角质层结构及功能的研究进展

陈教全， 梁碧华， 李华平， 尹忠浩， 朱慧兰1,

(1.广州医科大学， 广东 广州 511436； 2.广州市皮肤病防治所, 广东 广州 510095)

角质层是人类皮肤表皮的最外层，是防止外界有害刺激如各种物理、化学物质和病原微生物等的重要屏障。一直以来认为理想的皮肤屏障模型是“砖—墙”模型，“砖块”指角质细胞和胞间结构蛋白，被脂质—“砂浆”包围着，而细胞间角化粒—“钢筋”联锁砖块，最大程度上确保角质层结构的完整性。此外，角质层含有丰富多样的微生物群—“瓦片”，在一定程度上阻碍病原体的定植，四者共同维护皮肤角质层屏障结构和功能完整性。

1 角质细胞和胞间结构蛋白——“砖块”

增殖性的角质形成细胞从基底层迁移至上层，经过棘层、颗粒层进行脱核、扁平化，最后形成承担大部分皮肤屏障功能的角质细胞。胞质中充满由张力细丝与均质状物质结合而形成的角蛋白，角质细胞及其细胞外成分彼此紧密嵌合，为人体提供了一个保护屏障。角蛋白在表皮细胞分化的不同阶段呈现不同表达，表达随表皮向终末分化的过程而改变。表皮基底层是未分化的细胞，具有分裂增殖能力，表达特异性角蛋白5/14(即K5/K14)，而当细胞上升至棘细胞层即可发现特异性分化蛋白K1/K10的表达。Roth等[1]在研究中发现在表皮层缺乏K1的小鼠中出现了小鼠围产儿死亡，即使小鼠的皮肤屏障完整，但缺乏K1的小鼠会出现经表皮水分丢失上升，提示皮肤屏障功能受损。Choate[2]和Kuske等[3]发现，K1或K10的突变会引起以角质层屏障受损相关为主要表现的皮肤疾病，如先天性网状鱼鳞病样红皮病以及表皮细胞性鱼鳞病等。同时在角质层内细胞膜也发生了变化，细胞膜间发生广泛的交联，形成不溶性的坚韧外膜即角质包膜(cornified envelope，CE)，作为表皮防御功能的基础。CE主要由丝聚合蛋白(filaggrin，FLG)、内披蛋白(involucrin,IVL)、兜甲蛋白(loricrin,LOR)等构成，这些蛋白广泛交叉连接，并受到角质形成细胞转谷氨酰胺酶(transglutaminase eratinocyte，TG)的调节。CE相关蛋白的形成与角质形成细胞的增生和分化密切相关，只有当前者的正常基因编码表达和后者之间达到精准平衡，表皮才能正常形成并角质化。目前所发现的TG类型中，TG1主要在角质细胞中表达，并影响γ-谷氨酰-ε-赖氨酸异肽键的形成以及介导角质包膜的支架蛋白谷氨酰胺与超长链脂肪酸结合[4]。Haneda等[5]研究报道，TG1表达缺失的小鼠中IL-1β,CXCL1 (KC), CXCL9 (MIG) 和CCL2 (MCP1)等细胞因子和趋化因子明显升高，引起皮肤炎症，破坏角质层“砖块”的稳定性，导致鱼鳞病[4]发生。然而，Wiegmann等[6]发现TG1在Netherton syndrome患者表皮中呈现高表达，且淋巴上皮Kazal型相关抑制剂(lympho-epithelial kazal-type-inhibitor,LEKTI)的D6、D7和D8+9片段与TG1有共同的蛋白序列，这些片段对激肽释放酶相关肽酶5(kallikrein-related peptidase 5，KLK5)的表达有明显的抑制作用，提示这些片段可能成为Netherton综合征患者的靶向治疗。

Pro-FLG是颗粒层内角化透明质颗粒的主要成分，也是FLG的前体蛋白。从颗粒层迁移到角质层的过程中，Pro-FLG的N末端被去磷酸化，一部分在蛋白质分解酶的作用下切出可溶性的FLG，形成的天然保湿因子(natural moisturizing factor,NMF)，另一部分在γ-谷氨酰-ε-赖氨酸异肽键的交联作用下，参与形成CE的结构蛋白，防止水分流失，同时维持皮肤正常pH值，抵御病原体入侵。有研究[7]表明，在FLG完全缺失或者Pro-FLG降解酶缺失的小鼠中，可以发现表皮水分以及角蛋白丝纤维束的形成减少，角质层的支架结构受损，皮肤致敏、湿疹和过敏性变异的风险增加。Batista[8]、Brunner等[9]研究发现在成人特应性皮炎(atopic dermatitis，AD)中，不仅观察到FLG和紧密连接蛋白1的表达下降，而且发现FLG的表达与疾病的严重程度呈负相关，其原因可能是AD患者TH2细胞分泌IL-4、IL-13等细胞因子增多进而下调FLG表达。

IVL主要表达于棘细胞层上部与颗粒层，是角质形成细胞分化的标志性蛋白，最开始出现在细胞浆，最终定位在角质包膜外层，由TG1介导，与神经酰胺共价结合，连接脂质基质和角化细胞，参与形成角质包膜一侧的支架蛋白。有研究[10]报道，IVL缺失的小鼠模型上未显示表皮屏障功能异常，随后，Natsuga等[11]报道，IVL、旁血小板溶蛋白(periplakin, PPL)和包斑蛋白(envoplakin, EPL)三种蛋白表达缺陷的小鼠会出现角质包膜应对机械应力的能力下降和细胞间桥粒连接异常，蛋白酶活性下降，FLG活性受到影响，角质形成细胞过度增生，以及真皮炎症细胞浸润，这两研究提示角质包膜的支架蛋白可能存在一定的代偿性。IVL表达异常与对称性肢端角化病、板层状鱼鳞病和银屑病等疾病的发生有关。

LOR主要表达于颗粒层和角质层，占角质包膜蛋白量的80%，它由重复的甘氨酸环(甘氨酸-丝氨酸)构成， LOR与SPRRs在TG1、TG3的催化下交联， 与包膜外层细胞支架交联，在角质包膜的胞质面内起着加固作用。在敲除LOR的小鼠中，发现CE中Caspase-14和K1/K10含量下降，阻碍角质层细胞的成熟，以及降低FLG和FLG降解酶的合成，使皮肤更易受到紫外线的刺激[12]。当人类LOR基因发生插入突变时，会导致表皮完整性严重受损，并导致皮肤角化病。

2 细胞间脂质——“砂浆”

角质细胞外的空间主要由胆固醇、神经酰胺、游离脂肪酸等脂质构成，颗粒层中的板层小体释放脂质前体(磷脂质、葡糖神经酰胺、鞘磷脂和游离氨基酸)和脂类合成酶进入角质层细胞外间隙，脂质前体被脂质合成酶催化生成上述的胞外脂质，并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”。

神经酰胺是最丰富的胞外脂类，占角质层脂质总量的45%～50%，是组成NMF的必要成分之一。天然神经酰胺的酰基链长度通常是18-C，人工制备的4-C至8-C酰基链神经酰胺类似物的渗透功能是6-C酰基链类似物最大效应的10.8倍，说明短链神经酰胺会降低皮肤屏障功能。Mojumdar等[13]研究显示，增加猪表皮的长链神经酰胺数目，会减少脂质形成过程中受到的干扰，同时让脂质密度增大，有效地防止体内水分和电解质的流失。含有ω-OH的神经酰胺能共价结合于角质细胞的角质包膜的IVL上，由此将脂质基质和角质细胞连接起来，可减少有害物质通过毛孔、汗腺进入皮肤，从而加强抗敏功效。角质层中神经酰胺的含量会随着年龄的增长不断减少。神经酰胺的减少可引起皮肤功能异常，如AD、银屑病、鱼鳞病的患者皮损中神经酰胺的含量明显低于正常皮肤。因此使用富含神经酰胺的润肤剂或脂质混合物有助于改善和恢复受损的皮肤屏障功能。

游离脂肪酸约占细胞外脂质总量的15%。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。同时游离脂肪酸的分泌与表皮pH值有关，离子状态的游离脂肪酸是导致pH值变化的原因，调控pH值维持在4.0～5.5之间。与神经酰胺相似，游离脂肪酸的碳链长度对皮肤功能有不同的影响，当短链脂肪酸含量增加，长链脂肪酸含量下降，脂肪酸不饱和程度增加，会降低皮肤脂肪组织的密度，从而影响皮肤屏障功能[14]。Van Smeden等[15]对AD患者皮肤脂质成分分析中发现患者长链脂肪酸含量下降，而短链脂肪酸含量明显升高。有研究[16]报道，将脂质混合物中的短链脂肪替换为长链脂肪时，该混合物将会具有更坚实的结构和更高的稳定性。

与其他组织相比，角质层含有更丰富的胆固醇硫酸盐，对角质细胞相互间的黏附和脱落有显著的调节作用。胆固醇硫酸盐在甾体硫酸盐酶的催化下生成胆固醇，维持皮肤屏障功能。胆固醇硫酸盐是类固醇硫酸酯酶的底物, 研究报道当类固醇硫酸酯酶基因突变时可导致伴X染色体隐性遗传的鱼鳞病。角质层中胆固醇水平受ABCA12膜转运蛋白的调节，在层状鱼鳞病、先天性鱼鳞病样红皮症和花斑鱼鳞癣中均发现Abca12突变[17-18]，而且发现敲除Abca12基因的小鼠，表现由内到外和由外到内的皮肤屏障功能障碍。

神经酰胺、游离脂肪酸和胆固醇在维护皮肤角质层屏障功能稳定中具有重要作用。当皮肤受到外界刺激或代谢出现紊乱时，上述三种角质层脂质的含量比例会发生显著改变。在寻常型鱼鳞病和AD患者的皮损处，神经酰胺/胆固醇比值显著降低。有研究[19]报道，使用含有比例为3∶1∶1的神经酰胺、胆固醇和游离脂肪酸的修复霜对治疗AD、鱼鳞病、刺激性接触性皮炎、放射性皮肤炎等皮肤病引起的皮肤干燥症状有显著作用。因此在使用脂类治疗皮肤屏障疾病时，需注意保持角质层的脂类比例的平衡，避免出现症状的加重。

3 角化粒——“钢筋”

角质细胞间的最主要连接，是由最上层有核表皮层的桥粒分化而成的角化粒所构成。角化粒是一种复合体，主要包括一些特殊的蛋白质，如桥粒核心糖蛋白、桥粒糖蛋白和角膜锁链蛋白等。这些结构蛋白的分解会导致角化粒的破裂，引起角质细胞脱落，即去角质作用。因此，角化粒蛋白表达异常时，会引起细胞难以脱落或者细胞脱落过度，导致掌跖角化病、炎症型脱皮等皮肤病[20]。激肽释放酶相关肽酶、半胱胺酸蛋白酶和它们的抑制剂(如LEKTI等)含量的变化会影响角化粒的功能，进而打破角质层细胞的形成与脱落的平衡。在LEKTI功能障碍患者中，皮肤中的激肽释放酶相关肽酶被过度激活，导致角化粒的过早脱落，引起皮肤干燥脱屑，最终出现Netherton syndrome等皮肤病[6]。

4 微生物——“瓦片”

微生物屏障是皮肤屏障的最外层。它由不同的微生物群落组成，覆盖了皮肤的所有表面积。这些微生物群落的组成包括细菌、真菌和病毒，并且相当稳定。

通过16S rRNA测序技术发现，皮肤微生物在门水平上至少有19个，主要包括放线菌门(51.8%)、厚壁菌门(24.4%)、变形菌门(16.5%)和拟杆菌门(6.3%)，其中丙酸杆菌、葡萄球菌、棒状杆菌是最为丰富的三大属[21-22]。皮肤表面定植的微生物在维持皮肤微生态的平衡、自洁、构成角质层屏障结构的方面起着重要作用，当生态失衡时，他们又变成条件致病菌，导致疾病的发生。在体外和猪模型中，金黄色葡萄球菌被证明可以降低claudin-1、ZO-1(TJP-1)、ZO-2(TJP-2)、occludin和粘附连接蛋白E-cadherin等角质层连接蛋白的密度和表达，导致皮肤屏障等破坏[23]。研究报道，正常人金葡菌定植率为5%～30%，AD患者皮肤表面金葡菌定植超过90%[22]，其中70% 以上的葡萄球菌菌株产生外毒素，包括肠素 A(SEA)、肠素B(SEB)和中性休克综合征素-Ⅰ(TSST-Ⅰ)，这些外毒素可以作为超抗原，刺激朗格汉斯细胞和巨噬细胞等释放一系列炎症因子，导致皮肤屏障的破坏、加剧炎症反应。银屑病患者皮损区及鼻孔中也发现了金黄色葡萄球菌及产毒菌株增加。

5 结语

皮肤角质层保护人体免受外界伤害的第一道防线，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“砖—墙”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，希望随着对皮肤生理、解剖结构以及皮肤屏障功能与疾病发病机制的了解，我们能对皮肤屏障功能有更深入的认识。