第一章　皮肤结构与功能新认识

第一节　皮肤结构与功能的衰老

目前，全球人口老龄化现象日益严重。按照联合国的定义，老龄化指一个地区或国家的人口中有10%以上的人口年龄大于60岁。至2020年11月中国60岁及以上人口为26 402万人，占总人口的18.7%，国内部分地区情况更加严峻，如北京市，老龄人口占比已经超过20%，远超老龄化社会的国际标准。随着老龄人口的增加，老年大面积烧伤患者近年来也明显增多。随年龄增长，机体各种组织和器官的结构和功能逐步出现衰老特征，皮肤结构与功能也不可避免地发生衰老，损伤修复能力明显下降。深入了解老年人皮肤结构与功能的衰老特征与机制，探索有效的干预措施，提高损伤修复能力，对老年烧伤患者的救治有重要意义。

老年人皮肤的衰老特征非常直观，如干燥、粗糙、色素沉着、感觉迟钝及创面愈合延迟等，出现这些特征的原因是皮肤结构和功能的变化。笔者研究团队从病理结构、转录组测序、代谢组学等方面探讨了不同年龄皮肤的差异。

一、皮肤衰老的病理学特征

病理学检测发现，伴随衰老，皮肤结构表现出以下特征：①年轻大鼠背部皮肤的细胞结构正常，排列有序，其全层皮肤厚度从幼年到中年随年龄增长逐渐增厚，中年以后又逐渐降低，且出现细胞形态的畸形与核结构的退化。表皮层厚度也呈现年龄相关性变薄的趋势，老年皮肤中表皮总厚度平均减少约20%，最大可达80%（表1-1）。②在表皮内，表皮干细胞、黑色素细胞、朗格汉斯细胞等减少。真皮内，成纤维细胞的数量减少，胶原纤维束的数量和直径随年龄增长而减少，Ⅰ型胶原蛋白与Ⅲ型胶原蛋白的比例增加。皮下组织内脂肪组织减少。同时，毛囊、皮脂腺等皮肤附属器的数量随年龄增长而逐渐减少。③表皮乳头回缩，基底层细胞绒毛减少，表皮-真皮交界处变平坦，同时表皮-真皮交界处的Ⅳ型胶原蛋白、Ⅶ型胶原蛋白、ⅩⅦ型胶原蛋白、整合素β4、层粘连蛋白332表达减少，表皮-真皮连接变脆弱，表皮抗剪切力的能力降低。④传入神经末梢分布减少，可导致衰老皮肤对外界刺激的感应阈值升高，响应能力降低。⑤皮肤内线粒体等细胞器存在年龄相关性变化：年轻鼠表皮基底部细胞的线粒体维持正常的双层膜结构和形态，而老年鼠表皮基底部细胞的线粒体则表现为变圆、嵴减少或消失（图1-1）。

二、皮肤衰老的转录组学特征

转录组测序发现，皮肤随年龄发生显著差异表达的基因达2 009个，基因本体论（gene ontology，GO）富集分析显示，差异表达基因主要富集在蛋白质结合、细胞对因子刺激的反应、信号调节、细胞间通信调节、组织发育、细胞黏附等方面（图1-2，图1-3）。同时，富集差异表达基因相关通路发现，炎症反应、凋亡、氧化应激反应、DNA损伤反应等通路表达增强，对生长因子的反应、干性维持、细胞增殖、DNA修复反应等通路的表达下降（图1-4，图1-5）。筛选并验证表皮干细胞相关关键差异表达基因发现，表皮生长因子受体（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）/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）通路活性随年龄增长而降低；炎症因子IL-1β、IL-6、TNF-α表达随年龄增长而增多，且主要分布在表皮中；凋亡细胞随年龄增长逐渐增多（图1-6，图1-7）。

三、皮肤衰老的代谢组学特征

非靶向代谢组学检测发现，皮肤中随衰老发生变化的代谢物达1 127个，主要为氧化应激产物、不饱和醛类和脂类的年龄相关性增加，差异代谢产物富集于能量代谢、氨基酸与脂质代谢、膜转运、信号转导、细胞生长与死亡等通路与功能。丙烯醛是一种高活性的脂质过氧化的不饱和醛产物，能够破坏氧化还原平衡，诱发细胞的氧化损伤，促进炎症发生。经研究发现，鼠皮肤中丙烯醛水平随年龄增长而逐渐增多，在表皮和真皮中均有分布，且主要分布在真皮浅层。体外实验证实，丙烯醛可引发表皮干细胞的凋亡，并诱发线粒体碎片化。使用肼屈嗪清除老年皮肤中随年龄增多的丙烯醛后，皮肤中凋亡细胞比例降低（图1-8）。

四、老年皮肤的表皮干细胞特征

表皮干细胞是一类具有多向分化能力的慢周期细胞。静息状态下，表皮干细胞可经由不对称分裂在维持自身数量的同时增殖分化形成表皮的全层，表皮干细胞的增殖分化与外层细胞的不断脱落始终保持动态平衡，维持着表皮的正常分层与厚度。随着年龄增加，活性氧与DNA损伤不断积累，损伤修复反应不断减弱，衰老的表皮干细胞表现出分裂增殖能力减弱，分化功能紊乱，凋亡增强，细胞异型性增加，细胞极性降低，并伴有色素沉积等。

（一）表皮干细胞分裂、增殖能力的年龄相关性变化

不对称分裂可在保持干细胞数量和功能的同时，产生新的功能不同的子代细胞，这对于表皮干细胞数量与表皮稳态的维持至关重要。生长因子类信号通路下游的PI3K-Akt信号通路可通过作用于磷酸肌醇依赖性激酶1诱发和维持表皮干细胞的不对称分裂。不对称分裂的衰退会导致表皮干细胞无法继续保持正常的干性、功能与生态位，导致表皮结构的逐渐衰退。有研究表明，细胞半桥粒蛋白COL17A1在表皮基底层随年龄增长而表达减少，也会导致表皮干细胞无法继续停留在基底膜上，随年龄增长和细胞逐渐分裂的过程，逐渐步入表皮上层分层中，并最终变为角质层脱落。

表皮干细胞的增殖能力对于表皮厚度和正常结构的维持也至关重要。表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）/EGFR信号通路是调控表皮干细胞增殖的重要通路。EGF是由53个氨基酸组成的活性多肽，EGFR是一种主要分布在表皮干细胞膜上的酪氨酸激酶型受体，在表皮内环境稳定和毛发生长中起重要作用。自分泌、旁分泌或内分泌途径产生的EGF与EGFR结合后可诱导EGFR形成二聚体，进而引发自身和下游信号通路的级联磷酸化，促进下游的转录因子进入细胞核影响基因转录与蛋白合成，从而促进表皮干细胞的增殖。EGF/EGFR下游信号通路主要有：Ras/Raf/MEK/ERK/MAPK通路、PI3K/Akt/mTOR通路、PLC-γ/PKC通路、JAK2/STAT3通路等，还可直接或间接激活Wnt典型和非典型通路及NF-κB信号通路，各通路间相互作用、彼此影响。笔者团队研究发现，随年龄增长表皮内EGFR表达下降。不同年龄大鼠应用EGF治疗后的疗效不一致：EGF可有效促进年轻大鼠背部皮肤全层缺损创面的愈合，但对老年大鼠创面的疗效不明显（表1-2）。同时，团队研究发现，给予老年大鼠小分子药物Tideglusib（糖原合成酶-3β抑制剂）治疗后，表皮层EGFR表达可部分恢复，联合使用Tideglusib和EGF可进一步促进老年大鼠创面的愈合（表1-3）。这提示，EGF/EGFR信号通路在表皮干细胞内的年龄相关性变化是老年创面再上皮化延迟的原因之一，也是一个潜在的治疗靶点。

（二）表皮干细胞分化能力的年龄相关性变化

表皮干细胞分裂后通过持续不断的分化向上产生角质形成细胞，不断堆积的角质形成细胞依次构成颗粒层、棘细胞层，并最终失去细胞核形成角质细胞构成角质层，发挥屏障功能后逐渐脱落。表皮干细胞的正常分化对于维持表皮的屏障功能至关重要。老年鼠的表皮干细胞表现出分化能力的衰退，这可能与其表皮分层的紊乱相关。同时，表皮干细胞的正常分化对于创面的再上皮化和创面愈合完成后正常上皮结构的重塑也至关重要。表皮干细胞向角质细胞分化的过程受多条信号通路的调控，如EGF/EGFR信号通路、Wnt典型和非典型信号通路及TGF-β1、TNF-α信号通路等。寻找表皮干细胞分化能力相关基因的年龄相关性变化，对于解决老年创面再上皮化延迟、愈合质量差的问题或有一定帮助。

（三）表皮干细胞凋亡水平的年龄相关性变化

细胞凋亡是机体的一种自我保护机制，用以清除衰老等状态不佳的细胞，避免细胞坏死后细胞内容物逸出引发炎症反应损伤周围正常细胞和组织。伴随着衰老，因表皮内环境紊乱、氧化应激反应增强、DNA损伤累积等，表皮内凋亡细胞增多。光老化的主要诱因——紫外线，会通过损伤DNA、增加炎症因子和基质金属蛋白酶等的表达诱发表皮干细胞的凋亡。PI3K/Akt/mTOR和Ras/Raf/MEK/ERK通路参与到表皮干细胞的抗凋亡活动中，在被紫外线照射的早期便开始持续激活。笔者团队研究证实，随年龄增长，表皮内炎症因子如IL-1β、IL-6、TNF-α等表达增多，且凋亡细胞增多。过强的凋亡反应可破坏表皮的正常更新与稳态维持。调控表皮干细胞凋亡的信号通路十分复杂，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。活性氧类物质随年龄增长而出现的过量堆积可直接损害表皮干细胞，导致细胞凋亡。探究表皮干细胞凋亡相关基因和通路的年龄相关性变化，并寻找可清除表皮干细胞内随年龄增多的氧化应激产物或促进DNA修复的药物，将有助于部分缓解衰老表皮中增强的凋亡反应。

（四）表皮干细胞损伤修复能力的年龄相关性变化

在受到物理、电、化学、火焰损伤后，皮肤出现缺损或局部失去活力，此时便启动创面修复过程。创面修复是一个高度复杂的过程，主要经过炎症反应期、肉芽形成及组织增生期、伤口收缩及瘢痕形成期等，这3个阶段并不是独立存在的，而是互相有所重叠的动态演变过程。创面愈合能力随年龄增长而逐渐下降，且易受老年人常见的糖尿病、感染、心脑血管疾病、营养不足、内分泌疾病等的影响。相较于年轻创面，老年创面细胞增殖、迁移变慢，炎症反应紊乱，上皮化延迟。笔者团队研究证实，老年大鼠创面修复减慢，新生上皮质量较差。有研究表明，高通量转录组测序发现老年表皮干细胞的损伤响应能力降低：年轻表皮干细胞在创伤后有1 679个基因表达下调，500个基因表达上调，而老年表皮干细胞在创伤后仅有328个基因表达下调，236个基因表达上调。此外，有研究表明，老年患者烧伤创面EGF的分泌较年轻患者减少。表皮干细胞对损伤响应能力的年龄相关性下降是老年创面无法有效启动损伤修复反应从而导致再上皮化延迟的原因之一。

老年创面再上皮化延迟的机制复杂，与衰老导致的机体功能下降、内环境紊乱、伴发病症多样等有关，而其本质则是表皮内表皮干细胞的数量减少和功能失调。寻找能增加表皮干细胞数量、改善表皮干细胞状态的药物，将有助于促进老年创面的再上皮化。