皮肤屏障功能的研究进展
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·综述·
皮肤屏障功能的研究进展
胡珍 于春水
DOI:10畅3877/cma.j.issn.1674唱0785.2013.07.065
基金项目:四川省教育厅(11ZA194);南充市科技局(N2011SF005)作者单位:637000 四川南充,川北医学院附属医院皮肤科通讯作者:于春水,Email:yuchsh91@sohu.com
人体皮肤是最直接与外界接触的器官,为人体免疫系统的第一道生理屏障。
一方面它在一定程度上可以阻止外界不利因素(物理、化学、生物等)进入人体,对机体造成损害;另一方面可以避免人体表皮及真皮内水分及脂类等物质的丢失从而维持其皮肤屏障功能的稳定。
表皮中角质层在皮肤屏障中起着至关重要的作用。
特应性皮炎、银屑病、接触性皮炎等多种皮肤病的发生都与皮肤屏障功能的稳定有关。
因此,皮肤屏障功能一直以来都是皮肤科临床工作中十分关注的热点。
本文对近几年国内外皮肤屏障功能的研究进展综述如下。
一、角质层的结构基础
皮肤是人体最大的器官,表皮是皮肤的最外层,主要由角质形成细胞、黑素细胞、朗格汉斯细胞和梅克尔细胞等组成,角质形成细胞是表皮的主要构成细胞,数量占表皮细胞的80%以上,皮肤屏障功能的主要结构基础是最表面角质形成细胞形成的角质层、角质细胞间的脂类、天然保护因子(naturalmoisturizingfac唱tor,NMF)等。
(一)角质形成细胞
角质形成细胞通过核分裂、分化、退化直至消失,经由基底层、棘细胞层、颗粒细胞层,最终成为表皮最外层的角质层,形成其独特的多层结构。
角质形成细胞“堆砌”于细胞间脂类的连续
性基质中,形成了经典的“砖唱墙”结构体系[1]。
1.角蛋白:角质形成细胞是构成表皮的主要细胞,角蛋白是角质形成细胞的主要基因产物,其家族可形成中间的细胞间细丝,使细胞具有弹性。
正常表皮基底层细胞处于未分化状态,具有分裂增殖能力,特应性表达K5/K14,细胞一进入棘细胞层即
可检测到特异性分化蛋白K1/K10的表达[2唱3]。
研究表明,人类很多疾病如银屑病、基底细胞样皮肤肿瘤、创伤后修复等表皮的
过度增殖与K6、K16和K17的表达有关[4]。
Theerawatanasirikul等[5]
发现犬特应性皮炎模型中皮损处与非皮损处K5、K14的表达均会上调(P<0畅05),但仅在皮损处K2e、K14、IVL和FLG表达才会上升(P<0畅05)。
2.中间丝相关蛋白:表皮细胞向终末分化过程中,形成了一系列的中间丝相关蛋白,如丝聚合蛋白(filaggrin,FLG)、兜甲蛋白(loricrin,LOR)、内皮蛋白(involucrin,IVL)、角质形成蛋白转
谷酰胺酶(transglutaminasekeratinocyte,TGK)等[5]。
FLG是表皮颗粒细胞角质透明蛋白颗粒的主要成分,在表皮终末分化期间,400kDa的丝聚合蛋白原脱去磷酸,经丝氨酸蛋白酶快速裂解成
37kDa的FLG[6]。
FLG是S100钙黏家族的成员之一,由表皮颗
粒层的透明角质颗粒中的丝聚合酶原经酶催化转化而来[7唱8]。
FLG基因编码包括3个外显子,翻译的起始密码子位于外显子2,大多数丝聚合蛋白原由外显子3编码。
FLG位于人类染色体1q2u1,即所谓的表皮分化复合体里面。
如今发现FLG基因编码
的突变会导致一些以皮肤干燥和皮肤屏障功能受损的疾病,如
特应性皮炎(atopicdermatitis,AD)和寻常型鱼鳞病。
许多类型鱼鳞病的研究发现表皮异常分化与染色体1q21有关,这更加证
明了鱼鳞病的发生与FLG的基因表达缺失有关[9]。
Howell等[10]
研究发现AD皮肤炎症与细胞因子如白细胞介素唱4(IL唱4)和白细胞介素唱13(IL唱13)的高表达明显相关,这两种细胞因子均使得角质形成细胞中FLG基因和蛋白表达。
分析大量斑秃患者结果显示FLG的突变与同时伴有AD的斑秃患者有明显的关系,而且发现FLG突变与斑秃严重程度呈正相关,但目
前还没有证据证明FLG突变会直接导致斑秃的发生[11]。
大多数中间丝蛋白降解为游离氨基酸,形成一重要保湿复合体
(NMF),负责皮肤的水合作用和弹性[12]。
(二)细胞间脂质
在表皮细胞从基底层向角质层迁移过程中,脂质含量也在发生着变化。
颗粒层中,脂质包含在细胞间板层小体内,当细胞移至角质层,脂质被挤至细胞间隙内并与角质细胞形成脂质双分子结构。
角质层细胞外的疏水性脂质阻止水分向外流失,调
节角质层中电解质的移动[13]。
角质层细胞间脂质由大约50%神经酰胺、25%胆固醇、15%游离脂肪酸和一些次要的脂质组成[14]。
这些脂质由表皮板层小体分泌至角质层形成脂质前体细胞,随着角质层的形成,板层小体传递脂质成分(胆固醇)、脂质前体(葡糖神经酰胺和磷脂质)、一些生成神经酰胺(ceramide,Cer)和游离脂肪酸(freefattyacid,FFA)的酶(β唱葡糖脑苷脂酶、酸性鞘磷脂酶和分泌性磷脂酶A2),而这些都是膜结构形成所必需的。
这三种主要的细胞间脂质是由它们的前体细胞(磷脂质、葡糖神经酰胺、鞘磷脂和游离氨基酸)衍生而来,分泌的细胞器称为板层小体。
板层小体内含有脂质水解酶和蛋白酶,这些酶对细胞间脂质进一步处理加工非常重要。
这些酶从板层小体分泌至角质层细胞间质,脂质前体细胞经酶催化后释
放,这一过程称为“脂质加工”。
任何因素如皮肤表面酸性、Ca2+
浓度梯度和屏障功能破坏都会影响脂质转化。
神经酰胺在调节皮肤的生物活性及表皮的生理功能中起重要作用。
神经酰胺里的酰基链长度通常是18C,4唱C至8唱C酰基链神经酰胺的渗透功能是6唱C酰基链最大效应的10畅8倍,短链
神经酰胺会降低皮肤屏障功能[15]。
角质层中神经酰胺的含量会随着年龄的增长不断减少,神经酰胺的减少可引起皮肤功能异常,瘙痒类皮肤病患者的干燥皮损中神经酰胺的含量明显低
于正常皮肤[16]。
Yeom等[17]
通过建立慢性刺激接触性皮炎的小鼠模型,给予口服神经酰胺后,经组织病理、RT唱PCR检测促炎性细胞因子如IL唱1β和IL唱6以及搔抓反应相关的参数如搔抓行为、耳部皮损处水分的含量及水通道蛋白唱3(aquaporin3,AQP3)的检测,结果表明实验组IL唱1β和IL唱6mRNA表达明显降低,白细胞和肥大细胞渗透明显减少,神经酰胺抑制了角质层水分丢失,AQP3表达降低。
研究显示神经酰胺不仅能抑制炎性因子的生成,还
能修复皮肤屏障功能,从而抑制炎症反应。
Ueda等[18]
通过给小鼠口服一定剂量3H唱神经酰胺后观察比较皮肤各层其含量的变
化,实验结果清楚地表明经过小鼠胃肠道,神经酰胺能被快速吸收并从真皮向表皮分布。
Popa等[19]发现AD犬模型皮肤中神经酰胺、FFA和胆固醇要低于正常犬,局部应用了含有鞘脂的乳剂后皮肤中的神经酰胺的含量明显增加。
与之相反的是,仅有少量的葡糖神经酰胺存在于正常皮肤角质层,而AD犬皮肤角质层中的含量却很高,局部外用含有鞘脂的乳剂后其含量明显下降。
如此说明AD犬局部外用含鞘脂的乳剂后角质形成细胞脂质生物合成明显增加,从而形成更坚实的皮肤表皮屏障。
膳食神经酰胺能上调表皮神经酰胺合成酶1、3、4的表达,从而提高皮肤屏障功能[20]。
(三)角质化包膜(cornifiedenvelope,CE)
终末分化的角质细胞质膜下形成高度特异的结构,在正常屏障功能中起重要的作用,由多种蛋白质分子组成,包括FLG、LOR、IVL、毛透明蛋白、小分子富含脯氨酸的蛋白和角蛋白中间丝,这些蛋白广泛交叉连接,并受到转谷酰胺酶的调节。
因此,表皮角质细胞终末分化是一个高度调节的过程,角质形成细胞改变其基因表达谱,形成皮肤最外层的不透水屏障。
角质形成细胞的增殖和分化对于CE相关蛋白的形成非常重要[21],只有角质细胞的增殖和分化之间达到一个精确的平衡,同时CE组成蛋白的正常基因编码表达,才能使得表皮正常成层和角质化。
二、表皮屏障功能的调节因素
1.钙离子:角质形成细胞包膜内外离子相对浓度(即包膜极性)在屏障修复过程中起重要的作用。
胞内游离钙离子浓度约为100nmol/L,胞外钙离子浓度约为1~3nmol/L,而维持其胞内外离子浓度差主要靠离子相关的通道来维持。
钙离子诱导角质形成细胞向角质层分化、增生、角化鞘的形成和表皮脂质合成[22]。
人工培养的角质形成细胞在细胞外Ca2+浓度为0畅02~0畅1mmol/L呈快速增殖状态。
有研究发现,Ca2+浓度的波动还会影响LOR、IVL、丝蛋白酶原(FLG的前体)的表达,所以细胞外Ca2+浓度对于皮肤屏障功能的形成是至关重要的[13,23]。
胞内外钙离子浓度的增加均可引起包膜去极化,扰乱包膜内向移动和板层体胞吐,从而影响细胞间的复层板层膜的形成,令皮肤屏障修复延迟,浓度为0畅01~1畅80mmol/L可明显抑制皮肤屏障功能的恢复,在此浓度内,其抑制程度与钙离子的浓度是成正比的[24]。
2.酶:外界环境中我们所接触的动物、植物和微生物均可产生或含有蛋白酶。
从遗传学角度来看,环境蛋白酶与内源性蛋白酶导致皮肤屏障功能缺失或受损增强了机体对过敏原的敏感性,亦使过敏性疾病进一步恶化[25]。
人组织激肽释放酶(humantissuekallikreins,KLKs)调皮肤屏障功能的自我平衡,它能水解蛋白避免脱皮、细菌入侵和脂质渗透,越来越多的证据证明KLKs能通过活化蛋白酶受体信号通路介入皮肤炎症、色数沉着,抑制皮肤肿瘤的发生[26]。
三、角质层相关屏障功能
1.经皮水分丢失屏障(TEWL):各种内在、外在的因素都会影响皮肤的渗透屏障,如气候、身体的压力和许多皮肤及系统疾病等。
角质层是表皮终末分化的产物,有保护机体的作用,其中最重要的是渗透屏障,它阻碍经皮蒸发水分的丢失。
TEWL反映的是水从皮肤表面蒸发量,因此是评价皮肤功能的重要指标。
有学者在标准实验室温度(24℃)和相对湿度为40%~50%的条件下,对离体皮肤模型进行了研究,评估皮肤TEWL的大小与皮肤完整性之间的关系,结果显示皮肤厚度与所测的TEWL大小呈负相关(相关系数=0畅45),差异具有统计学意义(P=0畅007)[27],这与Sekkat之前报道的结论相符。
因此可以认为皮肤角质层生长厚度与皮肤TEWL呈负相关,即皮肤角质层生长得越厚,皮肤的TEWL值越小,皮肤屏障功能越完善,反之亦然。
反复胶带剥离犬皮肤使角质层受损,检测TEWL上升,提示皮肤屏障功能受损[28]。
2.抗微生物及免疫屏障:健康的皮肤表面也覆盖有很多的微生物,但是人体却不会被感染。
然而,最近10年的研究表明在天然皮肤防御系统中,角质形成细胞是作为效应细胞,而后产生抗菌肽物质,从而抑制皮肤表面微生物的生长。
新近研究发现抗菌肽产物是通过内生的细胞因子(如IL唱22)和由细菌引起的“病原相关性分子模式”实行调控的,这一发现进一步证实了表皮防御系统存在的可信度[29]。
hCAP18/LL唱37是皮肤中一种重要的AMP,而且LL唱37作为一种宿主防御肽物质在皮肤免疫调节中发挥作用。
高浓度的LL唱37具有细胞毒性,但是低浓度情况下它可以调节细胞的凋亡效应。
Chamorro等[30]研究LL唱37在创伤修复中的作用发现,使用低浓度的LL唱37可以避免角质形成细胞走向凋亡,而诱导其他细胞发生凋亡,这为那些LL唱37高表达而低凋亡的疾病(如肿瘤和银屑病等)提供了可望的治疗前景。
Maerki等[31]在研究健康皮肤角质形成细胞中高水平趋化因子CXCL14的生物学功能时发现CXCL14也是一种强有效的抗菌肽物质,它能够下调炎症反应,但是CXCL14的其他生物性功能还有待我们进一步研究。
四、AD与皮肤屏障功能
AD是一种慢性瘙痒性炎症性皮肤病,表现为Th1和Th2细胞调节异常,IgE、肥大细胞极度活跃,树突状细胞的信号传导。
就像渗透屏障一样,AD患者的抗菌屏障亦有受损。
金黄色葡萄球菌的定植是AD的共同特征,其超级抗原产物的定植通过产生大量IgE和外毒素使得AD进一步恶化。
另外,AD患者易患广泛的皮肤病毒性感染,包括接触传染性软疣、单纯性疱疹(Kaposi水痘样疹)和危及生命的牛痘。
广泛的皮肤真菌和马拉色菌感染也可发生于AD患者,后者亦像金葡菌一样能刺激特异性IgE的生成。
这些均说明AD患者缺乏正常完整的抗菌屏障。
近期发现AD不仅有渗透及抗菌功能障碍,而且这两种功能是相互制约、相互依赖的。
渗透屏障障碍易于继发感染,相反的,病原体的定植和感染使屏障功能进一步恶化。
对于AD患者,渗透屏障受损后易感染病原体,不仅是因为皮肤表面的pH增大,还因为抗菌活性物质如FFA、神经酰胺代谢物、鞘氨醇的减少。
五、结语与展望
皮肤是人体最大的器官,因其直接与外界环境相接触,故存在其特殊性。
AD、银屑病、鱼鳞病等遗传、环境相关性疾病仍是临床治疗的难题,严重影响着患者的生活质量,而这些疾病的发病基础均与皮肤屏障功能受损有关。
近年来对于皮肤屏障的相关研究处于飞速的发展阶段,改善皮肤屏障功能为治疗多种皮肤病的根本原则。
希望随着对皮肤生理及解剖结构进一步的了解,我们能对皮肤屏障有更深入的认识。
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(本文编辑:吴莹)
胡珍,于春水.皮肤屏障功能的研究进展[J/CD].中华临床医师杂志:电子版,2013,7(7):3101唱3103.
皮肤屏障功能的研究进展
作者:胡珍, 于春水
作者单位:川北医学院附属医院皮肤科, 四川南充,637000
刊名:
中华临床医师杂志(电子版)
英文刊名:Chinese Journal of Clinicians (Electronic Edition)年,卷(期):2013(7)
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