神经酰胺代谢途径对皮肤屏障功能影响研究进展

刘 媛 解宇环 何 丹 林 青 孙晓菲

·综述·

云南省科学技术厅应用基础研究计划项目(编号：2013FB056)

2016年云南省科学技术厅-云南中医学院应用基础研究联合专项资金项目[编号：2017FF116(-027)]

2016年云南省教育厅科学研究基金项目(编号：2016YJS071)

云南中医学院，云南昆明,650500

孙晓菲，E-mail: xiaofeisun@163.com

神经酰胺代谢途径对皮肤屏障功能影响研究进展

刘 媛 解宇环 何 丹 林 青 孙晓菲

神经酰胺是角质层脂质的主要成分，是反映皮肤屏障功能的关键性物质，其含量的变化会使细胞间脂质结构发生变化，导致皮肤屏障功能障碍，而引发相关皮肤病。本文对神经酰胺的合成、分解、对皮肤屏障功能的影响及相关皮肤病进行综述。

神经酰胺； 皮肤屏障； 代谢途径； 酶

1 神经酰胺概述

1.1 神经酰胺简介 神经酰胺类化合物(Ceramide，Cer)是由鞘氨醇类(Sphingosine)和长链脂肪酸通过酰胺键结合而成的一类化合物。神经酰胺是鞘脂类化合物中最重要的一种，是鞘脂类代谢的中心分子[1]。神经酰胺由板层小体(lamellar body)合成及分泌，具有防止水分丢失，维持皮肤屏障的功能[2]。神经酰胺与胆固醇及游离脂肪酸一起构成复层板层膜填充于角质细胞间，约占40%～55%。

1.2 人体皮肤中的神经酰胺 人体皮肤中含有大量的神经酰胺。在表皮上层神经酰胺主要分布于板层小体，转运高尔基体，角质细胞间隙和角质化包膜[3]。目前人体皮肤角质层(stratum corneum, SC)中已发现至少9种神经酰胺[4](图1)，根据鞘氨脂碱基基团(鞘氨醇、植物鞘氨醇和6-羟基鞘氨醇)和碳氢化合物链长的不同分为[5]：a.含鞘氨醇基团者 Cer1(CER-EOS)、Cer2(CER-NS)、Cer5(CER-AS)，b. 含植物鞘氨醇者Cer3(CER-NP)、Cer7(CER-AP)、Cer9(CER-EOP)，c.含6-羟基鞘氨醇者 Cer4(CER-EOH)、Cer6(CER-NH)、Cer8(CER-AH)。由于角质层中神经酰胺的多样性使其在角质层结构及凝聚中具有独特的性能，由此形成角质层的皮肤屏障功能。皮肤屏障功能障碍患者皮损中的神经酰胺组成与正常皮肤中不同，前者神经酰胺的总含量明显减少，其中以Cer1、Cer3减少最为显著，相反胆固醇含量明显增加，神经酰胺与胆固醇的比例发生变化可能是引起皮肤生理功能异常的原因[6]。干燥皮损中，经表皮失水率(transepidermal water loss, TEWL)与Cer3显著相关。神经酰胺链长度对皮肤屏障功能的影响至关重要，通常皮损中短链神经酰胺水平显著升高。因此短链神经酰胺会使皮肤屏障功能障碍增强，而长链神经酰胺则会使皮肤屏障功能障碍减弱[7]。临床上常应用Cer1、Cer2、Cer3治疗皮肤屏障障碍相关皮肤病，如特异性皮炎等，神经酰胺可通过增加皮肤的水合度，降低经表皮失水率来修复受损的皮肤屏障功能[8,9]。故神经酰胺的质的变化会导致脂质结构的改变，从而影响皮肤屏障功能，进而引发相关皮肤病。

图中根据鞘氨脂碱基基团(鞘氨醇、植物鞘氨醇和6-羟基鞘氨醇)和碳氢化合物链长的不同将皮肤中神经酰胺分为3类，即含鞘氨醇基团类a、含植物鞘氨醇类b、含6-羟基鞘氨醇类c

图1 人角质层神经酰胺结构

2 神经酰胺的代谢途径

目前已知部分皮肤病如特异性皮炎、银屑病等的发生与皮肤角质层中神经酰胺的含量变化密切相关[10]。目前研究表明，神经酰胺含量是通过复杂的代谢途径进行调控，主要由其合成酶及分解酶来控制的，这些酶对不同的细胞刺激起反应。

2.1 神经酰胺的合成代谢途径 神经酰胺的合成代谢途径主要包括三条(图2)：a. 从头合成途径(de novo pathway)[11，12]。神经酰胺的从头合成途径在内质网(endoplasmic reticulum)上进行[13](图3)。首先，丝氨酸(serine)和棕榈酰辅酶A(palmitoyl-CoA)在丝氨酸棕榈酰转移酶(serine palmitoyl transferase，SPT)催化下缩合生成3-酮基二羟鞘氨醇(3-ketosphinganine，3-KDS)，这是神经酰胺合成的限速步骤。KDS生成二氢鞘氨醇，并经过N端酰化形成二氢神经酰胺，二氢神经酰胺在二氢神经酰胺去饱和酶(dihydroceramide desaturase，DES)的作用下最终生成神经酰胺。 b.水解途径。鞘磷脂酶(sphingomyelinase, SMase)的水解途径是 SMase水解鞘磷脂(sphingomyelin, SM)，生成神经酰胺和磷脂酰胆碱(phosphatidyl choline，PC)[14]。c.水解酶水解鞘糖脂途径[15]。各种鞘糖脂先经溶酶体中的葡糖脑苷酯酶和糖苷酶水解为葡糖神经酰胺(glucosylceramide，GlcCer)，进而转变为神经酰胺。

注：神经酰胺可以通过三条主要途径进行合成，分别是：从头合成途径(粉红色部分)、鞘磷脂酶水解途径(蓝色部分)和水解酶水解鞘糖脂途径(绿色部分)。反之，神经酰胺也可以被神经酰胺激酶磷酸化生成神经酰胺-1-磷酸盐(C1P)，或是作为鞘磷脂(SM)合成的底物。此外，神经酰胺还可经神经酰胺酶(CDase)作用生成神经鞘氨醇，进一步经神经鞘氨醇激酶(SK)作用生成鞘氨醇-1-磷酸盐(S1P)

图2 神经酰胺代谢途径

2.2 神经酰胺的分解代谢途径 神经酰胺的分解代谢途径主要包括三条(图2)：①神经酰胺被鞘磷脂合成酶(sphingomyelin synthase, SMS)催化生成鞘磷脂(SM)和二酯酰甘油(diacylglycerol, DAG)，清除神经酰胺。从头合成途径生成的神经酰胺将被神经酰胺转运蛋白(CERT)从内质网转运到高尔基体(Golgi)[16]，高尔基体是SM合成场所。②神经酰胺经内质网中的中性神经酰胺酶(ceramidase, CDase)、质膜上的碱性神经酰胺酶及溶酶体中的酸性神经酰胺酶作用生成神经鞘氨醇(sphingosine)，进一步经神经鞘氨醇激酶(sphingosine kinase, SK)作用生成具有前生长因子活性的鞘氨醇-1-磷酸盐(Sphingosine-1-phosphate, S1P)[17]。③神经酰胺在质膜上被神经酰胺激酶(ceramide kinase, CK)磷酸化生成神经酰胺-1-磷酸盐(Ceramide-1-phosphate, C1P)[18]。

3 神经酰胺与皮肤屏障功能

皮肤角质层的脂质结构主要成分是神经酰胺类，它具有锁水、抑制炎症反应、促进皮肤屏障功能修复的作用，在皮肤屏障功能的调控中起主导作用。研究表明[19,20]特异性皮炎患者角质层中的神经酰胺含量明显下降，皮肤屏障功能减弱。因此，神经酰胺是反映皮肤屏障功能的关键性物质之一，当表皮受损时将迅速启动皮肤屏障功能的恢复过程，神经酰胺合成增加。

课题组采用胶带法复制小鼠皮肤屏障障碍模型，使小鼠皮肤屏障功能受损，导致其皮肤TEWL值上升，表皮神经酰胺含量下降。给予健脾方药参苓白术散和六君子汤13天后，以皮肤组织病理学改变、TEWL值、神经酰胺含量为指标评价健脾方药参苓白术散和六君子汤对模型小鼠皮肤屏障功能的修复作用。实验结果发现小鼠皮肤TEWL值较模型组显著下降，神经酰胺含量明显增加，小鼠皮肤屏障功能得以修复。研究表明健脾方药参苓白术散和六君子汤能改善皮肤屏障功能，其机制与角质层中神经酰胺含量的增加有关。

神经酰胺的从头合成途径在内质网上进行，随后通过CERT转运到高尔基体。在高尔基体中，神经酰胺作为鞘糖脂和鞘磷脂合成的前体。鞘磷脂被输送到质膜，被水解生成神经酰胺。在溶酶体中，神经酰胺可以被水解生成神经鞘氨醇，然后再在内质网中被利用。神经酰胺也可以转换成C1P或S1P

图3 神经酰胺代谢场所

目前，神经酰胺作为皮肤屏障修复剂越来越多应用于护肤品中，可外源性的提供神经酰胺以维持皮肤神经酰胺水平。添加神经酰胺的护肤品具有很强的缔合水分子的能力，它通过在角质层中形成网状结构来维持皮肤的水分，提升皮肤的电导率，具有强大的锁水能力[21]。同时神经酰胺能增加角质层的厚度，提高皮肤持水能力，减少皱纹，增强皮肤弹性，延缓皮肤衰老[22]。此外，含有神经酰胺的护肤品还能适当降低炎症反应的发生[23]，重建受损的皮肤屏障功能，可辅助用于皮肤屏障功能障碍相关病的治疗。

3.1 神经酰胺合成代谢途径与皮肤屏障功能 角质层中神经酰胺的含量影响着皮肤屏障的功能，而神经酰胺代谢相关酶的活性可调节神经酰胺在细胞内的含量。神经酰胺合成代谢途径所涉及的主要酶包括：丝氨酸棕榈酰转移酶(SPT)、神经酰胺合成酶(CerS)、鞘磷脂酶(SMase)。Man等[24]通过胶带剥离法建立皮肤机械屏障破坏模型，之后给实验组小鼠一定量中药提取物，与对照组相比实验组皮肤屏障功能显著提高，其机制与提高SPT表达从而增加其角质层神经酰胺含量有关。 Ishikawa等[25]研究结果表明桉树提取物可以增加角质层中神经酰胺的含量，从而改善角质层功能。其中神经酰胺含量增加的原因是由于桉树提取物诱导神经酰胺代谢中的一些酶如 SPT表达增加。Nakajima等[26]研究证明 SPT基因被敲除的新生小鼠全身出现皮肤干燥现象，与正常小鼠相比皮肤保水功能明显受损，表皮神经酰胺含量有明显的降低。 Duan等[27]通过缺镁饮食诱导特异性皮炎模型及胶带剥离法建立皮肤屏障破坏模型，然后给予鞘磷脂饮食饲养2周，实验结果表明膳食鞘磷脂能上调表皮CerS2、CerS3、CerS4的表达，从而使神经酰胺含量提高，修复皮肤屏障功能。Jennemann[28]等研究结果已经证明CerS3对神经酰胺的合成及皮肤屏障功能起到关键作用。Mizutani[29]等发现CerS3在分化的角质形成细胞中表达增加，推测CerS3可能导致表皮屏障的形成。Marsella[30]等发现在特异性皮炎和老年皮肤病等皮肤屏障缺陷疾病中酸性SMase和中性SMase的活性明显降低，从而导致角质层中神经酰胺含量降低。Itaya[31]等应用鞘磷脂脂质体培养皮肤细胞模型，研究发现 SMase表达增加，继而神经酰胺含量增加。因此，特异性皮炎、银屑病等皮肤屏障功能障碍的皮肤病中神经酰胺合成酶SPT、CerS、SMase的活性明显降低，当给予外源性干预后，相关合成酶的表达明显提高，同时神经酰胺含量也有所增加，皮肤屏障功能得以修复。

3.2 神经酰胺分解代谢途径与皮肤屏障功能 神经酰胺分解代谢途径所涉及的主要酶包括：鞘磷脂合成酶(SMS)、神经酰胺酶(CDase)、神经鞘氨醇激酶 (SK)、神经酰胺激酶(CK)等。Duan等[27]通过缺镁饮食诱导特异性皮炎模型及胶带剥离法建立皮肤屏障破坏模型，然后给予鞘磷脂饮食饲养2周，实验结果表明膳食鞘磷脂能下调SK2及CK的表达，恢复皮肤屏障功能。CDase对神经酰胺代谢具有双向调节功能[32]：在pH约4.5时，可以水解神经酰胺成为神经鞘氨醇，进一步生成 S1P;当pH约5.5时，则可以反向催化神经酰胺的合成。特异性皮炎患者CDase的活性改变[33]，可能会使表皮中神经酰胺的含量减少，延缓受损皮肤屏障的修复。Moon[34]等实验结果表明银屑病患者皮肤中使神经酰胺分解的酶CDase表达上升。因此，皮肤屏障功能障碍相关皮肤病中神经酰胺分解酶活性明显增加，神经酰胺含量下降，皮肤屏障功能受到损伤。

综上所述，皮肤中神经酰胺含量主要由其代谢过程中的相关酶进行调控，相关酶活性的变化可导致神经酰胺含量的变化，进而影响皮肤屏障功能，故神经酰胺代谢途径对皮肤屏障功能产生十分重要的影响。

4 神经酰胺与皮肤障碍性皮肤病

4.1 特异性皮炎 特异性皮炎患者角质形成细胞的增殖能力降低，神经酰胺的含量减少，其中Cer1、Cer3明显降低，而胆固醇含量明显升高，神经酰胺与胆固醇比例的改变可能是导致患者皮肤生理功能异常的原因。皮损区神经酰胺合成减少，游离脂肪酸总量无明显变化，但游离长链脂肪酸明显减少。这些结果提示，特异性皮炎患者皮肤屏障功能异常可能与神经酰胺和长链脂肪酸的减少有关[35]。

研究表明特异性皮炎患者神经酰胺含量的变化可能是由于神经酰胺合成代谢途径中的鞘磷脂酶水解途径改变所致。有报道显示[12]特异性皮炎患者的皮损和非皮损区酸性SMase和中性SMase的活性均降低。此外，特异性皮炎患者皮损处神经酰胺缺乏的另一机制可能是神经酰胺酶活性的改变。研究表明特异性皮炎患者皮肤中CDase的活性升高，患者皮肤神经酰胺的缺乏可能与CDase的活性有关。这些研究提示，特异性皮炎患者神经酰胺代谢异常引起神经酰胺含量降低，是导致特异性皮炎患者皮肤屏障功能障碍的病因。

4.2 银屑病 银屑病皮损中经表皮失水率显著增加，大约可增加1～20倍，皮损中神经酰胺组成的改变可能与其经表皮失水率增加有关，特别是Cer1的减少。银屑病患者皮肤中神经酰胺总量与正常人皮肤含量相近，但银屑病皮损中含植物鞘氨醇的神经酰胺比例明显减少，而含神经鞘氨醇的神经酰胺明显增加。此外，银屑病皮损中游离脂肪酸的相对含量显著低于正常皮肤。

研究表明银屑病皮损区神经酰胺含量的改变可能由神经酰胺合成代谢途径中的从头合成途径及神经酰胺分解代谢途径进行调控。Moon[34]等实验研究表明银屑病患者皮肤中CerS表达下降，而CDase表达上升，从而导致皮肤中神经酰胺含量的减少。于是我们推测调节神经酰胺代谢过程中相关的酶可能成为治疗银屑病的新途径之一。

5 小结与展望

皮肤完整是机体的天然屏障，具有抵御外界物理、化学损伤及生物抗原等物质侵入的功能，并且能适应外界温度变化的影响。特异性皮炎、银屑病、鱼鳞病等与遗传、环境相关的皮肤疾病仍是临床治疗的难题，严重影响着患者的生活质量。传统治疗主要应用抗组胺药及糖皮质激素药等。其中抗组胺药能缓解皮肤急性期的病变，但对缓解期皮肤屏障功能的修复疗效不佳，无法解决停药后复发的问题；糖皮质激素药可减轻局部炎症，缓解瘙痒症状，但长期使用会引起皮肤萎缩，色素沉着、毛细血管扩张等不良反应，且久用可产生治疗抵抗和成瘾，停药后易引起皮损复发。故目前用于治疗皮肤屏障功能障碍相关皮肤病的方法尚不理想。

皮肤屏障功能障碍是特异性皮炎、银屑病、鱼鳞病等皮肤病的共同发病机制。皮肤屏障损伤的修复已经成为治疗该类疾病最重要的环节，随着皮肤屏障功能的深入研究，表明皮肤屏障功能与神经酰胺的含量有密切的关系。神经酰胺对皮肤的生物功能有重要的调节作用，调控皮肤神经酰胺含量及角质层神经酰胺代谢过程中相关的酶可能成为未来治疗皮肤屏障障碍相关皮肤病的有效方法。

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Updateoftheeffectofceramidemetabolismpathwayonskinbarrierfunction

LIUYuan,HEDan,XIEYuhuan,LINQing,SUNXiaofei.

YunnanUniversityofTraditionalChineseMedicine,Kunming650500,China

SUNXiaofei,E-mail:xiaofeisun@163.com

Ceramide is a major ingredient of the lipid in stratum corneum, the key material, which reflects skin barrier function. The change of content of ceramide can lead to the structure damage of the lipid in stratum corneum, which leads to the skin barrier function damage and skin diseases. The composition, catabolism and the effects on skin barrier function of ceramide is reviewed in this article.

ceramide; skin barrier; metabolic pathway; enzyme

(收稿：2016-10-13 修回：2016-12-04)