紫外线照射对表皮屏障功能的影响

周子玮，林乃余, 韩建德

中山大学附属第一医院皮肤科，广东 广州 510080

表皮屏障是人体的第一道防线，主要由角质层屏障和颗粒层的紧密连接屏障等组成。表皮屏障可以阻挡过多的体内水分向外流失，也可以防止环境中的病原体、过敏原等有害物质进入体内。表皮屏障损伤参与包括银屑病、痤疮[1-2]和部分过敏性疾病等的发病，如特应性皮炎(atopic dermatitis, AD)和变应性接触性皮炎[3-4]。紫外线照射(ultraviolet radiation, UVR)、环境污染、基因突变、衰老等多种因素均能造成表皮屏障功能障碍。紫外线可根据其波长细分:长波紫外线(ultraviolet radiation A, UVA)(320～400 nm)、中波紫外线(ultraviolet radiation B, UVB)(280～320 nm)和短波紫外线(ultraviolet radiation C, UVC)(100～280 nm)。UVC被臭氧层和水蒸气、氧气和二氧化碳等大气成分吸收，不会到达地球表面。UVB能到达皮肤的表皮层，而UVA可以穿透表皮，并在皮肤深层发挥作用。因此，紫外线对表皮屏障的大部分影响是由UVA、UVB或两者组合产生的。本文综述紫外线照射对表皮屏障功能的影响。

1 表皮屏障的组成

1.1 角质层屏障

角质层(stratum corneum, SC)是表皮的最外层，由堆叠的终末分化的角质细胞和充满于角质细胞间的细胞外脂质组成一种“砖块和泥浆”的结构。SC的屏障能力取决于角质细胞、角化包膜、天然保湿因子及细胞外脂质。

1.1.1 角质细胞及角化包膜 角质形成细胞经由基底层、棘细胞层、颗粒层，最终分化成为表皮最外层的角质细胞，形成其独特的多层结构。角蛋白是角质形成细胞的主要基因产物。角质细胞没有质膜，而是形成角化包膜。角化包膜是由角蛋白纤维聚集形成张力纤维束，并与丝聚蛋白(filaggrin, FLG) 、兜甲蛋白(loricrin, LOR) 、外皮蛋白(involucrin, IVL)等角化包膜结构蛋白高度交联形成的不溶性膜结构。角化包膜在提供抵御外界机械张力、防止病原体和过敏原入侵、阻止体内水分过度流失中有重要作用。丝聚蛋白基因的功能缺失性突变是AD及变应性疾病(如刺激性接触性皮炎)的主要危险因素[3-4]。兜甲蛋白占角质层蛋白总量的70%～85%，人类兜甲蛋白基因的插入突变会导致表皮完整性严重受损，产生角化性皮肤病[5]。银屑病患者中也存在兜甲蛋白表达下降，表皮屏障受损，各种抗原容易侵入的情况[1]。

1.1.2 天然保湿因子 天然保湿因子(natural moisturizing factors，NMFs)的主要成分包括FLG分解生成的吸湿性游离氨基酸(free amino acids, FAAs)及其衍生物，如吡咯烷酮羧酸、反式尿刊酸、乳酸和尿素。在环境湿度较低的情况下，NMFs可维持皮肤水合作用和角质层内的保水性。弗林蛋白酶、胱天蛋白酶-14、博来霉素水解酶被认为是FLG最终降解为FAAs的关键酶。胱天蛋白酶-14可能参与FLG向NMFs的早期降解，胱天蛋白酶-14缺乏的小鼠表现出皮肤干燥和AD[6]。在AD犬模型上发现胱天蛋白酶-14表达下调[7]。博来霉素水解酶参与了降解过程的后期阶段，博来霉素水解酶敲除的小鼠在新生期表现出全身鳞屑和轻度鱼鳞病。AD和银屑病患者皮损中博来霉素水解酶的活性和表达均明显降低[8]。

1.1.3 细胞外脂质 角质层的细胞外脂质由颗粒层细胞中的板层小体分泌，由质量占比50%的神经酰胺、25%的胆固醇、15%的游离脂肪酸(free fatty acid, FFA)近等摩尔比例分配而成。任何一种含量减少均可改变维持屏障功能的最适摩尔比例，危及屏障的完整性。目前发现有12种神经酰胺，神经酰胺表达谱异常可以破坏细胞外脂质稳态，干扰表皮自我更新，加剧皮肤免疫反应，并促进多种炎症性皮肤病的进展。AD患者体内编码延长酶的mRNA表达降低，超长链神经酰胺(长度超过26个碳的神经酰胺)普遍减少而短链神经酰胺增加[9]。表皮神经酰胺组成的改变与经皮水丢失(trans-epidermal water loss, TEWL)增加和特应性皮炎严重程度评分指数(scoring atopic dermatitis index,SCORAD)增加相关[10]。AD患者体内IL-13抑制脂肪酸延长酶的表达，造成长链FFA比例降低[9]。在痤疮患者中发现神经酰胺链长的减少和不饱和游离脂肪酸含量的增加导致脂肪组织的改变和皮肤屏障功能的降低[2]。

1.2 紧密连接屏障

紧密连接(tight junctions, TJs)位于角质层下方的颗粒层，主要由闭合蛋白(occludin)、密封蛋白(claudin)与连接黏附分子(zonula occludens, ZO)等蛋白组成。这些紧密连接蛋白按一定的比例精密地交互连接，形成紧密连接复合体[11]。如果某一紧密连接蛋白的表达量升高或降低，紧密连接复合体的稳定状态改变，表皮的屏障功能受损[12]。TJs可调节旁细胞途径中水和溶质的含量，已证实TJs对低于550道尔顿的小分子起细胞间通透性屏障作用[13]。颗粒层的TJs维持渗透压平衡，有助于形成完整的角质层屏障。Claudin-1缺失的患者可出现鱼鳞性、干燥性和片状皮肤。AD患者中Claudin-1的表达也是降低的，Claudin-1降低超过阈值后对特应性皮炎皮损的影响呈剂量依赖性[14]。

2 紫外线照射和表皮屏障功能

表皮屏障有多层结构，且不断分化和更新，来承受外部的伤害。对表皮影响最大的外部刺激是来自阳光的UVR。UVR与光敏剂通过光化学反应生成自由基或单线态氧，启动蛋白质、脂质和核酸的光修饰。研究发现，受到紫外线辐射后，细胞内抗氧化酶被抑制，导致TEWL增加，破坏皮肤屏障结构的稳定性[15]。表皮屏障损害主要表现在TEWL升高，红斑指数升高、皮肤脆弱、易感染或过敏等。暴露的量(高与低)、类型(UVA、UVB或日光)和频率(急性、慢性或间歇性)都是决定紫外线生物效应的重要变量。在小鼠模型实验中，研究者们就照射超过最小红斑量(minimal erythema dose, MED)的UVR可以破坏表皮屏障功能达成共识。UVB照射无毛小鼠，可观察TEWL的增加以剂量和时间依赖的方式发生，且角质层的水合能力降低。一项针对15例健康韩国男性的研究发现，下背部皮肤暴露于0.75倍MED或更高剂量在24 h内以剂量依赖性方式促进TEWL增加[16]。一项实验对10例受试者的前臂、掌部的皮肤进行UVR(0.5、1和1.5倍MED)，发现TEWL增加，SC的结合水含量也有所增加[17]。另一项研究对慢性光化性皮炎患者曝光部位表皮的测试发现TEWL明显升高，角质层水合能力明显降低[18]。

2.1 UVR与角质形成细胞、角化包膜

在人类表皮上的实验显示，急性UVR诱导有丝分裂活动增加，持续数天的慢性UVR可导致表皮厚度增加。缺氧诱导因子-1α是一种参与调控角质形成细胞周期的转录因子，UVR诱导的缺氧诱导因子-1α的下调可能与表皮增生有关[19]。UVR诱导角质形成细胞增殖增加，这可能暗示一种修复紊乱屏障的代偿机制。在慢性光化性皮炎中的研究发现，UVB诱导的hsa-miR221-3p 过表达或原癌基因FOS敲除可促进角质形成细胞增殖并抑制细胞凋亡[20]。但有多项研究发现UVB可诱导角质形成细胞凋亡，作用机制包括ROS的过度生成、MAPK通路激活[21],以及UVB导致的DNA损伤触发cGAS-STING通路激活，从而诱导人角质形成细胞(HaCaT细胞)凋亡[22]。急性与慢性紫外线照射后的角质形成细胞的渗透压转运蛋白的表达下调，细胞的渗透调节被破坏，导致水分稳态受损[23]。角质层中的角化包膜结构蛋白、角蛋白富含吸收UVR的氨基酸残基半胱氨酸、色氨酸和酪氨酸，易受到紫外线诱导的合成或分解反应[24]。有实验发现，紫外线照射引起hsa-miR-31-3p的过表达，可降低丝聚蛋白和角化包膜结构蛋白兜甲蛋白和外皮蛋白的表达[18]。6-甲酰基吲哚并[3,2-B]咔唑 (6-Formylindolo[3,2-b]carbazole, FICZ)是一种由UVB照射产生的色氨酸光产物，可协同UVA产生ROS。在亚红斑量的UVB照射3天后，被胶带损伤过的表皮的屏障功能恢复加快，可能因为FICZ通过芳香烃受体上调末端分化分子如丝聚蛋白和兜甲蛋白的表达[25]。角质层的角蛋白中间丝可在UVB照射后发生变性。长期的UVB照射会对小鼠表皮中角蛋白的生物合成调节产生深刻的影响，从而干扰角蛋白中间丝的有序超微结构[26]。

2.2 UVR与天然保湿因子

NMFs只存在于角质层中，主要由氨基酸及其衍生物组成，如反式尿刊酸、吡啶烷酮羧酸、乳酸和尿素。有研究用共焦拉曼光谱检查出紫外线照射后NMFs的改变：除脯氨酸外，NMFs中的其他FAAs均增加，吡咯烷酮羧酸、反式尿刊酸、乳酸和尿素等NMFs组成物质含量下降[17]。作为NMFs主要组成部分的FAAs在紫外线照射后在SC中增加，可能是因为紫外线辐射增加了弗林蛋白酶、胱天蛋白酶-14、博来霉素水解酶等蛋白酶的产生，进而促进皮肤中FLG的降解。Skiba等[27]报道，在紫外线照射后的角质形成细胞中，弗林蛋白酶基因的表达迅速增加。除此之外，也有报道发现UVB照射的人角质形成细胞中胱天蛋白酶-14、博来霉素水解酶活性升高[28-29]。有报道在紫外线照射后，FAAs后续分解代谢中的NMFs成分如吡咯烷酮羧酸、反式尿刊酸都下降了。反式尿刊酸在皮肤中起着天然防晒霜的作用，紫外线照射皮肤会产生反式尿刊酸的反式向顺式的异构化。

2.3 UVR与细胞外脂质

脂质氧化有三种不同的机制，自由基链氧化、酶氧化和非自由基非酶氧化，紫外线能够诱导皮肤的脂质氧化。UVR照射后产生的氧自由基可通过自由基链氧化介导脂质过氧化，也可激活脂氧合酶和环氧合酶，诱导脂质的特异性酶氧化。表皮屏障的通透性增高在电镜下被证实与细胞外脂层的结构缺陷有关。有研究用共焦拉曼光谱检查出紫外线(0.5、1和1.5倍MED)照射患者皮肤24 h后，角质层细胞外脂质出现改变，神经酰胺含量降低，胆固醇含量升高，且TEWL升高[17]。连续15周暴露在亚红斑量紫外线下会降低小鼠皮肤角质层三种主要的脂质含量，神经酰胺含量减少尤为明显[30]。在急性UVR后或光老化的皮肤中发现表皮游离脂肪酸和甘油三酯含量也明显下降[31]。

2.4 UVR与紧密连接

Yamamoto等[32]证明了紫外线(0.15 J/cm2)照射无毛小鼠，表皮屏障功能可以出现暂时性可逆变化，这种变化与关键TJ蛋白表达模式和位置的改变相关。Yuki等[13]使用异种移植到小鼠背部的人皮肤，在紫外线(0.2 J/cm2)照射后显示TJ功能障碍。这种屏障功能障碍在紫外线照射24 h后明显增加，需要6天才能恢复。培养的正常人角质形成细胞在紫外线照射48 h后失去了形成成熟TJs的能力，并以TJs蛋白的不连续网状结构为特征。UVB诱导的内质网应激发出未折叠蛋白反应或Roh激酶信号，通过破坏细胞骨架介导TJs的破坏[33]。较弱的UVB(5 mJ/cm2)照射可以增加角质形成细胞(HaCaT)内游离Ca2+、一氧化氮和过氧亚硝酸盐的含量，造成Claudin-1的错误定位[34]。Claudin-1在功能性TJs的形成和闭锁蛋白向TJs的募集中起重要作用，光老化皮肤中Claudin-1表达受损导致TJ功能的丧失[35]。在5例光老化志愿者的研究中对比前臂曝光部位和光保护部位的TJ蛋白Claudin-1的表达，发现慢性紫外线照射进一步减少了老化表皮中Claudin-1表达[36]。UVR引起hsa-miR-31-3p的过表达，降低Claudin-1基因的表达从而引起角质形成细胞的通透性屏障功能障碍[18]。

3 结语

表皮屏障是人体免疫系统的第一道生理屏障，主要由角质层屏障和紧密连接屏障组成。表皮屏障功能障碍可表现为皮肤的干燥、易受激和易敏感。急性或慢性的UVR可以改变表皮屏障的主要组成部分的结构和功能，造成TEWL上升、病原体和过敏原入侵，继而诱发产生疾病。表皮屏障功能障碍与紫外线之间的联系值得进一步探索，为光源性皮肤病患者的诊断及治疗提供线索。