基于指甲微观结构变化辅助诊断人体健康状况

(1.山东师范大学物理与电子科学学院， 济南 250014； 2.山东师范大学生命科学学院， 济南 250014； 3.山东师范大学化学化工与材料科学学院， 济南 250014)

人类指甲有各种形状，包括长方形、扁平形、正方形，位于指端，圆滑有光泽，微微隆凸。指甲的生长靠甲根和甲床，指甲是由重叠排列的角化上皮细胞构成，指甲一旦受到损伤，往往会影响到甲床，甲床一旦受到损害，可引起指甲缺损，造成指甲凹凸、粗糙、畸形[1]。指甲是皮肤的附属物，却与脏腑之间有着密切的联系，因为构成指甲的物资均由脏腑提供，所以指甲的生长通常与身体的健康状况、血液循环情况和体内矿物质含量有着密切的关系。中医认为，指甲是脏腑气血的外观表现，通过查看指甲来判断人体的脏腑经络之间的一些联系，从而来反映身体内存在的病变[2]。其中，指甲特征最能反映的就是肝、胆的关系。肝，其华在爪，肝胆好表现在指甲上为指甲光滑，有光泽；其充在筋，肝胆不好表现在容易动怒，青筋暴起；开窍于目，肝胆不好的人，眼睛容易发干，无光泽。因此，通过观察指甲的形状、大小、颜色能够基本反映一个人的健康状况。基于指甲的光泽、纹路、斑点等等的变化，则可以推断潜在的健康危机及病变[3]。所以，一种最为简易的健康自测方法，就是学会用眼睛观察指甲。但宏观的察看无法发现指甲的显微结构特征及相关的成份，如果利用高分辨率的分析仪器表征指甲的显微结构观察和分析指甲所含元素，将会更科学和精确的反映人体健康状况，为了提高临床诊断准确率提供科学的参考依据。本研究利用扫描电镜对8位不同年龄段的志愿者指(趾)甲进行了研究，表征了健康指甲和异常指甲显微结构特征，分析了年轻人指甲和老年人指甲的多种元素含量，从而和宏观的“甲诊”形成互补，更精确反映人体身体状况。

1 实验部分

1.1 仪器

离子溅射仪(中镜科仪，型号，SBC-12型)；扫描电镜(德国卡尔蔡司公司，型号，Sigma500型)；能谱仪(布鲁克北京科技有限公司，型号，QUANTAX400型)。

1.2 样品选取与处理

1.2.1样品的采集

在青年、中年、老年中收集正常和异常的15组指(趾)甲作为样品，并将其按年龄分类，用透明带包装并分别标上取材指(趾)甲的位置，性别，年龄并将其编号归类，最终挑选出8种指甲样品进行研究。如表1所示。

表1 指甲实验样品

1.2.2样品的处理

由于指甲用于显微观察需要粘在样品台上，而剪下的指甲呈拱形，所以需要将其压平，方便实验时的粘贴。显微观察时应该尽量减少其他无关因素的影响，所以应该保持样品的清洁，将指甲中的污垢用清水和软牙刷洗净，自然晾干，将需要观察的部位剪出，其余部分作为备用，最后装袋并编号。

1.3 实验

将导电胶带用剪刀剪成方形并用镊子将其粘在样品台上，将已经处理好的指甲样品用镊子取出并将要观察的部位尽量粘在样品台的中央，如图1所示。首先利用能谱仪测出青年指甲和老年指甲的所含元素，保留谱图，之后用离子溅射仪对样品进行喷金处理，使样品表面导电，减少在电镜观察时出现的充放电现象，最后将样品放在扫描电镜中分别放大500X、1000X、5000X进行观察并拍照。

图1 样品图

2 结果与讨论

2.1 健康指甲显微结构特点

指甲由多层平整的角质细胞构成，这些板状细胞由一种粘性很强的物质相互凝结在一起，当多层细胞相互粘在一起时，就形成了紧致，平整，层叠生长的微观形态结构。宏观上，甲质坚韧，厚薄适中，软硬适度，不易折断。指甲的生长是甲根部的甲基质细胞增生、角化并越过甲床向前方移行而成，甲床控制着指甲按一定形状生长，甲床完整无变形，则指甲形状规则。甲床有丰富的血管及神经末梢，当人体血液循环供应正常，指甲末梢供血充足， 健康的指甲整体上呈现出桃红色，表面光滑圆润，厚薄适度；形状平滑光洁，表面无纵横沟纹，没有干扰斑；指甲对称，不偏斜，无凹陷或末端向上翘起的现象[4]。因此健康指甲的微观特征为甲小皮组织为平滑、密实的板层结构，层叠生长，层间间隙小，未见有缺损或孔洞的存在[5]。图2为健康指甲外表面显微结构的扫描电镜二次电子像，其甲小皮平整，虽有裂纹，但是指甲表面很紧密，即没有疏松、颗粒物、团状物、也没有絮状、缺损及孔洞，且板层之间呈叠状生长。

图2 正常指甲显微结构扫描电镜二次电子图像

2.2 青年与老年指甲中所含元素分析

人体中微量元素代谢排泄的场所有很多，指甲就是其中一个。因此可以通过指甲的微量元素的比较，间接判断人体健康。随着年龄的增长，指甲中微量元素含量也会发生变化，但年龄并不是指甲元素变化的唯一因素，它还会受职业、所在地环境、饮食等因素影响[4]，所取指甲应在同一区域。采集的能谱分别如图3和图4所示，通过实验检测分析出青年和老年指甲中均含有C、O、S、Ca、Na、Fe等基本元素。指甲S的含量比在人体中含的较多，这是因为指甲是一种角蛋白，包含了较多的S，硫做为一种杀菌剂有利于皮肤病的治疗。由表可看到老年指甲的Ca的含量比青年的含量少，但Na的含量比青年的要多。这是因为随着年龄的增长肠道对钙的吸收率降低，味觉阈值低下导致食用更多的盐，自然Na含量也升高[5]。老年人Co含量低，可能有肝郁脾虚的症状。老年人Al的含量较青年人多，Al对人脑有不利影响，不应该摄入过多，老年人摄入太多Al会导致老年痴呆症。

图3 青年指甲能谱分析图(EDS)

图4 老年指甲能谱分析图(EDS)

2.3 指甲带有黑线的显微结构特点

图5为带有黑线的指甲显微结构图像，其中可见，甲小板整体平整，紧致。整体和正常指甲的结构相似，但是可明显看到有一条竖的沟壑。沟壑处甲小板有破损。由于甲床控制着指甲按一定形状生长，当甲床受损伤时，则指甲畸形生长。因为甲小板的整体特征与正常指甲相似，没有畸形生长，因此可以认为甲床未受损，甲小板的竖沟可能是因为局部结构变化导致的裂纹。角蛋白是构成指甲外胚层细胞的结构蛋白。由于角蛋白含有较多的胱氨酸，故二硫键含量特别多，在蛋白质肽链中起交联作用，因此角蛋白化学性质稳定，有较高的机械强度。X射线衍射分析表明，角蛋白的空间结构有α-螺旋结构(α-角蛋白)和β-折叠片层结构(β-角蛋白)两种类型。α-角蛋白在一定条件下充分伸展可逆地转变为β-角蛋白，其分子结构取反平行式β-折叠片以平行的方式堆积成多层结构，链间主要以氢键连接。如果指甲末梢供血不充足，导致指甲生长过程中局部营养成份缺乏，就可能会使链间结合减弱，出现微观结构裂纹。当胃 、 肝 、 胆 、 胰 、 脾 、 肠道等与消化系统有关的器官出现病理变化时[6]就会导致指甲末梢供血不充足，引起指甲出现类似图5所示的现象。

依赖于指甲末梢供血情况，指甲上出现条纹的现象可以是短期存在，也可以长期存在。如果短时间出现，可能是短暂的器官机能下降。如果长期存在，则可能是体内出现慢性病变，因为指甲暗条纹与慢性肝炎存在着规律性联系[7]。对于指甲暗条纹从中医角度来说，则是指甲依赖于肝血和肝气的营养，黑色的竖纹预示着肝肾机能的衰弱，可能有毒素蓄积在体内。

图5 带有黑线指甲在扫描电镜下的显微图像

2.4 指甲带有白点的显微结构特点

指甲上的白点在医学上叫做“点状白甲症”。导致指甲白斑的因素较多，如撞击形成的外伤、营养状况不佳、过敏、药物的副作用以及真菌感染。真菌感染产生的病理性白点叫做“真菌性白甲”，显微结构观察可见到真菌的存在。图6所示为撞击外伤导致大拇指指甲白斑的扫描电镜二次电子像，可见撞击使甲小皮破损严重，出现很多沟壑和明显的孔洞。除了点状白甲症，指甲上还可能出现赤、黄、绛、青、乌、紫等颜色的斑点，产生这些斑点的主要原因是指甲局部成份的改变，导致局部电子能带结构的变化，改变了这些斑点处的吸收光谱特征，进而使得指甲上出现各种颜色的斑点。指甲局部成份的改变通常与血液提供营养的状况有直接关系。当脏腑功能失调，消化吸收不良时，使得提供给指甲生长的营养不足，就会导致指甲上出现白色或其它颜色的斑点。因此，指甲上出现不同颜色的斑点就意味着全身健康状况的变化，可能是某些器官功能下降(如急、慢性炎症和脾胃及消化系统的气积、血积或食积)，或者是皮肤病中的银屑病和湿疹，以及饮食中缺乏矿物质、一些微量元素和维生素。

图6 带有白点指甲的扫描电镜二次电子图像

2.5 指甲带有黑点的显微结构特点

图7所示的扫描电镜二次电子图像显示了带有黑点指甲的显微结构，其中可见呈鳞片状的甲小皮破损。当电镜的放大倍数增加到5000倍时，可观察到甲小皮上散乱分布了许多黑色衬度的小点状区域，其黑色衬度的产生是由于这些区域发出的二次电子数量少，接收探头接收到的成像信号弱所致。通常物资密度低和元素质量轻及有空洞的区域产生的二次电子数量少，在扫描电镜图像中呈现出衬度低，即黑色衬度。由此可知，图7(c)中黑色衬度的小点状区域中物资的密度低或元素质量轻。通常甲下出血点氧化后会形成黑色斑点，同时血液的氧化物在密度和元素质量方面都明显低于正常指甲的组成物资，所以指甲上的黑点在扫描电镜像中也呈现黑色衬度。构成指甲的螺旋结构α-角蛋白在一定条件下充分伸展可逆地转变为折叠片层结构的β-角蛋白，其分子结构取反平行式β-折叠片的方式堆积成多层结构，层间主要靠范德华力维系。当微循环供血不足时，指甲生长缺少足够的营养和相关元素，使螺旋结构的α-角蛋白不能充分伸展地转变为折叠片层结构的β-角蛋白分，不完全伸展的螺旋结构α-角蛋白导致范德华力无法维系多层结构，出现呈鳞片状的甲小皮破损。同样地，微循环供血不足时，维生素缺乏使得毛细血管比较脆，容易破裂，形成甲小出血点，血液氧化后，出现指甲上的黑点。微循环供血不足亦会导致指甲生长的局域不均匀性，出现微观尺度的空洞结构，这些微观尺度的空洞结构同样在光学图像和扫描电镜图像中均显示黑色衬度。

图7 带有黑点指甲的扫描电镜图像

2.6 趾甲带有横凹的显微结构特点

图8为带有横凹的趾甲显微结构图像，其中可见本来很紧致的甲小皮出现了起皮、干裂、各层次疏松、甲小皮的碎片状不规则破损和区域性的团状颗粒。同时肉眼可见甲体呈凹陷横沟和甲柱面无光泽。这种指甲横沟在临床医学上被称为“博氏线”。指甲横沟和甲小皮的不规则破损及局部的团状颗粒很明显地是指甲局域非均匀生长所致，而导致指甲局域不均匀生长的原因则是支撑指甲生长的养分不足。导致指甲生长养分不足的原因可能有多种，比如血液微循环不畅，脏器功能低下(如气虚血耗，热邪肺燥，肝气郁结，肌肤风燥等)，体内缺乏维生素和微量元素(如脚气导致脚趾指甲角化时出现类似的甲横沟)，猩红热和肺炎等各种炎症，以及大肠结热证(如大便干燥秘结，肛门灼热，口干烦渴，小便短赤，腹胀硬满，甚则腹痛拒按，身热面赤，舌苔黄燥)等均与指甲横沟的产生有关。

图8 带有横凹指甲的扫描电镜图像

2.7 指甲带有竖凸条纹的显微结构特点

如图9所示，带有竖凸条纹指甲的显微结构特征是正常处甲小皮紧致，但凸起处的甲小皮板层粗糙且不平整，存在不同程度的裂纹和沟壑，纹理有方向性，可看到宏观尺度的纵脊。指甲表面纵脊的出现依然源于身体为指甲生长中供给养分不充分所导致的指甲局域生长不均匀。过度劳累使得组织或内脏器官功能下降(如肾脏疾病以及免疫功能低下)，用脑过度[8]，抑或微量元素和维生素缺乏均可引起指甲局域生长不均匀，导致指甲的竖凸条纹。指甲凸竖纹也是一种衰老的征兆，因为随着年龄的增长，人的器官功能下降，所以竖纹会随年龄增长会逐渐出现，并越来越明显。如果年轻人的指甲上出现数条凸起纵线，则可能是由于器官功能下降，特别是与呼吸系统和神经系统的疾病有关。

图9 带有竖凸条纹指甲的扫描电镜图像

2.8 黄色指甲显微结构特点

图10(a)和(b)分别是黄色指甲的低倍扫描电镜图像，其中可见甲小皮较稀疏，放大到5000倍可看到板层呈锯齿形破损。甲小皮的稀疏和破损与指甲成份变化使螺旋结构α-角蛋白不能完全伸展而导致范德华力无法维系多层结构有关，因此甲小皮的破损可认为是器官功能低下导致的微循环不良所致。黄色指甲则是指甲成份变化所致，比如黄疸性肝炎、溶血性黄疸和阻塞性黄疸均可导致指甲被胆汁黄染[9]，所以一般肝胆疾患都会出现指甲变黄。由于肝、肾等器官的功能随年龄增加而衰减，导致气血亏虚，微循环不畅，老年人指甲生长所需的养分供给不足，容易出现指甲颜色变淡黄的现象，正如中医所说的“爪甲不荣”。

图10 黄色指甲的扫描电镜图像

2.9 甲床分离症指甲的显微结构特点

图11为甲床分离症的指甲显微结构图像，样品为脱落的软组织。由图11可见，与正常指甲的微观状态甲小板的紧致，平整，层叠生长不同，该样品呈现出囊状生长，有较大的孔洞以及颗粒状的堆积物。常见的甲分离(Onycholysis)通常表现为甲板和甲床的自发性分离，只有少数的甲分离是从近端向远端分离，一般的甲分离都是从远端开始[10]。甲分离在国外的研究报告中常被叫做普拉默的指甲(PlummerS nails)[11]。从指甲微观结构的角度分析，甲分离是由于指甲的底面与相邻皮肤表面的结合能力降低所致。指甲小板主要由鳞状的角质层重叠产生的，可分三层，是致密半透明而结实的板片。角质是从氨基酸中产生出来的蛋白质。而这些特殊的蛋白质形成一种坚固的有弹性的物质-指甲板。指甲板由多层平整的角质细胞构成。这些板状细胞由一种黏性很强的物质相互凝结在一起。当多层细胞相互粘在一起时，就形成了紧致，平整，层叠生长的微观形态结构。硬角质层保护着甲床和指甲。指甲板的保护作用与其厚度成正比，如果指甲板太薄，就容易发生指甲起层和断裂等损坏现象。由于指甲板是从氨基酸中生成的特殊蛋白质，当为指甲生长提供的氨基酸数量减少时，从氨基酸中生成特殊蛋白质的数量也会相应减少，使得指甲板的厚度变薄，进而出现甲分离现象。如果肝脏功能出现问题，会导致蛋白质合成不足，即使心肺功能正常，血液中依然没有足够的氨基酸和蛋白等营养物资支撑指甲的正常生长，导致指甲板变薄，出现甲分离。因此，多种影响氨基酸和蛋白质合成的系统性疾病及系统性用药是造成甲分离的主要原因。

图11 甲分离指甲的扫描电镜图像

3 结论

(1)通过对8种指甲样品微观结构的表征和分析，可得出如下结论：

正常指甲呈现出甲小板平整、紧致、光滑，板层结构呈叠层生长的特点。当维持指甲正常生长所需的营养物资不足时，指甲上就会出现表面疏松、孔洞、裂纹和沟壑等破损现象和多种颜色的斑点、团状颗粒、竖凸条纹和甲床分离等各种异常现象。

(2)人体的各器官功能低下，将导致为指甲生长提供营养物资成份和数量的改变，因此，指甲微观结构的变化与人体的健康状态直接相关，通过指甲微观结构的表征为评价人体健康状态提供有价值的信息，对潜在的健康隐患进行预警。

(3)随着年龄渐老，指甲中Ca和Co含量下降，Na和Al含量增加，其中Al含量的升高增加了罹患高血压和痴呆性相关老年病的几率。

目前，对影响指甲微观结构变化因素的了解还很有限，一些影响指甲显微结构特征的潜在因素还未被发现，尚有待于进一步的研究和探索，以便使得利用指甲辅助诊断人体健康状况的方法更加完善。