皮膚屏障與病毒感染的研究進展

練 霓 史麗晴 劉力豪 陳 敏

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 皮膚病醫(yī)院，南京，210042

病毒在自然界中廣泛存在，通過感染宿主細(xì)胞實現(xiàn)復(fù)制與增殖，并干擾正常的免疫應(yīng)答，繼而引起病理性改變。病毒感染性皮膚病在人群中十分常見。近年來，由于醫(yī)療技術(shù)和科研水平的逐步提高，人們對病毒感染性皮膚病的發(fā)病機制有了更新、更深入的認(rèn)識。病毒性皮膚病可以粗略分為直接感染皮膚導(dǎo)致的和病毒感染其他系統(tǒng)后的繼發(fā)皮損(表1)。多數(shù)研究仍然認(rèn)為這種直接感染一般是由于皮膚的破損或微裂隙造成，目前尚未發(fā)現(xiàn)病毒可以直接穿過完整、健康的皮膚屏障的依據(jù)。

1 皮膚的屏障功能

1.1 物理、化學(xué)屏障 皮膚作為物理屏障的一線屏障功能主要是通過表皮中的角質(zhì)層實現(xiàn)的[1,2]，這層屏障由角質(zhì)形成細(xì)胞、細(xì)胞間的脂質(zhì)和角質(zhì)橋粒構(gòu)成。顆粒層上部的角質(zhì)形成細(xì)胞側(cè)壁上的緊密連接也被認(rèn)為是物理屏障的一部分，被稱為二線屏障[3,4]。屏障破壞的原因包括細(xì)胞間脂質(zhì)的分泌減少或成分比例失調(diào)、表皮中鈣離子梯度的破壞、表皮pH值變化、表皮水合能力失衡以及損傷后的修復(fù)能力減退等[5-7]。表皮pH值存在微妙的雙相改變，即“S型”梯度，這種模式可以精確地調(diào)節(jié)表皮各層中脂質(zhì)合成的關(guān)鍵酶的活性，從而調(diào)節(jié)脂質(zhì)合成，并有助于維持角質(zhì)層中液晶結(jié)構(gòu)的分子順序。pH值改變同時可能引起細(xì)胞間脂質(zhì)失調(diào)、角質(zhì)層結(jié)構(gòu)改變和水合能力改變，從而進一步導(dǎo)致屏障破壞[7]。過度水合導(dǎo)致角質(zhì)層厚度增加，但屏障功能減弱，因為角質(zhì)形成細(xì)胞充水腫脹、細(xì)胞間隙形成微小的積水，導(dǎo)致角蛋白網(wǎng)格間隙被迫拉大[8]。鈣離子梯度破壞將會影響角質(zhì)形成細(xì)胞的終末分化和角質(zhì)化包膜的形成、阻礙表皮脂質(zhì)的正常合成以及層狀體的胞吐作用等[9]?？梢钥闯?，這些因素之間關(guān)系密切，相互影響，任何方面的異常都將引起其他功能的改變(圖1)。

圖1 表皮物理、化學(xué)屏障

1.2 免疫屏障 皮膚中免疫細(xì)胞在病毒感染早期發(fā)揮了“前哨”功能，如角質(zhì)形成細(xì)胞、朗格漢斯細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等，他們及其分泌的細(xì)胞因子限制了病毒從感染部位向周圍傳播，組成第一道免疫防

表1 與皮膚病相關(guān)的常見病毒

線[10,11]；這些細(xì)胞的胞膜表面表達(dá)多種模式識別受體(PRR)，如：C型凝集素受體、Toll樣受體、核苷酸結(jié)合寡聚域(NOD)樣受體等，可以通過識別部分病毒攜帶的病原體相關(guān)分子模式(PAMP)檢測到病毒入侵信號，激活先天免疫[12]，并觸發(fā)下游免疫信號級聯(lián)反應(yīng)，成為第二道免疫防線[13,14]。另外，皮膚的“內(nèi)在免疫”是第三道防線，提供了最直接的抗病毒防御，其介導(dǎo)產(chǎn)生的內(nèi)在限制因子可以主動結(jié)合并直接抑制病毒復(fù)制[10,13,15]。

1.3 微生物屏障 皮膚表面定植的共生微生物群可維護皮膚微環(huán)境穩(wěn)態(tài)、調(diào)節(jié)宿主細(xì)胞基因的表達(dá)，是另一道阻擊感染的有力屏障[16,17]。皮膚表面微生物群在維持皮膚穩(wěn)態(tài)和防止微生物突破宿主防御中發(fā)揮了重要作用[18-20]。微生物屏障的可能機制：調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)在早期抗原暴露后向皮膚遷移；正常情況下通過Treg產(chǎn)生IL-17以抵御病毒，而在微生物組失衡時，可能會通過皮膚樹突狀細(xì)胞引發(fā)Th2軸反應(yīng)，激活下游炎癥因子轉(zhuǎn)錄[21,22]。在部分皮膚病的發(fā)生發(fā)展過程中微生物屏障也扮演了重要角色。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，微生物屏障破壞引起的宿主細(xì)胞抗病毒免疫失衡可能激發(fā)皮膚炎癥，且與IL-23介導(dǎo)的銀屑病的發(fā)病關(guān)系密切[23]。皮膚微生物群、皮膚表面微環(huán)境和免疫系統(tǒng)之間相互交叉調(diào)節(jié)，屏障破壞、菌群失衡可能直接參與了特應(yīng)性皮炎的發(fā)病及反復(fù)發(fā)作過程[24,25]，且由何種微生物群占據(jù)主導(dǎo)地位亦與病情輕重有關(guān)[26]。另外，病毒也可以存在于正常皮膚表面，最常見的是默克爾多瘤病毒，幾乎出現(xiàn)在60%的成人中，但真正發(fā)生默克爾細(xì)胞瘤的患者卻很少[27]。病毒微生物組在皮膚微生物屏障中究竟扮演何種角色尚不明確。

2 病毒感染的機制

2.1 結(jié)合與進入 識別宿主細(xì)胞受體是病毒感染的初始步驟之一，受體的成功識別可以協(xié)調(diào)病毒靶向相應(yīng)組織進行感染并協(xié)助其順利穿越屏障[28]。

病毒感染最常見的細(xì)胞受體是唾液酸(sialic acid，SA)受體，多種病毒利用SA受體結(jié)合于宿主表皮細(xì)胞表面，例如默克爾細(xì)胞多瘤病毒，其與SA受體的相互作用可能是感染的初次暴露點，并介導(dǎo)病毒與下游次級蛋白受體發(fā)生進一步作用[29]。此外，SA受體可能是決定組織趨向性的關(guān)鍵因素，它可導(dǎo)致菌株特異性和細(xì)胞類型依賴性差異，并對病毒性疾病的結(jié)局產(chǎn)生重大影響[30]。SA近年來已經(jīng)成為抗病毒藥物研發(fā)的新興靶點[31，32]。部分病毒的識別受體是細(xì)胞黏附分子(CAM)，許多病毒能夠利用CAM潛入狹小密閉的空間，如緊密連接處。最近發(fā)現(xiàn)丙型肝炎病毒依賴E-鈣黏蛋白作為進入因子，并參與調(diào)節(jié)上皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化[33]。磷脂酰絲氨酸(PtdSer)受體，包括TIM(T細(xì)胞免疫球蛋白黏蛋白分子)以及TAM (TYRO3/AXL/MERTK) 酪氨酸激酶受體，被證明是多種包膜病毒的受體[34]。寨卡病毒(ZIKV)通過識別TAM家族成員Tyro 3和AXL感染皮膚成纖維細(xì)胞、角質(zhì)形成細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞[35]。TIM和TAM同時也是登革熱病毒的進入因子[36]。

近期，新型冠狀病毒肺炎在世界范圍引起大流行，病原體SARS-CoV-2具有高度傳染性，引起致命的呼吸道疾病。SARS-CoV-2的刺突蛋白表面包括負(fù)責(zé)與宿主細(xì)胞受體結(jié)合的功能亞基(S1)和調(diào)控病毒膜與細(xì)胞膜的融合的功能亞基(S2)。S1上的受體結(jié)合域(receptor-binding domain，RBD)與宿主細(xì)胞表面的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2(angiotensin converting enzyme2，ACE2)受體的肽酶結(jié)構(gòu)域(peptidase domain，PD)結(jié)合是協(xié)助病毒附著的關(guān)鍵步驟，成功識別后，病毒利用蛋白酶跨膜絲氨酸2(TMPRSS2)進一步刺激刺突蛋白，使其在S1/S2和S2’位點裂解，并由S2亞單位驅(qū)動病毒膜和宿主細(xì)胞膜發(fā)生融合[37-39]。

值得注意的是，SARS-CoV-2刺突蛋白的S1/S2交界處新發(fā)現(xiàn)的furin裂解位點，是該病毒有別于其他冠狀病毒的新特征，若這一裂解位點缺失將對刺突蛋白介導(dǎo)的病毒進入過程產(chǎn)生影響[40，41]。

同時，整合蛋白也可以充當(dāng)SARS-CoV-2的替代受體，在病毒的黏附、遷移和信號傳導(dǎo)過程中發(fā)揮作用。學(xué)者已經(jīng)在SARS-CoV-2的刺突蛋白上發(fā)現(xiàn)了能與整合蛋白結(jié)合的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(Arg-Gly-Asp, RGD)序列，而其他冠狀病毒并不具備這一序列。這段整合蛋白結(jié)合序列的位置非?？拷黃1-RBD，目前學(xué)者們猜測，與整合蛋白的結(jié)合可能對ACE2結(jié)合起補充作用，如通過整合蛋白發(fā)出信號來促進內(nèi)吞作用，或通過與不同受體結(jié)合介導(dǎo)不同的靶細(xì)胞感染[42]。

單純皰疹病毒(HSV)-1通過pH依賴的內(nèi)吞作用或nectin-1受體依賴的膜融合途徑進入表皮角質(zhì)形成細(xì)胞，而通過非pH依賴的病毒包膜與神經(jīng)元質(zhì)膜融合的途徑進入神經(jīng)元[43]。另外，HSV-1通過引起肌動蛋白解聚因子(cofilin-1)失活和激活引起肌動蛋白細(xì)胞骨架的雙相重塑。cofilin-1失活將誘導(dǎo)肌動蛋白聚合，促進病毒進入，而病毒進入后又再次誘導(dǎo)cofilin-1激活，導(dǎo)致聚合的肌動蛋白絲斷裂，促進病毒運輸[44]。

B組柯薩奇病毒利用DAF(衰變加速因子)介導(dǎo)的信號通路來突破上皮屏障?？滤_奇病毒受體是表皮緊密連接的組成部分，無法從皮膚表面直接接近，因而利用附著在頂端表面的DAF激活A(yù)bl激酶，觸發(fā)Rac依賴的肌動蛋白重排，使病毒得以移動到緊密連接[45]。

2.2 復(fù)制與擴散 病毒基因組的復(fù)制及其在皮膚中的擴散是成功感染和傳播的關(guān)鍵。HSV-1病毒DNA以帶有斷鍵缺口和核苷酸空隙的開放式分子形式進入宿主細(xì)胞核，啟動復(fù)制并引起宿主細(xì)胞DNA損傷[46]。HSV-1能夠破壞宿主細(xì)胞的細(xì)胞骨架和分泌途徑，利用肌動蛋白和微管進行雙向轉(zhuǎn)運，即病毒進入時從膜和軸突逆行運輸，使其能夠沿著感覺軸突將基因組轉(zhuǎn)運至胞核；在病毒裝配和退出時則轉(zhuǎn)為順行運輸，再次沿軸突重新擴散至上皮細(xì)胞[44]。

ZIKV能夠通過誘導(dǎo)皮膚成纖維細(xì)胞中的自噬來增強病毒復(fù)制[35]。一般地，自噬介導(dǎo)的蛋白降解可以限制病毒復(fù)制，但幾種蟲媒病毒，如登革熱病毒、日本腦炎病毒誘導(dǎo)的自噬則通過多種機制清除宿主免疫細(xì)胞并促進自身復(fù)制和傳播[47-49]。因而自噬可能同時具有促病毒作用和抗病毒作用。

水痘-帶狀皰疹病毒(VZV)感染直接影響角質(zhì)形成細(xì)胞的分化，改變表皮基因表達(dá)的正常過程。VZV特異地降低了基底細(xì)胞角蛋白和橋粒蛋白的表達(dá)，導(dǎo)致表皮結(jié)構(gòu)和功能的破壞，從而重塑表皮環(huán)境以促進其自身復(fù)制和傳播[50]。

既往認(rèn)為非包膜病毒一般通過胞膜溶解的方式逃脫，但有學(xué)者在宿主細(xì)胞分泌的細(xì)胞外微泡(extracellular microvesicles，EMV)中檢測到了病毒核酸，因此猜測EMV提供了一種新的非細(xì)胞溶解的擴散方法，這種機制可能會延長病毒復(fù)制過程、增強病毒穩(wěn)定性。因此病毒可能能夠 “搭便車”進入病毒通常無法穿透的組織部位，甚至可以繞過血腦屏障進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)[45，51，52]。

2.3 免疫逃逸與免疫調(diào)節(jié) 宿主抗病毒免疫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑受多種翻譯后修飾的調(diào)控，其中包括泛素化。病毒能夠利用去泛素化過程欺騙宿主免疫系統(tǒng)，病毒去泛素酶(DUB)與宿主DUB競爭性抑制先天免疫抗病毒信號傳導(dǎo)途徑，破壞免疫穩(wěn)態(tài)，這種途徑可能是病毒在與宿主共同進化時獲得了相似機制來逃避免疫監(jiān)視[53]。

柯薩奇病毒已發(fā)展出多種方式來逃避宿主的先天免疫反應(yīng)。首先，病毒與特定的受體結(jié)合，不僅可以協(xié)助病毒進入，并且協(xié)助其逃避識別；其次，免疫細(xì)胞通過識別PAMP和DAMP(損傷相關(guān)的分子模式)啟動清除病毒的內(nèi)在化過程，但是病毒同樣利用這一過程進行了免疫逃避；另外，通過阻斷宿主細(xì)胞mRNA的轉(zhuǎn)錄和蛋白合成來抑制干擾素相關(guān)信號通路、干擾模式識別受體的正常過程以及通過靶向NF-κB信號通路抑制先天免疫應(yīng)答下游轉(zhuǎn)錄因子的激活等[54，55]。

DNA感受器能夠感受胞質(zhì)中游離的病毒DNA并向宿主細(xì)胞的固有免疫系統(tǒng)發(fā)出潛在的危險信號。cGAS(cyclic GMP-AMP synthase)是一種新型的核酸轉(zhuǎn)移酶，能夠感受胞質(zhì)中游離的病毒DNA，產(chǎn)生內(nèi)源性環(huán)化核苷酸cGAMP并激活干擾素基因刺激(stimulator of interferon genes，STING)，從而進一步激活下游干擾素等細(xì)胞因子，啟動免疫反應(yīng)。但令人驚訝的是，部分皰疹病毒進化出了一系列針對該信號通路上幾乎每個關(guān)鍵步驟的逃逸機制，并利用該途徑促進自我復(fù)制。首先，HSV-1能夠使感受器癱瘓。HSV-1的包膜蛋白VP22能夠干擾cGAS正常作用；病毒編碼的UL37蛋白是一種脫酰胺酶，可對cGAS產(chǎn)生脫酰胺化作用，從而拮抗cGAMP的產(chǎn)生；病毒編碼的UL41蛋白可以介導(dǎo)關(guān)閉cGAS/STING介導(dǎo)的胞質(zhì)DNA傳感途徑[56-58]。其次，HSV-1可以破壞橋梁分子。HSV-1 VP11/12(由UL46編碼)可通過介導(dǎo)STING的降解來阻止STING信號傳導(dǎo)[59]；HSV-1的γ134.5蛋白通過抑制TANK結(jié)合激酶1(TBK1)，進而阻斷下游干擾素調(diào)節(jié)因子IRF3/IRF7的活化，抑制干擾素生成，從而促進自身復(fù)制和擴散[60]。另外，HSV-1編碼多種蛋白可以直接靶向下游轉(zhuǎn)錄因子。其中，UL42抑制TNF-α誘導(dǎo)的NF-κB活化并阻止其核易位，而UL24蛋白直接與NF-κB相互作用，抑制其激活易位[61，62]。

登革熱病毒基因組編碼的七個非結(jié)構(gòu)蛋白(Nonstructural protein，NS蛋白)共同參與免疫逃逸。NS4B與NS5甲基轉(zhuǎn)移酶聚合酶相互作用，使病毒能夠逃脫宿主細(xì)胞的先天免疫應(yīng)答；NS3和NS4a阻止視黃酸誘導(dǎo)基因I(RIG-I)易位至線粒體，NS2a和NS4b抑制TBK1的激活，共同阻斷RIG-I /線粒體信號通路和β型干擾素(IFN-β)的誘導(dǎo)；NS2b、NS3蛋白酶通過裂解STING編碼蛋白來抑制IFN的產(chǎn)生。另外，登革熱病毒還可以利用自噬小體進行復(fù)制、組裝和成熟，并在傳播過程中逃避中和抗體[63，64]。ZIKV與登革熱病毒非常類似，也是通過包膜蛋白和非結(jié)構(gòu)蛋白(主要是NS1和NS5)操縱宿主細(xì)胞，并通過調(diào)節(jié)干擾素途徑和互補拮抗作用來協(xié)助病毒免疫逃逸[65]。

有研究發(fā)現(xiàn)人皰疹病毒6型(HHV-6)可以特異性抑制NK細(xì)胞反應(yīng)。當(dāng)感染HHV-6的細(xì)胞感受到病毒入侵時，立即增加所有NKG2D(NK細(xì)胞活化型受體)配體的mRNA水平以警示免疫系統(tǒng)，而HHV-6則非常迅速的通過抑制NK配體的表達(dá)以屏蔽警示系統(tǒng)并下調(diào)免疫殺傷[66]。

另外，免疫細(xì)胞的功能在很大程度上取決于參與的代謝途徑、激活條件和細(xì)胞微環(huán)境。病毒完全依靠宿主的細(xì)胞能量和分子機制進入和復(fù)制，并能夠模仿、利用、干擾宿主細(xì)胞的代謝途徑來破壞免疫反應(yīng)。部分病毒通過靶向線粒體相關(guān)蛋白，破壞線粒體膜電位和鈣離子平衡、干擾線粒體鈣動員、破壞線粒體酶活性以及干擾代謝傳感器(例如雷帕霉素復(fù)合物1、2機制性靶標(biāo)mTORC1，mTORC2)來抑制ATP的產(chǎn)生，從而削弱抗病毒免疫應(yīng)答[67]。

3 小結(jié)

皮膚屏障是一種組件復(fù)雜、調(diào)控精細(xì)且一直處在動態(tài)變化中的防御系統(tǒng)，各部分能夠相互協(xié)調(diào)，共同抵御病毒入侵。這使得皮膚盡管長期持續(xù)地暴露在微生物、病原體下，但嚴(yán)重的皮膚感染并不常發(fā)生。本文詳細(xì)闡述了皮膚屏障應(yīng)對病毒入侵的防御措施，并對常見病毒感染性皮膚病的病原體突破屏障的策略進行總結(jié)。我們發(fā)現(xiàn)，病毒能夠利用多種策略、從多個方向、在多個水平突破皮膚屏障，并能夠抵御、逃避或者調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答。值得注意的是，盡管已經(jīng)研究了很多的抗病毒免疫應(yīng)答的分子機制，但病毒感染后有可能反過來誘導(dǎo)、調(diào)節(jié)先天性免疫信號，并利用這些信號途徑的激活來促進其在宿主中的復(fù)制和傳播。目前仍有問題待進一步解答：如何提高屏障功能并保護屏障完整性？如何更快更精準(zhǔn)的識別病毒入侵信號？如何支持持久的抗病毒免疫應(yīng)答？病毒具有很強的適應(yīng)能力，在未來，病毒感染相關(guān)性皮膚病的疾病譜可能發(fā)生演變。深入研究病毒突破皮膚屏障的機制對未來的臨床預(yù)防和治療方面都具有重要意義。