紫外線照射對(duì)表皮屏障功能的影響

周子瑋，林乃余, 韓建德

中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院皮膚科，廣東 廣州 510080

表皮屏障是人體的第一道防線，主要由角質(zhì)層屏障和顆粒層的緊密連接屏障等組成。表皮屏障可以阻擋過(guò)多的體內(nèi)水分向外流失，也可以防止環(huán)境中的病原體、過(guò)敏原等有害物質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)。表皮屏障損傷參與包括銀屑病、痤瘡[1-2]和部分過(guò)敏性疾病等的發(fā)病，如特應(yīng)性皮炎(atopic dermatitis, AD)和變應(yīng)性接觸性皮炎[3-4]。紫外線照射(ultraviolet radiation, UVR)、環(huán)境污染、基因突變、衰老等多種因素均能造成表皮屏障功能障礙。紫外線可根據(jù)其波長(zhǎng)細(xì)分:長(zhǎng)波紫外線(ultraviolet radiation A, UVA)(320～400 nm)、中波紫外線(ultraviolet radiation B, UVB)(280～320 nm)和短波紫外線(ultraviolet radiation C, UVC)(100～280 nm)。UVC被臭氧層和水蒸氣、氧氣和二氧化碳等大氣成分吸收，不會(huì)到達(dá)地球表面。UVB能到達(dá)皮膚的表皮層，而UVA可以穿透表皮，并在皮膚深層發(fā)揮作用。因此，紫外線對(duì)表皮屏障的大部分影響是由UVA、UVB或兩者組合產(chǎn)生的。本文綜述紫外線照射對(duì)表皮屏障功能的影響。

1 表皮屏障的組成

1.1 角質(zhì)層屏障

角質(zhì)層(stratum corneum, SC)是表皮的最外層，由堆疊的終末分化的角質(zhì)細(xì)胞和充滿于角質(zhì)細(xì)胞間的細(xì)胞外脂質(zhì)組成一種“磚塊和泥漿”的結(jié)構(gòu)。SC的屏障能力取決于角質(zhì)細(xì)胞、角化包膜、天然保濕因子及細(xì)胞外脂質(zhì)。

1.1.1 角質(zhì)細(xì)胞及角化包膜 角質(zhì)形成細(xì)胞經(jīng)由基底層、棘細(xì)胞層、顆粒層，最終分化成為表皮最外層的角質(zhì)細(xì)胞，形成其獨(dú)特的多層結(jié)構(gòu)。角蛋白是角質(zhì)形成細(xì)胞的主要基因產(chǎn)物。角質(zhì)細(xì)胞沒(méi)有質(zhì)膜，而是形成角化包膜。角化包膜是由角蛋白纖維聚集形成張力纖維束，并與絲聚蛋白(filaggrin, FLG) 、兜甲蛋白(loricrin, LOR) 、外皮蛋白(involucrin, IVL)等角化包膜結(jié)構(gòu)蛋白高度交聯(lián)形成的不溶性膜結(jié)構(gòu)。角化包膜在提供抵御外界機(jī)械張力、防止病原體和過(guò)敏原入侵、阻止體內(nèi)水分過(guò)度流失中有重要作用。絲聚蛋白基因的功能缺失性突變是AD及變應(yīng)性疾病(如刺激性接觸性皮炎)的主要危險(xiǎn)因素[3-4]。兜甲蛋白占角質(zhì)層蛋白總量的70%～85%，人類兜甲蛋白基因的插入突變會(huì)導(dǎo)致表皮完整性嚴(yán)重受損，產(chǎn)生角化性皮膚病[5]。銀屑病患者中也存在兜甲蛋白表達(dá)下降，表皮屏障受損，各種抗原容易侵入的情況[1]。

1.1.2 天然保濕因子 天然保濕因子(natural moisturizing factors，NMFs)的主要成分包括FLG分解生成的吸濕性游離氨基酸(free amino acids, FAAs)及其衍生物，如吡咯烷酮羧酸、反式尿刊酸、乳酸和尿素。在環(huán)境濕度較低的情況下，NMFs可維持皮膚水合作用和角質(zhì)層內(nèi)的保水性。弗林蛋白酶、胱天蛋白酶-14、博來(lái)霉素水解酶被認(rèn)為是FLG最終降解為FAAs的關(guān)鍵酶。胱天蛋白酶-14可能參與FLG向NMFs的早期降解，胱天蛋白酶-14缺乏的小鼠表現(xiàn)出皮膚干燥和AD[6]。在AD犬模型上發(fā)現(xiàn)胱天蛋白酶-14表達(dá)下調(diào)[7]。博來(lái)霉素水解酶參與了降解過(guò)程的后期階段，博來(lái)霉素水解酶敲除的小鼠在新生期表現(xiàn)出全身鱗屑和輕度魚鱗病。AD和銀屑病患者皮損中博來(lái)霉素水解酶的活性和表達(dá)均明顯降低[8]。

1.1.3 細(xì)胞外脂質(zhì) 角質(zhì)層的細(xì)胞外脂質(zhì)由顆粒層細(xì)胞中的板層小體分泌，由質(zhì)量占比50%的神經(jīng)酰胺、25%的膽固醇、15%的游離脂肪酸(free fatty acid, FFA)近等摩爾比例分配而成。任何一種含量減少均可改變維持屏障功能的最適摩爾比例，危及屏障的完整性。目前發(fā)現(xiàn)有12種神經(jīng)酰胺，神經(jīng)酰胺表達(dá)譜異?？梢云茐募?xì)胞外脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)，干擾表皮自我更新，加劇皮膚免疫反應(yīng)，并促進(jìn)多種炎癥性皮膚病的進(jìn)展。AD患者體內(nèi)編碼延長(zhǎng)酶的mRNA表達(dá)降低，超長(zhǎng)鏈神經(jīng)酰胺(長(zhǎng)度超過(guò)26個(gè)碳的神經(jīng)酰胺)普遍減少而短鏈神經(jīng)酰胺增加[9]。表皮神經(jīng)酰胺組成的改變與經(jīng)皮水丟失(trans-epidermal water loss, TEWL)增加和特應(yīng)性皮炎嚴(yán)重程度評(píng)分指數(shù)(scoring atopic dermatitis index,SCORAD)增加相關(guān)[10]。AD患者體內(nèi)IL-13抑制脂肪酸延長(zhǎng)酶的表達(dá)，造成長(zhǎng)鏈FFA比例降低[9]。在痤瘡患者中發(fā)現(xiàn)神經(jīng)酰胺鏈長(zhǎng)的減少和不飽和游離脂肪酸含量的增加導(dǎo)致脂肪組織的改變和皮膚屏障功能的降低[2]。

1.2 緊密連接屏障

緊密連接(tight junctions, TJs)位于角質(zhì)層下方的顆粒層，主要由閉合蛋白(occludin)、密封蛋白(claudin)與連接黏附分子(zonula occludens, ZO)等蛋白組成。這些緊密連接蛋白按一定的比例精密地交互連接，形成緊密連接復(fù)合體[11]。如果某一緊密連接蛋白的表達(dá)量升高或降低，緊密連接復(fù)合體的穩(wěn)定狀態(tài)改變，表皮的屏障功能受損[12]。TJs可調(diào)節(jié)旁細(xì)胞途徑中水和溶質(zhì)的含量，已證實(shí)TJs對(duì)低于550道爾頓的小分子起細(xì)胞間通透性屏障作用[13]。顆粒層的TJs維持滲透壓平衡，有助于形成完整的角質(zhì)層屏障。Claudin-1缺失的患者可出現(xiàn)魚鱗性、干燥性和片狀皮膚。AD患者中Claudin-1的表達(dá)也是降低的，Claudin-1降低超過(guò)閾值后對(duì)特應(yīng)性皮炎皮損的影響呈劑量依賴性[14]。

2 紫外線照射和表皮屏障功能

表皮屏障有多層結(jié)構(gòu)，且不斷分化和更新，來(lái)承受外部的傷害。對(duì)表皮影響最大的外部刺激是來(lái)自陽(yáng)光的UVR。UVR與光敏劑通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)生成自由基或單線態(tài)氧，啟動(dòng)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸的光修飾。研究發(fā)現(xiàn)，受到紫外線輻射后，細(xì)胞內(nèi)抗氧化酶被抑制，導(dǎo)致TEWL增加，破壞皮膚屏障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[15]。表皮屏障損害主要表現(xiàn)在TEWL升高，紅斑指數(shù)升高、皮膚脆弱、易感染或過(guò)敏等。暴露的量(高與低)、類型(UVA、UVB或日光)和頻率(急性、慢性或間歇性)都是決定紫外線生物效應(yīng)的重要變量。在小鼠模型實(shí)驗(yàn)中，研究者們就照射超過(guò)最小紅斑量(minimal erythema dose, MED)的UVR可以破壞表皮屏障功能達(dá)成共識(shí)。UVB照射無(wú)毛小鼠，可觀察TEWL的增加以劑量和時(shí)間依賴的方式發(fā)生，且角質(zhì)層的水合能力降低。一項(xiàng)針對(duì)15例健康韓國(guó)男性的研究發(fā)現(xiàn)，下背部皮膚暴露于0.75倍MED或更高劑量在24 h內(nèi)以劑量依賴性方式促進(jìn)TEWL增加[16]。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)10例受試者的前臂、掌部的皮膚進(jìn)行UVR(0.5、1和1.5倍MED)，發(fā)現(xiàn)TEWL增加，SC的結(jié)合水含量也有所增加[17]。另一項(xiàng)研究對(duì)慢性光化性皮炎患者曝光部位表皮的測(cè)試發(fā)現(xiàn)TEWL明顯升高，角質(zhì)層水合能力明顯降低[18]。

2.1 UVR與角質(zhì)形成細(xì)胞、角化包膜

在人類表皮上的實(shí)驗(yàn)顯示，急性UVR誘導(dǎo)有絲分裂活動(dòng)增加，持續(xù)數(shù)天的慢性UVR可導(dǎo)致表皮厚度增加。缺氧誘導(dǎo)因子-1α是一種參與調(diào)控角質(zhì)形成細(xì)胞周期的轉(zhuǎn)錄因子，UVR誘導(dǎo)的缺氧誘導(dǎo)因子-1α的下調(diào)可能與表皮增生有關(guān)[19]。UVR誘導(dǎo)角質(zhì)形成細(xì)胞增殖增加，這可能暗示一種修復(fù)紊亂屏障的代償機(jī)制。在慢性光化性皮炎中的研究發(fā)現(xiàn)，UVB誘導(dǎo)的hsa-miR221-3p 過(guò)表達(dá)或原癌基因FOS敲除可促進(jìn)角質(zhì)形成細(xì)胞增殖并抑制細(xì)胞凋亡[20]。但有多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)UVB可誘導(dǎo)角質(zhì)形成細(xì)胞凋亡，作用機(jī)制包括ROS的過(guò)度生成、MAPK通路激活[21],以及UVB導(dǎo)致的DNA損傷觸發(fā)cGAS-STING通路激活，從而誘導(dǎo)人角質(zhì)形成細(xì)胞(HaCaT細(xì)胞)凋亡[22]。急性與慢性紫外線照射后的角質(zhì)形成細(xì)胞的滲透壓轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)下調(diào)，細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)被破壞，導(dǎo)致水分穩(wěn)態(tài)受損[23]。角質(zhì)層中的角化包膜結(jié)構(gòu)蛋白、角蛋白富含吸收UVR的氨基酸殘基半胱氨酸、色氨酸和酪氨酸，易受到紫外線誘導(dǎo)的合成或分解反應(yīng)[24]。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫外線照射引起hsa-miR-31-3p的過(guò)表達(dá)，可降低絲聚蛋白和角化包膜結(jié)構(gòu)蛋白兜甲蛋白和外皮蛋白的表達(dá)[18]。6-甲酰基吲哚并[3,2-B]咔唑 (6-Formylindolo[3,2-b]carbazole, FICZ)是一種由UVB照射產(chǎn)生的色氨酸光產(chǎn)物，可協(xié)同UVA產(chǎn)生ROS。在亞紅斑量的UVB照射3天后，被膠帶損傷過(guò)的表皮的屏障功能恢復(fù)加快，可能因?yàn)镕ICZ通過(guò)芳香烴受體上調(diào)末端分化分子如絲聚蛋白和兜甲蛋白的表達(dá)[25]。角質(zhì)層的角蛋白中間絲可在UVB照射后發(fā)生變性。長(zhǎng)期的UVB照射會(huì)對(duì)小鼠表皮中角蛋白的生物合成調(diào)節(jié)產(chǎn)生深刻的影響，從而干擾角蛋白中間絲的有序超微結(jié)構(gòu)[26]。

2.2 UVR與天然保濕因子

NMFs只存在于角質(zhì)層中，主要由氨基酸及其衍生物組成，如反式尿刊酸、吡啶烷酮羧酸、乳酸和尿素。有研究用共焦拉曼光譜檢查出紫外線照射后NMFs的改變：除脯氨酸外，NMFs中的其他FAAs均增加，吡咯烷酮羧酸、反式尿刊酸、乳酸和尿素等NMFs組成物質(zhì)含量下降[17]。作為NMFs主要組成部分的FAAs在紫外線照射后在SC中增加，可能是因?yàn)樽贤饩€輻射增加了弗林蛋白酶、胱天蛋白酶-14、博來(lái)霉素水解酶等蛋白酶的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)皮膚中FLG的降解。Skiba等[27]報(bào)道，在紫外線照射后的角質(zhì)形成細(xì)胞中，弗林蛋白酶基因的表達(dá)迅速增加。除此之外，也有報(bào)道發(fā)現(xiàn)UVB照射的人角質(zhì)形成細(xì)胞中胱天蛋白酶-14、博來(lái)霉素水解酶活性升高[28-29]。有報(bào)道在紫外線照射后，F(xiàn)AAs后續(xù)分解代謝中的NMFs成分如吡咯烷酮羧酸、反式尿刊酸都下降了。反式尿刊酸在皮膚中起著天然防曬霜的作用，紫外線照射皮膚會(huì)產(chǎn)生反式尿刊酸的反式向順式的異構(gòu)化。

2.3 UVR與細(xì)胞外脂質(zhì)

脂質(zhì)氧化有三種不同的機(jī)制，自由基鏈氧化、酶氧化和非自由基非酶氧化，紫外線能夠誘導(dǎo)皮膚的脂質(zhì)氧化。UVR照射后產(chǎn)生的氧自由基可通過(guò)自由基鏈氧化介導(dǎo)脂質(zhì)過(guò)氧化，也可激活脂氧合酶和環(huán)氧合酶，誘導(dǎo)脂質(zhì)的特異性酶氧化。表皮屏障的通透性增高在電鏡下被證實(shí)與細(xì)胞外脂層的結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)。有研究用共焦拉曼光譜檢查出紫外線(0.5、1和1.5倍MED)照射患者皮膚24 h后，角質(zhì)層細(xì)胞外脂質(zhì)出現(xiàn)改變，神經(jīng)酰胺含量降低，膽固醇含量升高，且TEWL升高[17]。連續(xù)15周暴露在亞紅斑量紫外線下會(huì)降低小鼠皮膚角質(zhì)層三種主要的脂質(zhì)含量，神經(jīng)酰胺含量減少尤為明顯[30]。在急性UVR后或光老化的皮膚中發(fā)現(xiàn)表皮游離脂肪酸和甘油三酯含量也明顯下降[31]。

2.4 UVR與緊密連接

Yamamoto等[32]證明了紫外線(0.15 J/cm2)照射無(wú)毛小鼠，表皮屏障功能可以出現(xiàn)暫時(shí)性可逆變化，這種變化與關(guān)鍵TJ蛋白表達(dá)模式和位置的改變相關(guān)。Yuki等[13]使用異種移植到小鼠背部的人皮膚，在紫外線(0.2 J/cm2)照射后顯示TJ功能障礙。這種屏障功能障礙在紫外線照射24 h后明顯增加，需要6天才能恢復(fù)。培養(yǎng)的正常人角質(zhì)形成細(xì)胞在紫外線照射48 h后失去了形成成熟TJs的能力，并以TJs蛋白的不連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為特征。UVB誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激發(fā)出未折疊蛋白反應(yīng)或Roh激酶信號(hào)，通過(guò)破壞細(xì)胞骨架介導(dǎo)TJs的破壞[33]。較弱的UVB(5 mJ/cm2)照射可以增加角質(zhì)形成細(xì)胞(HaCaT)內(nèi)游離Ca2+、一氧化氮和過(guò)氧亞硝酸鹽的含量，造成Claudin-1的錯(cuò)誤定位[34]。Claudin-1在功能性TJs的形成和閉鎖蛋白向TJs的募集中起重要作用，光老化皮膚中Claudin-1表達(dá)受損導(dǎo)致TJ功能的喪失[35]。在5例光老化志愿者的研究中對(duì)比前臂曝光部位和光保護(hù)部位的TJ蛋白Claudin-1的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)慢性紫外線照射進(jìn)一步減少了老化表皮中Claudin-1表達(dá)[36]。UVR引起hsa-miR-31-3p的過(guò)表達(dá)，降低Claudin-1基因的表達(dá)從而引起角質(zhì)形成細(xì)胞的通透性屏障功能障礙[18]。

3 結(jié)語(yǔ)

表皮屏障是人體免疫系統(tǒng)的第一道生理屏障，主要由角質(zhì)層屏障和緊密連接屏障組成。表皮屏障功能障礙可表現(xiàn)為皮膚的干燥、易受激和易敏感。急性或慢性的UVR可以改變表皮屏障的主要組成部分的結(jié)構(gòu)和功能，造成TEWL上升、病原體和過(guò)敏原入侵，繼而誘發(fā)產(chǎn)生疾病。表皮屏障功能障礙與紫外線之間的聯(lián)系值得進(jìn)一步探索，為光源性皮膚病患者的診斷及治療提供線索。