钙离子对表皮屏障功能的调节

 Regulation of epidermal barrier functions by calcium 135 综述 昊艳1，陈璨1，Peter M Elias2，茼茂强2 WU Yan，CHEN Can，Peter M Elias，MAN Mao-qiang (1．北京大学第一医院皮肤科，北京100034；2．Department of Dermatology，University of California,San Fmncisco，California 94121，USA) 

【摘要】在正常的表皮内存在着钙离子浓度梯度，自基底细胞层到颗粒层，细胞内、外钙离子浓度由低到高；而角质层中钙离 子浓度较低。这种钙离子浓度梯度对于表皮的增生、分化、细胞间连接及屏障功能起着重要的作用。细胞外低浓度钙促进角质 形成细胞增生；高浓度钙促进角质形成细胞分化、细胞间黏附。完整的表皮屏障功能是保证表皮钙离子浓度梯度的前提．当屏 障功能被破坏后，颗粒层细胞内、外的钙离子浓度降低有促进屏障功能恢复的作用。随着屏障功能恢复，表皮钙离子浓度梯度 也恢复正常。许多与屏障功能相关的炎症性皮肤病和与表皮松解相关的皮肤病往往伴有表皮钙离子浓度梯度的异常。 

【关键词】钙离子；表皮屏障功能；分化；增生 

 与其他离子一样，钙离子对细胞(包括角质形成细胞，KC) 的功能具有重要的调节作用。它不仅与内分泌、骨骼的形成及 递质的传递等有关．与KC的增生、分化以及表皮的屏障功能等 也密切相关。同时，表皮的功能对表皮钙的代谢也具有调节作 用。本文将侧重表皮屏障功能与表皮钙代谢之间的相互影响作 一简述。 1钙离子在表皮的分布及钙离子浓度梯度的形成 钙离子在KC内以2种形式存在：细胞器结合的钙及胞质 内游离的钙。在基底层细胞中钙离子主要位于线粒体、内质网 及高尔基体、胞核及胞质中；在棘细胞层，则主要见于线粒体； 在颗粒层，则见于线粒体和板层小体中；角质层中有极少的钙 离子【J1。 超微结构的研究显示，在正常的表皮内存在严格的钙离子 浓度梯度。自基底细胞层到颗粒层。细胞内、外钙离子浓度由低 到高；而角质层中钙离子浓度较低。这种钙离子浓度梯度的形 成是个被动过程．真皮水分和电解质在透过基膜后向上运动。 在到达颗粒层和角质层交界的部位，水分可以以蒸发的形式透 过角质层排出。但钙离子被动地留在了该部位。导致该部位钙 离子浓度升高脚。 正常KC细胞内、外钙离子浓度可以相互影响。当细胞外钙 离子升高后，细胞内钙离子也会随之升高。首先细胞外高钙离 子浓度活化钙离子受体。使内质网和高尔基体内的钙离子释 放，这是快速相反应。随着细胞内钙离子储存被耗竭，细胞内钙 离子升高缓慢相开始启动，通过活化贮存控制型通道开放胞质 膜上的钙通道促进钙离子内流。与此同时，钙结合蛋白、胞质膜 上的钙泵(ca“一ATPases)和ca“Na+泵，以及内质网和高尔基体共 同作用，维持细胞内钙离子浓度稳定131。 在表皮基底层，细胞内低钙浓度促进KC增生；而在颗粒层最上层，细胞外钙离子浓度非常高，大量钙离子进入细胞内，激 发KC终末分化，促进板层小体分泌；在颗粒层转变为角质层之 前，随着细胞膜结构被角质细胞包壳代替，细胞内钙离子又被 释放到细胞间，维持颗粒层细胞外高钙离子浓度。 2钙离子对表皮功能的调节 2．1钙离子对KC分化的影响 从超微结构观察发现，细胞的分化程度与钙离子的浓度有 关。在未分化的细胞．胞质内游离钙分布均匀．其浓度为80～ 120 nmol／L；细胞外钙离子浓度对细胞内钙离子浓度的影响极 为明显；然而在分化的细胞，其胞质内游离钙的浓度则为200— 300 nmol／L；细胞外钙离子浓度对细胞内钙离子浓度的影响则 不甚明显tal。 Yuspa等f41通过对KC培养发现．细胞外低浓度钙促进KC 增生；高浓度钙促进KC分化和分层．并促进谷氨酰胺转移酶表 达、角质细胞包壳形成．以及细胞分化指标如角蛋白l、角蛋白 10和丝聚蛋白的表达。钙离子螯合剂能阻止由钙离子所诱导的 KC分化。 当屏障功能破坏后，表皮细胞内(外)的钙离子浓度下降， 活化细胞表面的钙离子受体．通过磷酸酯酶A的作用降低二酰 甘油，活化钙通道．降低细胞内钙水平。促进细胞增生．抑制分化 标志物的表达．通过表皮增生来代偿屏障功能破坏的影响煳。 体外实验也证明，离体皮肤在屏障功能破坏后如果培养基 中没有足够的钙离子。导致钙离子浓度及浓度梯度无法恢复正 常。从而延缓屏障功能恢复，促进细胞增生，抑制分化标志物的 表达161。 2．2钙离子对表皮细胞间连接的影响 连接蛋白如上皮细胞钙黏蛋白和细胞骨架肌动蛋白是构 成细胞间连接的两个重要结构。当细胞外钙离子浓度升高．在 钙离子受体介导下，发生一系列细胞内钙离子及钙离子储存的 变化．导致肌动蛋白迅速发生重组，形成的丝状伪足与相邻细 胞的丝状伪足形成拉链样结构，在此骨架基础上形成细胞间粘 着连接。细胞外高钙离子浓度还可以诱导钙黏蛋白迅速聚集在细胞间粘着连接的部位。随着细胞内钙离子浓度也升高，会促 进细胞分化。增强桥粒组分(桥斑蛋白、桥斑珠蛋白、斑菲素蛋 白)的表达，后者与角蛋白中间丝网络粘连，形成桥粒。因此，钙 离子浓度对于细胞问黏附非常重要。临床上表现为表皮松解和 水疱的疾病，如毛囊角化病和家族性良性天疱疮，其机制是由 于钙泵基因突变导致细胞内钙离子运动异常，从而影响细胞外 钙离子浓度升高对于细胞间连接的作用171。 2．3钙离子对表皮屏障功能的影响 在胚胎发育时．表皮内钙离子浓度梯度与皮肤屏障功能同 时出现，说明钙离子浓度对于屏障功能的形成具有调控作用。 颗粒层钙离子浓度降低可以促进板层小体的形成及分泌。当急 性皮肤屏障功能受到破坏后。如果外源性增加皮肤表面钙离子 浓度．会抑制原本因钙离子浓度降低引起的板层小体分泌，从 而延缓表皮屏障功能的恢复[Sl。 近来研究发现，单纯通过改变表皮钙离子浓度和浓度梯 度也可影响皮肤的屏障功能。Denda和Kumazawal9J在皮肤表面 施加负电荷会让表皮上部的镁和钙的浓度升高，增加钙离子 的浓度梯度．从而增强表皮屏障功能。皮肤离子超声透入阴性 离子可以增加角质层钙离子；而阳性离子可以增加基底细胞 层钙离子。皮肤离子超声透入水和蔗糖溶液会使钙离子聚集 到表皮下层的细胞间；而含有钙和(或)钾离子的溶液会增加 表皮有核细胞层细胞内钙离子浓度。从而在一定程度抵消 了细胞外钙离子浓度梯度的作用。虽然皮肤离子超声透入本 身对于皮肤屏障没有影响．但不含钙的水和蔗糖透入会促进 板层小体的释放和形成：反之阳性离子如钙和钾透入会抑制 板层小体的释放和形成。 研究还发现，自来水中高浓度的钙离子。会增加与表面活 性剂相关的接触性皮炎发生IiOI。因为高钙环境会延缓皮肤屏障 功能受损后的修复．因而容易出现后续的炎症反应和表皮增 生等。 2．4表皮屏障功能对表皮钙离子分布的调节 表皮屏障功能是表皮钙离子浓度呈梯度分布的重要调节 因素。表皮屏障功能被破坏后，由于水分丢失，表皮细胞外钙离 子．尤其是颗粒层钙离子浓度迅速下降；通过活化蛋白激酶C (PKC)细胞通路，激活P2X钙通道，导致细胞内钙离子流出，细 胞内、外钙离子均减少，钙离子浓度梯度消失15-61。而慢性屏障功 能破坏时．i磷酸腺苷(ATP)分泌增加，通过活化钙离子通道 P2X．导致基膜下方的细胞外钙离子内流，因此，表现为基底层 KC中钙离子浓度升高。钙离子浓度梯度消失121。 当颗粒层细胞内／夕h的钙离子浓度下降时，板层小体合成及 分泌的脂质均增加，从而有助于皮肤屏障功能及钙离子浓度梯 度的恢复。屏障功能破坏6 h后，表皮钙离子开始增多；24h后， 随着皮肤屏障功能的恢复．钙离子的浓度也逐渐恢复正常I“I。 如果在急性屏障功能破坏后人为封包，由于水分无法蒸 发，细胞外钙离子浓度梯度无法建立；同时大量真皮钙离子进 入表皮，导致颗粒层内钙离子浓度升高抑制原本钙离子浓度降 低引起的板层小体分泌．从而屏障功能和钙离子浓度梯度恢复 均减慢。在慢性屏障功能破坏时。其钙离子浓度梯度破坏表现 为基底层细胞内的钙离子浓度过高，如果此时采用人为封包， 反而会促进钙离子浓度梯度的形成。 3钙离子与表皮屏障功能相关的皮肤病 3．1钙离子与银屑病 研究发现．银屑病患者皮损部位表皮中钙离子浓度普遍升 高．尤其是细胞内钙离子浓度升高，分布在细胞核周围，可能和 包壳蛋白(involucrin)过早表达，及钙调蛋白(ealmodulin)含量增 加有关．角质层中也有大量钙离子：正常的细胞外钙离子浓度 梯度消失，且细胞外钙离子浓度对于细胞内钙离子浓度的影响 作用下降。银屑病皮损基底层细胞的细胞外钙离子浓度低，细 胞间连接作用下降。导致细胞间接触抑制作用减弱，从而刺激 表皮过度增生1121。 3．2钙离子与特应性皮炎(AD) AD患者皮肤屏障功能受损的同时有表皮钙离子分布异 常．表皮中钙离子浓度普遍降低，正常的细胞外钙离子浓度梯 度消失。一些常见的过敏原如蟑螂和尘螨町以通过活化蛋白酶 活化受体(PAR)一2通路导致细胞内钙离子振荡，进一步破坏屏 障并延缓屏障功能恢复．这可能是致病因素之一睁…。 3．3钙离子与尿毒症性皮肤瘙痒(uraemic pruritus) 有实验证明。尿毒症患者出现皮肤瘙痒和血浆中钙离子浓 度有关，但瘙痒的程度往往和钙离子浓度没有直接关系。Mo— ITIO$e等I恬I发现．在尿毒症患者中伴有瘙痒症状的患者相对于无 瘙痒症状者．其表皮下部基底层、棘细胞层中细胞内、外的钙离 子浓度增加．正常的钙离子浓度梯度被破坏，这可能与尿毒症 患者出现瘙痒症状有一定关系。 3．4钙离子和x连锁隐性遗传鱼鳞病 在x连锁隐性遗传鱼鳞病皮损中颗粒层细胞质中和角质 层细胞间有大量钙离子，导致角桥粒数量增加，同时钙离子导 致相邻脂质层中的硫酸胆同醇交联．并且在角桥粒之间形成钙 离子桥，增加了细胞问连接的稳定性。而硫酸胆同醇本身也有 抑制丝氨酸蛋白酶活性，抑制角桥粒降解的作用：二者协同作 用导致X连锁隐性遗传鱼鳞病患者出现异常脱屑1161。 综卜所述，细胞内、外钙离子浓度和细胞外钙离子浓度梯 度对于表皮的增生、分化、细胞问连接及屏障功能的形成均有 至关重要的作用。而钙离子浓度脓度梯度与屏障功能的关系是 相辅相成、互为因果的。完整的表皮屏障功能是保证表皮钙离 子浓度／浓度梯度的前提；屏障破坏后，表皮钙离子浓度降低可 以作为一种信号通路促进屏障功能恢复。许多屏障功能相关的 炎症性皮肤病同时伴有表皮钙离子浓度脓度梯度的异常，由于 钙离子浓度异常升高或降低，破坏了正常的钙离子浓度，可能 会影响表皮屏障功能恢复。从而引发后续的炎症反应及表皮增 生反应，导致疾病的发生。