皮肤屏障功能与皮肤病

李小琼魏志平刘彦群

·综述·

皮肤屏障功能与皮肤病

李小琼1魏志平2∗刘彦群1

皮肤在防御外界有害因素损伤及维持内环境稳态中起重要作用，本文就近年来有关皮肤屏障结构及功能的研究进展作一综述。

皮肤屏障； 角质层屏障； 特应性皮炎； 银屑病

作为人体天然的外衣,皮肤对维持生物体内环境的稳态,防御外界有害因素损伤有重要作用。皮肤的屏障保护功能可以总结为以下六个方面:①物理性屏障,如抵抗外界机械性及化学性刺激；②免疫屏障,如分泌抗菌肽；③抗氧化；④水合作用；⑤选择性吸收、渗透屏障；⑥保持皮肤完整性、内聚力、周期性脱屑和程序性修复。1

1 角质层屏障结构及功能

90%的皮肤屏障功能依靠角质层完成,“砖墙模型”是现在公认的表皮角质层屏障结构模型。角质层屏障的主要成分是角质细胞及其角化包膜(砖)和细胞间的脂质双分子层(泥)。兜甲蛋白(loricrin)、内披蛋白(involucrin)、丝聚合蛋白(fillagrin)等相互交联形成角化包膜(cornified envelope),角质细胞镶嵌在其中,构成了皮肤的物理屏障结构。2

1.1 角质细胞 角质细胞(砖)在角质层屏障功能中起重要作用,如渗透功能、抗物理性、机械性损伤等。角质细胞是细胞外脂质形成多层超微结构的重要骨架。呈叠瓦状垂直分布的角质细胞阻止细胞外基质过度伸展,减少水分的丢失。角质细胞胞质产生丝聚合蛋白水解产物参与角质层水合作用。3

1.2 脂质 角质层细胞间脂质由50%神经酰胺、25%胆固醇、自由脂肪酸和一些小分子脂质构成。4神经酰胺是构成表皮脂质的主要成分,它含有的长链碱基、ω－羟基酸等起到连接“砖块”的作用。神经酰胺1在角质层细胞间脂质双分子层的构成中起重要作用。角质层中形成脂质的重要成分由板层小体(角质小体、odland小体)所分泌。板层小体产生前体物质包括葡萄糖苷鞘氨醇、磷脂、胆固醇、蛋白,而这些前体物质是皮肤内聚力、脱屑及脂质形成所必需的成分。同时板层小体还分泌抗菌肽(如人β－防御素2、LL－37)形成所需的重要蛋白。2

1.3 蛋白 角蛋白、兜甲蛋白、内披蛋白、丝聚合蛋白和桥粒在角质层细胞胞质、CE及角质形成细胞之间连接的形成中起重要作用。其中角蛋白和丝聚合蛋白大约占表皮总蛋白的80%～90%。5角蛋白维持皮肤的骨架结构,主要有两种类型:I型(编码基因位于染色体7q21.2；1－8,71－80)和II型(编码基因位于染色体12q13；9－28)。6①角蛋白在表皮的分布有特异性,K5/K14表达在基底层,而K1/K10/K2e表达在基底层上大约占角质形成细胞重量的80%。K1和K10通过胞质内的桥粒斑蛋白如桥粒斑蛋白、桥粒斑珠蛋白与桥粒芯糖蛋白1和桥粒芯胶蛋白1结合,形成细胞骨架。角蛋白与CE相互作用,从而进一步加强了角质屏障功能。②丝聚合蛋白在维持皮肤内环境稳态中起重要作用。颗粒层角质透明颗粒中的酶能催化无活性的丝聚合蛋白原转化为丝聚合蛋白和N末端肽。靠近皮肤表面时,丝聚合蛋白降解为自由氨基酸,形成天然保湿因子(NMF)。NMF是皮肤重要的保湿因子,对保持角质层水分、皮肤弹性有重要作用,并有助于维持皮肤正常的PH值。3N末端肽在维持表皮细胞程序性死亡的过程中起重要作用。一部分丝聚合蛋白与兜甲蛋白结合成为CE的组成成分。

1.4 CE 由多种蛋白如内皮蛋白、兜甲蛋白、丝聚合蛋白、富含脯氨酸的小蛋白相互交联形成,这一过程由转谷氨酰胺酶(TG)调控。7TG1基因的突变与板层状鱼鳞病有关。兜甲蛋白是构成CE的主要蛋白,来源于角质透明颗粒大约占70%。1兜甲蛋白等位基因突变的患者表现出不同的疾病型,如残毁性皮肤角化病综合征,假性黑棘皮病、蜂窝状角皮病(honeycomb keratoderma)、轻到中度全身性鱼鳞病。

1.5 桥粒 角质层中的桥粒是角质形成细胞在分化过程中形成的,起维持细胞间黏附力的作用。桥粒由桥粒钙黏蛋白如钙依赖黏附蛋白(如桥粒芯糖蛋白、桥粒芯胶蛋白)通过桥粒斑蛋白、桥粒斑珠蛋白等与角蛋白丝连接构成。7桥粒钙黏蛋白中的桥粒芯糖蛋白1和4在角质层表达,在落叶型天疱疮中成熟障碍,并出现抗桥粒芯糖蛋白的抗体。6

2 皮肤屏障功能的调节

2.1 角质层的水合作用 皮肤主要靠角质层保持水分、弹性和活力。表皮不同部位的水分分布有所不同。体内试验表明表皮的含水量呈梯度分布,角质层中大约为15%～20%,颗粒层达40%,基底层高达70%。1角质层水合作用对皮肤屏障的调节作用主要表现在以下方面:①皮肤中水分是角质细胞蛋白和细胞间基质的塑形剂。角质层含水量影响皮肤对机械压力的抵抗力及弹性。干燥的皮肤TG(CE蛋白交联的关键酶)活性改变,使CE形成受损。②角质形成细胞周期性脱落过程与角质层的水合作用有关。角质层水合作用降低时会出现表皮脱屑,如寻常型鱼鳞病、冬季干燥症等。③角质层含水量同时也影响受损屏障功能的修复。在湿度较高的环境中,屏障功能受损后诱导脂质合成能力下降。因此,皮肤屏障修复能力在湿度较低的环境中比在湿度较高的环境中强。④皮肤含水量参与皮肤炎症反应,皮肤湿度低使IL－1的表达增高。1⑤角质层的水合作用影响细胞间脂质膜的功能。并且,皮肤含水量减少时会引起丝聚合蛋白水解,随之影响NMF的产生。

2.2 钙的调节作用 钙在皮肤屏障功能的形成及修复中起调控作用。在正常皮肤中,钙呈梯度分布,基底层和棘层少量分布,而颗粒层含量较高。5钙的这种梯度分布影响角质形成细胞分化、桥粒及细胞间紧密连接的形成,从而调节皮肤屏障功能的形成。8研究表明将屏障受损的皮肤浸没在含钙的溶液中,皮肤屏障的修复功能就会受阻,同时,皮肤渗透屏障功能受损又可导致正常钙梯度的改变,使表皮外层钙浓度降低,低浓度钙可以直接调控板层小体的分泌。5在培养基中钙浓度升高会导致细胞分化和分层。同时,钙在细胞间信号传递中也起重要作用。8

2.3 皮肤PH值的调节 皮肤PH值对皮肤屏障功能有重要的调节作用。健康皮肤PH值是4.0～6.0。9人皮肤表面PH值在生后1周左右形成,出生时皮肤PH值呈中性对细菌、酵母菌易感,易发生尿布皮炎。10皮肤PH值对屏障功能的调节作用主要表现在以下几个方面:①皮肤PH值影响脂质形成,主要是通过影响脂质形成中关键酶的活性,如β葡萄糖苷酯酶(β－Gluc－Cer’ase)和酸性神经鞘磷脂酶(aSMase)。②皮肤酸碱度对角质层细胞的脱落、角质层的完整性和内聚力有重要影响。调控皮肤完整性和内聚力的主要丝氨酸蛋白酶有激肽释放酶5和激肽释放酶7。11角质层中PH值异常增高使这些酶的活性增强,导致角化桥粒和它们的组成蛋白桥粒核心糖蛋白1降解,从而促进了脱屑过程。③PH值增高还使经皮水分丢失(transepidermal water loss,TEWL)升高。④皮肤酸碱度在皮肤抗菌保护的形成中起重要作用。1正常偏酸性的皮肤有益于正常菌群生长,然而PH值增高有利于皮肤表面病原体如金黄色葡萄球菌、白念珠菌生长。

2.4 心理因素的调节作用 心理应激对皮肤屏障功能也有影响。11实验中处于心理应激状态的小鼠皮肤屏障修复能力受损及屏障完整性下降。心理应激可以促使内源性糖皮质激素的生成,从而影响皮肤渗透屏障功能。11心理应激引起皮肤屏障功能的破坏可能有以下五方面原因:①颗粒层中板层小体减少；②表皮脂质合成受到抑制；③桥粒芯糖蛋白1的减少、角质层桥粒减少；④表皮分化相关蛋白表达减少(兜甲蛋白、内披蛋白、丝聚合蛋白；⑤抗菌肽的生成减少。1

3 皮肤屏障功能的检测方法

3.1 TEWL测量法 TEWL测量法可以测量表皮水分丢失的情况,是评估皮肤屏障渗透功能最好的参数。1TEWL测量法可测定除出汗丢失的水分外其他途径丢失的水分。某些皮肤屏障功能受损的皮肤病如特应性皮炎、鱼鳞病、银屑病、接触性皮炎等TEWL值增高。TEWL测量方法至少有4种:简易封闭室、封闭式通风室、闭式冷凝器室、开放室。TEWL的测量值除了受一些主观因素比如应激、汗水等的影响外,还会受到环境因素的影响,比如小室的温度、湿度、通风性、光照等。

3.2 水合作用的测量 健康的皮肤TEWL和皮肤水合作用之间保持平衡。角质层水合作用下降使皮肤干燥,导致皮肤屏障功能的破坏。测量皮肤水合作用的方法有电导、电容或电阻抗。5经过皮肤的电流大小取决于角质层的含水量,含水量增加时电流也会增强。然而,传统的电测量方法不能明确测量出表皮角质层中水分分布梯度。新的测量方法如共聚焦Raman显微分光镜能测量表皮角质层中水分的分布梯度。该技术可以到达皮肤的深度大约为120 μm,从角质层到达真皮乳头层。同时这种方法能测得天然保湿因子的浓度以及根据Raman的特征性信号测得皮肤的其它成分。

4 皮肤病与皮肤屏障功能破坏

角质层与表皮其他各层之间相互作用,形成动态的屏障功能系统。12表皮分化异常如鱼鳞病、表皮炎症反应引起表皮增生导致角化不全(如接触性皮炎、特应性皮炎或银屑病)。表皮中脂质构成及角质形成细胞分化异常,促使环境中的病原体侵入皮肤,引发炎症性免疫反应。受损的皮肤屏障功能在接触性皮炎、鱼鳞病、银屑病、特应性皮炎等疾病的发病机制中起重要作用。12

4.1 特应性皮炎 特应性皮炎患者的角质层水合作用降低,PH值增高,皮损处和非皮损处经皮水分丢失都增加。屏障功能受损与神经酰胺1和3的片段以及相关蛋白水平降低有关。特应性皮炎患者皮肤容易感染金黄色葡糖球菌可能与天然抗菌成分鞘磷脂减少有关,这与神经酰胺水平下降及神经酰胺酶活性的下降有关。1研究发现与特应性皮炎屏障功能异常相关的基因如编码丝聚合蛋白R510X,2282del4等发生突变。9丝聚合蛋白的水解产物NMF是角质层中重要的保湿成分,也参与皮肤PH的调节。9而特应性皮炎患者丝聚合蛋白的变异影响角质层水合作用,使TEWL增高,同时皮肤PH发生改变。其他与特应性皮炎屏障功能受损相关的有兜甲蛋白、内披蛋白、皮肤脂质、抗菌肽等。13因此,修复皮肤屏障功能成为治疗特应性皮炎的新途径,如润肤剂的应用已取得了很好的疗效。9

4.2 银屑病 银屑病患者角质形成细胞的异常增殖、分化导致表皮屏障结构异常。银屑病不正常角化表现为早期分化标记物如CDSN(corneodesmosin相关的编码基因)、富含脯氨酸的小蛋白、半胱氨酸酶抑制剂A、TG1表达增加,晚期分化标记物如兜甲蛋白和丝聚合蛋白表达减少。13因此角化包膜形成异常,影响正常皮肤屏障结构和功能。同时,角质形成细胞分泌各种促炎因子如IL－1、IL－6,生长因子如VEGF等参与炎症反应。研究发现银屑病患者皮肤TEWL量增多,并与疾病严重程度呈正相关,皮损及皮损周围的角质层和棘层中水通道蛋白表达减少,颗粒层中板层小体数量减少,神经酰胺减少。皮肤不仅具有物理性防御作用,还参与固有及适应性免疫应答。银屑病研究中发现一系列与皮肤屏障功能相关的基因如LCE3,DEFB4,GJB2。14皮肤中参与固有免疫应答的主要物质是抗菌肽。银屑病患者斑块中β－防御素2水平升高,使斑块感染的机会较少,但也是潜在的促进炎症的因素。银屑病患者出现同形反应可能与表皮分化相关的基因群LCE有关。银屑病患者LCE3B和LCE3C基因的缺失导致在划伤后皮肤屏障功能的破坏,造成大量抗原物质的进入引起炎症反应。13

正常的皮肤屏障对维持生物体生命活动有重要意义。皮肤屏障功能的破坏在很多疾病的发生和发展中起重要作用。了解皮肤屏障的结构及功能不仅对皮肤病发病机制的理解有重要作用,而且对治疗有很大帮助。

1 Fluhr JW,Darlenski R.Skin Barrier.Berlin:Life－Threatening Dermatoses and Emergencies in Dermatology,2009.3－17.

2 Elias PM,Eichenfield LF,Fowler JF Jr,et al.Update on the structure and function of the skin barrier:atopic dermatitis as an exemplar of clinical implications.J Semin Cutan Med Surg, 2013,32(2):S21－24.

3 Jacquelyn L,Sheila Fallon F,James Q,et al.Atopic dermatitis and the stratum corneum Part 1:The role of filaggrinin the stratum corneum barrierand atopic skin.J Clin Aesthet Dermatol, 2013,6(10):16－22.

4 Hanel KH,Cornelissen C,Lüscher B,et al.Cytokines and the Skin Barrier.Int J Mol Sci,2013,14:6720－6745.

5 Proksch E,Brandner JM,Jensen JM.The skin:an indispensable barrier.Experimental Dermatology,2008,17:1063－1072.

6 Silverberg NB.The skin:an introduction.Handbook of diet,nutrition and the skin Human Health Handbooks,2012,2:12－23.

7 Eckes B,Krieg T,Carien M.Niessen.Therapy of skin diseases. Berlin:Biology of the Skin,2010.3－14.

8 Bikle DD,Xie Z,Tu CL.Calcium regulation of keratinocyte differentiation.Expert Rev Endocrinol Metab,2012,7(4):461－472.

9 Levin J,Friedlancler SF,Del Rosso JQ.Atopic Dermatitis and the stratum corneum part 1:The role of filaggrin in the stratum corneum barrierand atopic skin.J Clin Aesthet Dermatol,2013,6 (10):16－22.

10 Eichenfield LF,Elias PM,Fowler JF Jr,et al.Understanding skin barrier differences:A demographic,cultural,and medical diversity viewpoint.Semin Cutan Med Surg,2013,32(l2):16－20.

11 Peter M,Elias Joan S.Wakefield.Skin Barrier Function.Berlin:Nutrition for Healthy Skin,2011.35－48.

12 Rustemeyer T,Manigé F.Immunology and barrier function of the skin.Berlin:Kanerva’s Occupational Dermatology,2012.3－8.

13 Mahajan R,Handa S.Pathophysiology of psoriasis.J Supplement－Psoriasis,2013,79(7):1－9.

14Chandran V.The genetics of psoriasis and psoriatic arthritis. Clin Rev Allergy Immunol,2013,44(2):149－156.

(收稿:2013－11－22 修回:2014－01－04)

Skin barrier and diseases

LI Xiao-qiong,WEI Zhi-ping,LIU Yan-qun.Affiliated Hospital of Xuzhou Medical College,Xuzhou,221002

Skin plays an important role in the defense of harmful factors and injuries,and the maintenance of internal environment.In this paper the skin barrier structure and function are reviewed.

skin barrier；stratum corneum barrier；atopic dermatitis；psoriasis

1徐州医学院,221000

2徐州医学院附属医院,221002

∗通信作者