皮肤角质层的相关屏障结构和功能的研究进展(1)
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]。
1.1 角质层的相关屏障结构
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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轭脂质膜包围，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K17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。
, 百拇医药 角质层屏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(TGk)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-ε(γ-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-1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-1基因突变会患有层状鱼鳞病，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轭键的连接[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[10]。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[11]。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[12]。
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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-1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[14]。
1.1.2 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[15]。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。
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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%，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榈酰转移酶作为限速酶，并通过水解葡糖苷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，从而进一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[16]。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-C24。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(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[17]。
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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[18]。研究发现，在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羟基甲基戊二酰基-CoA还原酶，促使表皮过度增殖并导致皮肤屏障功能异常[19]。
1.2 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[21]。, http://www.100md.com(杨扬 马慧军 胡蓉)
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]。
1.1 角质层的相关屏障结构
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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轭脂质膜包围，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K17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。
, 百拇医药 角质层屏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(TGk)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-ε(γ-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-1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-1基因突变会患有层状鱼鳞病，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轭键的连接[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[10]。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[11]。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[12]。
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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-1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[14]。
1.1.2 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[15]。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。
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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%，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榈酰转移酶作为限速酶，并通过水解葡糖苷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，从而进一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[16]。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-C24。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(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[17]。
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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[18]。研究发现，在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羟基甲基戊二酰基-CoA还原酶，促使表皮过度增殖并导致皮肤屏障功能异常[19]。
1.2 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[21]。, http://www.100md.com(杨扬 马慧军 胡蓉)