第二章 第二节 皮肤屏障的结构与功能

第二节皮肤屏障的结构与功能人类的皮肤是最完美的屏障，经过长期的进化演变为一种具有良好的防渗透功能的保护性屏障，使得人类能够在各种气候和环境条件下生存。

人类皮肤是由表皮、真皮和皮下组织3层组成。

皮肤的最外层是表皮（图2-9），其主要功能是形成角质层，即角化的表皮层，是人体与外界环境之间的前线屏障。

角质层是由高度特化的无核角质细胞和填充在细胞间的脂类组成。

长期以来人们认为角质层无生物学活性，其实，它具有高度活性，对于保持人类功能屏障的稳态十分关键。

与瘙痒的启动密切相关，因此详细了解角质层的结构生理与功能很有必要。

【角质层的组织结构】角质层通常表现为一种具有网篮样外观的多层组织。

电镜下，角质层屏障是一种相当致密和组装精密的结构，由多层角质细胞组成。

角质细胞包括致密的角蛋白和富含兜甲蛋白的包膜，周围围绕着连续的细胞外基质。

“砖-砂浆模型”常用于描述角质层的双室系统，其中角质细胞是砖，脂质是砂浆。

角质细胞呈扁平、多面体形状，主要由中间丝网络构成。

中间丝是由角蛋白和丝聚合蛋白（filaggrin）组成。

角蛋白和丝聚合蛋白含量占角质层总蛋白含量的80%。

中间丝蛋白最初在颗粒层中表达，称丝聚合蛋白原（profilaggrin）后者为一种富含组蛋白和高度阳离子化的大分子磷酸化蛋白，具有37kDa的重复区段。

在终末分化的早期，丝聚合蛋白原被加工成蛋白的成熟形式即丝聚合蛋白，然后将角质层下部角质细胞中的角蛋白组装成高度有序和压缩的细丝结构。

这个区域经常称为致密层，角质细胞中的丝状网络相当密集，在将角质细胞坍缩成更为扁平和致密形状的过程中起着关键作用。

角质细胞的这种特征性形状有助于增强角质层的机械特性。

角质细胞包绕着一层蛋白外鞘，为角化的细胞包膜。

由高度交联的蛋白包括包膜斑蛋白（envoplakin）、周斑蛋白（periplakin）、外皮蛋白、兜甲蛋白和富含脯氨酸的小分子蛋白组成复杂网络。

角化包膜的主要蛋白是兜甲蛋白，约占细胞包膜蛋白的70%～85%，为一种分子量为38kDa的不溶性蛋白，富含丝氨酸和甘氨酸，起着结构强化蛋白的关键作用。

兜甲蛋白与角化包膜其他成分和角质细胞骨架之间的黏附被蛋白交联异肽键所加强，该键受一种特殊的酶即转谷氨酰胺酶的催化。

该酶包括3种亚型：转谷氨酰胺酶1型、3型和5型，参与角化包膜蛋白的交联，对于构建功能性角质层屏障必不可少。

由转谷氨酰胺酶I型的基因发生功能丧失性突变导致的皮肤疾病可以证实这一点，这些疾病的临床特征是出现非常干燥的片层鳞屑。

角化包膜的整个结构在遗传学上是以高度组装和可控制的方式有机地组合起来的。

参与这个过程的蛋白以短暂有序的方式依次表达，反映这些基因在染色体上成簇排列，称为分化复合体。

甚至转谷氨酰胺酶也似乎以短暂的方式起作用，转谷氨酰胺酶3型和5型轮流催化复合体中较早表达的蛋白之间的异肽键，而转谷氨酰胺酶1型将较晚表达的蛋白（如兜甲蛋白）与正在形成的包膜支架和角质细胞骨架中的角蛋白交联在一起。

角化包膜大体上分为两种类型：一种是脆性包膜，形状不规则，表面有皱褶，主要存在于角质层的下部；另一种是坚硬包膜，形状成多角形，表面平滑，其中80%存在于角质层上部。

具有坚硬包膜的角质细胞已经发育成熟。

坚硬/脆性角化包膜的比率可能因部位而异。

在光暴露部位，如面部和手背，脆性角化包膜在浅层占的比率较高。

这个发现提示外部环境因素，例如紫外线和湿度，可能影响角化包膜的成熟。

在表皮中，角质形成细胞之间通过称为桥粒的连接结构相互黏附。

在角质层中，角桥粒是相邻角质细胞之间的黏附桥梁。

角桥粒是大分子复合体，由几种糖蛋白组成，最主要的成分是桥粒芯糖蛋白（desmoglein）和桥粒芯胶黏蛋白（desmocollin），两者为钙黏素样大分子蛋白，横跨角质细胞之间富含脂类的分隔，通过蛋白聚合体斑球蛋白、桥斑蛋白和斑菲素蛋白（plakophilins）粘附于角蛋白丝。

整个复合体通过转谷氨酰胺酶催化交联而加强。

在组成上，角桥粒非常类似于表皮桥粒，但并非完全相同。

两者之间的区别是角桥粒含有另外一种蛋白——角膜锁链蛋白（corneodesmosin），该蛋白仅存在于角质层，是颗粒层上部的板层状小体进入细胞间隙分泌的，与桥粒蛋白复合体有关，后者可将桥粒转变为角化层同源物角桥粒。

角质层中角桥粒加强桥粒复合体的结构，避免发生蛋白降解。

事实上，角膜锁链蛋白本身受到蛋白水解作用的调控，是脱屑过程中非常重要也是关键的第一步。

角质层中角质细胞之间的细胞外间隙充满脂质，即所谓角质层模型中“砖之间的砂浆”。

这种脂质基质基本上是由神经酰胺、胆固醇、脂肪酸组成。

所有游离脂肪酸和与神经酰胺相连的脂肪酸均为非分支结构，这种特征利于构建连续有序紧密填充的脂质层。

脱磷脂是角化最终步骤的特征性环节。

与表皮的浆膜相比，由于脂质层中磷脂含量少或缺乏，因此，角质层脂质双层比其它生物膜流动性小，可渗透性相当低。

角质层脂质的前体是在颗粒层中合成或获取的，储存于称为板层状颗粒Odland小体的小囊泡中。

在表皮分化的终末阶段，板层状颗粒大约占颗粒层细胞质的10%，当与角质形成细胞的浆膜融合后将成堆的脂质板层释放至细胞外基质中。

然后脂质被特殊酶加工成为成熟形式，这种酶也是由板层状颗粒储存和分泌的。

磷脂是由酸性水解酶代谢，而糖基化神经酰胺是在β-葡萄糖脑苷脂酶的作用下转变为神经酰胺。

一旦被修饰后，这些脂质则按照有序的板层排列。

神经酰胺和胆固醇形成脂质层的板层，而游离脂肪酸在脂质以后的包装中起着重要作用。

整个结构通过角化上皮中唯一的脂类——乙酰糖基化神经酰胺结合在一起，并与相邻脂质层相连。

这种脂质含有非常长的长链必须脂肪酸——亚油酸。

链的长度利于这种特殊的脂质横跨脂质双层，通过亚油酸的尾部插入相邻层。

脂质以坚韧的凝胶或液晶态存在。

角质层的下层脂质主要以坚固的结晶态存在，以正交方式紧密填充，形成一个良好的屏障。

在角质层的上层，脂质转变为流动性更强的凝胶态，以六角形方式填充，形成较弱的屏障。

必须脂肪酸缺乏的皮肤屏障功能较弱，经表皮失水（transepidermal water loss，TEWL）增加。

脂质基质约占角质层体积20%，其合成在生理情况下连续进行。

细胞间脂质对于皮肤的角化过程和保持皮肤的湿度非常关键。

【角质形成细胞周期】角质细胞源于表皮基底层的角质形成细胞干细胞。

经过28天的迁移过程，新生的角质形成细胞经过几种形态和生理的变化逐移行至表面，成为角质细胞。

在生长周期的最初几天，角质形成细胞在基底层活跃分裂和快速增殖。

它们规则排列，通过桥粒与相邻细胞相连，并通过半桥粒与真表皮连接部即基底膜带黏附。

一定比例的角质形成细胞成为所谓移行-扩增细胞，开始分化，改变形状，向上移行至棘层。

棘层细胞组织学上表现为相邻角质形成细胞形成棘刺样结构。

角质形成细胞形成多面体形状，开始合成新的角蛋白K1和K10，两者是鉴定角质形成细胞的特征性依据。

角蛋白被组装成大的丝束，角质形成细胞通过角蛋白丝束粘附于桥粒。

随着细胞向上迁移，逐渐变大、变扁，形成新的细胞器即板层状颗粒，也叫Odland小体。

在颗粒层中，角质形成细胞进入分化的晚期阶段，然后到达表皮的最上层角质层。

当经历细胞死亡的凋亡过程包括细胞器和细胞核的破坏以及DNA的碎裂后，角质形成细胞的形态发生显著变化。

该层角质形成细胞的特征是出现透明角质颗粒，它主要由中间丝、丝聚合蛋白和兜甲蛋白组成，这些蛋白在角质层中的角质细胞及其包膜的构成上具有重要作用。

在颗粒层的角质形成细胞胞质中有许多膜结合型板层状颗粒，含有丰富的脂类、糖蛋白和糖脂，这些成分是角质层屏障结构组成的前体。

角质形成细胞进入表皮的最上层角质层，成为终末分化的角质细胞，呈扁平、多角形，与14天前从基底层开始移行的细胞相比，形态完全不同。

但要经过脱屑过程脱落下来还需要14天的时间。

在角质层中，角质细胞紧密排列，细胞外脂质成分填充其间，形成双室结构，起着重要的屏障作用，为皮肤提供机械保护，防止水分经皮肤过度丢失，并允许外界的可溶性物质渗入。

角质细胞从皮肤表面脱落是角质形成细胞周期中最后的步骤，大约发生在角质形成细胞从表皮的基底层首次迁移开始28天后。

在正常健康皮肤，由于每天将角质层的最外层脱落至周围环境中，因此这个过程是看不见的。

然而，如果脱屑过程受损，当呈现干燥皮肤时，角质细胞往往聚集成块，则产生肉眼可见的粗糙皮肤纹理。

角质细胞的脱落在特定水解酶的作用下协调进行，这种酶逐渐降解相邻细胞之间的桥粒交联。

在角质层的上部，硫酸胆固醇的水解导致脂质双层流动性更强，使得蛋白水解酶接近角桥粒。

角桥粒通过一组糖苷酶和丝氨酸/半胱氨酸/天冬氨酸蛋白酶的作用以一种短暂地方式渐进性降解。

目前认为，降解过程的第一步是通过外葡萄糖苷酶和内葡萄糖苷酶（类肝素酶）的各自作用将外源性葡聚糖从角桥粒蛋白除去，为蛋白酶协调作用开辟道路，主要是角质层糜蛋白酶和胰蛋白酶（也分别称之为激肽释放酶7和激肽释放酶5）降解角桥粒的关键成分——角膜锁链蛋白、桥粒芯胶黏蛋白和桥粒芯糖蛋白。

其它酶，例如组织蛋白酶L-2、D和E，均参与脱屑过程。

所有这些酶短暂的活性是受到相应的内源性蛋白酶抑制因子严格调控。

整个过程依赖于生理参数，例如pH和含水量，对于微小的脱屑非常关键。

【角质层的生理】参与角质层脱屑及其它关键过程的很多酶均是pH依赖性的。

在正常角质层，pH呈梯度分布，角质层的表层pH为4.5~5.0，而角质层下部的pH约为7.0，适宜于角质层糜蛋白酶和胰蛋白酶活性的最佳pH是7.0，而较为酸性的环境（pH=5）可以增强角质层半胱氨酸蛋白酶和组织蛋白酶的活性。

参与脂质层稳态的脂质加工酶也是pH依赖性的，脂质水解酶β-葡萄糖脑苷脂酶和酸性鞘磷脂酶拥有相同的最适宜pH，然而其他脂酶（如硫酸类固醇酶）适宜在更为中性的pH环境下发挥作用。

角质层pH也能影响脂质双层中脂类的排列。

在角质层表面酸性pH情况下，脂质双层的流动性更好。

在病理情况下，例如皮炎，角质层上部的pH增加至中性，pH梯度消失，继而引起关键水解酶异常变化，结果导致脱屑和脂质组装的破坏。

已知皮肤暴露于碱性pH的物质中屏障功能受损。

这个事实充分表明角质层中pH梯度的重要性，因而对于皮肤表面呈中性pH的皮肤疾患，应用酸性制剂治疗可能是有帮助的，所以pH对于角质层的完整性和粘附性非常关键。

此外，pH在角质层抗微生物防御中也起着关键作用。

正常菌群例如短小棒状杆菌在酸性pH时生长最为旺盛，而致病菌株例如金黄色葡萄球菌适宜于较为中性的pH中生长。

因此，在角质层的上部维持酸性的环境对于减少致病菌感染十分重要。

患儿皮肤角质层上部的pH是中性的，因此感染发生率增加，特别是在出生后的前3个月和患有遗传过敏性皮肤疾患时。

尽管已经明确，角质层存在pH梯度，但是pH梯度的产生和维持的分子基础却不太清楚。