基于指甲微觀結構變化輔助診斷人體健康狀況

(1.山東師范大學物理與電子科學學院， 濟南 250014； 2.山東師范大學生命科學學院， 濟南 250014； 3.山東師范大學化學化工與材料科學學院， 濟南 250014)

人類指甲有各種形狀，包括長方形、扁平形、正方形，位于指端，圓滑有光澤，微微隆凸。指甲的生長靠甲根和甲床，指甲是由重疊排列的角化上皮細胞構成，指甲一旦受到損傷，往往會影響到甲床，甲床一旦受到損害，可引起指甲缺損，造成指甲凹凸、粗糙、畸形[1]。指甲是皮膚的附屬物，卻與臟腑之間有著密切的聯系，因為構成指甲的物資均由臟腑提供，所以指甲的生長通常與身體的健康狀況、血液循環情況和體內礦物質含量有著密切的關系。中醫認為，指甲是臟腑氣血的外觀表現，通過查看指甲來判斷人體的臟腑經絡之間的一些聯系，從而來反映身體內存在的病變[2]。其中，指甲特征最能反映的就是肝、膽的關系。肝，其華在爪，肝膽好表現在指甲上為指甲光滑，有光澤；其充在筋，肝膽不好表現在容易動怒，青筋暴起；開竅于目，肝膽不好的人，眼睛容易發干，無光澤。因此，通過觀察指甲的形狀、大小、顏色能夠基本反映一個人的健康狀況。基于指甲的光澤、紋路、斑點等等的變化，則可以推斷潛在的健康危機及病變[3]。所以，一種最為簡易的健康自測方法，就是學會用眼睛觀察指甲。但宏觀的察看無法發現指甲的顯微結構特征及相關的成份，如果利用高分辨率的分析儀器表征指甲的顯微結構觀察和分析指甲所含元素，將會更科學和精確的反映人體健康狀況，為了提高臨床診斷準確率提供科學的參考依據。本研究利用掃描電鏡對8位不同年齡段的志愿者指(趾)甲進行了研究，表征了健康指甲和異常指甲顯微結構特征，分析了年輕人指甲和老年人指甲的多種元素含量，從而和宏觀的“甲診”形成互補，更精確反映人體身體狀況。

1 實驗部分

1.1 儀器

離子濺射儀(中鏡科儀，型號，SBC-12型)；掃描電鏡(德國卡爾蔡司公司，型號，Sigma500型)；能譜儀(布魯克北京科技有限公司，型號，QUANTAX400型)。

1.2 樣品選取與處理

1.2.1樣品的采集

在青年、中年、老年中收集正常和異常的15組指(趾)甲作為樣品，并將其按年齡分類，用透明帶包裝并分別標上取材指(趾)甲的位置，性別，年齡并將其編號歸類，最終挑選出8種指甲樣品進行研究。如表1所示。

表1 指甲實驗樣品

1.2.2樣品的處理

由于指甲用于顯微觀察需要粘在樣品臺上，而剪下的指甲呈拱形，所以需要將其壓平，方便實驗時的粘貼。顯微觀察時應該盡量減少其他無關因素的影響，所以應該保持樣品的清潔，將指甲中的污垢用清水和軟牙刷洗凈，自然晾干，將需要觀察的部位剪出，其余部分作為備用，最后裝袋并編號。

1.3 實驗

將導電膠帶用剪刀剪成方形并用鑷子將其粘在樣品臺上，將已經處理好的指甲樣品用鑷子取出并將要觀察的部位盡量粘在樣品臺的中央，如圖1所示。首先利用能譜儀測出青年指甲和老年指甲的所含元素，保留譜圖，之后用離子濺射儀對樣品進行噴金處理，使樣品表面導電，減少在電鏡觀察時出現的充放電現象，最后將樣品放在掃描電鏡中分別放大500X、1000X、5000X進行觀察并拍照。

圖1 樣品圖

2 結果與討論

2.1 健康指甲顯微結構特點

指甲由多層平整的角質細胞構成，這些板狀細胞由一種粘性很強的物質相互凝結在一起，當多層細胞相互粘在一起時，就形成了緊致，平整，層疊生長的微觀形態結構。宏觀上，甲質堅韌，厚薄適中，軟硬適度，不易折斷。指甲的生長是甲根部的甲基質細胞增生、角化并越過甲床向前方移行而成，甲床控制著指甲按一定形狀生長，甲床完整無變形，則指甲形狀規則。甲床有豐富的血管及神經末梢，當人體血液循環供應正常，指甲末梢供血充足， 健康的指甲整體上呈現出桃紅色，表面光滑圓潤，厚薄適度；形狀平滑光潔，表面無縱橫溝紋，沒有干擾斑；指甲對稱，不偏斜，無凹陷或末端向上翹起的現象[4]。因此健康指甲的微觀特征為甲小皮組織為平滑、密實的板層結構，層疊生長，層間間隙小，未見有缺損或孔洞的存在[5]。圖2為健康指甲外表面顯微結構的掃描電鏡二次電子像，其甲小皮平整，雖有裂紋，但是指甲表面很緊密，即沒有疏松、顆粒物、團狀物、也沒有絮狀、缺損及孔洞，且板層之間呈疊狀生長。

圖2 正常指甲顯微結構掃描電鏡二次電子圖像

2.2 青年與老年指甲中所含元素分析

人體中微量元素代謝排泄的場所有很多，指甲就是其中一個。因此可以通過指甲的微量元素的比較，間接判斷人體健康。隨著年齡的增長，指甲中微量元素含量也會發生變化，但年齡并不是指甲元素變化的唯一因素，它還會受職業、所在地環境、飲食等因素影響[4]，所取指甲應在同一區域。采集的能譜分別如圖3和圖4所示，通過實驗檢測分析出青年和老年指甲中均含有C、O、S、Ca、Na、Fe等基本元素。指甲S的含量比在人體中含的較多，這是因為指甲是一種角蛋白，包含了較多的S，硫做為一種殺菌劑有利于皮膚病的治療。由表可看到老年指甲的Ca的含量比青年的含量少，但Na的含量比青年的要多。這是因為隨著年齡的增長腸道對鈣的吸收率降低，味覺閾值低下導致食用更多的鹽，自然Na含量也升高[5]。老年人Co含量低，可能有肝郁脾虛的癥狀。老年人Al的含量較青年人多，Al對人腦有不利影響，不應該攝入過多，老年人攝入太多Al會導致老年癡呆癥。

圖3 青年指甲能譜分析圖(EDS)

圖4 老年指甲能譜分析圖(EDS)

2.3 指甲帶有黑線的顯微結構特點

圖5為帶有黑線的指甲顯微結構圖像，其中可見，甲小板整體平整，緊致。整體和正常指甲的結構相似，但是可明顯看到有一條豎的溝壑。溝壑處甲小板有破損。由于甲床控制著指甲按一定形狀生長，當甲床受損傷時，則指甲畸形生長。因為甲小板的整體特征與正常指甲相似，沒有畸形生長，因此可以認為甲床未受損，甲小板的豎溝可能是因為局部結構變化導致的裂紋。角蛋白是構成指甲外胚層細胞的結構蛋白。由于角蛋白含有較多的胱氨酸，故二硫鍵含量特別多，在蛋白質肽鏈中起交聯作用，因此角蛋白化學性質穩定，有較高的機械強度。X射線衍射分析表明，角蛋白的空間結構有α-螺旋結構(α-角蛋白)和β-折疊片層結構(β-角蛋白)兩種類型。α-角蛋白在一定條件下充分伸展可逆地轉變為β-角蛋白，其分子結構取反平行式β-折疊片以平行的方式堆積成多層結構，鏈間主要以氫鍵連接。如果指甲末梢供血不充足，導致指甲生長過程中局部營養成份缺乏，就可能會使鏈間結合減弱，出現微觀結構裂紋。當胃 、 肝 、 膽 、 胰 、 脾 、 腸道等與消化系統有關的器官出現病理變化時[6]就會導致指甲末梢供血不充足，引起指甲出現類似圖5所示的現象。

依賴于指甲末梢供血情況，指甲上出現條紋的現象可以是短期存在，也可以長期存在。如果短時間出現，可能是短暫的器官機能下降。如果長期存在，則可能是體內出現慢性病變，因為指甲暗條紋與慢性肝炎存在著規律性聯系[7]。對于指甲暗條紋從中醫角度來說，則是指甲依賴于肝血和肝氣的營養，黑色的豎紋預示著肝腎機能的衰弱，可能有毒素蓄積在體內。

圖5 帶有黑線指甲在掃描電鏡下的顯微圖像

2.4 指甲帶有白點的顯微結構特點

指甲上的白點在醫學上叫做“點狀白甲癥”。導致指甲白斑的因素較多，如撞擊形成的外傷、營養狀況不佳、過敏、藥物的副作用以及真菌感染。真菌感染產生的病理性白點叫做“真菌性白甲”，顯微結構觀察可見到真菌的存在。圖6所示為撞擊外傷導致大拇指指甲白斑的掃描電鏡二次電子像，可見撞擊使甲小皮破損嚴重，出現很多溝壑和明顯的孔洞。除了點狀白甲癥，指甲上還可能出現赤、黃、絳、青、烏、紫等顏色的斑點，產生這些斑點的主要原因是指甲局部成份的改變，導致局部電子能帶結構的變化，改變了這些斑點處的吸收光譜特征，進而使得指甲上出現各種顏色的斑點。指甲局部成份的改變通常與血液提供營養的狀況有直接關系。當臟腑功能失調，消化吸收不良時，使得提供給指甲生長的營養不足，就會導致指甲上出現白色或其它顏色的斑點。因此，指甲上出現不同顏色的斑點就意味著全身健康狀況的變化，可能是某些器官功能下降(如急、慢性炎癥和脾胃及消化系統的氣積、血積或食積)，或者是皮膚病中的銀屑病和濕疹，以及飲食中缺乏礦物質、一些微量元素和維生素。

圖6 帶有白點指甲的掃描電鏡二次電子圖像

2.5 指甲帶有黑點的顯微結構特點

圖7所示的掃描電鏡二次電子圖像顯示了帶有黑點指甲的顯微結構，其中可見呈鱗片狀的甲小皮破損。當電鏡的放大倍數增加到5000倍時，可觀察到甲小皮上散亂分布了許多黑色襯度的小點狀區域，其黑色襯度的產生是由于這些區域發出的二次電子數量少，接收探頭接收到的成像信號弱所致。通常物資密度低和元素質量輕及有空洞的區域產生的二次電子數量少，在掃描電鏡圖像中呈現出襯度低，即黑色襯度。由此可知，圖7(c)中黑色襯度的小點狀區域中物資的密度低或元素質量輕。通常甲下出血點氧化后會形成黑色斑點，同時血液的氧化物在密度和元素質量方面都明顯低于正常指甲的組成物資，所以指甲上的黑點在掃描電鏡像中也呈現黑色襯度。構成指甲的螺旋結構α-角蛋白在一定條件下充分伸展可逆地轉變為折疊片層結構的β-角蛋白，其分子結構取反平行式β-折疊片的方式堆積成多層結構，層間主要靠范德華力維系。當微循環供血不足時，指甲生長缺少足夠的營養和相關元素，使螺旋結構的α-角蛋白不能充分伸展地轉變為折疊片層結構的β-角蛋白分，不完全伸展的螺旋結構α-角蛋白導致范德華力無法維系多層結構，出現呈鱗片狀的甲小皮破損。同樣地，微循環供血不足時，維生素缺乏使得毛細血管比較脆，容易破裂，形成甲小出血點，血液氧化后，出現指甲上的黑點。微循環供血不足亦會導致指甲生長的局域不均勻性，出現微觀尺度的空洞結構，這些微觀尺度的空洞結構同樣在光學圖像和掃描電鏡圖像中均顯示黑色襯度。

圖7 帶有黑點指甲的掃描電鏡圖像

2.6 趾甲帶有橫凹的顯微結構特點

圖8為帶有橫凹的趾甲顯微結構圖像，其中可見本來很緊致的甲小皮出現了起皮、干裂、各層次疏松、甲小皮的碎片狀不規則破損和區域性的團狀顆粒。同時肉眼可見甲體呈凹陷橫溝和甲柱面無光澤。這種指甲橫溝在臨床醫學上被稱為“博氏線”。指甲橫溝和甲小皮的不規則破損及局部的團狀顆粒很明顯地是指甲局域非均勻生長所致，而導致指甲局域不均勻生長的原因則是支撐指甲生長的養分不足。導致指甲生長養分不足的原因可能有多種，比如血液微循環不暢，臟器功能低下(如氣虛血耗，熱邪肺燥，肝氣郁結，肌膚風燥等)，體內缺乏維生素和微量元素(如腳氣導致腳趾指甲角化時出現類似的甲橫溝)，猩紅熱和肺炎等各種炎癥，以及大腸結熱證(如大便干燥秘結，肛門灼熱，口干煩渴，小便短赤，腹脹硬滿，甚則腹痛拒按，身熱面赤，舌苔黃燥)等均與指甲橫溝的產生有關。

圖8 帶有橫凹指甲的掃描電鏡圖像

2.7 指甲帶有豎凸條紋的顯微結構特點

如圖9所示，帶有豎凸條紋指甲的顯微結構特征是正常處甲小皮緊致，但凸起處的甲小皮板層粗糙且不平整，存在不同程度的裂紋和溝壑，紋理有方向性，可看到宏觀尺度的縱脊。指甲表面縱脊的出現依然源于身體為指甲生長中供給養分不充分所導致的指甲局域生長不均勻。過度勞累使得組織或內臟器官功能下降(如腎臟疾病以及免疫功能低下)，用腦過度[8]，抑或微量元素和維生素缺乏均可引起指甲局域生長不均勻，導致指甲的豎凸條紋。指甲凸豎紋也是一種衰老的征兆，因為隨著年齡的增長，人的器官功能下降，所以豎紋會隨年齡增長會逐漸出現，并越來越明顯。如果年輕人的指甲上出現數條凸起縱線，則可能是由于器官功能下降，特別是與呼吸系統和神經系統的疾病有關。

圖9 帶有豎凸條紋指甲的掃描電鏡圖像

2.8 黃色指甲顯微結構特點

圖10(a)和(b)分別是黃色指甲的低倍掃描電鏡圖像，其中可見甲小皮較稀疏，放大到5000倍可看到板層呈鋸齒形破損。甲小皮的稀疏和破損與指甲成份變化使螺旋結構α-角蛋白不能完全伸展而導致范德華力無法維系多層結構有關，因此甲小皮的破損可認為是器官功能低下導致的微循環不良所致。黃色指甲則是指甲成份變化所致，比如黃疸性肝炎、溶血性黃疸和阻塞性黃疸均可導致指甲被膽汁黃染[9]，所以一般肝膽疾患都會出現指甲變黃。由于肝、腎等器官的功能隨年齡增加而衰減，導致氣血虧虛，微循環不暢，老年人指甲生長所需的養分供給不足，容易出現指甲顏色變淡黃的現象，正如中醫所說的“爪甲不榮”。

圖10 黃色指甲的掃描電鏡圖像

2.9 甲床分離癥指甲的顯微結構特點

圖11為甲床分離癥的指甲顯微結構圖像，樣品為脫落的軟組織。由圖11可見，與正常指甲的微觀狀態甲小板的緊致，平整，層疊生長不同，該樣品呈現出囊狀生長，有較大的孔洞以及顆粒狀的堆積物。常見的甲分離(Onycholysis)通常表現為甲板和甲床的自發性分離，只有少數的甲分離是從近端向遠端分離，一般的甲分離都是從遠端開始[10]。甲分離在國外的研究報告中常被叫做普拉默的指甲(PlummerS nails)[11]。從指甲微觀結構的角度分析，甲分離是由于指甲的底面與相鄰皮膚表面的結合能力降低所致。指甲小板主要由鱗狀的角質層重疊產生的，可分三層，是致密半透明而結實的板片。角質是從氨基酸中產生出來的蛋白質。而這些特殊的蛋白質形成一種堅固的有彈性的物質-指甲板。指甲板由多層平整的角質細胞構成。這些板狀細胞由一種黏性很強的物質相互凝結在一起。當多層細胞相互粘在一起時，就形成了緊致，平整，層疊生長的微觀形態結構。硬角質層保護著甲床和指甲。指甲板的保護作用與其厚度成正比，如果指甲板太薄，就容易發生指甲起層和斷裂等損壞現象。由于指甲板是從氨基酸中生成的特殊蛋白質，當為指甲生長提供的氨基酸數量減少時，從氨基酸中生成特殊蛋白質的數量也會相應減少，使得指甲板的厚度變薄，進而出現甲分離現象。如果肝臟功能出現問題，會導致蛋白質合成不足，即使心肺功能正常，血液中依然沒有足夠的氨基酸和蛋白等營養物資支撐指甲的正常生長，導致指甲板變薄，出現甲分離。因此，多種影響氨基酸和蛋白質合成的系統性疾病及系統性用藥是造成甲分離的主要原因。

圖11 甲分離指甲的掃描電鏡圖像

3 結論

(1)通過對8種指甲樣品微觀結構的表征和分析，可得出如下結論：

正常指甲呈現出甲小板平整、緊致、光滑，板層結構呈疊層生長的特點。當維持指甲正常生長所需的營養物資不足時，指甲上就會出現表面疏松、孔洞、裂紋和溝壑等破損現象和多種顏色的斑點、團狀顆粒、豎凸條紋和甲床分離等各種異常現象。

(2)人體的各器官功能低下，將導致為指甲生長提供營養物資成份和數量的改變，因此，指甲微觀結構的變化與人體的健康狀態直接相關，通過指甲微觀結構的表征為評價人體健康狀態提供有價值的信息，對潛在的健康隱患進行預警。

(3)隨著年齡漸老，指甲中Ca和Co含量下降，Na和Al含量增加，其中Al含量的升高增加了罹患高血壓和癡呆性相關老年病的幾率。

目前，對影響指甲微觀結構變化因素的了解還很有限，一些影響指甲顯微結構特征的潛在因素還未被發現，尚有待于進一步的研究和探索，以便使得利用指甲輔助診斷人體健康狀況的方法更加完善。