皮肤屏障和皮肤免疫力区别与连接的网络

作者：StefanieEyerich,KilianEyerich,ClaudiaTraidl-Hoffmann等

皮肤是有机体用来防御来自外部伤害的最外层屏障。最早皮肤被认为是一种被动的无意识屏障，近来我们对皮肤的认知有所发展，认为它是具有主动活性的器官。它能够感知危险信号，并且立刻采取适当的防御措施以应对入侵的病原体。本文着重介绍了不同水平的皮肤屏障（微生物，化学，物理和免疫屏障）的不同特点和功能，并介绍了由细胞和介质组成的紧密联通的网络，由它们共同实现了均衡的防御措施以保护身体并维持屏障完整性。

对皮肤从解剖描述到功能描述

皮肤（成人约2平方米）是我们最大的器官，为我们的有机体提供完整性和统一性。进一步的说，它能使我们与环境交流，同时调节对自身的保护。皮肤可以平衡身体的温度和水分，防御紫外线，传递感知，此外它还能并形成紧密屏障抵御数种微生物、毒素以或其他有害物质。过去，皮肤被看作是包括最外层表皮和下层结缔组织（真皮）的器官。而表皮包含了不同分化阶段的角质细胞，它们共同组成了角质细胞层。角质层是一层物理屏障，抵御各种可能有害的入侵物；真皮包含了胶原纤维，成纤维细胞和神经末梢。这些独特的解剖层对于我们了解皮肤的组织至关重要，它们实现了各种各样的功能。最近，研究人员根据皮肤屏障的不同功能，仔细将皮肤划分成四类屏障：微生物组屏障，化学屏障，物理屏障和免疫屏障。随着进化，它们不但提高了稳定性和恢复皮肤稳态的功能也有所增强，而且完善了必要时激发的防御措施。皮肤屏障的任何成分改变都有可能引起致病性问题，如皮肤感染，无菌性皮肤炎症，过敏性致敏或皮肤肿瘤。因此，了解皮肤屏障的不同功能是找到保持皮肤完整、恢复受损屏障方法的先决条件。在这篇文章中，我们重点介绍了每种屏障的区分以及彼此的联系，并总结了近期有关皮肤屏障功能障碍的调节异常和疾病发展的见解。

皮肤屏障：不同级别和基本功能

微生物组屏障是皮肤屏障的最外层（见图1）。它包含覆盖皮肤所有表面区域的多种微生物群落。这些微生物群落包括细菌，真菌和病毒，并且相当稳定。免培养基因组方法已经表明，与不同于肠道微生物群，皮肤微生物群主要是由丰富的革兰氏阳性细菌的放线菌组成，例如如葡萄球菌属，丙酸杆菌属和棒杆菌属。稳定性是通过多种信息沟通渠道和几种相互制衡来实现的，这种制衡存在于微生物的群落和皮肤之间。一些研究已经阐释了这些群体内的共生细菌控制潜在的致病细菌的方法。例如，由表皮葡萄球菌分泌的丝氨酸蛋白酶Esp抑制金黄色葡萄球菌的定植并阻止金黄色葡萄球菌生物膜的形成。一些表皮葡萄球菌或路邓葡萄球菌菌株产生抗生素专门防止金黄色葡萄球菌的存活。在人类的角质形成细胞中，表皮葡萄球菌诱导抗菌肽和/或蛋白质（腺嘌呤核糖核苷酸）的表达，并能激活不同于金黄色葡萄球菌的途径，这个过程形成表皮葡萄球菌-协调的先天免疫警戒。

皮肤上的微生物群落组成了一个鲜活且理想的“第一反应屏障”，用来应对不同环境状况。皮肤细胞，皮肤的免疫系统，和皮肤菌群之间的这种三重联系实现了微生物屏障的功能性。

与皮肤屏障的其他部分相比，皮肤化学屏障的定义并不是很精确，而且其定义与物理屏障有密切联系。通常，“化学屏障”包含着能使皮肤表面维持酸性的因子，和一些“天然保湿（简称NMF）”作用的化合物（见图1）。Schade和Marchionini创造了皮肤术语“S?uremantel”专门用来描述覆盖皮肤的酸性安全带。“自然保湿因子”统称为软湿性化合物，这些物质约占角质细胞干重的20%—30%。许多天然保湿因子包含由表皮聚丝蛋白（简称FLG）水解产生的氨基酸及其衍生物（吡咯烷酮羧酸和尿刊酸）。通常认为天然保湿因子的变化会导致角质层酸碱性和脂质的改变，这表明化学屏障和物理屏障的功能相互联系。角质层中的天然保湿成分不仅有化合物，还有其他物质，包括了乳酸，尿素和电解质。乳酸和钾在维持角质层的水合状态和物理性质（例如其pH）方面也发挥着重要作用。

物理屏障的主要部分包括角质层、紧密连接的系统（简称TJ）以及它们之间的调节（见图1）。角质层的形成是角质形成细胞成熟的结果，通过末端分化向上移动表皮层以最终变成角化细胞。这些角化细胞呈扁平状，无核且细胞膜发展成为角质化包膜。角质层下方一层的角质形成细胞，即颗粒层，包含：（i）具有重要蛋白质的颗粒，例如聚丝蛋白，鹿角菜蛋白和角蛋白丝;（ii）具有脂质，角膜神经元和激肽释放酶的层状体（LB）。这些颗粒的内容物填满了角质层的细胞间隙，因而常被形容是“砖块之间的泥浆”。许多组成“泥浆”的蛋白质还未被充分了解，它们曾被认为是单基因疾病，例如连续性皮肤剥脱综合征、皮肤脆性综合征或是鱼鳞病。颗粒层中相邻的角化细胞，进一步的，通过“紧密连接（TJ）”组成专门防水和溶质的屏障。细胞紧密连接蛋白通常是跨膜的，包含闭合蛋白、紧密连接蛋白（ZO）。紧密连接蛋白claudin-1TJ的无效突变会导致新生儿鱼鳞病硬化性胆管炎（NISCH）综合征，表明该蛋白在保证皮肤物理屏障功能中起到关键作用;.Claudin-1，claudin-4，occluding和ZO-1在调节中等大小分子和大分子以及离子从内部到外部的转运方面非常有效，因为他们都随着真皮注射,停止在紧密连接层的颗粒层。这一理论对于由外向内传输同样适用，尽管相关的证据尚不确凿。

物理屏障的细胞通过产生表皮脂质进一步实现化学屏障功能。在这里，角质形成细胞主要递送甘油三酯和胆固醇，而皮脂腺则将甘油三酯，蜡酯和含有角鲨烯的皮脂分泌到毛囊的上部，从而将这些脂质直接递送到角质层表面上。之后细菌和酵母菌将甘油三酯水解成游离脂肪酸（FFA），从而有助于皮肤酸化的PH状态（另请参见前面的段落）。这些细胞间脂质提供了一个紧密而有效的屏障，同时调节表皮水分流失（TEWL）。值得注意的是，角质层中的大部分水位于角质细胞内部，角质层之间几乎没有游离水。

免疫屏障代表了皮肤屏障的最后部分，表皮和真皮中有着各种免疫细胞（图1）。免疫屏障的细胞组成包含先天免疫，例如几种类型的常驻抗原呈递细胞，先天性淋巴细胞，先天性细胞，角质形成细胞和适应性组织记忆细胞，它们全部协同工作以保持屏障完整性，来有效感测危险微生物信号，并启动适当的免疫应答，随后通过补充循环对应物使组织发炎，并且用进一步的屏障破坏来清除入侵。这种措施必要但有一定危害，此外，常驻免疫细胞还有助于屏障修复和维持稳态。鉴于免疫屏障的细胞分布在整个皮肤上，这种屏障与其他皮肤屏障高度相互关联;例如，它能对上皮细胞发出的信号做出反应，分泌调节上皮细胞行为的物质。

图1.皮肤屏障的水平和组成部分

缩写：FAA，游离脂肪酸;ILC，先天淋巴细胞;iNKT，不变的自然杀伤细胞;TRM，

组织驻留记忆细胞

免疫屏障中的成分由物理屏障决定，它能够感测微生物屏障发出的信号，并对化学屏障做出应答；皮肤屏障不仅有干扰功能，而且能根据皮肤屏障的先前水平完成再生和恢复，以此来协调这些信号。

微生物屏障和其它屏障元素的串扰

皮肤微生物组群落与皮肤一起进化，它们的组成和功能相互依赖，对皮肤及其屏障的整体功能至关重要。

图2.稳态和生物失调:微生物多样性、炎症和屏障修复之间的微妙平衡。

在稳态条件下，共生体、上皮细胞、化学屏障成分和免疫细胞共同维持皮肤屏障完整性。在生物失调的情况下，将会产生炎症，导致屏障破坏和炎症恶性循环，从而生物内环境失调状况加剧。然而，免疫细胞可以阻止这种恶性循环，因为它们在上皮细胞诱导产生抗菌肽(AMPs)，激活M2巨噬细胞和表皮生长因子受体(EGFR)信号的传导，进而使屏障获得修复。

缩写:CLR，C型凝集素（甘露聚糖结合凝集素）受体；

IL-,白细胞介素；

ILC,固有淋巴细胞；

iNKT细胞,不变自然杀伤细胞；

NLR，类神经末梢受体；

TH,T辅助细胞；

TLR，Toll样受体；

Trm，组织固有记忆细胞。

皮肤微生物群落的破坏与皮肤疾病息息相关如以金黄色葡萄球菌导致的特应性皮炎，并会导致持续的病症。而皮肤微生物群落的复原即表明了疾病的康复。这些生态状况平衡的微生物群落遭到破坏通常被称为生态失调。生态失调可能是皮肤屏障其他部分功能障碍的结果或原因。虽然特应性皮炎中的“母鸡和鸡蛋”问题在生态失调和皮肤炎症方面没有得到解决，但最近的研究证实金黄色葡萄球菌的扩张先于可检测皮肤炎症表皮葡萄球菌菌株多样性与较轻的疾病相关，而克隆金黄色葡萄球菌菌株在更严重的患者中发现，提示生态失调是本例的起始事件之一。实验模型表明，在无菌小鼠中缺少皮肤微生物群缺少皮肤和肠道微生物群导致抗感染IL-17应答受损。这些抗感染免疫应答由CD8+T细胞Tc17介导，并被证实对白色念珠菌或利什曼原虫属有效。此外，皮肤屏障完整性受损或直至完全丧失都会使细菌侵入皮肤的更深层。而皮肤微生物群的组成成分也可形成调节性免疫应答和免疫耐受的途径和参与者，如早期暴露的皮肤共生体以及调节性T细胞Tregs向皮肤的显著扩张和汇集。

皮肤上微生物组合物的“控制”由皮肤的最上层细胞层、角质形成细胞及其产物所维持。在遇到危险信号或免疫触发之后，角质形成细胞产生抗菌肽，例如人β-防御素、cath-elicidin和RNAses，以共同调节微生物群落的成分。此外，这些信号上调模式识别受体，例如Toll样受体TLRs，通过使角化细胞对微生物信号产生足够的反应。相反，金黄色葡萄球菌在体外和猪模型中显示可降低紧密连接蛋白的密度和表达，例如claudin-1、闭锁蛋白1TJP-1、闭锁蛋白2TJP-2、occludin和粘附连接AJ蛋白E-钙粘蛋白，这表明微生物群落的组成或其生物代谢障碍共同决定了物理屏障的组织结构。

不同程度的屏障受损都会导致微生物生态失衡，不断增殖的病原菌会导致皮肤产生炎症和炎症衍生信号，导致屏障进一步受损，以期维持病原菌尤其是金黄色葡萄球菌的生长。这一规律也出现在单基因疾病中，例如内瑟顿综合征罕见的隐性遗传皮肤病，其由SPINK5基因突变引起，SPINK5编码丝氨酸肽酶抑制剂，当其功能丧失会导致物理屏障和化学屏障受损。内瑟顿综合征和高IgE综合征也会导致免疫屏障程度的皮肤屏障被破坏，STAT1/STAT3基因突变引起17型免疫应答缺陷，并导致慢性皮肤炎症，其中包括特应性皮炎和逐渐转化为金黄色葡萄球菌和不动杆菌种属的微生物群。这种转变会进一步损害免疫反应，因为不动杆菌属在白色念珠菌或金黄色葡萄球菌刺激下主动抑制T细胞细胞因子的产生TNF-a、IFN-g和IL-22，进一步降低抗微生物组织防御。此外，共生菌看似直接形成适应性免疫反应。最近的研究中，表皮葡萄球菌在小鼠模型中能产生一些肽，它们存在于非经典MHCI分子上以诱导表皮葡萄球菌特异性Tc1和Tc17细胞。此类Tc17细胞能表达组织固有标记物并允许诱导创伤后组织修复的特异性标记物。因此，共栖细菌不仅通过分泌抗生素防止病原菌定植，而且可调节适应性免疫监察。关于微生物群与免疫系统相互作用的最新出版物和评论详见表1。

稳态的皮肤微生物群(A)有可能通过建立以下机制形成免疫反应：(i)调节性T细胞(Tregs)及其在“生命早期”暴露后进入皮肤；和(ii)产生CD4+和CD8+T细胞(Th/Tc17)的IL-17，其能确保对病原体的有效免疫防御。相比之下，在生态失衡(B)期间，皮肤微环境可通过迁移真皮树突细胞(DCs)引发Th2反应，从而潜在地助长炎症循环，如图2所示。

缩写:Tc，细胞毒性T细胞；T辅助细胞。

去整合素和金属蛋白酶17(ADAM17)的工作效率也会引发湿疹性皮炎和脓疱性病变伴金黄色葡萄球菌感染[38]。Adam17是一种跨膜蛋白酶，它切割多种膜结合蛋白以释放可溶性形式，并在促TNF-a和表皮生长因子受体(EGFR)脱落中起主要作用，参与这两种因子的信号传导途径[39]。与此一致的是，伴随着与屏障受损以及慢性炎症性皮肤病有关的特应性皮炎的发展，一组带有去整合素金属蛋白酶（ADAM17）缺陷的小鼠模型表现出与人类单基因病相似的表现型。

表格1.近年来关于微生物与免疫间相互影响的文献

引用

主要发现

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棒状杆菌对皮肤免疫及炎症的环境抑制作用：棒状杆菌独立于宿主皮肤的新陈代谢和炎症状态，通过介导白介素（IL-23）来激活T细胞的子集，从而突出显示了共生菌（