角质形成细胞的基本生物学特性

一、角质形成细胞的分布

（一）在表皮的分布

1．基底层（stratum basale） 由一层矮柱状或立方状的细胞组成，胞核呈椭圆形，位置偏下，核仁明显，常见核分裂现象。胞质嗜碱性，内含丰富的游离核糖体和分散成束的角蛋白丝，细胞质中含有从黑素细胞获得的黑素颗粒。电镜下可见相邻基底细胞之间、基底细胞与棘细胞间以桥粒方式连接；基底细胞与基底膜之间则以半桥粒方式连接。基底细胞含有未分化的幼稚细胞（干细胞），有活跃的分裂能力，新生的细胞由底层向浅层移动过程中逐渐分化成熟，故基底层亦被称为发生层。

2．棘层（stratum spinosum） 一般由4～8层细胞组成。细胞呈多边形，体积较大，而上部的棘细胞则渐趋于扁平，相邻细胞的突起由桥粒连接形成细胞间桥。棘细胞质内含有许多角蛋白丝，常成束分布，称为张力原纤维，这些张力原纤维随着细胞的向上移行而逐渐增多。浅层的棘细胞内可见多个卵圆形、有膜的颗粒，称为角质小体或Odland小体，由于颗粒内呈明暗相间的平行板层结构，故又称为板层颗粒，颗粒内容物主要为糖脂和固醇。

3．颗粒层（stratum granulosum） 由2～4层较扁平的梭形细胞组成。这些细胞的细胞核和细胞器已退化，胞质中有许多大小不等、形状不规则、嗜碱性强的透明角质颗粒。颗粒没有界膜包被，呈致密均质状，沉积于成束的张力细丝间。颗粒层细胞内有较多的角质小体，它们常与细胞膜融合，将内容物排出到细胞间隙内形成多层膜状结构，构成表皮的主要屏障。

4．透明层（stratum lucidum） 仅见于掌、跖等角质层较厚的表皮，位于颗粒层上方，由2～3层扁平细胞构成。相比于颗粒层，其胞质内的细胞器也已经消失，并含有有较多疏水的蛋白结合磷脂，与张力细丝黏合在一起，因此，该层具有防止水及电解质通过的功能。

5．角质层（stratum corneum） 由10余层已经死亡的扁平角质细胞组成，其细胞核和细胞器已经完全消失，其内充满密集平行的角蛋白张力细丝浸埋在无定形物质中；细胞膜内面附有一层厚的不溶性蛋白质，使得胞膜强韧而坚固；细胞表面皱褶不平，相互嵌合，细胞间隙中充满脂类物质。靠近透明层的角质层细胞间尚可见桥粒，而表层角质层细胞的桥粒消失，容易脱落形成皮屑。

（二）在附属器的分布

1．毛囊 为胚胎原发上皮胚芽细胞向下分化发育所形成的皮肤附属器，是表皮的连续。毛囊上皮细胞的主要生物学功能是生成毛发。毛发与毛囊的内外毛根鞘及毛母质均由上皮细胞组成。毛母质细胞为最具有增殖能力的细胞群，可产生各种角蛋白（主要为强度较大的毛发角蛋白）、丝聚蛋白，形成角质细胞鞘，这些均与表皮KC相似。

2．甲 是表皮的一个特殊结构，由甲母细胞逐渐分化形成的。甲母细胞由基底层、棘层和角质层构成，细胞间有桥粒和半桥粒。基底层也像表皮一样也有黑素细胞，而甲板即为角质层，其中的角蛋白既有皮肤型，也有毛发型即硬角蛋白。

二、表皮角质形成细胞间的连接

表皮KC间的连接主要有3种形式，即桥粒、黏附连接及缝隙连接。其中，以桥粒的分布最多，每100μm约有160个桥粒，它们通过相邻细胞间张力细丝网的机械性连接，形成一个连续的结构网，因而具有很强的抗牵张力。

（一）桥粒的超微结构

桥粒由相邻细胞的细胞膜发生卵圆形致密增厚而共同构成，呈圆形或椭圆形小体。连接区相邻两细胞膜平行，电子透明细胞间隙含低密度细丝状物；间隙中央为电子密度较高的致密层，称为中央层；中央层的中间还可见一条更深染的间线，中央层的黏合物质是糖蛋白。在构成桥粒的相邻细胞膜内侧各有一增厚的盘状附着板。许多张力细丝呈襻状附于附着板上，其两端均反折向胞质内，附着板上更细的丝从内侧钩住张力细丝襻。附着板处还有一些较细的丝，伸入细胞间隙与中央层的细丝相连，此细丝为跨膜细丝或膜横连接丝。在KC由基底层逐渐向表皮上层移动的过程中，桥粒并非恒定不变的，而是可以分离并重新形成的，这样才能使表皮细胞可能逐渐到达角质层且有规律的脱落。

（二）桥粒的分子构成

桥粒由2类蛋白质构成。一类为胞浆内的桥粒斑，主要成分为桥粒斑蛋白和桥粒斑珠蛋白（PG），它们一端与桥粒跨膜蛋白相结合，另一端是胞浆内中间丝（IF）的附着处；另一类是跨膜蛋白，主要由桥粒芯糖蛋白（DG）与桥粒芯胶黏蛋白构成，形成桥粒的电子致密层和细胞间接触层。

1．桥粒斑蛋白 桥粒斑蛋白为桥粒斑中最多的蛋白，其中央为螺旋盘绕而成的杆状结构，两侧分别为由氨基末端和羧基末端折叠而成的球形区，呈哑铃形。桥粒斑蛋白分子的氨基端为细胞膜胞质侧的桥粒电子致密斑，羧基端为中间丝的附着处。

2．桥粒斑珠蛋白（PG） 中央区由高度保守的13个臂重复区串联组成，这一区域有利于它与桥粒的其他成分相互作用，而其两侧的氨基末端和羧基末端区很少有高度保守性。其中心区域为桥粒、经典钙黏素与桥粒斑珠蛋白作用的共同区域；近羧基端区域则可调节桥粒斑珠蛋白和桥粒钙黏着蛋白间的相互作用。

3．桥粒芯糖蛋白（DG） 与经典钙黏素一样，分为胞外区、胞内区和穿膜区。DG1主要分布于表皮颗粒细胞层和棘细胞上层的KC上；DG2主要分布于表皮的基底细胞层；DG3仅见于表皮，主要位于表皮基底细胞层和棘细胞下层的KC表面。

4．桥粒芯胶黏蛋白 有3种异构体。其中，桥粒芯胶黏蛋白2分布最广泛，上皮细胞、心肌细胞和淋巴结中均可发现，而桥粒芯胶黏蛋白1和桥粒芯胶黏蛋白3只见于一些复层鳞状上皮。桥粒芯胶黏蛋白与上皮的分化及形态发生相关，从基底细胞层到基底细胞上层，桥粒中的桥粒芯胶黏蛋白1逐渐增多而桥粒芯胶黏蛋白3逐渐减少。

KC与其下的真皮则主要通过复杂的基底膜带结构连接，基底膜带电镜下分为4层，即基底细胞底面细胞膜（包括半桥粒）、透明板、致密板及锚状纤维。分子结构十分复杂，有半桥粒、整合素、层粘连蛋白、Ⅳ型胶原、Ⅶ型胶原等。KC不仅借助这些成分进行细胞－细胞和细胞－基质的粘连，而且还参与这些营养成分的合成与代谢。

三、角质形成细胞的动力学

基底细胞的角化约需14d，到最后脱落又需14d，共为28d，这段时间被称为表皮通过时间或更替时间。在表皮更替的过程中，表皮由基底层到角质层逐渐移行，其结构也不断变化，该过程不仅反映了KC的增殖、分化、移动和脱落，也是细胞逐渐生成角蛋白和角化的过程。而细胞之间桥粒的位置也在KC向上移行的过程中，不断分离与重建，使KC有规律地到达角质层而脱落。在这个过程中，KC相应的动力学参数为有丝分裂指数（7%）、S期时间（8．3h）、M期时间（1．2h）、细胞周期时间（约210h）。

四、角质形成细胞的功能

目前认为表皮KC主要有以下2种功能。

（一）保护作用

形成物理屏障，保护机体内环境的稳定，防止物理性、化学性、微生物等不良因素的侵袭。表皮KC自基底层向上增殖迁移，同时产生坚韧的纤维角蛋白，这是基本的生物学作用，角蛋白的分类与表达见表5－1，结构见图5－1。在日常生活中角质细胞因不断受到摩擦而变成鳞屑脱落；表皮更替过程的加快或延迟都会引起疾病。

表5－1　主要角蛋白的分类和表达

（二）建立表皮内环境，参与皮肤免疫应答

KC可对颗粒性抗原先进行摄取和分解，为微环境中的朗格汉斯细胞进一步摄取抗原创造条件；KC可释放多种细胞因子，调节T淋巴细胞活性；活化的T淋巴细胞又可通过释放淋巴因子来调节KC免疫活性。

图5－1　中间丝肽链的结构

a为通用模型，所有IF肽链有一个中心的柱状区和两端区，柱状区由四个片段组成，1A是35个残基，1B、2A、2B分别是101、19、121个残基；在2B片段中间，有一个极性突然反转处，称“口吃”（stutter），1B和2B片段有一个酸性电荷网，图中百分比数为其与全长相比而得；肽链分为四型，两端又分为3个亚区，Ⅰ、Ⅱ型中N和C亚区大小是变化的，在15～130个残基间，通常为15～30个，V1、V2亚区高度变化，在0～130个残基间，V亚区有前后重复排列的多肽结构：XYn，X为几个无极性氨基酸（除苯丙氨酸、酪氨酸外）中的一个，Y为甘氨酸或丝氨酸，n＝1～9，且常呈碱性，富含甘氨酸，有每种角蛋白的特异性表位，角蛋白对中的两条肽链V1、V2亚区是分别相似的，Ⅱ型中H1＝36，H2＝20，Ⅰ型中H1、H2亚区很短或缺如。Ⅲ型H1＝20，H2＝55（包括C亚区），V亚区在65～75个残基之间，呈强碱性，可能为成线圈样的有序排列，Ⅳ型肽链两端区还不清楚，有N、V1、V2亚区存在，可能存在C亚区

五、介导角质形成细胞功能的分子基础

同其他细胞一样，KC的功能是由细胞内外的分子介导的，其中起主要作用的是细胞表面分子。这些细胞表面分子包括细胞之间及细胞与基底膜之间的结构性蛋白、调节蛋白及一些免疫分子。目前的大量研究表明，KC这些表面分子在介导细胞黏附，调节增殖、分化，激发皮肤炎症及免疫反应，促进创伤愈合等方面发挥了重要作用。

（一）整合素（integrin）

整合素分子是由α调节亚基和β信号转导亚基组成的异源双体，是一类跨膜受体。在细胞外，活化的整合素分子介导细胞与基质间的黏附；在细胞内，它们则转导信号，调节细胞的生长、分化和迁移。在表皮及其附属结构，基底层KC通过整合素分子与基底膜黏合。表皮中整合素分子主要是α3β1和α6β4（层粘连蛋白5受体），另外，还存有少量的α2β1整合素分子（胶原／层粘连蛋白受体）、α5β1整合素分子（纤粘连蛋白受体）及创伤愈合诱导的αⅤβ5整合素分子。α6β4整合素分子定位于基底层KC表面，是半桥粒结构的主要成分，介导表皮细胞与细胞外基质成分层粘连蛋白5的稳定黏附。当α6或β4亚基缺失时，整合素分子不稳定，导致异源双体结构消失。同时，半桥粒结构消失，表皮与基膜的黏附受到严重损害。缺乏α6β4整合素分子可导致交界性大疱性表皮松解症，一种可导致围生期死亡的严重皮肤病。而在皮肤创伤再上皮化过程及伤口收缩期，α3β1、α6β4、αⅤβ5的表达明显增强，并且不再局限于基底细胞层，在基底细胞上层也可表达，说明这些分子在介导KC增殖、爬行及促进伤口愈合的过程中发挥着重要作用。

（二）免疫球蛋白超家族及其功能

1．细胞间黏附分子－1（intercellular adhesion molecular－1，ICAM－1） ICAM－1属于细胞黏附分子中免疫球蛋白超家族中的一员，为一种胞膜糖蛋白，白细胞上的LFA－1是其配体。人KC能够吸引并黏附T淋巴细胞和单核细胞的关键因素就是因为是体内T淋巴细胞在表皮中表达LFA－1，并与KC表达的ICAM－1相黏附。ICAM－1在免疫系统细胞与细胞间的相互反应中起重要作用，其表达是白细胞与KC间相互反应所必需的。在炎症性皮肤疾病（如银屑病、特应性皮炎和红斑狼疮）中都可检测到ICAM－1表达上调。ICAM－1促使白细胞从外周血向创伤组织及表皮细胞处积聚，在烧伤患者创面修复过程中，KC ICAM－1在伤后1周表达增强，2周后稳定高表达，新生上皮岛中可见基底层上皮细胞ICAM－1高表达，与皮肤创伤修复过程中整合素亚家族的表达特征相似，并且新生上皮ICAM－1阳性KC呈长柱状排列。而ICAM－1缺失则会导致伤口处白细胞积聚减少，阻碍创伤愈合。

2．基底－细胞黏附分子（basal－cell adhesion molecule，B－CAM） B－CAM是层粘连蛋白的黏附受体，与肿瘤的发生有一定的关系，并有可能参与细胞间的黏附或迁移。BCAM表达于细胞与细胞、细胞与基底层连接处。紫外线A和B、内环境中Ca2＋浓度均对B－CAM表达有显著影响。这也说明，BCAM与人类皮肤的表达及KC活化状态有关。

（三）钙黏素

钙黏素（cadherin）是钙依赖的跨膜糖蛋白，介导细胞与细胞间的黏附。这类糖蛋白具有相同的基本结构：胞外部分主要包括含有Ca2＋结合部位的同源结构域，胞质部分是高度保守的区域，通过一种被称为连接素（catenin）的胞质蛋白与细胞骨架成分相连，并在钙黏素功能中起中心作用。钙黏素－连接素复合体是表皮细胞间紧密黏着所必需的。E－钙黏素和P－钙黏素集中分布于细胞与细胞接触面，已被确定为介导KC之间相互反应的黏附分子。另外，E－钙黏素还介导朗格汉斯细胞与KC间的黏着。T－钙黏素与经典的钙黏素具有相同的胞外结构，但缺少跨膜区和胞质区，可通过糖基磷脂酰肌醇锚定于浆膜上，该类钙黏素特殊的结构使之具有与经典的钙黏素不同的特定细胞内“打靶”的特性和功能。

（四）Tetraspan超家族

包含20多种高度保守的分子，其中Perp与CD151分别定位于桥粒与半桥粒结构中，其他如CD9和CD81则散布于细胞表面。Perp通过促进桥粒黏附复合体的稳定而使组织保持完整性。CD151是一种新的半桥粒结构主要成分，在半桥粒中的募集反应受到α6β4整合素分子的调节，在半桥粒的构建和稳定方面发挥作用。CD9、CD81和CD151与α3和β1整合素分子共同聚集在细胞间连接中，在细胞外基质黏附、KC迁移、整合素分子再循环、细胞间识别及表皮修复过程中发挥重要作用。

（五）CD44

是一种多形的完整膜糖蛋白，为细胞外基质透明质酸的受体，参与激活细胞移动、癌细胞转移和形态发生等活动，其表达是人类胚胎皮肤KC开始分层和间质成熟并转变为真皮的标志。

（六）IL－1

有促炎症效应，能激发来源于表皮的其他促炎症细胞因子的释放，以IL－1α和IL－1β两种形式存在。KC可合成IL－1，并通过细胞表面受体（IL－1R）与其发生反应，这种旁分泌体系在正常表皮生理和炎症反应中都起重要作用。

（七）IL－8

KC产生大量IL－8，它可诱导KC表达IL－8RmRNA。IL－8／IL－8R已被认为与多形核白细胞趋化、T细胞趋化、KC增殖分化及表达MHC－Ⅱ、血管生成及血管通透性增加等有关，并在抗病原体侵袭的反应中起关键作用。

（八）尿激酶型纤溶酶原激活药［u－PA及其受体（u－PA－R）］

除了激活血纤维蛋白溶酶原外，还有更多的功能，包括参与细胞的增殖、黏附、迁移及趋化等活动，参与细胞入侵和迁移活动，对创伤皮肤的再上皮化过程十分重要。KC合成并分泌u－PA，后者与KC表面特异性受体u－PA－R结合。与受体结合的u－PA有效地激活了结合在细胞表面的纤溶酶原，从而导致细胞周围蛋白水解，促进KC游走。

（九）磷糖蛋白

是属多耐药基因编码的ABC转运蛋白家族成员，定位在表皮基底细胞层的KC优先表达磷糖蛋白。磷糖蛋白在基底细胞层的表达仅限于细胞表面，并在调节环境毒素水平和分化因素方面起作用。