經表皮水分流失與皮膚屏障的遺傳學研究

汪小蒙 楊 森,2

皮膚對危險物質的進入和水的流出有獨特的障礙，對維持機體內環境的穩定起著重要的作用，盡管有其屏障功能，但仍有水分不斷蒸發，這些蒸發水大部分來自底層組織，通過角質層到外部環境，經表皮水分流失(TEWL)值是反映水分從皮膚表面蒸發量的大小，是評價皮膚屏障功能的生理參數之一，在皮膚屏障功能研究中應用廣泛，影響皮膚屏障功能的環境因素相關的研究很多，而關于遺傳因素的研究則相對較少，皮膚屏障的遺傳學研究從遺傳角度解釋皮膚屏障的人群差異及功能受損機制，為理解皮膚屏障受損原因乃至治療皮膚疾病等提供了新的思路。

1 TEWL與皮膚屏障

1.1 TEWL與皮膚屏障的關系 人體皮膚是身體與環境之間的主要屏障，皮膚的屏障性質主要存在于表皮外層15 μm，即角質層，由角質細胞及脂質構成，其主要功能為防止水分流失以及避免環境中的化合物滲入至表皮層和真皮層而引發免疫反應。皮膚可以防止紫外線輻射，并分別通過色素沉淀和角化過程作為TEWL的屏障[1]， TEWL是測量水份從真皮和表皮的較深水合層向皮膚表面擴散的通量密度，通常以g/m2·h表示，用于確定表皮滲透性屏障狀態，評價皮膚屏障功能[2]，有確切的證據表明，TEWL增加與皮膚屏障功能障礙相關，而正常或減少的TEWL被認為是完整或恢復的皮膚屏障的指標[3]。

1.2 TEWL的影響因素

TEWL值受角質層的狀態和功能的影響，作為衡定皮膚屏障功能最重要的參數之一,TEWL值可能受到解剖部位、出汗量、皮膚表面溫度、個體異質性、空氣對流、環境溫度、環境濕度和儀器等影響，此外還有研究指出TEWL值會受被測者的心理壓力、吸煙、皮膚微循環功能等因素影響[4-6]。不同年齡段的人群，TEWL值也有所不同，老年人的TEWL值較年輕人低，其原因可能是：(1)老年皮膚的角質層較厚；(2)老年皮膚的角質層中含有更多的氫鍵結合水分子；(3)老年皮膚的角質層具有更高的有序脂質組織；(4)老年皮膚的角質層具有較高的天然保濕因子濃度[7]。足月新生兒的TEWL值較成人高，其原因是嬰幼兒與成年人角質層的結構差異以及皮膚乳頭的密度和分布不同，從而導致嬰幼兒皮膚屏障功能較弱，并表現為水處理性能較差[8]，早產兒的TEWL值也被發現較足月新生兒高[9]。德國一項研究對18～64歲健康人群的TEWL值進行了meta分析，研究結果顯示TEWL值的最低部位是乳房區域的皮膚，為2.3 g/m2·h，最高部位是腋窩區域的皮膚，為44.0 g/m2·h[10]。 一項足月新生兒TEWL值的研究顯示，足月新生兒的早期有一個完整的內外皮膚屏障，其TEWL值顯示正態分布(7.06±3.41 g/m2·h)，這項研究建立了一個規范的健康足月嬰兒TEWL值的數據庫[11]。以上這些研究為健康人群的皮膚屏障功能的參數標準值提供了重要參考。

2 TEWL與皮膚屏障相關基因

皮膚屏障相關基因有很多，包括中間絲相關蛋白(filaggrin，FLG)、緊密連接蛋白1(claudin-1，CLDNl)、角質層糜蛋白酶(human tissue kallikreins7，KLK7)、肥大細胞糜蛋白酶(mastcell chymase，CMA1/MCC)、絲氨酸肽酶抑制劑Kazal 5型(serine peptidase inhibitor Kazal type 5,SPINK5) 和胱胺蛋白(cystatin A，CSTA)等，皮膚屏障相關基因的突變，均可導致皮膚屏障功能缺陷，使受損皮膚TEWL值升高，從而導致特應性皮炎等相關疾病發生，在皮膚屏障的遺傳學研究中發現，某些基因的突變或缺失與TEWL值的升高或降低存在相關性，從而證明這些基因在維護皮膚屏障功能中起著重要作用,以下列舉研究中發現的幾種與TEWL值相關的基因。

2.1 FLG與TEWL FLG編碼由角質形成細胞產生的絲聚蛋白，其單體的交聯將角蛋白絲聚集成緊密束。在角質層的下層，FLG通過肽基精氨酸脫亞氨酶(PAD)1，PAD3，半胱天冬酶14，鈣蛋白酶1和博來霉素水解酶進一步加工成吸濕氨基酸極其衍生物，其衍生物稱為天然保濕因子，在角質層水合中起主要作用，負責角質層的強度和完整性，并調節皮膚對水和抗原的滲透性[12,13]。絲聚蛋白(FLG)基因的突變存在于高達50%的中度至重度特應性皮炎患者中[14]，而在一項嬰兒特應性濕疹的研究中顯示FLG突變與TEWL增加顯著相關[15]，表明嬰兒特應性濕疹的發生與FLG突變有關。

2.2 SPINK5與TEWL SPINK5編碼蛋白質產物淋巴上皮型Kazal型相關抑制劑(LEKTI)，是一種絲氨酸蛋白酶抑制劑，其作用是抑制絲氨酸蛋白酶激肽釋放酶5(KLK5)，LEKTI與KLL7、KLK14共同參與調節脫屑過程[16]。皮膚屏障的完整性被認為是抗IgE介導的食物過敏的關鍵保護因素，在一項研究SPINK5變體和IgE介導的食物過敏之間的遺傳關聯研究中，TEWL的分析數據初步證實了與食物過敏相關的SPINK5單核苷酸多態性對皮膚屏障通透性有隱性作用，研究顯示SPINK5變體rs9325071與食物過敏有關，并且證實了該SNP與升高的TEWL相關聯[17]。

2.3 CLDN與TEWL CLDN為細胞間的連接蛋白，對皮膚屏障起重要作用，同時還參與細胞的增殖與分化[18,19]， CLDN1編碼的蛋白質為表皮緊密連接蛋白-1，該蛋白質對于經皮水分流失起重要作用[20]，在小鼠身上敲除Cldn-1后可導致TEWL增加，并導致小鼠出生后第一天內死亡[21]，TEWL的增加不是因為緊密連接屏障功能降低[22]，而是因為角質層水分滲透性的增加[23]。還有研究顯示CLDN1表達在特應性皮炎患者的皮損中下調，這些變化是由炎癥引發,CLDN1(3q28)的基因變異與特應性皮炎發生的風險及疾病的嚴重程度相關[24,25]。

2.4 PPARG、ACACB與TEWL PPARG(Peroxisome proliferator-activated receptor gamma)過氧化物酶體增殖物激活γ受體在皮膚生理中的作用是激活aVects細胞增殖，調節細胞分化，免疫應答和細胞凋亡[26,27]。ACACB(Acetyl coenzyme A carboxylase beta)乙酰輔酶A羧化酶β的作用是參與游離脂肪酸合成，小鼠的皮膚屏障破壞后可測得該酶的mRNA表達增加[28]。在一項研究保濕劑影響皮膚屏障功能的機制實驗中發現， PPARG和ACACB mRNA表達與TEWL呈線性負相關[29]，從而為鑒定其在正常屏障功能中的作用提供了重要依據。

2.5 S100A8與TEWL S100A8屬于S100家族蛋白質，在特應性皮炎的急性期起著重要作用[36]，國外一項研究發現，在Serpinb3a KO小鼠中發現S100A8的誘導顯著減弱，且TEWL與S100A8 mRNA表達水平相關，從而推測Serpinb3a可能影響S100A8表達，并引起TEWL增加[37]。

2.6 TEWL與其他相關基因 在皮膚屏障功能的遺傳學研究的動物模型中，發現某些基因的突變或缺失會影響其TEWL值。例如過度表達KLK7的老鼠所測量的TEWL值降低[30]，在敲除基因N-WASP后的小鼠身上可以發現其屏障功能缺陷及TEWL增加，并出現特應性皮炎樣炎癥[31]，Ctip2在老鼠表皮中的選擇性消融后可導致表皮增生受損，TEWL增加[32]，BLT2基因缺陷的小鼠表現出較高的TEWL[34]。最新一項研究設計一種轉基因小鼠模型，使其在角蛋白14啟動子的控制下過度表達與單純皰疹VP16結構域連鎖的人類PXR基因，研究結果顯示轉基因小鼠TEWL增加，表明PXR的活化可能導致皮膚屏障受損[35]。

這些研究通過發現某些基因與TEWL之間的相關性，從而在一定程度上證明了這些基因對于維持表皮穩態和保護性屏障的形成中起著重要作用，為了解人類皮膚屏障功能的遺傳因素提供了有利參考。

3 TEWL與皮膚屏障功能的遺傳學研究

為了檢測遺傳變異與經表皮失水率之間的潛在相關性，國內一項研究首次對基底TEWL進行了全基因組關聯研究(GWAS)，發現位于9號染色體9q34.3區域的一系列突變位點與TEWL密切相關，這些位點位于一個3.34kb的強連鎖區域內，最顯著的信號rs11103631位于FCN1與OLFM1基因之間[38]，表觀遺傳學研究結果顯示包含該信號的連鎖不平衡區段表現出不同的的活性增強子標志，從而影響纖維膠凝蛋白1(FCN1)的表達。FCN1在基底角質細胞中表達，參與調控老化人群的皮膚屏障修復[40],該位點的突變會導致經皮失水率增高，使屏障功能減退，故推測rs11103631突變是通過改變FCN1基因的表達，進一步影響皮膚屏障功能。該研究是首次針對漢族健康人群的皮膚屏障功能進行全基因組關聯研究，從遺傳角度解釋了人群的皮膚屏障功能之間的差異性。

國外另一項研究為了解皮膚表皮屏障功能恢復情況，在角質層剝離后的2 h,6 h,18 h,30 h和72 h 5個時間點進行TEWL測量，并收集表皮樣品提取總RNA，使用DermArray cDNA進行微陣列分析。結果顯示老年人的屏障恢復較年輕人延遲，表皮cDNA微陣列的分析顯示延遲原因可能與KRT6B及SPPR1B基因(編碼角質蛋白)延遲誘導有關，在這項研究中，TEWL測量提供了屏障恢復動力學的宏觀視圖，是屏障功能的總體評估，而微陣列分析按時間順序確定了表皮恢復期間發生的主要分子過程，加深了對基礎表皮恢復過程中各種生物功能的理解，二者相結合，為研究皮膚的屏障功能提供了更全面的信息[40]。

4 結語

皮膚屏障的遺傳學研究從遺傳角度解釋皮膚屏障受損機理及人群差異，經表皮水分流失(TEWL)作為一種簡單、無創的測量內在皮膚屏障功能的工具，運用范圍廣泛，將TEWL與皮膚屏障的遺傳學研究有機的融合在一起，為探索皮膚屏障的遺傳因素提供了新的方法和思路，未來在皮膚屏障的遺傳學研究中的應用會越來越廣泛。