皮肤角质层的相关屏障结构和功能的研究进展

杨扬 马慧军 胡蓉

皮肤是人体最大的器官，在保护人体内环境稳定和阻止外界有害物质入侵方面发挥着极其重要的作用。一般地，皮肤屏障从结构上可分为广义和狭义的屏障。其中，广义的皮肤屏障主要包括与皮肤各层结构相关的屏障；狭义的皮肤屏障主要涉及皮肤角质层（SC）结构相关的屏障。现就皮肤角质层的相关屏障结构和功能的研究进展综述如下。

1皮肤角质层的相关屏障结构和功能

由于皮肤与外界环境直接接触，皮肤角质层是防止外界有害刺激如各种化学物质和病原微生物等经皮渗透的重要屏障，同时能够承受机械外力作用并具有调节经皮水分流失(TEWL)的功能。角质层作为一个连续性屏障，主要由角质细胞和细胞间脂质构成。其中，角质细胞的胞液含有丰富的角蛋白和天然保湿因子（NMF），因此角质细胞本身具有亲水性，其间隔地“堆砌”于连续的富含非极性特定脂类的疏水性细胞间基质中而形成一种特殊的“砖-墙”结构体系[1]。

1.1 角质层的相关屏障结构

1.1.1 角质细胞（corneocytes）：角质细胞是移行至角质层并呈终末分化的角质形成细胞，它们由角蛋白丝固定并由交联蛋白组成的细胞膜和共轭脂质膜包围，是角质层最重要的保护性结构组分之一，构成了“砖-墙”结构体系中的“砖”。在角质形成细胞正常分化的最后阶段，排列有序的角蛋白通过与中间丝相关蛋白相互作用构成了一种浓缩阵列。其中，中间丝相关蛋白聚合成束状角蛋白细丝，进而促进了该细胞死亡后扁平形态的形成[2]，这对维持皮肤屏障的结构稳态具有重要作用。在哺乳动物表皮中，角蛋白和中间丝相关蛋白构成了其蛋白含量的80%～90%[3]，若两者基因的突变将直接影响角质层屏障组织结构的完整性，继而出现一系列以角质层屏障受损相关为主要表现的皮肤疾病，如银屑病、扁平苔癣等，其中角蛋白K17在正常表皮中并不出现，而在上述皮肤疾病中则明显表达[4]；Presland等[5]先后发现，若正常的中间丝相关蛋白及丝聚合蛋白原缺失，小鼠在出生时可表现出皮肤的干燥，脱屑等；而小鼠表皮基底层上部的中间丝相关蛋白的过度表达则可导致皮肤屏障修复的延迟。

角质层屏障结构之一的角化细胞被膜（CE）由表达于表皮棘层中上部的角质形成细胞转谷酰胺酶(TGk)催化角质套膜蛋白继而形成于角质细胞膜下的一种坚固而异常不溶性的蛋白/脂质聚合结构，它由蛋白包膜和脂质包膜两部分构成。其中，蛋白包膜赋予了角质化细胞被膜的生物力学特性，这是通过特异性角质化包膜结构蛋白之间交联而形成的。这些蛋白包括外皮蛋白、兜甲蛋白、毛透明蛋白以及通过蛋白二硫键和由谷氨酰胺酶所形成的N-ε（γ-谷氨酰）赖氨酸异肽键连接的一类富含脯氨酸的小蛋白[6]。动物实验研究发现，谷氨酰胺酶-1缺陷的小鼠可表现出皮肤角质层的缺陷，并在其幼年期因水分过度丢失而死亡[7]。人类谷氨酰胺酶-1基因突变会患有层状鱼鳞病，这是由于谷氨酰胺酶-1影响许多种角质化包膜蛋白和神经酰胺类共轭键的连接[8]。兜甲蛋白缺失的小鼠不会表现出皮肤屏障功能障碍，相反可表现出对机械应力更大的敏感性，这可能会继发地改变皮肤屏障的功能[9]。组织蛋白酶D基因缺陷的小鼠可表现出外皮蛋白、兜甲蛋白和中间丝相关蛋白的减少，从而导致皮肤屏障功能的缺失[10]。伴有鱼鳞病的残毁性角皮病（Vohwinkel综合征之变异型），是由兜甲蛋白基因突变引起的[11]。角质细胞连接的脂质包膜是一种质膜样结构，它可以取代哺乳动物角层细胞外表面的质膜。脂质包膜不仅为角质细胞提供了一个包膜，而且还与细胞间脂质基质相互交错并构成与水分相关的通透性屏障[12]。

角质细胞的另一重要结构是角化桥粒[(corneo)desmosomes]，因其是唯一在颗粒层角质形成细胞和角质层角质细胞间的紧密连接，因而又被称为过渡桥粒 [13]，主要是由角化桥粒蛋白、桥粒芯糖蛋白-1和桥粒糖蛋白-1构成。若以上相关蛋白发生降解可导致角化桥粒的裂解，继而发生脱屑，影响皮肤屏障的正常生理功能。例如，Netherton综合征是由SPINK5基因突变引起的一种常染色体隐形遗传性皮肤病。SPINK5基因突变可使丝氨酸蛋白酶抑制剂LEKTI表达缺陷，其通过桥粒芯糖蛋白-1的降解导致颗粒层上层异常桥粒的裂解，继而导致角质层的粘附缺陷，从而引起皮肤屏障功能障碍[14]。

1.1.2细胞间脂质（extracellular lipide）：角质层的角质细胞间脂质分为两大类：一类是来源于表皮颗粒层板层小体的合成，并通过一个泡管系统的协调作用使脂质移动，随后脂质与质膜融合并以胞吐的形式释放，经过修饰和排列整合到细胞间并平行定位于角质细胞表面，称为结构脂质，即角质层“砖-墙”结构体系中的“灰浆”；另一类是来源于皮脂腺分泌和角质细胞崩解形成的脂质，其覆盖于皮肤表面并与水乳化成的皮脂膜,称为润泽脂质[15]。两大类脂质特别是结构脂质，是皮肤角质层屏障的重要结构之一。

角质层的结构脂质主要包括神经酰胺类、游离脂肪酸和胆固醇等。其中，神经酰胺类约占角质层脂质重量的30%～40%，是一类结合酰胺基并包含有一个鞘氨基醇长链的脂肪酸。在角质细胞间，神经酰胺类的合成是以丝氨酸棕榈酰转移酶作为限速酶，并通过水解葡糖苷酰鞘氨醇和鞘磷脂而实现的。皮肤角质层包含有至少9种以上的游离神经酰胺，它们构成了更为紧密堆叠的角质细胞间脂质基质结构。在角质层中，神经酰胺具有保水作用并与TEWL密切相关，从而进一步提高了皮肤屏障功能。例如：一些身心性皮肤疾病如银屑病、异位性皮炎等的发生与角质层中神经酰胺水平的改变密切相关[16]。其中，神经酰胺A和神经酰胺B是角质层神经酰胺类中较为重要的两种，它们通过共价结合形成角质化包膜蛋白，对外皮蛋白具有重要作用。

角质层中游离脂肪酸和胆固醇对皮肤屏障的作用仅次于神经酰胺类。游离脂肪酸是皮肤角质层中另一重要的结构性组分，其链长约C12-C24。饱和与单不饱和脂肪酸类在表皮内合成，其他的从食物和血液中获得。必需脂肪酸缺乏症（EFAD）是因营养不良或者不正常饮食造成表皮游离脂肪酸的缺乏，由于表皮细胞的改变，在实验小鼠身上表现为皮肤发红、表皮粗糙、脱屑，严重时可导致皮肤屏障功能障碍。另外，脂肪酸运输蛋白4（Fatp4）基因表达异常可致皮肤屏障功能异常并可促使小鼠在出生后迅速死亡[17]。

胆固醇是存在于角质层的第三大脂类，其与皮肤通透性屏障密切相关。角质层中胆固醇水平受ABCA12膜转运蛋白的调节[18]。研究发现，在皮肤通透性屏障功能修复过程中胆固醇的合成明显增加；降脂药洛伐他汀的局部应用可抑制羟基甲基戊二酰基-CoA还原酶，促使表皮过度增殖并导致皮肤屏障功能异常[19]。

1.2皮肤角质层的相关屏障结构模型学说：鉴于角质层相关屏障结构的重要性，国外相关学者进行了长期而系统的研究并分别提出了角质层的各种相关结构模型学说，以便深入了解和认识皮肤角质层的相关屏障结构并进一步了解其相关的屏障功能。其大致可分为以下五类：

1.2.1 堆叠单层结构模型（Stacked Monolayer Model）：1989年，Swartzendruber等[20]提出了角质层细胞间脂质基质层状分子的排列结构，即在神经酰胺延伸链的形成过程中，其烷基链相互交错，同时胆固醇有规则地分布在不同细胞层之间。这种脂质结构能够证明传统透射电子显微图像上的透明条带中细胞“宽-窄-宽”的排列结构。在此结构模型中，延伸链单层排列的神经酰胺能够促进角质层细胞间脂质基质更加紧密堆叠，从而进一步提高了与水或油溶性混合物的皮肤渗透性相关的皮肤屏障性能，说明了该结构模型在其屏障方面具有一定的优势性[21]。

1.2.2 域镶嵌结构模型（Domain Mosaic Model）：20世纪90年代初，针对角质层屏障结构，Forslind[22]提出了“域镶嵌结构模型”。在此模型中，细胞间脂质基质的非连续性层状晶体结构嵌入连续性液态晶状结构。在很大程度上，角质层细胞间脂质的下层部分是处于液晶态的，其上层部分在标准环境空气湿度小于90%的情况下大多处于晶态或者凝胶状态。此模型充分解释了在空气相对湿度大于90%的情况下，皮肤角质层的水分扩散率呈明显增高趋势，同时也说明了细胞间脂质可能并非完全相同。

1.2.3 “Laminglass”结构模型（Laminglass Model）：1996年，Pascher[23]针对角质层结构和功能，提出了“Laminglass”模型。该模型认为神经酰胺在其延伸链结构中用于组成晶状单层，同时鞘氨醇和脂肪酸部分用于组成两组结构紧密的烃链基质，呈正交分子组成。余下脂质用于组成单独而有序的富有胆固醇的液晶相，直接接触疏水的神经酰胺单层。因此该结构兼有低透水性、相当的屈弹性和对物理应力高阻性的特点。

1.2.4 “三明治”结构模型（Sandwich Model）：Bouwstra等[24]提出“三明治”结构模型，认为位于中央部位的含有不饱和亚油酸、神经酰胺5和胆固醇的液态脂质单层直接接触由余下神经酰胺所组成的两个晶状层的疏水部分，形成“三明治”的典型结构。然而，作者认为脂质部分形成液态相是十分有限的，因此，中央层不会形成一个连续的液态相而仅包含有侧面分布的“液态域”。

1.2.5 单凝胶相结构模型（Single Gel-Phase Model）：由Norlén[25]提出的单凝胶相模型认为，角质层细胞间脂质是以单相和凝聚性板层凝胶相的形式存在。作者进一步研究假定，单凝胶相模型是由液态晶状膜经过“结晶”、“冷凝”、“紧密堆积”或“结晶”并伴随着在结晶过程中脂质的有限侧向扩散或排序而形成。在皮肤渗透性方面，生理性皮肤温度范围内，角质层细胞间脂质基质可能表现出相分离，这可能会使不同域间其界面的渗透性显著提高，单凝胶相结构模型与以往模型（堆叠单层结构模型除外）都不同，因为该模型认为角质层细胞间脂质基质并没有明显的相分离；另一方面，角质层中液晶状结构的存在可能会明显影响皮肤屏障能力，这是由于液晶态脂质双层相对于凝胶状态下双分子层更易导致水分扩散，可能会进一步削弱皮肤屏障性能。因此，单凝胶相结构模型可能较以往结构模型在其屏障结构上更具有优势性[21]。

2皮肤角质层的相关屏障功能

2.1物理或机械性屏障：皮肤角质层的完整结构对其物理或机械性屏障功能的发挥具有重要作用。相比正常角质层而言，异位性皮炎患者的角质细胞数量相对减少，继而使其角质层的厚度变薄，导致物质进入表皮的通透性径长明显缩小，进一步影响了表皮屏障的正常功能[26]。皮肤角质层本身还具有阻止物理和机械外力损伤表皮的功能。实验发现，当基因枪以500 磅/平方英寸的速度向表皮发射出直径2μm的金微粒后，后者不能顺利地穿过而是停留在角质层内，这说明皮肤角质层本身在细胞水平具有一种冲击阻力，可有效防止外力对表皮的进一步损伤[27]。我们还发现在高度摩擦的部位如掌、趾等处的表皮可形成具有高度抗摩擦性的胼胝。以上这些都证明了角质层具有有效适应和对抗外界物理或械性损伤的能力。

2.2经皮水分丢失（TEWL）屏障：皮肤角质层能够有效阻止水分经皮扩散和丢失，这也是其最重要的屏障功能。不同解剖部位的正常皮肤，其经皮水分流失的部位性差异表明全身皮肤并不具有单一的最佳TEWL值[28]。TEWL屏障的位置可经皮下注射电子示踪剂胶态镧显示。在皮下注射胶态镧1h后，使用透射电镜检测所提取的皮肤活检标本，可见胶态镧受阻于颗粒层与角质层的连接部位[29]。另外，角质层“砖-墙”结构体系中的细胞间脂质会防止发生大量水分流失的不感蒸发，仅允许有限数量的呈蒸汽相的水分通过。一般地，TEWL值在临床上易于测量，因此可提供角质层屏障的相关临床参数用以评估正常的皮肤功能和与之相关的皮肤疾病如银屑病、异位性皮炎、大疱性表皮松解症等以及烧伤。其中，这些相关皮肤疾病主要因皮肤角质层屏障受损从而导致大量的水分经表皮丢失[28]。

2.3抗微生物及免疫屏障：皮肤的免疫功能主要与表皮内抗原递呈细胞如朗格汉斯细胞（LC）的密度和功能相关。然而，近来有研究表明，表皮合成的抗微生物肽如防御素、内源性抗菌肽等同样与皮肤角质层的免疫功能密切相关[30]。表皮可通过合成和产生以上物质用以中和各种微生物的侵袭，增强本身固有的免疫功能。其中，防御素是由表皮板层小体组装而成，并形成了抗微生物和通透性屏障之间的直接关联[31]；卵泡上皮和腺胞间表皮的角质形成细胞可分别组成型表达和可诱导型表达内源性抗菌肽。在异位性皮炎和银屑病患者中，由于后者体内的抗菌肽表达较前者为高，因此，前者更易导致皮肤感染[32]。另外，角质层抗菌分子水平的下降与一些皮肤病的发生相关，如KLK介导的LL-37肽的蛋白水解片段可加重酒渣鼻的炎性应答[33]。

2.4抗氧化屏障：皮肤角质层具有一定的抗氧化功能。角质层表面的皮脂可滋润皮肤并在其表面产生和补充维生素E，后者具有保护和抗氧化作用。另外，人体表皮中酵素和非酵素抗氧化剂的含量高于其在真皮层中的含量[25]。另有研究发现，当发生潜在诱变效应的DNA损伤时，p53可诱发增加细胞内活性氧的蛋白以进一步激活细胞凋亡，间接地说明了p53具有刺激抗氧化剂基因表达的作用[34]。例如，在白癜风皮损中p53表达增强可能是一种适应或是积极的保护性机制。

3结语与展望

皮肤角质层因其与外界环境直接接触并具有重要的屏障功能，相对于皮肤其他各层而言其是表皮最为重要的组成结构。由于角质层的特殊结构在皮肤的正常功能和各种相关皮肤疾病的发生中发挥着重要作用。角质层独特的结构和屏障功能及其详细的作用机制仍值得进一步研究和探讨，以指导与之相关的各方面的临床应用，包括进一步探讨角质层与皮肤屏障异常相关皮肤疾病间的发病机制并指导和设计最恰当的治疗方案等。

[参考文献]

[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]刘 玮.皮肤屏障功能解析[J].中国皮肤性病学杂志,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

编辑/李阳利