角質(zhì)層結(jié)構(gòu)及功能的研究進(jìn)展

陳教全， 梁碧華， 李華平， 尹忠浩， 朱慧蘭1,

(1.廣州醫(yī)科大學(xué)， 廣東 廣州 511436； 2.廣州市皮膚病防治所, 廣東 廣州 510095)

角質(zhì)層是人類(lèi)皮膚表皮的最外層，是防止外界有害刺激如各種物理、化學(xué)物質(zhì)和病原微生物等的重要屏障。一直以來(lái)認(rèn)為理想的皮膚屏障模型是“磚—墻”模型，“磚塊”指角質(zhì)細(xì)胞和胞間結(jié)構(gòu)蛋白，被脂質(zhì)—“砂漿”包圍著，而細(xì)胞間角化?！颁摻睢甭?lián)鎖磚塊，最大程度上確保角質(zhì)層結(jié)構(gòu)的完整性。此外，角質(zhì)層含有豐富多樣的微生物群—“瓦片”，在一定程度上阻礙病原體的定植，四者共同維護(hù)皮膚角質(zhì)層屏障結(jié)構(gòu)和功能完整性。

1 角質(zhì)細(xì)胞和胞間結(jié)構(gòu)蛋白——“磚塊”

增殖性的角質(zhì)形成細(xì)胞從基底層遷移至上層，經(jīng)過(guò)棘層、顆粒層進(jìn)行脫核、扁平化，最后形成承擔(dān)大部分皮膚屏障功能的角質(zhì)細(xì)胞。胞質(zhì)中充滿由張力細(xì)絲與均質(zhì)狀物質(zhì)結(jié)合而形成的角蛋白，角質(zhì)細(xì)胞及其細(xì)胞外成分彼此緊密嵌合，為人體提供了一個(gè)保護(hù)屏障。角蛋白在表皮細(xì)胞分化的不同階段呈現(xiàn)不同表達(dá)，表達(dá)隨表皮向終末分化的過(guò)程而改變。表皮基底層是未分化的細(xì)胞，具有分裂增殖能力，表達(dá)特異性角蛋白5/14(即K5/K14)，而當(dāng)細(xì)胞上升至棘細(xì)胞層即可發(fā)現(xiàn)特異性分化蛋白K1/K10的表達(dá)。Roth等[1]在研究中發(fā)現(xiàn)在表皮層缺乏K1的小鼠中出現(xiàn)了小鼠圍產(chǎn)兒死亡，即使小鼠的皮膚屏障完整，但缺乏K1的小鼠會(huì)出現(xiàn)經(jīng)表皮水分丟失上升，提示皮膚屏障功能受損。Choate[2]和Kuske等[3]發(fā)現(xiàn)，K1或K10的突變會(huì)引起以角質(zhì)層屏障受損相關(guān)為主要表現(xiàn)的皮膚疾病，如先天性網(wǎng)狀魚(yú)鱗病樣紅皮病以及表皮細(xì)胞性魚(yú)鱗病等。同時(shí)在角質(zhì)層內(nèi)細(xì)胞膜也發(fā)生了變化，細(xì)胞膜間發(fā)生廣泛的交聯(lián)，形成不溶性的堅(jiān)韌外膜即角質(zhì)包膜(cornified envelope，CE)，作為表皮防御功能的基礎(chǔ)。CE主要由絲聚合蛋白(filaggrin，F(xiàn)LG)、內(nèi)披蛋白(involucrin,IVL)、兜甲蛋白(loricrin,LOR)等構(gòu)成，這些蛋白廣泛交叉連接，并受到角質(zhì)形成細(xì)胞轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(transglutaminase eratinocyte，TG)的調(diào)節(jié)。CE相關(guān)蛋白的形成與角質(zhì)形成細(xì)胞的增生和分化密切相關(guān)，只有當(dāng)前者的正?；蚓幋a表達(dá)和后者之間達(dá)到精準(zhǔn)平衡，表皮才能正常形成并角質(zhì)化。目前所發(fā)現(xiàn)的TG類(lèi)型中，TG1主要在角質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，并影響γ-谷氨酰-ε-賴(lài)氨酸異肽鍵的形成以及介導(dǎo)角質(zhì)包膜的支架蛋白谷氨酰胺與超長(zhǎng)鏈脂肪酸結(jié)合[4]。Haneda等[5]研究報(bào)道，TG1表達(dá)缺失的小鼠中IL-1β,CXCL1 (KC), CXCL9 (MIG) 和CCL2 (MCP1)等細(xì)胞因子和趨化因子明顯升高，引起皮膚炎癥，破壞角質(zhì)層“磚塊”的穩(wěn)定性，導(dǎo)致魚(yú)鱗病[4]發(fā)生。然而，Wiegmann等[6]發(fā)現(xiàn)TG1在Netherton syndrome患者表皮中呈現(xiàn)高表達(dá)，且淋巴上皮Kazal型相關(guān)抑制劑(lympho-epithelial kazal-type-inhibitor,LEKTI)的D6、D7和D8+9片段與TG1有共同的蛋白序列，這些片段對(duì)激肽釋放酶相關(guān)肽酶5(kallikrein-related peptidase 5，KLK5)的表達(dá)有明顯的抑制作用，提示這些片段可能成為Netherton綜合征患者的靶向治療。

Pro-FLG是顆粒層內(nèi)角化透明質(zhì)顆粒的主要成分，也是FLG的前體蛋白。從顆粒層遷移到角質(zhì)層的過(guò)程中，Pro-FLG的N末端被去磷酸化，一部分在蛋白質(zhì)分解酶的作用下切出可溶性的FLG，形成的天然保濕因子(natural moisturizing factor,NMF)，另一部分在γ-谷氨酰-ε-賴(lài)氨酸異肽鍵的交聯(lián)作用下，參與形成CE的結(jié)構(gòu)蛋白，防止水分流失，同時(shí)維持皮膚正常pH值，抵御病原體入侵。有研究[7]表明，在FLG完全缺失或者Pro-FLG降解酶缺失的小鼠中，可以發(fā)現(xiàn)表皮水分以及角蛋白絲纖維束的形成減少，角質(zhì)層的支架結(jié)構(gòu)受損，皮膚致敏、濕疹和過(guò)敏性變異的風(fēng)險(xiǎn)增加。Batista[8]、Brunner等[9]研究發(fā)現(xiàn)在成人特應(yīng)性皮炎(atopic dermatitis，AD)中，不僅觀察到FLG和緊密連接蛋白1的表達(dá)下降，而且發(fā)現(xiàn)FLG的表達(dá)與疾病的嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)，其原因可能是AD患者TH2細(xì)胞分泌IL-4、IL-13等細(xì)胞因子增多進(jìn)而下調(diào)FLG表達(dá)。

IVL主要表達(dá)于棘細(xì)胞層上部與顆粒層，是角質(zhì)形成細(xì)胞分化的標(biāo)志性蛋白，最開(kāi)始出現(xiàn)在細(xì)胞漿，最終定位在角質(zhì)包膜外層，由TG1介導(dǎo)，與神經(jīng)酰胺共價(jià)結(jié)合，連接脂質(zhì)基質(zhì)和角化細(xì)胞，參與形成角質(zhì)包膜一側(cè)的支架蛋白。有研究[10]報(bào)道，IVL缺失的小鼠模型上未顯示表皮屏障功能異常，隨后，Natsuga等[11]報(bào)道，IVL、旁血小板溶蛋白(periplakin, PPL)和包斑蛋白(envoplakin, EPL)三種蛋白表達(dá)缺陷的小鼠會(huì)出現(xiàn)角質(zhì)包膜應(yīng)對(duì)機(jī)械應(yīng)力的能力下降和細(xì)胞間橋粒連接異常，蛋白酶活性下降，F(xiàn)LG活性受到影響，角質(zhì)形成細(xì)胞過(guò)度增生，以及真皮炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)，這兩研究提示角質(zhì)包膜的支架蛋白可能存在一定的代償性。IVL表達(dá)異常與對(duì)稱(chēng)性肢端角化病、板層狀魚(yú)鱗病和銀屑病等疾病的發(fā)生有關(guān)。

LOR主要表達(dá)于顆粒層和角質(zhì)層，占角質(zhì)包膜蛋白量的80%，它由重復(fù)的甘氨酸環(huán)(甘氨酸-絲氨酸)構(gòu)成， LOR與SPRRs在TG1、TG3的催化下交聯(lián)， 與包膜外層細(xì)胞支架交聯(lián)，在角質(zhì)包膜的胞質(zhì)面內(nèi)起著加固作用。在敲除LOR的小鼠中，發(fā)現(xiàn)CE中Caspase-14和K1/K10含量下降，阻礙角質(zhì)層細(xì)胞的成熟，以及降低FLG和FLG降解酶的合成，使皮膚更易受到紫外線的刺激[12]。當(dāng)人類(lèi)LOR基因發(fā)生插入突變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致表皮完整性嚴(yán)重受損，并導(dǎo)致皮膚角化病。

2 細(xì)胞間脂質(zhì)——“砂漿”

角質(zhì)細(xì)胞外的空間主要由膽固醇、神經(jīng)酰胺、游離脂肪酸等脂質(zhì)構(gòu)成，顆粒層中的板層小體釋放脂質(zhì)前體(磷脂質(zhì)、葡糖神經(jīng)酰胺、鞘磷脂和游離氨基酸)和脂類(lèi)合成酶進(jìn)入角質(zhì)層細(xì)胞外間隙，脂質(zhì)前體被脂質(zhì)合成酶催化生成上述的胞外脂質(zhì)，并定位于角質(zhì)細(xì)胞表面，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)脂質(zhì)，即角質(zhì)層“磚—墻”結(jié)構(gòu)體系中的“灰漿”。

神經(jīng)酰胺是最豐富的胞外脂類(lèi)，占角質(zhì)層脂質(zhì)總量的45%～50%，是組成NMF的必要成分之一。天然神經(jīng)酰胺的?；滈L(zhǎng)度通常是18-C，人工制備的4-C至8-C?；溕窠?jīng)酰胺類(lèi)似物的滲透功能是6-C酰基鏈類(lèi)似物最大效應(yīng)的10.8倍，說(shuō)明短鏈神經(jīng)酰胺會(huì)降低皮膚屏障功能。Mojumdar等[13]研究顯示，增加豬表皮的長(zhǎng)鏈神經(jīng)酰胺數(shù)目，會(huì)減少脂質(zhì)形成過(guò)程中受到的干擾，同時(shí)讓脂質(zhì)密度增大，有效地防止體內(nèi)水分和電解質(zhì)的流失。含有ω-OH的神經(jīng)酰胺能共價(jià)結(jié)合于角質(zhì)細(xì)胞的角質(zhì)包膜的IVL上，由此將脂質(zhì)基質(zhì)和角質(zhì)細(xì)胞連接起來(lái)，可減少有害物質(zhì)通過(guò)毛孔、汗腺進(jìn)入皮膚，從而加強(qiáng)抗敏功效。角質(zhì)層中神經(jīng)酰胺的含量會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)不斷減少。神經(jīng)酰胺的減少可引起皮膚功能異常，如AD、銀屑病、魚(yú)鱗病的患者皮損中神經(jīng)酰胺的含量明顯低于正常皮膚。因此使用富含神經(jīng)酰胺的潤(rùn)膚劑或脂質(zhì)混合物有助于改善和恢復(fù)受損的皮膚屏障功能。

游離脂肪酸約占細(xì)胞外脂質(zhì)總量的15%。游離脂肪酸是皮膚角質(zhì)層中另一重要的結(jié)構(gòu)性組分，其鏈長(zhǎng)約C12-C24。同時(shí)游離脂肪酸的分泌與表皮pH值有關(guān)，離子狀態(tài)的游離脂肪酸是導(dǎo)致pH值變化的原因，調(diào)控pH值維持在4.0～5.5之間。與神經(jīng)酰胺相似，游離脂肪酸的碳鏈長(zhǎng)度對(duì)皮膚功能有不同的影響，當(dāng)短鏈脂肪酸含量增加，長(zhǎng)鏈脂肪酸含量下降，脂肪酸不飽和程度增加，會(huì)降低皮膚脂肪組織的密度，從而影響皮膚屏障功能[14]。Van Smeden等[15]對(duì)AD患者皮膚脂質(zhì)成分分析中發(fā)現(xiàn)患者長(zhǎng)鏈脂肪酸含量下降，而短鏈脂肪酸含量明顯升高。有研究[16]報(bào)道，將脂質(zhì)混合物中的短鏈脂肪替換為長(zhǎng)鏈脂肪時(shí)，該混合物將會(huì)具有更堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)和更高的穩(wěn)定性。

與其他組織相比，角質(zhì)層含有更豐富的膽固醇硫酸鹽，對(duì)角質(zhì)細(xì)胞相互間的黏附和脫落有顯著的調(diào)節(jié)作用。膽固醇硫酸鹽在甾體硫酸鹽酶的催化下生成膽固醇，維持皮膚屏障功能。膽固醇硫酸鹽是類(lèi)固醇硫酸酯酶的底物, 研究報(bào)道當(dāng)類(lèi)固醇硫酸酯酶基因突變時(shí)可導(dǎo)致伴X染色體隱性遺傳的魚(yú)鱗病。角質(zhì)層中膽固醇水平受ABCA12膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)節(jié)，在層狀魚(yú)鱗病、先天性魚(yú)鱗病樣紅皮癥和花斑魚(yú)鱗癬中均發(fā)現(xiàn)Abca12突變[17-18]，而且發(fā)現(xiàn)敲除Abca12基因的小鼠，表現(xiàn)由內(nèi)到外和由外到內(nèi)的皮膚屏障功能障礙。

神經(jīng)酰胺、游離脂肪酸和膽固醇在維護(hù)皮膚角質(zhì)層屏障功能穩(wěn)定中具有重要作用。當(dāng)皮膚受到外界刺激或代謝出現(xiàn)紊亂時(shí)，上述三種角質(zhì)層脂質(zhì)的含量比例會(huì)發(fā)生顯著改變。在尋常型魚(yú)鱗病和AD患者的皮損處，神經(jīng)酰胺/膽固醇比值顯著降低。有研究[19]報(bào)道，使用含有比例為3∶1∶1的神經(jīng)酰胺、膽固醇和游離脂肪酸的修復(fù)霜對(duì)治療AD、魚(yú)鱗病、刺激性接觸性皮炎、放射性皮膚炎等皮膚病引起的皮膚干燥癥狀有顯著作用。因此在使用脂類(lèi)治療皮膚屏障疾病時(shí)，需注意保持角質(zhì)層的脂類(lèi)比例的平衡，避免出現(xiàn)癥狀的加重。

3 角化?！颁摻睢?/h2>

角質(zhì)細(xì)胞間的最主要連接，是由最上層有核表皮層的橋粒分化而成的角化粒所構(gòu)成。角化粒是一種復(fù)合體，主要包括一些特殊的蛋白質(zhì)，如橋粒核心糖蛋白、橋粒糖蛋白和角膜鎖鏈蛋白等。這些結(jié)構(gòu)蛋白的分解會(huì)導(dǎo)致角化粒的破裂，引起角質(zhì)細(xì)胞脫落，即去角質(zhì)作用。因此，角化粒蛋白表達(dá)異常時(shí)，會(huì)引起細(xì)胞難以脫落或者細(xì)胞脫落過(guò)度，導(dǎo)致掌跖角化病、炎癥型脫皮等皮膚病[20]。激肽釋放酶相關(guān)肽酶、半胱胺酸蛋白酶和它們的抑制劑(如LEKTI等)含量的變化會(huì)影響角化粒的功能，進(jìn)而打破角質(zhì)層細(xì)胞的形成與脫落的平衡。在LEKTI功能障礙患者中，皮膚中的激肽釋放酶相關(guān)肽酶被過(guò)度激活，導(dǎo)致角化粒的過(guò)早脫落，引起皮膚干燥脫屑，最終出現(xiàn)Netherton syndrome等皮膚病[6]。

4 微生物——“瓦片”

微生物屏障是皮膚屏障的最外層。它由不同的微生物群落組成，覆蓋了皮膚的所有表面積。這些微生物群落的組成包括細(xì)菌、真菌和病毒，并且相當(dāng)穩(wěn)定。

通過(guò)16S rRNA測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)，皮膚微生物在門(mén)水平上至少有19個(gè)，主要包括放線菌門(mén)(51.8%)、厚壁菌門(mén)(24.4%)、變形菌門(mén)(16.5%)和擬桿菌門(mén)(6.3%)，其中丙酸桿菌、葡萄球菌、棒狀桿菌是最為豐富的三大屬[21-22]。皮膚表面定植的微生物在維持皮膚微生態(tài)的平衡、自潔、構(gòu)成角質(zhì)層屏障結(jié)構(gòu)的方面起著重要作用，當(dāng)生態(tài)失衡時(shí)，他們又變成條件致病菌，導(dǎo)致疾病的發(fā)生。在體外和豬模型中，金黃色葡萄球菌被證明可以降低claudin-1、ZO-1(TJP-1)、ZO-2(TJP-2)、occludin和粘附連接蛋白E-cadherin等角質(zhì)層連接蛋白的密度和表達(dá)，導(dǎo)致皮膚屏障等破壞[23]。研究報(bào)道，正常人金葡菌定植率為5%～30%，AD患者皮膚表面金葡菌定植超過(guò)90%[22]，其中70% 以上的葡萄球菌菌株產(chǎn)生外毒素，包括腸素 A(SEA)、腸素B(SEB)和中性休克綜合征素-Ⅰ(TSST-Ⅰ)，這些外毒素可以作為超抗原，刺激朗格漢斯細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等釋放一系列炎癥因子，導(dǎo)致皮膚屏障的破壞、加劇炎癥反應(yīng)。銀屑病患者皮損區(qū)及鼻孔中也發(fā)現(xiàn)了金黃色葡萄球菌及產(chǎn)毒菌株增加。

5 結(jié)語(yǔ)

皮膚角質(zhì)層保護(hù)人體免受外界傷害的第一道防線，相對(duì)于皮膚其他各層而言,其是表皮最為重要的組成結(jié)構(gòu)。由于角質(zhì)層的特殊結(jié)構(gòu)在皮膚的正常功能和各種相關(guān)皮膚疾病的發(fā)生中發(fā)揮著重要作用,角質(zhì)層獨(dú)特“磚—墻”和屏障功能及其詳細(xì)的作用機(jī)制仍值得進(jìn)一步研究和探討，希望隨著對(duì)皮膚生理、解剖結(jié)構(gòu)以及皮膚屏障功能與疾病發(fā)病機(jī)制的了解，我們能對(duì)皮膚屏障功能有更深入的認(rèn)識(shí)。