第一章　皮膚結(jié)構(gòu)與功能新認(rèn)識(shí)

第一節(jié)　皮膚結(jié)構(gòu)與功能的衰老

目前，全球人口老齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重。按照聯(lián)合國(guó)的定義，老齡化指一個(gè)地區(qū)或國(guó)家的人口中有10%以上的人口年齡大于60歲。至2020年11月中國(guó)60歲及以上人口為26 402萬(wàn)人，占總?cè)丝诘?8.7%，國(guó)內(nèi)部分地區(qū)情況更加嚴(yán)峻，如北京市，老齡人口占比已經(jīng)超過(guò)20%，遠(yuǎn)超老齡化社會(huì)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。隨著老齡人口的增加，老年大面積燒傷患者近年來(lái)也明顯增多。隨年齡增長(zhǎng)，機(jī)體各種組織和器官的結(jié)構(gòu)和功能逐步出現(xiàn)衰老特征，皮膚結(jié)構(gòu)與功能也不可避免地發(fā)生衰老，損傷修復(fù)能力明顯下降。深入了解老年人皮膚結(jié)構(gòu)與功能的衰老特征與機(jī)制，探索有效的干預(yù)措施，提高損傷修復(fù)能力，對(duì)老年燒傷患者的救治有重要意義。

老年人皮膚的衰老特征非常直觀，如干燥、粗糙、色素沉著、感覺(jué)遲鈍及創(chuàng)面愈合延遲等，出現(xiàn)這些特征的原因是皮膚結(jié)構(gòu)和功能的變化。筆者研究團(tuán)隊(duì)從病理結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、代謝組學(xué)等方面探討了不同年齡皮膚的差異。

一、皮膚衰老的病理學(xué)特征

病理學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，伴隨衰老，皮膚結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出以下特征：①年輕大鼠背部皮膚的細(xì)胞結(jié)構(gòu)正常，排列有序，其全層皮膚厚度從幼年到中年隨年齡增長(zhǎng)逐漸增厚，中年以后又逐漸降低，且出現(xiàn)細(xì)胞形態(tài)的畸形與核結(jié)構(gòu)的退化。表皮層厚度也呈現(xiàn)年齡相關(guān)性變薄的趨勢(shì)，老年皮膚中表皮總厚度平均減少約20%，最大可達(dá)80%（表1-1）。②在表皮內(nèi)，表皮干細(xì)胞、黑色素細(xì)胞、朗格漢斯細(xì)胞等減少。真皮內(nèi)，成纖維細(xì)胞的數(shù)量減少，膠原纖維束的數(shù)量和直徑隨年齡增長(zhǎng)而減少，Ⅰ型膠原蛋白與Ⅲ型膠原蛋白的比例增加。皮下組織內(nèi)脂肪組織減少。同時(shí)，毛囊、皮脂腺等皮膚附屬器的數(shù)量隨年齡增長(zhǎng)而逐漸減少。③表皮乳頭回縮，基底層細(xì)胞絨毛減少，表皮-真皮交界處變平坦，同時(shí)表皮-真皮交界處的Ⅳ型膠原蛋白、Ⅶ型膠原蛋白、ⅩⅦ型膠原蛋白、整合素β4、層粘連蛋白332表達(dá)減少，表皮-真皮連接變脆弱，表皮抗剪切力的能力降低。④傳入神經(jīng)末梢分布減少，可導(dǎo)致衰老皮膚對(duì)外界刺激的感應(yīng)閾值升高，響應(yīng)能力降低。⑤皮膚內(nèi)線粒體等細(xì)胞器存在年齡相關(guān)性變化：年輕鼠表皮基底部細(xì)胞的線粒體維持正常的雙層膜結(jié)構(gòu)和形態(tài)，而老年鼠表皮基底部細(xì)胞的線粒體則表現(xiàn)為變圓、嵴減少或消失（圖1-1）。

二、皮膚衰老的轉(zhuǎn)錄組學(xué)特征

轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，皮膚隨年齡發(fā)生顯著差異表達(dá)的基因達(dá)2 009個(gè)，基因本體論（gene ontology，GO）富集分析顯示，差異表達(dá)基因主要富集在蛋白質(zhì)結(jié)合、細(xì)胞對(duì)因子刺激的反應(yīng)、信號(hào)調(diào)節(jié)、細(xì)胞間通信調(diào)節(jié)、組織發(fā)育、細(xì)胞黏附等方面（圖1-2，圖1-3）。同時(shí)，富集差異表達(dá)基因相關(guān)通路發(fā)現(xiàn)，炎癥反應(yīng)、凋亡、氧化應(yīng)激反應(yīng)、DNA損傷反應(yīng)等通路表達(dá)增強(qiáng)，對(duì)生長(zhǎng)因子的反應(yīng)、干性維持、細(xì)胞增殖、DNA修復(fù)反應(yīng)等通路的表達(dá)下降（圖1-4，圖1-5）。篩選并驗(yàn)證表皮干細(xì)胞相關(guān)關(guān)鍵差異表達(dá)基因發(fā)現(xiàn)，表皮生長(zhǎng)因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）和磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/Akt）/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路活性隨年齡增長(zhǎng)而降低；炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α表達(dá)隨年齡增長(zhǎng)而增多，且主要分布在表皮中；凋亡細(xì)胞隨年齡增長(zhǎng)逐漸增多（圖1-6，圖1-7）。

三、皮膚衰老的代謝組學(xué)特征

非靶向代謝組學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，皮膚中隨衰老發(fā)生變化的代謝物達(dá)1 127個(gè)，主要為氧化應(yīng)激產(chǎn)物、不飽和醛類(lèi)和脂類(lèi)的年齡相關(guān)性增加，差異代謝產(chǎn)物富集于能量代謝、氨基酸與脂質(zhì)代謝、膜轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞生長(zhǎng)與死亡等通路與功能。丙烯醛是一種高活性的脂質(zhì)過(guò)氧化的不飽和醛產(chǎn)物，能夠破壞氧化還原平衡，誘發(fā)細(xì)胞的氧化損傷，促進(jìn)炎癥發(fā)生。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，鼠皮膚中丙烯醛水平隨年齡增長(zhǎng)而逐漸增多，在表皮和真皮中均有分布，且主要分布在真皮淺層。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，丙烯醛可引發(fā)表皮干細(xì)胞的凋亡，并誘發(fā)線粒體碎片化。使用肼屈嗪清除老年皮膚中隨年齡增多的丙烯醛后，皮膚中凋亡細(xì)胞比例降低（圖1-8）。

四、老年皮膚的表皮干細(xì)胞特征

表皮干細(xì)胞是一類(lèi)具有多向分化能力的慢周期細(xì)胞。靜息狀態(tài)下，表皮干細(xì)胞可經(jīng)由不對(duì)稱(chēng)分裂在維持自身數(shù)量的同時(shí)增殖分化形成表皮的全層，表皮干細(xì)胞的增殖分化與外層細(xì)胞的不斷脫落始終保持動(dòng)態(tài)平衡，維持著表皮的正常分層與厚度。隨著年齡增加，活性氧與DNA損傷不斷積累，損傷修復(fù)反應(yīng)不斷減弱，衰老的表皮干細(xì)胞表現(xiàn)出分裂增殖能力減弱，分化功能紊亂，凋亡增強(qiáng)，細(xì)胞異型性增加，細(xì)胞極性降低，并伴有色素沉積等。

（一）表皮干細(xì)胞分裂、增殖能力的年齡相關(guān)性變化

不對(duì)稱(chēng)分裂可在保持干細(xì)胞數(shù)量和功能的同時(shí)，產(chǎn)生新的功能不同的子代細(xì)胞，這對(duì)于表皮干細(xì)胞數(shù)量與表皮穩(wěn)態(tài)的維持至關(guān)重要。生長(zhǎng)因子類(lèi)信號(hào)通路下游的PI3K-Akt信號(hào)通路可通過(guò)作用于磷酸肌醇依賴(lài)性激酶1誘發(fā)和維持表皮干細(xì)胞的不對(duì)稱(chēng)分裂。不對(duì)稱(chēng)分裂的衰退會(huì)導(dǎo)致表皮干細(xì)胞無(wú)法繼續(xù)保持正常的干性、功能與生態(tài)位，導(dǎo)致表皮結(jié)構(gòu)的逐漸衰退。有研究表明，細(xì)胞半橋粒蛋白COL17A1在表皮基底層隨年齡增長(zhǎng)而表達(dá)減少，也會(huì)導(dǎo)致表皮干細(xì)胞無(wú)法繼續(xù)停留在基底膜上，隨年齡增長(zhǎng)和細(xì)胞逐漸分裂的過(guò)程，逐漸步入表皮上層分層中，并最終變?yōu)榻琴|(zhì)層脫落。

表皮干細(xì)胞的增殖能力對(duì)于表皮厚度和正常結(jié)構(gòu)的維持也至關(guān)重要。表皮生長(zhǎng)因子（epidermal growth factor，EGF）/EGFR信號(hào)通路是調(diào)控表皮干細(xì)胞增殖的重要通路。EGF是由53個(gè)氨基酸組成的活性多肽，EGFR是一種主要分布在表皮干細(xì)胞膜上的酪氨酸激酶型受體，在表皮內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和毛發(fā)生長(zhǎng)中起重要作用。自分泌、旁分泌或內(nèi)分泌途徑產(chǎn)生的EGF與EGFR結(jié)合后可誘導(dǎo)EGFR形成二聚體，進(jìn)而引發(fā)自身和下游信號(hào)通路的級(jí)聯(lián)磷酸化，促進(jìn)下游的轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)入細(xì)胞核影響基因轉(zhuǎn)錄與蛋白合成，從而促進(jìn)表皮干細(xì)胞的增殖。EGF/EGFR下游信號(hào)通路主要有：Ras/Raf/MEK/ERK/MAPK通路、PI3K/Akt/mTOR通路、PLC-γ/PKC通路、JAK2/STAT3通路等，還可直接或間接激活Wnt典型和非典型通路及NF-κB信號(hào)通路，各通路間相互作用、彼此影響。筆者團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，隨年齡增長(zhǎng)表皮內(nèi)EGFR表達(dá)下降。不同年齡大鼠應(yīng)用EGF治療后的療效不一致：EGF可有效促進(jìn)年輕大鼠背部皮膚全層缺損創(chuàng)面的愈合，但對(duì)老年大鼠創(chuàng)面的療效不明顯（表1-2）。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，給予老年大鼠小分子藥物Tideglusib（糖原合成酶-3β抑制劑）治療后，表皮層EGFR表達(dá)可部分恢復(fù)，聯(lián)合使用Tideglusib和EGF可進(jìn)一步促進(jìn)老年大鼠創(chuàng)面的愈合（表1-3）。這提示，EGF/EGFR信號(hào)通路在表皮干細(xì)胞內(nèi)的年齡相關(guān)性變化是老年創(chuàng)面再上皮化延遲的原因之一，也是一個(gè)潛在的治療靶點(diǎn)。

（二）表皮干細(xì)胞分化能力的年齡相關(guān)性變化

表皮干細(xì)胞分裂后通過(guò)持續(xù)不斷的分化向上產(chǎn)生角質(zhì)形成細(xì)胞，不斷堆積的角質(zhì)形成細(xì)胞依次構(gòu)成顆粒層、棘細(xì)胞層，并最終失去細(xì)胞核形成角質(zhì)細(xì)胞構(gòu)成角質(zhì)層，發(fā)揮屏障功能后逐漸脫落。表皮干細(xì)胞的正常分化對(duì)于維持表皮的屏障功能至關(guān)重要。老年鼠的表皮干細(xì)胞表現(xiàn)出分化能力的衰退，這可能與其表皮分層的紊亂相關(guān)。同時(shí)，表皮干細(xì)胞的正常分化對(duì)于創(chuàng)面的再上皮化和創(chuàng)面愈合完成后正常上皮結(jié)構(gòu)的重塑也至關(guān)重要。表皮干細(xì)胞向角質(zhì)細(xì)胞分化的過(guò)程受多條信號(hào)通路的調(diào)控，如EGF/EGFR信號(hào)通路、Wnt典型和非典型信號(hào)通路及TGF-β1、TNF-α信號(hào)通路等。尋找表皮干細(xì)胞分化能力相關(guān)基因的年齡相關(guān)性變化，對(duì)于解決老年創(chuàng)面再上皮化延遲、愈合質(zhì)量差的問(wèn)題或有一定幫助。

（三）表皮干細(xì)胞凋亡水平的年齡相關(guān)性變化

細(xì)胞凋亡是機(jī)體的一種自我保護(hù)機(jī)制，用以清除衰老等狀態(tài)不佳的細(xì)胞，避免細(xì)胞壞死后細(xì)胞內(nèi)容物逸出引發(fā)炎癥反應(yīng)損傷周?chē)＜?xì)胞和組織。伴隨著衰老，因表皮內(nèi)環(huán)境紊亂、氧化應(yīng)激反應(yīng)增強(qiáng)、DNA損傷累積等，表皮內(nèi)凋亡細(xì)胞增多。光老化的主要誘因——紫外線，會(huì)通過(guò)損傷DNA、增加炎癥因子和基質(zhì)金屬蛋白酶等的表達(dá)誘發(fā)表皮干細(xì)胞的凋亡。PI3K/Akt/mTOR和Ras/Raf/MEK/ERK通路參與到表皮干細(xì)胞的抗凋亡活動(dòng)中，在被紫外線照射的早期便開(kāi)始持續(xù)激活。筆者團(tuán)隊(duì)研究證實(shí)，隨年齡增長(zhǎng)，表皮內(nèi)炎癥因子如IL-1β、IL-6、TNF-α等表達(dá)增多，且凋亡細(xì)胞增多。過(guò)強(qiáng)的凋亡反應(yīng)可破壞表皮的正常更新與穩(wěn)態(tài)維持。調(diào)控表皮干細(xì)胞凋亡的信號(hào)通路十分復(fù)雜，主要有Wnt/β-catenin通路、MAPK通路、JAK2/STAT3通路、PI3K-Akt通路、NF-κB通路及Notch通路等。活性氧類(lèi)物質(zhì)隨年齡增長(zhǎng)而出現(xiàn)的過(guò)量堆積可直接損害表皮干細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。探究表皮干細(xì)胞凋亡相關(guān)基因和通路的年齡相關(guān)性變化，并尋找可清除表皮干細(xì)胞內(nèi)隨年齡增多的氧化應(yīng)激產(chǎn)物或促進(jìn)DNA修復(fù)的藥物，將有助于部分緩解衰老表皮中增強(qiáng)的凋亡反應(yīng)。

（四）表皮干細(xì)胞損傷修復(fù)能力的年齡相關(guān)性變化

在受到物理、電、化學(xué)、火焰損傷后，皮膚出現(xiàn)缺損或局部失去活力，此時(shí)便啟動(dòng)創(chuàng)面修復(fù)過(guò)程。創(chuàng)面修復(fù)是一個(gè)高度復(fù)雜的過(guò)程，主要經(jīng)過(guò)炎癥反應(yīng)期、肉芽形成及組織增生期、傷口收縮及瘢痕形成期等，這3個(gè)階段并不是獨(dú)立存在的，而是互相有所重疊的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。創(chuàng)面愈合能力隨年齡增長(zhǎng)而逐漸下降，且易受老年人常見(jiàn)的糖尿病、感染、心腦血管疾病、營(yíng)養(yǎng)不足、內(nèi)分泌疾病等的影響。相較于年輕創(chuàng)面，老年創(chuàng)面細(xì)胞增殖、遷移變慢，炎癥反應(yīng)紊亂，上皮化延遲。筆者團(tuán)隊(duì)研究證實(shí)，老年大鼠創(chuàng)面修復(fù)減慢，新生上皮質(zhì)量較差。有研究表明，高通量轉(zhuǎn)錄組測(cè)序發(fā)現(xiàn)老年表皮干細(xì)胞的損傷響應(yīng)能力降低：年輕表皮干細(xì)胞在創(chuàng)傷后有1 679個(gè)基因表達(dá)下調(diào)，500個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，而老年表皮干細(xì)胞在創(chuàng)傷后僅有328個(gè)基因表達(dá)下調(diào)，236個(gè)基因表達(dá)上調(diào)。此外，有研究表明，老年患者燒傷創(chuàng)面EGF的分泌較年輕患者減少。表皮干細(xì)胞對(duì)損傷響應(yīng)能力的年齡相關(guān)性下降是老年創(chuàng)面無(wú)法有效啟動(dòng)損傷修復(fù)反應(yīng)從而導(dǎo)致再上皮化延遲的原因之一。

老年創(chuàng)面再上皮化延遲的機(jī)制復(fù)雜，與衰老導(dǎo)致的機(jī)體功能下降、內(nèi)環(huán)境紊亂、伴發(fā)病癥多樣等有關(guān)，而其本質(zhì)則是表皮內(nèi)表皮干細(xì)胞的數(shù)量減少和功能失調(diào)。尋找能增加表皮干細(xì)胞數(shù)量、改善表皮干細(xì)胞狀態(tài)的藥物，將有助于促進(jìn)老年創(chuàng)面的再上皮化。