皮膚角質層的相關屏障結構和功能的研究進展

楊揚 馬慧軍 胡蓉

皮膚是人體最大的器官，在保護人體內環境穩定和阻止外界有害物質入侵方面發揮著極其重要的作用。一般地，皮膚屏障從結構上可分為廣義和狹義的屏障。其中，廣義的皮膚屏障主要包括與皮膚各層結構相關的屏障；狹義的皮膚屏障主要涉及皮膚角質層（SC）結構相關的屏障。現就皮膚角質層的相關屏障結構和功能的研究進展綜述如下。

1皮膚角質層的相關屏障結構和功能

由于皮膚與外界環境直接接觸，皮膚角質層是防止外界有害刺激如各種化學物質和病原微生物等經皮滲透的重要屏障，同時能夠承受機械外力作用并具有調節經皮水分流失(TEWL)的功能。角質層作為一個連續性屏障，主要由角質細胞和細胞間脂質構成。其中，角質細胞的胞液含有豐富的角蛋白和天然保濕因子（NMF），因此角質細胞本身具有親水性，其間隔地“堆砌”于連續的富含非極性特定脂類的疏水性細胞間基質中而形成一種特殊的“磚-墻”結構體系[1]。

1.1 角質層的相關屏障結構

1.1.1 角質細胞（corneocytes）：角質細胞是移行至角質層并呈終末分化的角質形成細胞，它們由角蛋白絲固定并由交聯蛋白組成的細胞膜和共軛脂質膜包圍，是角質層最重要的保護性結構組分之一，構成了“磚-墻”結構體系中的“磚”。在角質形成細胞正常分化的最后階段，排列有序的角蛋白通過與中間絲相關蛋白相互作用構成了一種濃縮陣列。其中，中間絲相關蛋白聚合成束狀角蛋白細絲，進而促進了該細胞死亡后扁平形態的形成[2]，這對維持皮膚屏障的結構穩態具有重要作用。在哺乳動物表皮中，角蛋白和中間絲相關蛋白構成了其蛋白含量的80%～90%[3]，若兩者基因的突變將直接影響角質層屏障組織結構的完整性，繼而出現一系列以角質層屏障受損相關為主要表現的皮膚疾病，如銀屑病、扁平苔癬等，其中角蛋白K17在正常表皮中并不出現，而在上述皮膚疾病中則明顯表達[4]；Presland等[5]先后發現，若正常的中間絲相關蛋白及絲聚合蛋白原缺失，小鼠在出生時可表現出皮膚的干燥，脫屑等；而小鼠表皮基底層上部的中間絲相關蛋白的過度表達則可導致皮膚屏障修復的延遲。

角質層屏障結構之一的角化細胞被膜（CE）由表達于表皮棘層中上部的角質形成細胞轉谷酰胺酶(TGk)催化角質套膜蛋白繼而形成于角質細胞膜下的一種堅固而異常不溶性的蛋白/脂質聚合結構，它由蛋白包膜和脂質包膜兩部分構成。其中，蛋白包膜賦予了角質化細胞被膜的生物力學特性，這是通過特異性角質化包膜結構蛋白之間交聯而形成的。這些蛋白包括外皮蛋白、兜甲蛋白、毛透明蛋白以及通過蛋白二硫鍵和由谷氨酰胺酶所形成的N-ε（γ-谷氨酰）賴氨酸異肽鍵連接的一類富含脯氨酸的小蛋白[6]。動物實驗研究發現，谷氨酰胺酶-1缺陷的小鼠可表現出皮膚角質層的缺陷，并在其幼年期因水分過度丟失而死亡[7]。人類谷氨酰胺酶-1基因突變會患有層狀魚鱗病，這是由于谷氨酰胺酶-1影響許多種角質化包膜蛋白和神經酰胺類共軛鍵的連接[8]。兜甲蛋白缺失的小鼠不會表現出皮膚屏障功能障礙，相反可表現出對機械應力更大的敏感性，這可能會繼發地改變皮膚屏障的功能[9]。組織蛋白酶D基因缺陷的小鼠可表現出外皮蛋白、兜甲蛋白和中間絲相關蛋白的減少，從而導致皮膚屏障功能的缺失[10]。伴有魚鱗病的殘毀性角皮病（Vohwinkel綜合征之變異型），是由兜甲蛋白基因突變引起的[11]。角質細胞連接的脂質包膜是一種質膜樣結構，它可以取代哺乳動物角層細胞外表面的質膜。脂質包膜不僅為角質細胞提供了一個包膜，而且還與細胞間脂質基質相互交錯并構成與水分相關的通透性屏障[12]。

角質細胞的另一重要結構是角化橋粒[(corneo)desmosomes]，因其是唯一在顆粒層角質形成細胞和角質層角質細胞間的緊密連接，因而又被稱為過渡橋粒 [13]，主要是由角化橋粒蛋白、橋粒芯糖蛋白-1和橋粒糖蛋白-1構成。若以上相關蛋白發生降解可導致角化橋粒的裂解，繼而發生脫屑，影響皮膚屏障的正常生理功能。例如，Netherton綜合征是由SPINK5基因突變引起的一種常染色體隱形遺傳性皮膚病。SPINK5基因突變可使絲氨酸蛋白酶抑制劑LEKTI表達缺陷，其通過橋粒芯糖蛋白-1的降解導致顆粒層上層異常橋粒的裂解，繼而導致角質層的粘附缺陷，從而引起皮膚屏障功能障礙[14]。

1.1.2細胞間脂質（extracellular lipide）：角質層的角質細胞間脂質分為兩大類：一類是來源于表皮顆粒層板層小體的合成，并通過一個泡管系統的協調作用使脂質移動，隨后脂質與質膜融合并以胞吐的形式釋放，經過修飾和排列整合到細胞間并平行定位于角質細胞表面，稱為結構脂質，即角質層“磚-墻”結構體系中的“灰漿”；另一類是來源于皮脂腺分泌和角質細胞崩解形成的脂質，其覆蓋于皮膚表面并與水乳化成的皮脂膜,稱為潤澤脂質[15]。兩大類脂質特別是結構脂質，是皮膚角質層屏障的重要結構之一。

角質層的結構脂質主要包括神經酰胺類、游離脂肪酸和膽固醇等。其中，神經酰胺類約占角質層脂質重量的30%～40%，是一類結合酰胺基并包含有一個鞘氨基醇長鏈的脂肪酸。在角質細胞間，神經酰胺類的合成是以絲氨酸棕櫚酰轉移酶作為限速酶，并通過水解葡糖苷酰鞘氨醇和鞘磷脂而實現的。皮膚角質層包含有至少9種以上的游離神經酰胺，它們構成了更為緊密堆疊的角質細胞間脂質基質結構。在角質層中，神經酰胺具有保水作用并與TEWL密切相關，從而進一步提高了皮膚屏障功能。例如：一些身心性皮膚疾病如銀屑病、異位性皮炎等的發生與角質層中神經酰胺水平的改變密切相關[16]。其中，神經酰胺A和神經酰胺B是角質層神經酰胺類中較為重要的兩種，它們通過共價結合形成角質化包膜蛋白，對外皮蛋白具有重要作用。

角質層中游離脂肪酸和膽固醇對皮膚屏障的作用僅次于神經酰胺類。游離脂肪酸是皮膚角質層中另一重要的結構性組分，其鏈長約C12-C24。飽和與單不飽和脂肪酸類在表皮內合成，其他的從食物和血液中獲得。必需脂肪酸缺乏癥（EFAD）是因營養不良或者不正常飲食造成表皮游離脂肪酸的缺乏，由于表皮細胞的改變，在實驗小鼠身上表現為皮膚發紅、表皮粗糙、脫屑，嚴重時可導致皮膚屏障功能障礙。另外，脂肪酸運輸蛋白4（Fatp4）基因表達異常可致皮膚屏障功能異常并可促使小鼠在出生后迅速死亡[17]。

膽固醇是存在于角質層的第三大脂類，其與皮膚通透性屏障密切相關。角質層中膽固醇水平受ABCA12膜轉運蛋白的調節[18]。研究發現，在皮膚通透性屏障功能修復過程中膽固醇的合成明顯增加；降脂藥洛伐他汀的局部應用可抑制羥基甲基戊二酰基-CoA還原酶，促使表皮過度增殖并導致皮膚屏障功能異常[19]。

1.2皮膚角質層的相關屏障結構模型學說：鑒于角質層相關屏障結構的重要性，國外相關學者進行了長期而系統的研究并分別提出了角質層的各種相關結構模型學說，以便深入了解和認識皮膚角質層的相關屏障結構并進一步了解其相關的屏障功能。其大致可分為以下五類：

1.2.1 堆疊單層結構模型（Stacked Monolayer Model）：1989年，Swartzendruber等[20]提出了角質層細胞間脂質基質層狀分子的排列結構，即在神經酰胺延伸鏈的形成過程中，其烷基鏈相互交錯，同時膽固醇有規則地分布在不同細胞層之間。這種脂質結構能夠證明傳統透射電子顯微圖像上的透明條帶中細胞“寬-窄-寬”的排列結構。在此結構模型中，延伸鏈單層排列的神經酰胺能夠促進角質層細胞間脂質基質更加緊密堆疊，從而進一步提高了與水或油溶性混合物的皮膚滲透性相關的皮膚屏障性能，說明了該結構模型在其屏障方面具有一定的優勢性[21]。

1.2.2 域鑲嵌結構模型（Domain Mosaic Model）：20世紀90年代初，針對角質層屏障結構，Forslind[22]提出了“域鑲嵌結構模型”。在此模型中，細胞間脂質基質的非連續性層狀晶體結構嵌入連續性液態晶狀結構。在很大程度上，角質層細胞間脂質的下層部分是處于液晶態的，其上層部分在標準環境空氣濕度小于90%的情況下大多處于晶態或者凝膠狀態。此模型充分解釋了在空氣相對濕度大于90%的情況下，皮膚角質層的水分擴散率呈明顯增高趨勢，同時也說明了細胞間脂質可能并非完全相同。

1.2.3 “Laminglass”結構模型（Laminglass Model）：1996年，Pascher[23]針對角質層結構和功能，提出了“Laminglass”模型。該模型認為神經酰胺在其延伸鏈結構中用于組成晶狀單層，同時鞘氨醇和脂肪酸部分用于組成兩組結構緊密的烴鏈基質，呈正交分子組成。余下脂質用于組成單獨而有序的富有膽固醇的液晶相，直接接觸疏水的神經酰胺單層。因此該結構兼有低透水性、相當的屈彈性和對物理應力高阻性的特點。

1.2.4 “三明治”結構模型（Sandwich Model）：Bouwstra等[24]提出“三明治”結構模型，認為位于中央部位的含有不飽和亞油酸、神經酰胺5和膽固醇的液態脂質單層直接接觸由余下神經酰胺所組成的兩個晶狀層的疏水部分，形成“三明治”的典型結構。然而，作者認為脂質部分形成液態相是十分有限的，因此，中央層不會形成一個連續的液態相而僅包含有側面分布的“液態域”。

1.2.5 單凝膠相結構模型（Single Gel-Phase Model）：由Norlén[25]提出的單凝膠相模型認為，角質層細胞間脂質是以單相和凝聚性板層凝膠相的形式存在。作者進一步研究假定，單凝膠相模型是由液態晶狀膜經過“結晶”、“冷凝”、“緊密堆積”或“結晶”并伴隨著在結晶過程中脂質的有限側向擴散或排序而形成。在皮膚滲透性方面，生理性皮膚溫度范圍內，角質層細胞間脂質基質可能表現出相分離，這可能會使不同域間其界面的滲透性顯著提高，單凝膠相結構模型與以往模型（堆疊單層結構模型除外）都不同，因為該模型認為角質層細胞間脂質基質并沒有明顯的相分離；另一方面，角質層中液晶狀結構的存在可能會明顯影響皮膚屏障能力，這是由于液晶態脂質雙層相對于凝膠狀態下雙分子層更易導致水分擴散，可能會進一步削弱皮膚屏障性能。因此，單凝膠相結構模型可能較以往結構模型在其屏障結構上更具有優勢性[21]。

2皮膚角質層的相關屏障功能

2.1物理或機械性屏障：皮膚角質層的完整結構對其物理或機械性屏障功能的發揮具有重要作用。相比正常角質層而言，異位性皮炎患者的角質細胞數量相對減少，繼而使其角質層的厚度變薄，導致物質進入表皮的通透性徑長明顯縮小，進一步影響了表皮屏障的正常功能[26]。皮膚角質層本身還具有阻止物理和機械外力損傷表皮的功能。實驗發現，當基因槍以500 磅/平方英寸的速度向表皮發射出直徑2μm的金微粒后，后者不能順利地穿過而是停留在角質層內，這說明皮膚角質層本身在細胞水平具有一種沖擊阻力，可有效防止外力對表皮的進一步損傷[27]。我們還發現在高度摩擦的部位如掌、趾等處的表皮可形成具有高度抗摩擦性的胼胝。以上這些都證明了角質層具有有效適應和對抗外界物理或械性損傷的能力。

2.2經皮水分丟失（TEWL）屏障：皮膚角質層能夠有效阻止水分經皮擴散和丟失，這也是其最重要的屏障功能。不同解剖部位的正常皮膚，其經皮水分流失的部位性差異表明全身皮膚并不具有單一的最佳TEWL值[28]。TEWL屏障的位置可經皮下注射電子示蹤劑膠態鑭顯示。在皮下注射膠態鑭1h后，使用透射電鏡檢測所提取的皮膚活檢標本，可見膠態鑭受阻于顆粒層與角質層的連接部位[29]。另外，角質層“磚-墻”結構體系中的細胞間脂質會防止發生大量水分流失的不感蒸發，僅允許有限數量的呈蒸汽相的水分通過。一般地，TEWL值在臨床上易于測量，因此可提供角質層屏障的相關臨床參數用以評估正常的皮膚功能和與之相關的皮膚疾病如銀屑病、異位性皮炎、大皰性表皮松解癥等以及燒傷。其中，這些相關皮膚疾病主要因皮膚角質層屏障受損從而導致大量的水分經表皮丟失[28]。

2.3抗微生物及免疫屏障：皮膚的免疫功能主要與表皮內抗原遞呈細胞如朗格漢斯細胞（LC）的密度和功能相關。然而，近來有研究表明，表皮合成的抗微生物肽如防御素、內源性抗菌肽等同樣與皮膚角質層的免疫功能密切相關[30]。表皮可通過合成和產生以上物質用以中和各種微生物的侵襲，增強本身固有的免疫功能。其中，防御素是由表皮板層小體組裝而成，并形成了抗微生物和通透性屏障之間的直接關聯[31]；卵泡上皮和腺胞間表皮的角質形成細胞可分別組成型表達和可誘導型表達內源性抗菌肽。在異位性皮炎和銀屑病患者中，由于后者體內的抗菌肽表達較前者為高，因此，前者更易導致皮膚感染[32]。另外，角質層抗菌分子水平的下降與一些皮膚病的發生相關，如KLK介導的LL-37肽的蛋白水解片段可加重酒渣鼻的炎性應答[33]。

2.4抗氧化屏障：皮膚角質層具有一定的抗氧化功能。角質層表面的皮脂可滋潤皮膚并在其表面產生和補充維生素E，后者具有保護和抗氧化作用。另外，人體表皮中酵素和非酵素抗氧化劑的含量高于其在真皮層中的含量[25]。另有研究發現，當發生潛在誘變效應的DNA損傷時，p53可誘發增加細胞內活性氧的蛋白以進一步激活細胞凋亡，間接地說明了p53具有刺激抗氧化劑基因表達的作用[34]。例如，在白癜風皮損中p53表達增強可能是一種適應或是積極的保護性機制。

3結語與展望

皮膚角質層因其與外界環境直接接觸并具有重要的屏障功能，相對于皮膚其他各層而言其是表皮最為重要的組成結構。由于角質層的特殊結構在皮膚的正常功能和各種相關皮膚疾病的發生中發揮著重要作用。角質層獨特的結構和屏障功能及其詳細的作用機制仍值得進一步研究和探討，以指導與之相關的各方面的臨床應用，包括進一步探討角質層與皮膚屏障異常相關皮膚疾病間的發病機制并指導和設計最恰當的治療方案等。

[參考文獻]

[1]Harding CR.The stratum corneum: structure and function in health and disease[J]. Dermatol Ther,2004,17 Suppl 1:6-15.

[2]Palmer CN,Irvine AD,Terron-Kwiatkowski A,et al. Common loss-of-function variants of the epidermal barrier protein filaggrin are a major predisposing factor for atopic dermatitis[J].Nat Genet，2006,38(4):441-446.

[3]Nemes Z,Steinert PM. Bricks and mortar of the epidermal barrier[J].Exp Mol Med,1999,31(1): 5-19.

[4]劉 瑋.皮膚屏障功能解析[J].中國皮膚性病學雜志,2008,22(12):758-761.

[5]Presland RB,Coulombe PA,Eckert RL,et al.Barrier function in transgenic mice overexpressing K16, involucrin, and filaggrin in the suprabasal epidermis[J].J Invest Dermatol,2004,123(3):603-606.

[6]Candi E,Schmidt R,Melino G.The cornified envelope: a model of cell death in the skin[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2005,6(4):328-340.

[7]Matsuki M,Yamashita F,Ishida-Yamamoto A,et al.Defective stratum corneum and early neonatal death in mice lacking the gene for transglutaminase 1 (keratinocyte transglutaminase)[J].Proc Natl Acad Sci USA,1998,95(3):1044-1049.

[8]Huber M,Rettler I,Bernasconi K,et al.Mutations of keratinocyte transglutaminase in lamellar ichthyosis[J].Science,1995,267(5197):525-528.

[9]Koch PJ,de Viragh PA,Scharer E,et al.Lessons from loricrin-deficient mice: compensatory mechanisms maintaining skin barrier function in the absence of a major cornified envelope protein[J].J Cell Biol,2000, 151(2):389-400.

[10]Egberts F,Heinrich M,Jensen JM,et al.Cathepsin D is involved in the regulation of transglutaminase 1 and epidermal differentiation[J].J Cell Sci,2004,117(Pt 11):2295-2307.

[11]Maestrini E,Monaco AP,McGrath JA,et al.A molecular defect in loricrin, the major component of the cornified cell envelope, underlies Vohwinkel's syndrome[J].Nature Genet,1996,13(1):70-77.

[12]Elias PM,Fartasch M,Crumrine D,et al.Origin of the corneocyte lipid envelope (CLE):observations in harlequin ichthyosis and cultured hu2 man keratinocytes[J].J Invest Dermatol,2000,115(4):765-769.

[13]Al-Amoudi A,Dubochet J,Norlén L.Nanostructure of the epidermal extracellular space as observed by cryo-electron microscopy of vitreous sections of human skin[J].J Invest Dermatol,2005,124(4):764-777.

[14]Descargues P,Deraison C,Bonnart C,et al.Spink5-deficient mice mimic Netherton syndrome through degradation of desmoglein 1 by epidermal protease hyperactivity[J]. Nat Genet,2005,37(1):56-65.

[15]Coderch L,De Pera M,Fonollosa J,et al.Efficacy of stratum corneum lipid supplementation on human skin[J].Contact Dermatitis,2002,47(3):139-146.

[16]Ishikawa J,Shimotoyodome Y,Chen S,et al.Eucalyptus increases ceramide levels in keratinocytes and improves stratum corneum function[J].Int J Cosmet Sci,2011: 1-6.

[17]Herrmann T,van der Hoeven F,Grone HJ,et al.Mice with targeted disruption of the fatty acid transport protein 4 (Fatp 4, Slc27a4) gene show features of lethal restrictive dermopathy[J].J Cell Biol,2003,161(6): 1105-1115.

[18]Man MQ,Choi EH,Schmuth M,et al.Basis for improved permeability barrier homeostasis induced by PPAR and LXR activators: liposensors stimulate lipid synthesis, lamellar body secretion, and post-secretory lipid processing[J].J Invest Dermatol,2006,126(2):386-392.

[19]Proksch E,Feingold KR,Elias PM.Epidermal HMG CoA reductase activity in essential fatty acid deficiency: barrier requirements rather than eicosanoid generation regulate cholesterol synthesis[J].J Invest Dermatol, 1992,99(2):216-220.

[20]Swartzendruber DC,Wertz PW,Kitko DJ,et al.Molecular models of the intercellular lipid lamellae in mammalian stratum corneum[J].J Invest Dermatol,1989,92(2):251-257.

[21]Norlén L. Molecular Skin Barrier Models and Some Central Problems for the Understanding of Skin Barrier Structure and Function[J].Skin Pharmacol Appl Skin Physiol,2003,16(4):203-211.

[22]Forslind B.A domain mosaic model of the skin barrier[J].Acta Derm Venereol,1994,74(1): 1-6.

[23]Pascher I.The different conformations of the glycerol region of crystalline acylglycerols[J].Curr Opin Struct Biol,1996,6(4):439-448.

[24]Bouwstra JA,Dubbelaar FE,Gooris GS,et al.The lipid organisation in the skin barrier[J].Acta Derm Venerol Suppl(Stockh),2000,208:23-30.

[25]Norlén L.Skin barrier structure and function: The single gel-phase model[J].J Invest Dermatol,2001,117(4):830-836.

[26]Voegeli R,Rawlings AV,Breternitz M,et al.Increased stratum corneum serine protease activity in acute eczematous atopic skin[J].Br J Dermatol,2009,161(1):70-77.

[27]Menon GK,Brandsma JL,Schwartz PM.Particle-mediated gene delivery and human skin: ultrastructural observations on stratum corneum barrier structures[J].Skin Pharmacol Physiol,2007,20(3):141-147.

[28]Menon GK,Kligman AM.Barrier Fuctions of Human Skin: A Holistic View[J].Skin Pharmacol Physiol,2009,22(4):178-189.

[29]Menon GK,Ghadially R.Morphology of lipid alterations in the epidermis: a review[J].Microsc Res Tech, 1997,37(3):180-192.

[30]Braff M,Bardan A,Nizet V,et al.Cutaneous defense mechanisms by antimicrobial peptides[J].J Invest Dermatol,2005,125(1):9-13.

[31]Aberg KM,Man MQ,Gallo RL,et al.Co-regulation and interdependence of mammalian epidermal permeability and antimicrobial barriers[J].J Invest Dermatol,2008,128(4):917-925.

[32]Aberg KM,Radek KA,Choi EH,et al.Psychological stress downregulates epidermal antimicrobial peptide expression and increases severity of cutaneous infections in mice[J].J Clin Invest,2007,117(11):3339-3349.

[33]Yamasaki K,Di Nardo A,Bardan A,et al.Increased serine protease activity and cathelicidin promotes skin inflammation in rosacea[J].Nat Med,2007,13(8):975-980.

[34]Sablina AA,Budanov AV,Ilyinskaya GV,et al.The anti-oxidant function of the p53 tumor suppressor[J].Nat Med,2005,11(12):1306-1313.

[收稿日期]2011-09-01 [修回日期]2011-12-02

編輯/李陽利