y mecánicos asociados con el fotoenvejecimiento y con la exposición prolongada a radiación UVA y UVB.

Materiales y métodos

Se obtuvieron seis muestras anonimizadas de piel de cadáveres (dentro de las 48 horas del fallecimiento) y de cirugías programadas (dentro de las 24 horas). Las muestras fueron procesadas con un método estandarizado y examinadas por microscopia fluorescente invertida. Las muestras fueron luego seccionadas para analizar las propiedades mecánicas, según la orientación de las fibras de colágeno identificadas en la microscopia; se determinaron la densidad y la tortuosidad de las fibras.

Las muestras fueron sometidas a radiación UV en condiciones constantes de hidratación y de temperatura. Las muestras de control fueron almacenadas en la oscuridad, en iguales condiciones. Se calcularon los tiempos de exposición a la luz para recibir cantidades predeterminadas de UVA y de UVB. Las pruebas mecánicas se llevaron a cabo con un tensómetro y representadas en una curva de esfuerzo-deformación.

La prueba de la t para muestras pareadas independientes se utilizó para analizar las diferencias entre las muestras irradiadas y las muestras control. La normalidad de las distribuciones se estimó con la prueba de Shapiro-Wilks. La heterocedasticidad se midió con la prueba de Levene. La mayoría de las comparaciones entre grupos se efectuaron con la prueba de la t bilateral para muestras pareadas. Para los datos sin distribución normal, se utilizaron las pruebas de Mann-Whitney y de la t de Welch.

Los cambios en las propiedades mecánicas de la piel como función de la energía absorbida se analizaron con un modelo de regresión lineal; la significación estadística se determinó con pruebas de bondad de ajuste. La prueba de Grubb se usó para excluir los valores extremos.

Resultados

Los resultados indican que las dosis de radiación incidente con rayos UVA y UVB hasta 1200 J/cm² produjeron elevación del módulo de elasticidad, de la resistencia del tejido y del esfuerzo de fractura. Esta última propiedad describe el máximo nivel de tensión que un material puede soportar antes de fracturarse, romperse o desgarrarse. Para los rayos UVA, los resultados se observaron en ambas orientaciones de las fibras de colágeno, tanto paralela como perpendicular a las fuerzas aplicadas. Para el caso de la radiación UVB, solo se observaron para las fibras de colágeno con disposición paralela a las fuerzas aplicadas. Las dosis de 1600 J/cm² produjeron cambios significativos del módulo de elasticidad, de la resistencia del tejido, del esfuerzo de fractura y de la deformación de fractura. No hubo diferencia significativa para la deformación de fractura entre las distintas dosis de radiación UV.

El análisis de la regresión lineal indicó que el contenido relativo de melanina influye sobre la magnitud de la absorción de energía UV y modifica la tenacidad y el esfuerzo de fractura del tejido, lo que sugiere que los cambios en las propiedades mecánicas tisulares se incrementan con el aumento de absorción de energía UV.

Se observó también una elevación estadísticamente significativa de la densidad del entramado de fibras de colágeno en las muestras irradiadas con 1600 J/cm² de UVA o de UVB, en comparación con los controles no irradiados. No se registraron diferencias significativos en la tortuosidad de las fibras entre las muestras irradiadas y las no irradiadas.

Discusión y conclusiones

Investigaciones previas han mostrado que la radiación UV induce cambios fisiológicos enzimáticos que afectan la actividad de los fibroblastos dérmicos. Estos estudios fueron realizados principalmente sobre muestras de epidermis y no de piel con su espesor completo. El presente trabajo estimó los efectos de la irradiación prolongada con UVA y con UVB sobre muestras de piel de espesor completo, mediante análisis de las propiedades mecánicas tisulares, de la orientación de las fibras de colágeno y de los cambios microestructurales en la red de fibras de colágeno.

La luz UV induce un proceso de degradación sobre el estrato córneo, la capa más superficial de la epidermis, manifestado por mayor tendencia a la ruptura. Sin embargo, la fuerza requerida para causar la ruptura en este tipo de muestras es menor de 2 N (newton). En este estudio se utilizaron muestras de espesor completo de la piel, para cuya ruptura se requieren fuerzas superiores a 200 N. Los autores señalan que no anticipaban en las hipótesis previas de este estudio que el impacto de la irradiación UV sobre la capa epidérmica se manifestara en cambios de las características mecánicas de la piel completa.

Investigaciones previas también han indicado que existe una correlación positiva entre la energía UV absorbida y los cambios en las propiedades mecánicas de la epidermis, aunque no se registran diferencias entre las distintas longitudes de onda de la luz UV. El tejido dérmico subyacente normalmente absorbe mucha menor energía UV que las capas superficiales. El contenido de melanina altera también esta absorción dérmica, aunque no modifica la regresión lineal de los cambios en las propiedades mecánicas de tenacidad y de esfuerzo de fractura.

Globalmente, la luz UVA y la luz UVB inducen endurecimiento de la piel de espesor completo, junto con aumento en el esfuerzo de fractura y en la tenacidad. Existen datos de investigaciones que apoyan la hipótesis de que el endurecimiento y otros cambios en las propiedades mecánicas de la piel están relacionados con el mayor entrecruzamiento de las fibras de colágeno, producido por la radiación UV.

Los autores mencionan que la principal limitación de este estudio radica en que las muestra de piel extraídas de personas no conservan las mismas propiedades de esfuerzo, deformación y resistencia que el tejido in vivo.

En conclusión, la irradiación con cantidades suficientes de luz UVA y UVB produjo elevación del módulo de elasticidad, de la resistencia del tejido y del esfuerzo de fractura en muestras de piel de espesor completo, lo que se correlaciona con un aumento de la densidad y con mayor entrecruzamiento de las fibras de colágeno en la dermis.