經(jīng)表皮水分流失與皮膚屏障的遺傳學(xué)研究

汪小蒙 楊 森,2

皮膚對危險物質(zhì)的進入和水的流出有獨特的障礙，對維持機體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定起著重要的作用，盡管有其屏障功能，但仍有水分不斷蒸發(fā)，這些蒸發(fā)水大部分來自底層組織，通過角質(zhì)層到外部環(huán)境，經(jīng)表皮水分流失(TEWL)值是反映水分從皮膚表面蒸發(fā)量的大小，是評價皮膚屏障功能的生理參數(shù)之一，在皮膚屏障功能研究中應(yīng)用廣泛，影響皮膚屏障功能的環(huán)境因素相關(guān)的研究很多，而關(guān)于遺傳因素的研究則相對較少，皮膚屏障的遺傳學(xué)研究從遺傳角度解釋皮膚屏障的人群差異及功能受損機制，為理解皮膚屏障受損原因乃至治療皮膚疾病等提供了新的思路。

1 TEWL與皮膚屏障

1.1 TEWL與皮膚屏障的關(guān)系 人體皮膚是身體與環(huán)境之間的主要屏障，皮膚的屏障性質(zhì)主要存在于表皮外層15 μm，即角質(zhì)層，由角質(zhì)細胞及脂質(zhì)構(gòu)成，其主要功能為防止水分流失以及避免環(huán)境中的化合物滲入至表皮層和真皮層而引發(fā)免疫反應(yīng)。皮膚可以防止紫外線輻射，并分別通過色素沉淀和角化過程作為TEWL的屏障[1]， TEWL是測量水份從真皮和表皮的較深水合層向皮膚表面擴散的通量密度，通常以g/m2·h表示，用于確定表皮滲透性屏障狀態(tài)，評價皮膚屏障功能[2]，有確切的證據(jù)表明，TEWL增加與皮膚屏障功能障礙相關(guān)，而正?；驕p少的TEWL被認為是完整或恢復(fù)的皮膚屏障的指標(biāo)[3]。

1.2 TEWL的影響因素

TEWL值受角質(zhì)層的狀態(tài)和功能的影響，作為衡定皮膚屏障功能最重要的參數(shù)之一,TEWL值可能受到解剖部位、出汗量、皮膚表面溫度、個體異質(zhì)性、空氣對流、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和儀器等影響，此外還有研究指出TEWL值會受被測者的心理壓力、吸煙、皮膚微循環(huán)功能等因素影響[4-6]。不同年齡段的人群，TEWL值也有所不同，老年人的TEWL值較年輕人低，其原因可能是：(1)老年皮膚的角質(zhì)層較厚；(2)老年皮膚的角質(zhì)層中含有更多的氫鍵結(jié)合水分子；(3)老年皮膚的角質(zhì)層具有更高的有序脂質(zhì)組織；(4)老年皮膚的角質(zhì)層具有較高的天然保濕因子濃度[7]。足月新生兒的TEWL值較成人高，其原因是嬰幼兒與成年人角質(zhì)層的結(jié)構(gòu)差異以及皮膚乳頭的密度和分布不同，從而導(dǎo)致嬰幼兒皮膚屏障功能較弱，并表現(xiàn)為水處理性能較差[8]，早產(chǎn)兒的TEWL值也被發(fā)現(xiàn)較足月新生兒高[9]。德國一項研究對18～64歲健康人群的TEWL值進行了meta分析，研究結(jié)果顯示TEWL值的最低部位是乳房區(qū)域的皮膚，為2.3 g/m2·h，最高部位是腋窩區(qū)域的皮膚，為44.0 g/m2·h[10]。 一項足月新生兒TEWL值的研究顯示，足月新生兒的早期有一個完整的內(nèi)外皮膚屏障，其TEWL值顯示正態(tài)分布(7.06±3.41 g/m2·h)，這項研究建立了一個規(guī)范的健康足月嬰兒TEWL值的數(shù)據(jù)庫[11]。以上這些研究為健康人群的皮膚屏障功能的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值提供了重要參考。

2 TEWL與皮膚屏障相關(guān)基因

皮膚屏障相關(guān)基因有很多，包括中間絲相關(guān)蛋白(filaggrin，F(xiàn)LG)、緊密連接蛋白1(claudin-1，CLDNl)、角質(zhì)層糜蛋白酶(human tissue kallikreins7，KLK7)、肥大細胞糜蛋白酶(mastcell chymase，CMA1/MCC)、絲氨酸肽酶抑制劑Kazal 5型(serine peptidase inhibitor Kazal type 5,SPINK5) 和胱胺蛋白(cystatin A，CSTA)等，皮膚屏障相關(guān)基因的突變，均可導(dǎo)致皮膚屏障功能缺陷，使受損皮膚TEWL值升高，從而導(dǎo)致特應(yīng)性皮炎等相關(guān)疾病發(fā)生，在皮膚屏障的遺傳學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，某些基因的突變或缺失與TEWL值的升高或降低存在相關(guān)性，從而證明這些基因在維護皮膚屏障功能中起著重要作用,以下列舉研究中發(fā)現(xiàn)的幾種與TEWL值相關(guān)的基因。

2.1 FLG與TEWL FLG編碼由角質(zhì)形成細胞產(chǎn)生的絲聚蛋白，其單體的交聯(lián)將角蛋白絲聚集成緊密束。在角質(zhì)層的下層，F(xiàn)LG通過肽基精氨酸脫亞氨酶(PAD)1，PAD3，半胱天冬酶14，鈣蛋白酶1和博來霉素水解酶進一步加工成吸濕氨基酸極其衍生物，其衍生物稱為天然保濕因子，在角質(zhì)層水合中起主要作用，負責(zé)角質(zhì)層的強度和完整性，并調(diào)節(jié)皮膚對水和抗原的滲透性[12,13]。絲聚蛋白(FLG)基因的突變存在于高達50%的中度至重度特應(yīng)性皮炎患者中[14]，而在一項嬰兒特應(yīng)性濕疹的研究中顯示FLG突變與TEWL增加顯著相關(guān)[15]，表明嬰兒特應(yīng)性濕疹的發(fā)生與FLG突變有關(guān)。

2.2 SPINK5與TEWL SPINK5編碼蛋白質(zhì)產(chǎn)物淋巴上皮型Kazal型相關(guān)抑制劑(LEKTI)，是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑，其作用是抑制絲氨酸蛋白酶激肽釋放酶5(KLK5)，LEKTI與KLL7、KLK14共同參與調(diào)節(jié)脫屑過程[16]。皮膚屏障的完整性被認為是抗IgE介導(dǎo)的食物過敏的關(guān)鍵保護因素，在一項研究SPINK5變體和IgE介導(dǎo)的食物過敏之間的遺傳關(guān)聯(lián)研究中，TEWL的分析數(shù)據(jù)初步證實了與食物過敏相關(guān)的SPINK5單核苷酸多態(tài)性對皮膚屏障通透性有隱性作用，研究顯示SPINK5變體rs9325071與食物過敏有關(guān)，并且證實了該SNP與升高的TEWL相關(guān)聯(lián)[17]。

2.3 CLDN與TEWL CLDN為細胞間的連接蛋白，對皮膚屏障起重要作用，同時還參與細胞的增殖與分化[18,19]， CLDN1編碼的蛋白質(zhì)為表皮緊密連接蛋白-1，該蛋白質(zhì)對于經(jīng)皮水分流失起重要作用[20]，在小鼠身上敲除Cldn-1后可導(dǎo)致TEWL增加，并導(dǎo)致小鼠出生后第一天內(nèi)死亡[21]，TEWL的增加不是因為緊密連接屏障功能降低[22]，而是因為角質(zhì)層水分滲透性的增加[23]。還有研究顯示CLDN1表達在特應(yīng)性皮炎患者的皮損中下調(diào)，這些變化是由炎癥引發(fā),CLDN1(3q28)的基因變異與特應(yīng)性皮炎發(fā)生的風(fēng)險及疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)[24,25]。

2.4 PPARG、ACACB與TEWL PPARG(Peroxisome proliferator-activated receptor gamma)過氧化物酶體增殖物激活γ受體在皮膚生理中的作用是激活aVects細胞增殖，調(diào)節(jié)細胞分化，免疫應(yīng)答和細胞凋亡[26,27]。ACACB(Acetyl coenzyme A carboxylase beta)乙酰輔酶A羧化酶β的作用是參與游離脂肪酸合成，小鼠的皮膚屏障破壞后可測得該酶的mRNA表達增加[28]。在一項研究保濕劑影響皮膚屏障功能的機制實驗中發(fā)現(xiàn)， PPARG和ACACB mRNA表達與TEWL呈線性負相關(guān)[29]，從而為鑒定其在正常屏障功能中的作用提供了重要依據(jù)。

2.5 S100A8與TEWL S100A8屬于S100家族蛋白質(zhì)，在特應(yīng)性皮炎的急性期起著重要作用[36]，國外一項研究發(fā)現(xiàn)，在Serpinb3a KO小鼠中發(fā)現(xiàn)S100A8的誘導(dǎo)顯著減弱，且TEWL與S100A8 mRNA表達水平相關(guān)，從而推測Serpinb3a可能影響S100A8表達，并引起TEWL增加[37]。

2.6 TEWL與其他相關(guān)基因 在皮膚屏障功能的遺傳學(xué)研究的動物模型中，發(fā)現(xiàn)某些基因的突變或缺失會影響其TEWL值。例如過度表達KLK7的老鼠所測量的TEWL值降低[30]，在敲除基因N-WASP后的小鼠身上可以發(fā)現(xiàn)其屏障功能缺陷及TEWL增加，并出現(xiàn)特應(yīng)性皮炎樣炎癥[31]，Ctip2在老鼠表皮中的選擇性消融后可導(dǎo)致表皮增生受損，TEWL增加[32]，BLT2基因缺陷的小鼠表現(xiàn)出較高的TEWL[34]。最新一項研究設(shè)計一種轉(zhuǎn)基因小鼠模型，使其在角蛋白14啟動子的控制下過度表達與單純皰疹VP16結(jié)構(gòu)域連鎖的人類PXR基因，研究結(jié)果顯示轉(zhuǎn)基因小鼠TEWL增加，表明PXR的活化可能導(dǎo)致皮膚屏障受損[35]。

這些研究通過發(fā)現(xiàn)某些基因與TEWL之間的相關(guān)性，從而在一定程度上證明了這些基因?qū)τ诰S持表皮穩(wěn)態(tài)和保護性屏障的形成中起著重要作用，為了解人類皮膚屏障功能的遺傳因素提供了有利參考。

3 TEWL與皮膚屏障功能的遺傳學(xué)研究

為了檢測遺傳變異與經(jīng)表皮失水率之間的潛在相關(guān)性，國內(nèi)一項研究首次對基底TEWL進行了全基因組關(guān)聯(lián)研究(GWAS)，發(fā)現(xiàn)位于9號染色體9q34.3區(qū)域的一系列突變位點與TEWL密切相關(guān)，這些位點位于一個3.34kb的強連鎖區(qū)域內(nèi)，最顯著的信號rs11103631位于FCN1與OLFM1基因之間[38]，表觀遺傳學(xué)研究結(jié)果顯示包含該信號的連鎖不平衡區(qū)段表現(xiàn)出不同的的活性增強子標(biāo)志，從而影響纖維膠凝蛋白1(FCN1)的表達。FCN1在基底角質(zhì)細胞中表達，參與調(diào)控老化人群的皮膚屏障修復(fù)[40],該位點的突變會導(dǎo)致經(jīng)皮失水率增高，使屏障功能減退，故推測rs11103631突變是通過改變FCN1基因的表達，進一步影響皮膚屏障功能。該研究是首次針對漢族健康人群的皮膚屏障功能進行全基因組關(guān)聯(lián)研究，從遺傳角度解釋了人群的皮膚屏障功能之間的差異性。

國外另一項研究為了解皮膚表皮屏障功能恢復(fù)情況，在角質(zhì)層剝離后的2 h,6 h,18 h,30 h和72 h 5個時間點進行TEWL測量，并收集表皮樣品提取總RNA，使用DermArray cDNA進行微陣列分析。結(jié)果顯示老年人的屏障恢復(fù)較年輕人延遲，表皮cDNA微陣列的分析顯示延遲原因可能與KRT6B及SPPR1B基因(編碼角質(zhì)蛋白)延遲誘導(dǎo)有關(guān)，在這項研究中，TEWL測量提供了屏障恢復(fù)動力學(xué)的宏觀視圖，是屏障功能的總體評估，而微陣列分析按時間順序確定了表皮恢復(fù)期間發(fā)生的主要分子過程，加深了對基礎(chǔ)表皮恢復(fù)過程中各種生物功能的理解，二者相結(jié)合，為研究皮膚的屏障功能提供了更全面的信息[40]。

4 結(jié)語

皮膚屏障的遺傳學(xué)研究從遺傳角度解釋皮膚屏障受損機理及人群差異，經(jīng)表皮水分流失(TEWL)作為一種簡單、無創(chuàng)的測量內(nèi)在皮膚屏障功能的工具，運用范圍廣泛，將TEWL與皮膚屏障的遺傳學(xué)研究有機的融合在一起，為探索皮膚屏障的遺傳因素提供了新的方法和思路，未來在皮膚屏障的遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用會越來越廣泛。