皮膚衰老的特征與機(jī)制

雷銳 吳金峰

隨著我國人口老齡化和人均預(yù)期壽命的提高,了解衰老的特征和機(jī)制對(duì)促進(jìn)健康老齡化至關(guān)重要。衰老是指與發(fā)病率和死亡率增加有關(guān)的功能和可重復(fù)性的時(shí)間依賴性持續(xù)變化的過程[1],主要由內(nèi)在因素(遺傳)及外在因素(環(huán)境影響、營養(yǎng)、生活方式等)共同決定。皮膚作為最大的表皮器官,與環(huán)境直接接觸,使其更易受到外部環(huán)境的影響而導(dǎo)致衰老。皮膚老化和其他器官的老化一樣,特征是結(jié)構(gòu)和功能的退行性改變,因?yàn)槠淙庋劭梢?皮膚的老化相較其他器官更為明顯。隨著年齡的增長,人類皮膚不斷暴露于對(duì)其功能產(chǎn)生影響的內(nèi)部和外部刺激,表現(xiàn)為皺紋、皮膚干燥、屏障完整性降低和表皮變薄。

皮膚的衰老過程主要分為內(nèi)在衰老和外在衰老。內(nèi)在衰老或稱時(shí)間順序性衰老,是一個(gè)不可避免的時(shí)間順序和生理改變的過程,導(dǎo)致皮膚老化的內(nèi)在因素有時(shí)間、遺傳因素和激素等。而外源性衰老則主要局限于暴露的皮膚部位,如面部、頸部和手部,導(dǎo)致外源性皮膚老化的因素,包括陽光、空氣污染、香煙、營養(yǎng)因素、溫度、壓力等。因此,外源性衰老是基于內(nèi)在衰老,并受環(huán)境因素的影響而導(dǎo)致的。而引起外源性衰老中最重要的因素是紫外線,故而外源性衰老也稱作光老化[2]。

1 皮膚衰老的臨床及組織學(xué)特征

皮膚由外表皮層、內(nèi)真皮層、皮下組織及皮膚附屬器組成。表皮是多層上皮,主要由角質(zhì)形成細(xì)胞組成。角化細(xì)胞的一種特殊形式的程序性細(xì)胞死亡——角化為環(huán)境提供了有效且持續(xù)更新的屏障[3],除表皮細(xì)胞外,表皮還存在黑色素細(xì)胞網(wǎng)絡(luò),黑素細(xì)胞產(chǎn)生黑色素,保護(hù)人體免受紫外線輻射,此外還包括免疫系統(tǒng)的樹突狀抗原呈遞細(xì)胞網(wǎng)絡(luò),即朗格漢斯細(xì)胞。這些網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)調(diào)以維持皮膚功能正常運(yùn)作[4]。不同細(xì)胞間的協(xié)調(diào)性隨年齡增加而下降,導(dǎo)致皮膚衰老。相較表皮,真皮細(xì)胞密度較低,主要由含大量蛋白質(zhì)和特殊碳水化合物的細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)組成,細(xì)胞成分主要是成纖維細(xì)胞,其可分泌合成ECM。皮膚油脂的分泌受雄激素和腎上腺皮質(zhì)激素的調(diào)節(jié),而隨著年齡增長,激素分泌減少使得皮脂分泌減少,且伴隨皮脂腺萎縮、數(shù)目減少等。此外,皮膚水合能力也隨著年齡增加而下降,使皮膚呈漸進(jìn)性老化[5]。皮膚的內(nèi)在衰老和外在衰老在臨床和組織學(xué)方面存在相似之處,但也有著明顯的不同。

1.1 皮膚內(nèi)在衰老的臨床與組織學(xué)特征 臨床上皮膚自然老化的特征包括皮膚變薄、干燥、細(xì)小皺紋、彈性降低、色素異常沉著等[6]。隨著年齡增長而發(fā)生的變化之一是表皮網(wǎng)狀脊的喪失導(dǎo)致的表皮層變薄,這種變化伴隨著真皮乳頭的衰減和喪失,其中包含部分負(fù)責(zé)表皮營養(yǎng)的精致毛細(xì)血管袢。此外,網(wǎng)脊的衰減也導(dǎo)致皮膚抵抗剪切力的能力下降[7]。組織學(xué)上表現(xiàn)為表皮變薄,表皮與真皮結(jié)合處變平萎縮,膠原蛋白、彈性蛋白等ECM含量減少,真皮層變薄[8]。隨著年齡增長,皮膚細(xì)胞數(shù)目減少且功能減退。表皮中角質(zhì)形成細(xì)胞增殖分化減少,黑素細(xì)胞和朗格漢斯細(xì)胞減少;真皮中成纖維細(xì)胞、肥大細(xì)胞等細(xì)胞數(shù)量減少,體積變小[9]。

1.2 皮膚外在衰老的臨床與組織學(xué)特征 光老化在皮膚上的臨床表現(xiàn)包括表皮增厚、皮膚粗糙、失去彈性、皺紋粗大加深、毛細(xì)血管擴(kuò)張、異常色素沉著[6],出現(xiàn)皮膚癌的可能性更高[10]。相較自然老化中成纖維細(xì)胞的數(shù)目減少、活性降低,光老化中的成纖維細(xì)胞功能亢進(jìn),且真皮內(nèi)炎癥細(xì)胞的數(shù)目增加,其釋放的細(xì)胞因子可刺激蛋白水解酶的表達(dá),進(jìn)而引起膠原蛋白和彈性蛋白等ECM的降解。嚴(yán)重光老化皮膚中還可見真皮內(nèi)堆積的大量變性、蓬亂增生的彈性纖維,這些物質(zhì)的積累導(dǎo)致皮膚增厚粗糙、失去彈性[5]。此外,黑素細(xì)胞合成黑色素異常增多導(dǎo)致嚴(yán)重的色素沉著,且光老化皮膚常伴有血管壁增厚,血管周圍常有炎性細(xì)胞浸潤,血管網(wǎng)排列紊亂等[9]。

2 皮膚衰老的分子機(jī)制

皮膚衰老涉及多種機(jī)制和信號(hào)通路,其中氧化應(yīng)激起著關(guān)鍵作用。光老化雖然在臨床與組織學(xué)上與皮膚內(nèi)在衰老存在明顯差異,但它是發(fā)生在內(nèi)在衰老的基礎(chǔ)之上,由紫外線加速皮膚衰老過程,兩者具有共同的分子機(jī)制[11]。因此,以下將從紫外線對(duì)皮膚的影響、氧化應(yīng)激、細(xì)胞衰老及ECM降解4個(gè)方面對(duì)皮膚衰老的機(jī)制進(jìn)行講述。

2.1 紫外線在光老化中的作用及機(jī)制 光老化主要是由皮膚暴露在紫外線下造成的。紫外線輻射(UVR)有3種類型:UVA (320～400 nm)、UVB (280～320 nm)和UVC (100～280 nm)。其中UVC被臭氧層吸收,因此只有UVA和UVB到達(dá)地球表面。由于UVB波長較短,大多數(shù)被表皮吸收,僅一小部分到達(dá)乳頭狀真皮層。而UVA可以深入表皮[12]。與UVA相比,UVB優(yōu)先被吸收紫外線的分子,如芳香氨基酸、DNA、不飽和脂質(zhì)等發(fā)色團(tuán)吸收,并在結(jié)構(gòu)上對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化,引發(fā)UVA之間或與其他分子間的化學(xué)作用,發(fā)揮生物功能。例如,DNA對(duì)中波紫外線的吸收形成嘧啶二聚體,引起DNA突變。UVA輻射則通過促進(jìn)氧化損傷,通過增加活性氧(ROS)水平間接導(dǎo)致DNA損傷。DNA損傷的大量積累導(dǎo)致p53激活,可能誘導(dǎo)健康角化細(xì)胞凋亡[13]。

紫外線輻射產(chǎn)生ROS,引起破壞性氧化應(yīng)激,還可以激活花生四烯酸途徑,介導(dǎo)炎癥反應(yīng)[14]。而DNA損傷也可通過不同途徑誘導(dǎo)炎癥反應(yīng),炎癥也會(huì)引發(fā)DNA損傷,導(dǎo)致惡性循環(huán),進(jìn)而加劇皮膚光老化過程[15-16]。此外,UVR還會(huì)刺激皮膚ECM成分如膠原蛋白、彈性蛋白和糖蛋白的降解。UVR暴露顯著增加基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)的表達(dá)和分泌,誘導(dǎo)ECM蛋白降解[17]。而彈性蛋白及其剪接變體表達(dá)的增加又可引起光老化皮膚中彈性蛋白及其片段的真皮積累,這一過程被稱為太陽彈性癥[18]。ECM成分的病理改變可促進(jìn)組織纖維化和細(xì)胞衰老,并引發(fā)炎癥反應(yīng)[19]?？傊?紫外線輻射直接或間接地?cái)_亂皮膚的內(nèi)穩(wěn)態(tài),誘發(fā)細(xì)胞應(yīng)激,從而加劇皮膚衰老。

2.2.1 ROS來源:ROS的來源包括各種酶和非酶物質(zhì),如線粒體電子傳遞鏈、環(huán)加氧酶、過氧化物酶體氧化酶、還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶和脂加氧酶。電子傳遞鏈位于線粒體內(nèi)膜內(nèi),ROS作為線粒體有氧代謝電子傳遞鏈的副產(chǎn)物不斷產(chǎn)生,在皮膚中,大約1.5%～5%的氧氣消耗通過內(nèi)在過程轉(zhuǎn)化為ROS[21]。但線粒體對(duì)皮膚中ROS產(chǎn)生的貢獻(xiàn)僅在干細(xì)胞中顯著,因?yàn)樵诮腔^程中,角質(zhì)形成細(xì)胞降解了包括細(xì)胞核、線粒體、過氧化物酶體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)在內(nèi)的細(xì)胞器。近年的研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)質(zhì)網(wǎng)以及過氧化物酶體產(chǎn)生的ROS與線粒體一樣多,甚至更多[22]。在過氧化物酶體中充滿了各種各樣的酶,其中黃酮類酶/氧化還原酶可產(chǎn)生H2O2作為副產(chǎn)物。過氧化物酶體不僅產(chǎn)生H2O2,而且還能像線粒體一樣形成超氧化物。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)則主要通過細(xì)胞色素P450家族成員以及蛋白質(zhì)二硫異構(gòu)酶PDI和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化還原蛋白-1 (ERO1)的組合產(chǎn)生ROS[23]。皮膚是人體與環(huán)境的界面,因此經(jīng)常接觸污染物、外來生物和紫外線照射,這些外源性因素導(dǎo)致產(chǎn)生的ROS則稱為外源性ROS,其中又以紫外線照射引起的ROS在皮膚衰老中起的作用尤為重要。

2.2.2 抗氧化系統(tǒng):人體細(xì)胞對(duì)ROS損傷具有多種保護(hù)機(jī)制,消除自由基的最重要的抗氧化酶是谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)。這種抗氧化酶可以通過與谷胱甘肽的巰基反應(yīng)去除單線態(tài)氧、H2O2和有機(jī)過氧化物。其他抗氧化酶還包括超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶,它們分別消除超氧化物自由基和H2O2。非酶促抗氧化劑包括泛醇、類胡蘿卜素、維生素C(抗壞血酸)和維生素E等[22]。為了應(yīng)對(duì)多種來源的ROS,皮膚也發(fā)展出復(fù)雜獨(dú)特的抗氧化機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),大多數(shù)抗氧化劑在表皮中的濃度高于真皮層,角質(zhì)層的抗氧化能力主要依賴于SPRR蛋白家族,這些蛋白質(zhì)可以通過形成分子內(nèi)二硫鍵來抑制ROS[24]。

2.2.3 ROS對(duì)皮膚細(xì)胞的損傷:當(dāng)體內(nèi)ROS產(chǎn)生過多時(shí),可損傷DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì),進(jìn)而對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生損傷。ROS可通過與DNA堿基的相互作用直接破壞DNA,目前研究最多的DNA損傷類型是由單線態(tài)氧介導(dǎo)的鳥嘌呤氧化成8-氧鳥嘌呤(8-oxoG),它的核苷酸類似物8-氧脫氧鳥苷(8-oxo-dG)在復(fù)制過程中通過配對(duì)腺嘌呤而不是胞嘧啶分子,以及將鳥嘌呤轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶分子,產(chǎn)生GC到TA的轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致細(xì)胞功能異常[24]。此外,ROS還可損傷RNA,這些氧化損傷導(dǎo)致翻譯效率降低,進(jìn)而引起蛋白質(zhì)異常和酶功能異常[25]。

ROS的另一個(gè)靶標(biāo)是線粒體DNA (mtDNA)。由于缺乏修復(fù)機(jī)制和組蛋白,mtDNA易發(fā)生氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的損傷,并且比基因組DNA具有更高的突變頻率。單線態(tài)氧由UVA和光敏劑相互作用反復(fù)產(chǎn)生,可引起mtDNA的大規(guī)模缺失。mtDNA的這種損傷導(dǎo)致電子傳遞鏈和氧化磷酸化過程的缺陷,最終導(dǎo)致ATP產(chǎn)生減少。氧化磷酸化受損也會(huì)增加單線態(tài)氧的產(chǎn)生,從而導(dǎo)致更多的mtDNA突變[26]。反復(fù)暴露于UVA后,成纖維細(xì)胞發(fā)生mtDNA缺失,并通過線粒體和細(xì)胞核之間的逆行途徑導(dǎo)致基因表達(dá)模式改變,而成纖維細(xì)胞的功能和結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響皮膚結(jié)構(gòu),如膠原蛋白,并導(dǎo)致皮膚光老化[27]。

ROS還可影響脂質(zhì)和蛋白質(zhì)。脂質(zhì)過氧化不飽和脂肪酸鏈的ROS產(chǎn)生脂質(zhì)氫過氧化物作為主要產(chǎn)物,它們對(duì)DNA堿基具有反應(yīng)性,可通過產(chǎn)生無法修復(fù)的MDA-DNA加合物損傷DNA[28],而膜脂損傷又可導(dǎo)致膜流動(dòng)性改變、細(xì)胞膜滲漏或膜結(jié)合細(xì)胞受體功能障礙。當(dāng)某些氨基酸在氧化應(yīng)激中轉(zhuǎn)化為氧化形式時(shí),蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生修飾和隨后的構(gòu)象變化,氧化反應(yīng)產(chǎn)生的活性物質(zhì)還可以氧化其他生物靶點(diǎn)并誘導(dǎo)蛋白質(zhì)交聯(lián)[27]。此外,氨基酸可以被不同途徑產(chǎn)生的不同ROS氧化,如單線態(tài)氧主要破壞氨基酸的側(cè)鏈,而側(cè)鏈的氧化可導(dǎo)致有關(guān)蛋白質(zhì)或酶的性質(zhì)和功能發(fā)生變化[29]。

2.2.4 ROS對(duì)皮膚衰老相關(guān)信號(hào)通路的影響:盡管少量ROS的存在已被證明對(duì)維持身體或細(xì)胞的健康有益,如激活環(huán)加氧酶和脂加氧酶,調(diào)節(jié)炎癥過程等[30],但ROS仍誘導(dǎo)和加速包括皮膚老化在內(nèi)的衰老過程,同樣,光老化的發(fā)生也與ROS的產(chǎn)生有關(guān)[31]。紫外線會(huì)導(dǎo)致ROS增加,而ROS可通過刺激絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和激活由c-Fos和c-Jun組成的異二聚體激活蛋白1 (AP-1)誘導(dǎo)MMPs的合成[32]。MMPs可以降解ECM中的膠原蛋白和彈性蛋白,促進(jìn)皮膚衰老。此外,ROS和活化的MAPK信號(hào)通路可以激活NF-κB,從而影響介導(dǎo)炎癥的多種細(xì)胞因子的表達(dá)[33]。另外,活化的NF-κB可調(diào)節(jié)血紅素氧合酶-1 (HO-1)的表達(dá),間接增加細(xì)胞中游離鐵的水平,從而通過Fenton反應(yīng)促進(jìn)ROS的進(jìn)一步產(chǎn)生[34]。

2.3 細(xì)胞衰老在皮膚衰老中的作用及機(jī)制 細(xì)胞失去增殖能力,進(jìn)入不可逆的細(xì)胞周期停滯狀態(tài),被稱為細(xì)胞衰老或復(fù)制性衰老。衰老的細(xì)胞停滯在有絲分裂的G1期,且對(duì)有絲分裂 E2F信號(hào)不敏感[35]。衰老細(xì)胞的特點(diǎn)是不能增殖、不能抗凋亡、分泌促進(jìn)炎癥和組織惡化的因子,這種特殊的分泌狀態(tài)被稱為衰老相關(guān)分泌表型(SASP)[36]。細(xì)胞衰老既可以發(fā)生在生理狀態(tài)如組織修復(fù)過程中,也可發(fā)生在病理狀態(tài)如癌癥中[37]。生理狀態(tài)下,誘導(dǎo)細(xì)胞衰老的信號(hào)是端?？s短和功能障礙(即所謂的復(fù)制性衰老)。其他因素如直接和持續(xù)的DNA損傷、氧化應(yīng)激、腫瘤抑制因子或原癌基因的激活、線粒體功能障礙也可誘導(dǎo)細(xì)胞衰老[2]。衰老細(xì)胞通常表現(xiàn)為形態(tài)異常,如體積增大、變平、顆粒增多等,衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)目前被認(rèn)為是識(shí)別衰老細(xì)胞的金標(biāo)準(zhǔn)[38]。

衰老在傷口愈合過程中可防止纖維化,抑制腫瘤形成,但它也是導(dǎo)致年齡相關(guān)疾病的主要因素[39]。衰老是由衰老過程中發(fā)生的端粒縮短和基因組不穩(wěn)定引發(fā)的,由于皮膚持續(xù)暴露于UVR和污染等外部壓力源,累積的環(huán)境因素可能會(huì)促進(jìn)衰老和炎癥表型,而衰老細(xì)胞的積累可導(dǎo)致慢性炎癥和代謝功能障礙,進(jìn)一步加劇皮膚的衰老過程[40]。

目前認(rèn)為成纖維細(xì)胞的衰老在皮膚衰老中起主要作用。成纖維細(xì)胞是構(gòu)成皮膚真皮層的主要細(xì)胞類型,它們產(chǎn)生ECM的組成部分。在UVR照射下可檢測到細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶p16INK4a和p21以及腫瘤蛋白p53水平升高,衰老相關(guān)SA-β-gal的表達(dá)增加,核層蛋白B1(Lamin B1)減少[41],表明成纖維細(xì)胞獲得衰老樣表型。隨后衰老成纖維細(xì)胞數(shù)量的增加導(dǎo)致產(chǎn)生富含促炎細(xì)胞因子的SASP,包括IL-1、IL-6、IL-8、IL-18、MMPs和各種其他炎癥趨化因子,這些細(xì)胞因子可以誘導(dǎo)c-Jun N-末端激酶(JNK)和轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白(AP-1),它們隨后激活MMPs,導(dǎo)致膠原蛋白分解和彈性喪失,從而形成皺紋[42]。成纖維細(xì)胞可以釋放對(duì)調(diào)節(jié)表皮細(xì)胞增殖和分化平衡至關(guān)重要的胰島素樣生長因子(IGF)-1,而衰老成纖維細(xì)胞由于功能失調(diào)線粒體中超氧陰離子的產(chǎn)生增加,IGF-1信號(hào)明顯降低。IGF-1通路的抑制不僅抑制真皮層膠原合成,而且由于DNA損傷誘導(dǎo)的磷酸化組蛋白、γH2AX和p16INK4a陽性表皮細(xì)胞的積累增加,導(dǎo)致表皮萎縮[43]。此外,在衰老的成纖維細(xì)胞中ROS濃度的增加還會(huì)增強(qiáng)AP-1和NF-κB依賴的信號(hào)通路,從而導(dǎo)致炎癥[44]。

與成纖維細(xì)胞相比,皮膚角質(zhì)形成細(xì)胞的周轉(zhuǎn)率更高,因此對(duì)皮膚衰老的影響僅限于表皮。UVR產(chǎn)生ROS可導(dǎo)致MAPKs的磷酸化,隨后激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)、p38和JNK, 這些分子隨后激活A(yù)P-1的c-Jun和c-fos成分,進(jìn)一步增加MMPs的表達(dá)。其他升高的SASP包括促炎細(xì)胞因子,如TNF-α、IL-1α、IL-1β和IL-6[45]。此外,最近一項(xiàng)關(guān)于黑素細(xì)胞衰老的研究報(bào)道,衰老的黑素細(xì)胞SASP以旁分泌方式誘導(dǎo)端粒功能障礙,并通過激活CXC趨化因子受體3(CXCCR3)依賴性線粒體ROS來限制周圍細(xì)胞的增殖。因此,衰老的黑素細(xì)胞會(huì)影響和損害基底角化細(xì)胞的增殖,并導(dǎo)致表皮萎縮[46]。

2.4 ECM降解在皮膚衰老中的作用及機(jī)制 如前所述,氧化應(yīng)激及細(xì)胞老化過程中都存在ROS通過刺激絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和激活由c-Fos和c-Jun組成的異二聚體AP-1誘導(dǎo)MMPs的合成[47]。MMPs可以降解ECM中的膠原蛋白和彈性蛋白,其中膠原酶(MMP-1)是唯一能夠分解完整纖維性膠原的MMP,其他類型的MMP,如92 kDa明膠酶(MMP-2)、基質(zhì)裂解酶(MMP-3)和72 kDa明膠酶(MMP-9)可以進(jìn)一步分解降解的膠原片段[48]。此外,NF-κB和AP-1可以降低基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(TIMPs)的轉(zhuǎn)錄水平,而TIMPs/MMPs的下降更有利于進(jìn)一步降解膠原和彈性蛋白[49]。

轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)通過Smad途徑促進(jìn)ECM形成,是誘導(dǎo)Ⅰ型前膠原合成和分泌的主要途徑之一。而UVR可通過激活A(yù)P-1下調(diào)TGF-βⅡ型受體的表達(dá),影響下游Smad/TGF-β信號(hào)通路,進(jìn)而減少編碼Ⅲ型和Ⅰ型膠原前體的COL3A1和COL1A1基因的轉(zhuǎn)錄,間接減少膠原的生物合成[50]。因此,TGF-β/SMAD信號(hào)受損可使膠原合成減少,導(dǎo)致真皮變薄。

3 小結(jié)

皮膚作為體表器官,其衰老得以最直觀的感受。而皮膚衰老除了由遺傳、年齡等因素導(dǎo)致的內(nèi)源性衰老,還有主要由紫外線引起的光老化。兩者雖然在臨床和組織學(xué)方面存在較大差異,但其分子機(jī)制是相關(guān)聯(lián)的。自然老化主要由于體內(nèi)產(chǎn)生的過多ROS引起,光老化則是在此基礎(chǔ)上由UVR進(jìn)一步加劇ROS的產(chǎn)生,而ROS的產(chǎn)生造成DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)的損傷,引起細(xì)胞衰老。此外,氧化應(yīng)激和細(xì)胞衰老又可通過激活多條信號(hào)通路引起ECM的降解,導(dǎo)致皮膚衰老。