第一章　皮膚結構與功能新認識

第一節　皮膚結構與功能的衰老

目前，全球人口老齡化現象日益嚴重。按照聯合國的定義，老齡化指一個地區或國家的人口中有10%以上的人口年齡大于60歲。至2020年11月中國60歲及以上人口為26 402萬人，占總人口的18.7%，國內部分地區情況更加嚴峻，如北京市，老齡人口占比已經超過20%，遠超老齡化社會的國際標準。隨著老齡人口的增加，老年大面積燒傷患者近年來也明顯增多。隨年齡增長，機體各種組織和器官的結構和功能逐步出現衰老特征，皮膚結構與功能也不可避免地發生衰老，損傷修復能力明顯下降。深入了解老年人皮膚結構與功能的衰老特征與機制，探索有效的干預措施，提高損傷修復能力，對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、感覺遲鈍及創面愈合延遲等，出現這些特征的原因是皮膚結構和功能的變化。筆者研究團隊從病理結構、轉錄組測序、代謝組學等方面探討了不同年齡皮膚的差異。

一、皮膚衰老的病理學特征

病理學檢測發現，伴隨衰老，皮膚結構表現出以下特征：①年輕大鼠背部皮膚的細胞結構正常，排列有序，其全層皮膚厚度從幼年到中年隨年齡增長逐漸增厚，中年以后又逐漸降低，且出現細胞形態的畸形與核結構的退化。表皮層厚度也呈現年齡相關性變薄的趨勢，老年皮膚中表皮總厚度平均減少約20%，最大可達80%（表1-1）。②在表皮內，表皮干細胞、黑色素細胞、朗格漢斯細胞等減少。真皮內，成纖維細胞的數量減少，膠原纖維束的數量和直徑隨年齡增長而減少，Ⅰ型膠原蛋白與Ⅲ型膠原蛋白的比例增加。皮下組織內脂肪組織減少。同時，毛囊、皮脂腺等皮膚附屬器的數量隨年齡增長而逐漸減少。③表皮乳頭回縮，基底層細胞絨毛減少，表皮-真皮交界處變平坦，同時表皮-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傳入神經末梢分布減少，可導致衰老皮膚對外界刺激的感應閾值升高，響應能力降低。⑤皮膚內線粒體等細胞器存在年齡相關性變化：年輕鼠表皮基底部細胞的線粒體維持正常的雙層膜結構和形態，而老年鼠表皮基底部細胞的線粒體則表現為變圓、嵴減少或消失（圖1-1）。

二、皮膚衰老的轉錄組學特征

轉錄組測序發現，皮膚隨年齡發生顯著差異表達的基因達2 009個，基因本體論（gene ontology，GO）富集分析顯示，差異表達基因主要富集在蛋白質結合、細胞對因子刺激的反應、信號調節、細胞間通信調節、組織發育、細胞黏附等方面（圖1-2，圖1-3）。同時，富集差異表達基因相關通路發現，炎癥反應、凋亡、氧化應激反應、DNA損傷反應等通路表達增強，對生長因子的反應、干性維持、細胞增殖、DNA修復反應等通路的表達下降（圖1-4，圖1-5）。篩選并驗證表皮干細胞相關關鍵差異表達基因發現，表皮生長因子受體（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）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路活性隨年齡增長而降低；炎癥因子IL-1β、IL-6、TNF-α表達隨年齡增長而增多，且主要分布在表皮中；凋亡細胞隨年齡增長逐漸增多（圖1-6，圖1-7）。

三、皮膚衰老的代謝組學特征

非靶向代謝組學檢測發現，皮膚中隨衰老發生變化的代謝物達1 127個，主要為氧化應激產物、不飽和醛類和脂類的年齡相關性增加，差異代謝產物富集于能量代謝、氨基酸與脂質代謝、膜轉運、信號轉導、細胞生長與死亡等通路與功能。丙烯醛是一種高活性的脂質過氧化的不飽和醛產物，能夠破壞氧化還原平衡，誘發細胞的氧化損傷，促進炎癥發生。經研究發現，鼠皮膚中丙烯醛水平隨年齡增長而逐漸增多，在表皮和真皮中均有分布，且主要分布在真皮淺層。體外實驗證實，丙烯醛可引發表皮干細胞的凋亡，并誘發線粒體碎片化。使用肼屈嗪清除老年皮膚中隨年齡增多的丙烯醛后，皮膚中凋亡細胞比例降低（圖1-8）。

四、老年皮膚的表皮干細胞特征

表皮干細胞是一類具有多向分化能力的慢周期細胞。靜息狀態下，表皮干細胞可經由不對稱分裂在維持自身數量的同時增殖分化形成表皮的全層，表皮干細胞的增殖分化與外層細胞的不斷脫落始終保持動態平衡，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，損傷修復反應不斷減弱，衰老的表皮干細胞表現出分裂增殖能力減弱，分化功能紊亂，凋亡增強，細胞異型性增加，細胞極性降低，并伴有色素沉積等。

（一）表皮干細胞分裂、增殖能力的年齡相關性變化

不對稱分裂可在保持干細胞數量和功能的同時，產生新的功能不同的子代細胞，這對于表皮干細胞數量與表皮穩態的維持至關重要。生長因子類信號通路下游的PI3K-Akt信號通路可通過作用于磷酸肌醇依賴性激酶1誘發和維持表皮干細胞的不對稱分裂。不對稱分裂的衰退會導致表皮干細胞無法繼續保持正常的干性、功能與生態位，導致表皮結構的逐漸衰退。有研究表明，細胞半橋粒蛋白COL17A1在表皮基底層隨年齡增長而表達減少，也會導致表皮干細胞無法繼續停留在基底膜上，隨年齡增長和細胞逐漸分裂的過程，逐漸步入表皮上層分層中，并最終變為角質層脫落。

表皮干細胞的增殖能力對于表皮厚度和正常結構的維持也至關重要。表皮生長因子（epidermal growth factor，EGF）/EGFR信號通路是調控表皮干細胞增殖的重要通路。EGF是由53個氨基酸組成的活性多肽，EGFR是一種主要分布在表皮干細胞膜上的酪氨酸激酶型受體，在表皮內環境穩定和毛發生長中起重要作用。自分泌、旁分泌或內分泌途徑產生的EGF與EGFR結合后可誘導EGFR形成二聚體，進而引發自身和下游信號通路的級聯磷酸化，促進下游的轉錄因子進入細胞核影響基因轉錄與蛋白合成，從而促進表皮干細胞的增殖。EGF/EGFR下游信號通路主要有：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信號通路，各通路間相互作用、彼此影響。筆者團隊研究發現，隨年齡增長表皮內EGFR表達下降。不同年齡大鼠應用EGF治療后的療效不一致：EGF可有效促進年輕大鼠背部皮膚全層缺損創面的愈合，但對老年大鼠創面的療效不明顯（表1-2）。同時，團隊研究發現，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表達可部分恢復，聯合使用Tideglusib和EGF可進一步促進老年大鼠創面的愈合（表1-3）。這提示，EGF/EGFR信號通路在表皮干細胞內的年齡相關性變化是老年創面再上皮化延遲的原因之一，也是一個潛在的治療靶點。

（二）表皮干細胞分化能力的年齡相關性變化

表皮干細胞分裂后通過持續不斷的分化向上產生角質形成細胞，不斷堆積的角質形成細胞依次構成顆粒層、棘細胞層，并最終失去細胞核形成角質細胞構成角質層，發揮屏障功能后逐漸脫落。表皮干細胞的正常分化對于維持表皮的屏障功能至關重要。老年鼠的表皮干細胞表現出分化能力的衰退，這可能與其表皮分層的紊亂相關。同時，表皮干細胞的正常分化對于創面的再上皮化和創面愈合完成后正常上皮結構的重塑也至關重要。表皮干細胞向角質細胞分化的過程受多條信號通路的調控，如EGF/EGFR信號通路、Wnt典型和非典型信號通路及TGF-β1、TNF-α信號通路等。尋找表皮干細胞分化能力相關基因的年齡相關性變化，對于解決老年創面再上皮化延遲、愈合質量差的問題或有一定幫助。

（三）表皮干細胞凋亡水平的年齡相關性變化

細胞凋亡是機體的一種自我保護機制，用以清除衰老等狀態不佳的細胞，避免細胞壞死后細胞內容物逸出引發炎癥反應損傷周圍正常細胞和組織。伴隨著衰老，因表皮內環境紊亂、氧化應激反應增強、DNA損傷累積等，表皮內凋亡細胞增多。光老化的主要誘因——紫外線，會通過損傷DNA、增加炎癥因子和基質金屬蛋白酶等的表達誘發表皮干細胞的凋亡。PI3K/Akt/mTOR和Ras/Raf/MEK/ERK通路參與到表皮干細胞的抗凋亡活動中，在被紫外線照射的早期便開始持續激活。筆者團隊研究證實，隨年齡增長，表皮內炎癥因子如IL-1β、IL-6、TNF-α等表達增多，且凋亡細胞增多。過強的凋亡反應可破壞表皮的正常更新與穩態維持。調控表皮干細胞凋亡的信號通路十分復雜，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?；钚匝躅愇镔|隨年齡增長而出現的過量堆積可直接損害表皮干細胞，導致細胞凋亡。探究表皮干細胞凋亡相關基因和通路的年齡相關性變化，并尋找可清除表皮干細胞內隨年齡增多的氧化應激產物或促進DNA修復的藥物，將有助于部分緩解衰老表皮中增強的凋亡反應。

（四）表皮干細胞損傷修復能力的年齡相關性變化

在受到物理、電、化學、火焰損傷后，皮膚出現缺損或局部失去活力，此時便啟動創面修復過程。創面修復是一個高度復雜的過程，主要經過炎癥反應期、肉芽形成及組織增生期、傷口收縮及瘢痕形成期等，這3個階段并不是獨立存在的，而是互相有所重疊的動態演變過程。創面愈合能力隨年齡增長而逐漸下降，且易受老年人常見的糖尿病、感染、心腦血管疾病、營養不足、內分泌疾病等的影響。相較于年輕創面，老年創面細胞增殖、遷移變慢，炎癥反應紊亂，上皮化延遲。筆者團隊研究證實，老年大鼠創面修復減慢，新生上皮質量較差。有研究表明，高通量轉錄組測序發現老年表皮干細胞的損傷響應能力降低：年輕表皮干細胞在創傷后有1 679個基因表達下調，500個基因表達上調，而老年表皮干細胞在創傷后僅有328個基因表達下調，236個基因表達上調。此外，有研究表明，老年患者燒傷創面EGF的分泌較年輕患者減少。表皮干細胞對損傷響應能力的年齡相關性下降是老年創面無法有效啟動損傷修復反應從而導致再上皮化延遲的原因之一。

老年創面再上皮化延遲的機制復雜，與衰老導致的機體功能下降、內環境紊亂、伴發病癥多樣等有關，而其本質則是表皮內表皮干細胞的數量減少和功能失調。尋找能增加表皮干細胞數量、改善表皮干細胞狀態的藥物，將有助于促進老年創面的再上皮化。