表皮角質(zhì)層屏障功能與特應(yīng)性皮炎相關(guān)研究進(jìn)展

李瑤， 孫樂棟

(南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院皮膚性病科，廣東 廣州 510280)

皮膚是覆蓋于人體最外層的屏障，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)保護(hù)人體免受外界抗原的入侵，是人體最大的器官。表皮作為皮膚的最外層，其最上層的角質(zhì)層于皮膚屏障功能的重要性不言而喻。

特應(yīng)性皮炎(atopic dermatitis, AD)是一種以濕疹樣皮損、異常干燥、頑固性瘙癢為主要臨床表現(xiàn)的慢性、反復(fù)發(fā)作性、炎癥性疾病。越來越多的研究表明，皮膚屏障的改變是AD的一個(gè)重要特征，也與其發(fā)病機(jī)制有密切聯(lián)系。了解皮膚屏障的異常改變?cè)贏D發(fā)病中的作用有助于進(jìn)一步確定適當(dāng)?shù)钠琳闲迯?fù)策略。

1 角質(zhì)層的形成

表皮細(xì)胞中，角質(zhì)形成細(xì)胞占80%以上，在分化的過程中產(chǎn)生角蛋白、黏多糖等以維持皮膚的正常滲透。經(jīng)過一系列分化過程，由最初的基底層逐漸演變到最外的角質(zhì)層，構(gòu)成了其獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)。角質(zhì)層(stratum corneum,SC)由角質(zhì)形成細(xì)胞經(jīng)過一系列嚴(yán)格調(diào)控的角化作用形成。在顆粒層時(shí)，角質(zhì)形成細(xì)胞產(chǎn)生角質(zhì)透明蛋白顆粒和板層體，角質(zhì)透明蛋白顆粒含有FLG、loricrin和角蛋白絲等SC的細(xì)胞內(nèi)成分，而板層體含有脂質(zhì)等SC的細(xì)胞外成分。在SC中，角質(zhì)形成細(xì)胞去核并扁平化，垂直堆積，嵌入膨脹的細(xì)胞外基質(zhì)中，此時(shí)在SC中已去核的角質(zhì)形成細(xì)胞被稱為角質(zhì)細(xì)胞，角質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞膜被角質(zhì)化包膜替代。板層體分泌脂質(zhì)到角質(zhì)細(xì)胞的細(xì)胞間隙中并進(jìn)行填充。SC結(jié)構(gòu)常被描述為類似于磚塊和灰漿，其中角質(zhì)細(xì)胞為磚塊，細(xì)胞間脂質(zhì)層為灰漿。正常的屏障結(jié)構(gòu)一方面可以保護(hù)機(jī)體免受外界環(huán)境的有害刺激，另一方面可以阻止組織內(nèi)水分等重要成分的喪失。在AD患者的皮損及非皮損部位，角質(zhì)層結(jié)構(gòu)蛋白異常、脂質(zhì)減少、通透性增加、經(jīng)表皮水分丟失量增加而水合作用下降，皮膚屏障功能出現(xiàn)異常[1-2]。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)蛋白——絲聚蛋白在AD中表達(dá)減少

絲聚蛋白(Filaggrin, FLG)是一種結(jié)構(gòu)蛋白，是形成角化包膜和維持細(xì)胞間凝聚力的基礎(chǔ)[3]。絲聚合蛋白原是富含組氨酸的高度磷酸化的多肽，在顆粒層/角質(zhì)層的界面上，絲聚合蛋白原被去磷酸化并水解加工成多種絲聚蛋白單體，這些單體與角蛋白絲結(jié)合并聚集到角質(zhì)細(xì)胞骨架內(nèi)的角蛋白原纖維中，從而有助于角質(zhì)層的機(jī)械強(qiáng)度和完整性[4]。

FLG的分解產(chǎn)生丙氨酸、吡咯烷酮羧酸和咪唑丙烯酸等親水性氨基酸，這些天然保濕因子(natural moisturizing factor,NMFs)在維持SC的水合作用和表面pH值起著關(guān)鍵作用，也可調(diào)節(jié)與脫皮、屏障通透性和抗菌肽的產(chǎn)生有關(guān)的蛋白酶的活性[3,5]。此外，NMFs通過與角蛋白和角蛋白絲的相互作用維持皮膚的彈性[4]。因此，臨床上?？捎^察到AD患者的皮膚干燥，且柔韌性減低。FLG缺乏導(dǎo)致表皮pH值升高，促進(jìn)絲氨酸蛋白酶活性，降解SC橋粒，抑制神經(jīng)酰胺(ceramide,CER)的產(chǎn)生，角化包膜的形成存在缺陷；還導(dǎo)致角質(zhì)細(xì)胞水合減少，水分過多流失，造成干燥、魚鱗狀的皮膚表現(xiàn)[6]。一個(gè)或兩個(gè)FLG等位基因的遺傳缺失或突變導(dǎo)致表皮FLG減少(雜合)或完全缺失(純合)[7]。在FLG-/-基因型小鼠模型中，ILC2s數(shù)量顯著增加，出現(xiàn)自發(fā)性的AD樣炎癥，并損害肺功能[8]。在中度至重度的AD病例中，大約50%歸因于FLG基因突變[9]。除了遺傳變異外，IL-4、IL-13等TH2細(xì)胞因子和外界環(huán)境因子也可下調(diào)FLG的表達(dá)。與FLG水平正常的人相比，F(xiàn)LG水平降低的人更早地出現(xiàn)AD癥狀且時(shí)間更為持久[10]。這說明了角質(zhì)層絲聚蛋白獲得性缺失在AD發(fā)病機(jī)制中的重要性[11]。

3 重要組分——脂質(zhì)在AD中的量變和質(zhì)變

CER、膽固醇及游離脂肪酸(free fat acid,FFA)是角質(zhì)層的主要脂質(zhì)。CER含量最多，是脂質(zhì)基質(zhì)的重要組成部分，有助于預(yù)防表皮水分流失。CER的數(shù)量和其鏈長(zhǎng)對(duì)脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)和皮膚屏障功能至關(guān)重要。研究表明，炎癥細(xì)胞因子降低了CER合成酶的表達(dá)。

在AD中，CER含量降低且短鏈CER比例上升[12]，這與脂質(zhì)組織異常和皮膚屏障功能下降有關(guān)。角質(zhì)層脂質(zhì)特性的變化與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，CER鏈長(zhǎng)變短加劇皮膚表面水分流失，對(duì)屏障功能的影響遠(yuǎn)大于CER亞類的變化所造成的影響[13]。

同樣，F(xiàn)FA鏈的長(zhǎng)度也影響脂質(zhì)基質(zhì)的構(gòu)象順序。長(zhǎng)鏈脂肪酸有助于維持SC結(jié)構(gòu)，而短鏈脂肪酸則破壞脂質(zhì)晶格[14]。AD病變內(nèi)的脂質(zhì)失衡是由Th2反應(yīng)誘導(dǎo)的延長(zhǎng)酶的表達(dá)下調(diào)引起的，而延長(zhǎng)酶是FA鏈延長(zhǎng)的關(guān)鍵酶[14-15]。

FLG的分解產(chǎn)物有助于維持SC的酸性pH值，而SC的酸性pH值反過來又調(diào)節(jié)參與合成CER的各種酶的活性[7]。那么SC脂質(zhì)是否受FLG基因型的影響成為一個(gè)問題。在AD患者中，根據(jù)FLG基因進(jìn)行細(xì)分，發(fā)現(xiàn)SC脂質(zhì)組成沒有顯著差異。FLG基因突變對(duì)SC脂質(zhì)沒有直接影響，而可能是通過影響絲聚蛋白表達(dá)的其他因素來間接影響SC脂質(zhì)[13]。炎癥、絲聚蛋白、SC脂質(zhì)和延長(zhǎng)酶活性之間的相互作用還需要進(jìn)一步的研究。

4 角質(zhì)化包膜在AD中的異常形成

角質(zhì)化包膜(cornified envelope，CE)是一種堅(jiān)韌的蛋白質(zhì)脂質(zhì)聚合物屏障結(jié)構(gòu)，形成于細(xì)胞質(zhì)膜下方，位于角質(zhì)細(xì)胞的表面[16]。它由高度交聯(lián)的不溶性蛋白和附著在其上的細(xì)胞外脂質(zhì)組成，是SC的一個(gè)重要物理屏障。細(xì)胞內(nèi)Ca2+的增加會(huì)誘導(dǎo)表皮角質(zhì)細(xì)胞的終末分化，其主要靶標(biāo)是谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶(TGase)。隨著細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平的升高，角質(zhì)形成細(xì)胞產(chǎn)生envoplakin、periplakin和involucrin等蛋白，并通過TG1和TG5相互交聯(lián)，同時(shí)為角蛋白絲和橋粒蛋白提供結(jié)合位點(diǎn)，增強(qiáng)了角質(zhì)細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度。此外，來自顆粒層的loricrin和富含脯氨酸的小蛋白家族，通過谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶等的作用，最終與角質(zhì)化包膜中的involucrin支架緊密交聯(lián)，進(jìn)一步增強(qiáng)了CE的機(jī)械穩(wěn)定性。除了envoplakin、periplakin、involucrin、 loricrin和角蛋白絲等相關(guān)蛋白，TG1還將細(xì)胞外神經(jīng)酰胺等脂質(zhì)結(jié)合到involucrin的支架上[16-17]。

編碼CE蛋白的基因聚集在位于1q21號(hào)染色體上的表皮分化復(fù)合體(epidermal differentiation complex,EDC)中[18]。EDC基因包括S100A家族、loricrin、involucrin、SPRR角化包膜前體蛋白家族和S100融合型蛋白[16]。多數(shù)EDC基因顯示出高度同源的序列相似性，表明CE由“冗余”機(jī)制組成，即一個(gè)EDC蛋白的缺失可以由其他蛋白表達(dá)的增加來進(jìn)行補(bǔ)償[18]。編碼envoplakin、periplakin、 involucrin等基因的單基因敲除小鼠沒有表現(xiàn)出任何異常的表皮表型。這三個(gè)基因的三重敲除導(dǎo)致角質(zhì)化包膜的超微結(jié)構(gòu)異常、脂質(zhì)含量下降、蛋白酶的表達(dá)降低，使表皮屏障功能缺陷[19]。在特應(yīng)性皮炎中，角化包膜蛋白的表達(dá)發(fā)生改變，如involucrin和loricrin，以及S100蛋白的表達(dá)減少。SPRR3是一種CE前體蛋白，在AD皮損中表達(dá)減少，其可能通過改變角質(zhì)化包膜支架，損害脂質(zhì)，使角質(zhì)化包膜變薄。SPRR3 的mRNA水平下降與AD的早期發(fā)作有關(guān)，AD病程較重的患者病灶皮膚的SPRR3蛋白水平低于病程較輕的AD患者[17]。結(jié)構(gòu)研究表明，特應(yīng)性皮炎的SC內(nèi)聚性差，不僅與SPRR缺陷有關(guān)，還與其他幾個(gè)CE前體缺陷有關(guān)。

5 SC的脫屑過程及其相關(guān)調(diào)控蛋白在AD中活性異常

在SC的表層，角質(zhì)細(xì)胞不斷脫落，這種現(xiàn)象被稱為脫屑。細(xì)胞角質(zhì)化和脫屑的過程必須相互協(xié)調(diào)進(jìn)行，以維持適當(dāng)?shù)腟C厚度。這種連續(xù)不斷的脫落過程有助于清除有害微生物或傳染性病毒。角質(zhì)層中膽固醇硫酸鹽對(duì)角質(zhì)細(xì)胞脫屑有重要作用，過量的膽固醇硫酸鹽抑制脫屑而其水解則促進(jìn)脫屑。其次，多種蛋白酶參與調(diào)控角質(zhì)細(xì)胞脫屑這一過程，它們分解連接角質(zhì)細(xì)胞的角化橋粒，從而使角化細(xì)胞從皮膚表面脫落，其中主要的蛋白酶是激肽釋放酶相關(guān)肽酶(kallikrein-related peptidase,KLK)。KLK除了分解角化橋粒鈣黏蛋白使角質(zhì)細(xì)胞脫落，還可激活蛋白酶激活受體-2，加重皮膚炎癥[20-21]。

KLK受表面pH值的影響，其活性隨表面pH值的升高而增強(qiáng)，同時(shí)，KLK的酶活性也受蛋白酶抑制劑的嚴(yán)格調(diào)控，如SPINK5基因編碼的絲氨酸蛋白酶抑制劑(LEKTI)。KLK和LEKTI儲(chǔ)存在板層體中，從顆粒層逐漸釋放到角質(zhì)層細(xì)胞間質(zhì)中相互作用。在英國(guó)和亞洲人群中，SPINK5基因多態(tài)性與AD存在顯著的相關(guān)性[22-23]。部分AD患者存在SPINK5基因突變導(dǎo)致LEKTI缺失，KLK5、KLK7活性增強(qiáng)，表皮過度脫落。在SPINK5基因敲除小鼠的SC中發(fā)現(xiàn)KLK5活性升高，CDSN降解增加，小鼠表皮屏障功能缺陷[24]。蛋白酶及其抑制劑共同作用維持著表皮角質(zhì)層正常的脫屑過程，進(jìn)而保護(hù)了表皮屏障的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[25]。

6 AD皮膚微生物區(qū)的生態(tài)紊亂

皮膚為各種微生物提供了生態(tài)位，通過Th17細(xì)胞免疫反應(yīng)和抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)的分泌來滋養(yǎng)共生菌群并阻止病原菌的生長(zhǎng)，多種微生物的相互平衡可以維持皮膚的正常狀態(tài)[26]。皮膚微生物的生態(tài)失衡是AD的一個(gè)標(biāo)志。AD患者皮膚細(xì)菌的多樣性隨著金黃色葡萄球菌的增加和表皮葡萄球菌的減少而降低[27]。皮膚微生物區(qū)的這種變化可能與皮膚保護(hù)機(jī)制的缺陷有關(guān)。

AMPs在皮膚免疫防御系統(tǒng)中有重要意義，可直接殺傷病原體、促進(jìn)傷口愈合、細(xì)胞分化和再上皮化，調(diào)節(jié)宿主的炎癥反應(yīng)，與皮膚菌群協(xié)同相互作用，在維持皮膚屏障功能方面起著至關(guān)重要的作用[28]。皮膚中AMP的主要細(xì)胞來源是角質(zhì)形成細(xì)胞、肥大細(xì)胞、嗜中性粒細(xì)胞、皮脂腺細(xì)胞和外分泌腺的上皮細(xì)胞，構(gòu)成了主要的抗菌防御機(jī)制。其中HBD-2和IL-37是主要的AMP，具有廣譜抗菌活性[29]。在特應(yīng)性皮炎的皮膚病灶處，角質(zhì)形成細(xì)胞內(nèi)抗菌肽的產(chǎn)生是受抑制的[29]。與cathelin相關(guān)抗菌肽的敲除小鼠表現(xiàn)出通透性屏障恢復(fù)的延遲[30]。

AD患者皮膚的AMP生成量顯著降低，Nomura等[31]提出AMP的減少是由Th2細(xì)胞因子IL-4和IL-13對(duì)其的抑制作用引起。AMP的減少降低了AD患者皮膚屏障的抗菌功能，導(dǎo)致皮膚對(duì)金黃色葡萄球菌等致病菌的敏感性增加[32]。而金黃色葡萄球菌產(chǎn)生的絲氨酸蛋白酶能夠消化上皮屏障，釋放腸毒素，并誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子如IL-4、IL- 12和IL-22的分泌，導(dǎo)致AMP水平的進(jìn)一步下降[10,33]。

除了金黃色葡萄球菌的高定植率外，AD患者還容易并發(fā)皮膚的病毒性感染。LL-37是皮膚中一種重要的AMP，具有抗病毒活性[34]。LL-37缺陷的小鼠皮膚中HSV-2的復(fù)制活躍[35]。在AD患者中，LL-37水平越低的患者越容易并發(fā)皰疹性皮疹[36]。此外，馬拉色菌感染也容易發(fā)生于AD患者[37]。

除了抗菌肽的減少外，皮膚表面pH值升高，F(xiàn)FA、神經(jīng)酰胺代謝物和鞘氨醇等抗菌活性物質(zhì)的減少也使AD患者皮膚感染的風(fēng)險(xiǎn)增高。

7 結(jié)語(yǔ)

特應(yīng)性皮炎發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，涉及免疫、環(huán)境和遺傳等多方面因素。其中，皮膚屏障功能異常與AD的發(fā)病有密不可分的關(guān)系，也是AD發(fā)病的研究熱點(diǎn)之一。FLG等蛋白表達(dá)的異常、細(xì)胞間脂質(zhì)含量的下降、角質(zhì)化包膜的異常結(jié)構(gòu)和角質(zhì)細(xì)胞的反常脫落都可以引起表皮角質(zhì)層屏障功能的變化，進(jìn)而引發(fā)或促進(jìn)AD的發(fā)生和發(fā)展。深入了解表皮角質(zhì)層屏障功能在AD中的作用可為今后的研究和治療提供新的思路。