皮肤角质层相关屏障结构及功能探究进展

1、皮肤角质层相关屏障结构及功能探究进展皮肤是人体最大的器官，在保护人体内环境稳定和阻止外界有害物质入侵方面发挥着极其重要的作用。一般地，皮肤 屏障从结构上可分为广义和狭义的屏障。其中，广义的皮肤 屏障主要包括与皮肤各层结构相关的屏障；狭义的皮肤屏障 主要涉及皮肤角质层(sc )结构相关的屏障。现就皮肤角质 层的相关屏障结构和功能的研究进展综述如下。1皮肤角质层的相关屏障结构和功能由于皮肤与外界环境直接接触，皮肤角质层是防止外界有害刺激如各种化学物质和病原微生物等经皮渗透的重要 屏障，同时能够承受机械外力作用并具有调节经皮水分流失 (tewl)的功能。角质层作为一个连续性屏障，主要由角质细 胞和细

2、胞间脂质构成。其中，角质细胞的胞液含有丰富的角 蛋白和天然保湿因子(nmf ),因此角质细胞本身具有亲水 性，其间隔地''堆砌”于连续的富含非极性特定脂类的疏水性 细胞间基质中而形成一种特殊的“砖墙”结构体系。1.1角质层的相关屏障结构1.1.1角质细胞(corneocytes ):角质细胞是移行至角质 层并呈终末分化的角质形成细胞，它们由角蛋白丝固定并由 交联蛋白组成的细胞膜和共辘脂质膜包围，是角质层最重要 的保护性结构组分之一，构成了“砖墙”结构体系中的“砖”。 在角质形成细胞正常分化的最后阶段，排列有序的角蛋白通 过与中间丝相关蛋白相互作用构成了一种浓缩阵列。其中 中间丝

3、相关蛋白聚合成束状角蛋白细丝，进而促进了该细胞 死亡后扁平形态的形成2，这对维持皮肤屏障的结构稳态具 有重要作用。在哺乳动物表皮中，角蛋白和中间丝相关蛋白 构成了其蛋白含量的80%90%3，若两者基因的突变将直 接影响角质层屏障组织结构的完整性，继而出现一系列以角 质层屏障受损相关为主要表现的皮肤疾病，如银屑病、扁平 苔癣等，其中角蛋白07在正常表皮中并不出现，而在上述 皮肤疾病中则明显表达4 :presland等5先后发现，若正常 的中间丝相关蛋白及丝聚合蛋白原缺失，小鼠在出生时可表 现出皮肤的干燥，脱屑等；而小鼠表皮基底层上部的中间丝 相关蛋白的过度表达则可导致皮肤屏障修复的延迟。角质层屏

4、障结构之一的角化细胞被膜（ce ）由表达于表皮棘层中上部的角质形成细胞转谷酰胺酶仃gk）催化角质套 膜蛋白继而形成于角质细胞膜下的一种坚固而异常不溶性 的蛋白/脂质聚合结构，它由蛋白包膜和脂质包膜两部分构 成。其中，蛋白包膜赋予了角质化细胞被膜的生物力学特性， 这是通过特异性角质化包膜结构蛋白之间交联而形成的。这 些蛋白包括外皮蛋白、兜甲蛋白、毛透明蛋白以及通过蛋白 二硫键和由谷氨酰胺酶所形成的n弋（丫谷氨酰）赖氨酸异 肽键连接的一类富含脯氨酸的小蛋白6。动物实验研究发 现，谷氨酰胺酶/缺陷的小鼠可表现出皮肤角质层的缺陷， 并在其幼年期因水分过度丢失而死亡7。人类谷氨酰胺酶邛 基因突变会患有层

5、状鱼鳞病，这是由于谷氨酰胺酶-1影响许 多种角质化包膜蛋白和神经酰胺类共辘键的连接8。兜甲蛋 白缺失的小鼠不会表现出皮肤屏障功能障碍，相反可表现出 对机械应力更大的敏感性，这可能会继发地改变皮肤屏障的 功能9。组织蛋白酶d基因缺陷的小鼠可表现出外皮蛋白、 兜甲蛋白和中间丝相关蛋白的减少，从而导致皮肤屏障功能 的缺失10o伴有鱼鳞病的残毁性角皮病(vohwinkel综合 征之变异型)，是由兜甲蛋白基因突变引起的11o角质细胞 连接的脂质包膜是一种质膜样结构，它可以取代哺乳动物角 层细胞外表面的质膜。脂质包膜不仅为角质细胞提供了一个 包膜，而且还与细胞间脂质基质相互交错并构成与水分相关的通透性屏障

6、12o角质细胞的另一重要结构是角化桥粒(corneo)desmosomes,因其是唯一在颗粒层角质形成细胞 和角质层角质细胞间的紧密连接，因而又被称为过渡桥粒 13,主要是由角化桥粒蛋白、桥粒芯糖蛋白-1和桥粒糖蛋 白-1构成。若以上相关蛋白发生降解可导致角化桥粒的裂 解，继而发生脱屑，影响皮肤屏障的正常生理功能。例如， netherton综合征是由spink5基因突变引起的一种常染色 体隐形遗传性皮肤病。spink5基因突变可使丝氨酸蛋白酶 抑制剂lekti表达缺陷，其通过桥粒芯糖蛋白/的降解导致 颗粒层上层异常桥粒的裂解，继而导致角质层的粘附缺陷， 从而引起皮肤屏障功能障碍14o1.1.2

7、细胞间脂质(extracellular lipide ):角质层的角质 细胞间脂质分为两大类：一类是来源于表皮颗粒层板层小体 的合成，并通过一个泡管系统的协调作用使脂质移动，随后 脂质与质膜融合并以胞吐的形式释放，经过修饰和排列整合 到细胞间并平行定位于角质细胞表面，称为结构脂质，即角 质层“砖-墙”结构体系中的“灰浆”;另一类是来源于皮脂腺分 泌和角质细胞崩解形成的脂质，其覆盖于皮肤表面并与水乳 化成的皮脂膜，称为润泽脂质15o两大类脂质特别是结构脂 质，是皮肤角质层屏障的重要结构之一。角质层的结构脂质主要包括神经酰胺类、游离脂肪酸和胆固醇等。其中，神经酰胺类约占角质层脂质重量的30%40%

8、 ,是一类结合酰胺基并包含有一个鞘氨基醇长链的脂肪 酸。在角质细胞间，神经酰胺类的合成是以丝氨酸棕櫚酰转 移酶作为限速酶，并通过水解葡糖昔酰鞘氨醇和鞘磷脂而实 现的。皮肤角质层包含有至少9种以上的游离神经酰胺，它 们构成了更为紧密堆叠的角质细胞间脂质基质结构。在角质 层中，神经酰胺具有保水作用并与tewl密切相关，从而进步提高了皮肤屏障功能。例如：一些身心性皮肤疾病如银 屑病、异位性皮炎等的发生与角质层中神经酰胺水平的改变 密切相关16o其中，神经酰胺a和神经酰胺b是角质层神 经酰胺类中较为重要的两种，它们通过共价结合形成角质化 包膜蛋白，对外皮蛋白具有重要作用。角质层中游离脂肪酸和胆固醇对皮

9、肤屏障的作用仅次于神经酰胺类。游离脂肪酸是皮肤角质层中另一重要的结构性 组分，其链长约c12-c24o饱和与单不饱和脂肪酸类在表皮 内合成，其他的从食物和血液中获得。必需脂肪酸缺乏症l=l(efad )是因营养不良或者不正常饮食造成表皮游离脂肪 酸的缺乏，由于表皮细胞的改变，在实验小鼠身上表现为皮 肤发红、表皮粗糙、脱屑，严重时可导致皮肤屏障功能障碍。另外，脂肪酸运输蛋白4( fatp4 )基因表达异常可致皮肤屏 障功能异常并可促使小鼠在出生后迅速死亡17o!1!胆固醇是存在于角质层的第三大脂类，其与皮肤通透性 屏障密切相关。角质层中胆固醇水平受abca12膜转运蛋白 的调节18o研究发现，在

10、皮肤通透性屏障功能修复过程中 胆固醇的合成明显增加；降脂药洛伐他汀的局部应用可抑制 轻基甲基戊二酰基coa还原酶，促使表皮过度增殖并导致 皮肤屏障功能异常19o1.2皮肤角质层的相关屏障结构模型学说：鉴于角质层相关屏障结构的重要性，国外相关学者进行了长期而系统的 研究并分别提出了角质层的各种相关结构模型学说，以便深 入了解和认识皮肤角质层的相关屏障结构并进一步了解其 相关的屏障功能。其大致可分为以下五类：1.2.1 堆叠单层结构模型(stacked monolayer model ): 1989年,swartzendruber等20提出了角质层细胞间脂质基 质层状分子的排列结构，即在神经酰胺延

11、伸链的形成过程 中，其烷基链相互交错，同时胆固醇有规则地分布在不同细 胞层之间。这种脂质结构能够证明传统透射电子显微图像上 的透明条带中细胞“宽窄宽”的排列结构。在此结构模型中, 延伸链单层排列的神经酰胺能够促进角质层细胞间脂质基 质更加紧密堆叠，从而进一步提高了与水或油溶性混合物的 皮肤渗透性相关的皮肤屏障性能，说明了该结构模型在其屏 障方面具有一定的优势性21o1.2.2 域镶嵌结构模型(domain mosaic model ): 20 世 纪90年代初，针对角质层屏障结构，foslind22提出了“域 镶嵌结构模型”。在此模型中，细胞间脂质基质的非连续性层 状晶体结构嵌入连续性液态晶状

12、结构。在很大程度上，角质 层细胞间脂质的下层部分是处于液晶态的，其上层部分在标准环境空气湿度小于90%的情况下大多处于晶态或者凝胶 状态。此模型充分解释了在空气相对湿度大于90%的情况 下，皮肤角质层的水分扩散率呈明显增高趋势，同时也说明 了细胞间脂质可能并非完全相同。1.2.3 ulaminglass,j结构模型(laminglass model ) :1996 年，pascher23针对角质层结构和功能，提出了 “laminglass”模型。该模型认为神经酰胺在其延伸链结构中 用于组成晶状单层，同时鞘氨醇和脂肪酸部分用于组成两组 结构紧密的姪链基质，呈正交分子组成。余下脂质用于组成 单独而

13、有序的富有胆固醇的液晶相，直接接触疏水的神经酰 胺单层。因此该结构兼有低透水性、相当的屈弹性和对物理 应力高阻性的特点。1.2.4 “三明治”结构模型(sandwich model ): bouwstra 等24提出“三明治”结构模型，认为位于中央部位的含有不饱 和亚油酸、神经酰胺5和胆固醇的液态脂质单层直接接触由 余下神经酰胺所组成的两个晶状层的疏水部分，形成“三明 治”的典型结构。然而，作者认为脂质部分形成液态相是十分 有限的，因此，中央层不会形成一个连续的液态相而仅包含 有侧面分布的“液态域”。1.2.5 单凝胶相结构模型(single gel-phase model ): 由norl0

14、n25提出的单凝胶相模型认为，角质层细胞间脂质 是以单相和凝聚性板层凝胶相的形式存在。作者进步研究 假定，单凝胶相模型是由液态晶状膜经过“结晶”冷凝”紧 密堆积”或“结晶”并伴随着在结晶过程中脂质的有限侧向扩 散或排序而形成。在皮肤渗透性方面，生理性皮肤温度范围 内，角质层细胞间脂质基质可能表现出相分离，这可能会使不同域间其界面的渗透性显著提高，单凝胶相结构模型与以 往模型（堆叠单层结构模型除外）都不同，因为该模型认为 角质层细胞间脂质基质并没有明显的相分离；另一方面，角 质层中液晶状结构的存在可能会明显影响皮肤屏障能力，这 是由于液晶态脂质双层相对于凝胶状态下双分子层更易导 致水分扩散，可能

15、会进一步削弱皮肤屏障性能。因此，单凝 胶相结构模型可能较以往结构模型在其屏障结构上更具有 优势性21o2皮肤角质层的相关屏障功能2.1物理或机械性屏障：皮肤角质层的完整结构对其物 理或机械性屏障功能的发挥具有重要作用。相比正常角质层 而言，异位性皮炎患者的角质细胞数量相对减少，继而使其 角质层的厚度变薄，导致物质进入表皮的通透性径长明显缩 小，进一步影响了表皮屏障的正常功能26o皮肤角质层本 身还具有阻止物理和机械外力损伤表皮的功能。实验发现， 当基因枪以500磅/平方英寸的速度向表皮发射出直径2pm 的金微粒后，后者不能顺利地穿过而是停留在角质层内，这 说明皮肤角质层本身在细胞水平具有一种冲

16、击阻力，可有效 防止外力对表皮的进一步损伤27o我们还发现在高度摩擦 的部位如掌、趾等处的表皮可形成具有高度抗摩擦性的脐 月氐。以上这些都证明了角质层具有有效适应和对抗外界物理 或械性损伤的能力。2.2经皮水分丢失（tewl ）屏障：皮肤角质层能够有效 阻止水分经皮扩散和丢失，这也是其最重要的屏障功能。不 同解剖部位的正常皮肤，其经皮水分流失的部位性差异表明 全身皮肤并不具有单一的最佳tewl值28o tewl屏障的 位置可经皮下注射电子示踪剂胶态铜显示。在皮下注射胶态 镰i 后，使用透射电镜检测所提取的皮肤活检标本，可见 胶态镰i受阻于颗粒层与角质层的连接部位29o另外，角质 层“砖墙”结构

17、体系中的细胞间脂质会防止发生大量水分流 失的不感蒸发，仅允许有限数量的呈蒸汽相的水分通过。一 般地，tewl值在临床上易于测量，因此可提供角质层屏障 的相关临床参数用以评估正常的皮肤功能和与之相关的皮 肤疾病如银屑病、异位性皮炎、大疱性表皮松解症等以及烧 伤。其中，这些相关皮肤疾病主要因皮肤角质层屏障受损从 而导致大量的水分经表皮丢失28 o2.3抗微生物及免疫屏障：皮肤的免疫功能主要与表皮内抗原递呈细胞如朗格汉斯细胞（lc）的密度和功能相关。然而，近来有研究表明，表皮合成的抗微生物肽如防御素、 内源性抗菌肽等同样与皮肤角质层的免疫功能密切相关30o表皮可通过合成和产生以上物质用以中和各种微生

18、物 的侵袭，增强本身固有的免疫功能。其中，防御素是由表皮 板层小体组装而成，并形成了抗微生物和通透性屏障之间的 直接关联31;卵泡上皮和腺胞间表皮的角质形成细胞可分 别组成型表达和可诱导型表达内源性抗菌肽。在异位性皮炎 和银屑病患者中，由于后者体内的抗菌肽表达较前者为高， 因此，前者更易导致皮肤感染32o另外，角质层抗菌分子 水平的下降与一些皮肤病的发生相关，如klk介导的ll-37 肽的蛋白水解片段可加重酒渣鼻的炎性应答33 o2.4抗氧化屏障：皮肤角质层具有一定的抗氧化功能。角质层表面的皮脂可滋润皮肤并在其表面产生和补充维生 素e ,后者具有保护和抗氧化作用。另外，人体表皮中酵素 和非酵素

19、抗氧化剂的含量高于其在真皮层中的含量25o另 有研究发现，当发生潜在诱变效应的dna损伤时,p53可 诱发增加细胞内活性氧的蛋白以进一步激活细胞凋亡，间接 地说明了 p53具有刺激抗氧化剂基因表达的作用34。例如，在白瘢风皮损中p53表达增强可能是一种适应或是积极的保 护性机制。3结语与展望皮肤角质层因其与外界环境直接接触并具有重要的屏障功能，相对于皮肤其他各层而言其是表皮最为重要的组成结 构。由于角质层的特殊结构在皮肤的正常功能和各种相关皮 肤疾病的发生中发挥着重要作用。角质层独特的结构和屏障 功能及其详细的作用机制仍值得进一步研究和探讨，以指导 与之相关的各方面的临床应用，包括进一步探讨角

20、质层与皮 肤屏障异常相关皮肤疾病间的发病机制并指导和设计最恰 当的治疗方案等。参考文献1 harding cr.the stratum corneum: structure and function in health and diseasej. dermatol ther,2004,17 suppl 1:6-15 2 palmer cn,irvine ad,terron-kwiatkowski a,et al. com mon loss-of-functio n variants of the epidermal barrier protein filaggrin are a major p

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