皮膚衰老的特征與機制

雷銳 吳金峰

隨著我國人口老齡化和人均預期壽命的提高,了解衰老的特征和機制對促進健康老齡化至關重要。衰老是指與發病率和死亡率增加有關的功能和可重復性的時間依賴性持續變化的過程[1],主要由內在因素(遺傳)及外在因素(環境影響、營養、生活方式等)共同決定。皮膚作為最大的表皮器官,與環境直接接觸,使其更易受到外部環境的影響而導致衰老。皮膚老化和其他器官的老化一樣,特征是結構和功能的退行性改變,因為其肉眼可見,皮膚的老化相較其他器官更為明顯。隨著年齡的增長,人類皮膚不斷暴露于對其功能產生影響的內部和外部刺激,表現為皺紋、皮膚干燥、屏障完整性降低和表皮變薄。

皮膚的衰老過程主要分為內在衰老和外在衰老。內在衰老或稱時間順序性衰老,是一個不可避免的時間順序和生理改變的過程,導致皮膚老化的內在因素有時間、遺傳因素和激素等。而外源性衰老則主要局限于暴露的皮膚部位,如面部、頸部和手部,導致外源性皮膚老化的因素,包括陽光、空氣污染、香煙、營養因素、溫度、壓力等。因此,外源性衰老是基于內在衰老,并受環境因素的影響而導致的。而引起外源性衰老中最重要的因素是紫外線,故而外源性衰老也稱作光老化[2]。

1 皮膚衰老的臨床及組織學特征

皮膚由外表皮層、內真皮層、皮下組織及皮膚附屬器組成。表皮是多層上皮,主要由角質形成細胞組成。角化細胞的一種特殊形式的程序性細胞死亡——角化為環境提供了有效且持續更新的屏障[3],除表皮細胞外,表皮還存在黑色素細胞網絡,黑素細胞產生黑色素,保護人體免受紫外線輻射,此外還包括免疫系統的樹突狀抗原呈遞細胞網絡,即朗格漢斯細胞。這些網絡相互協調以維持皮膚功能正常運作[4]。不同細胞間的協調性隨年齡增加而下降,導致皮膚衰老。相較表皮,真皮細胞密度較低,主要由含大量蛋白質和特殊碳水化合物的細胞外基質(ECM)組成,細胞成分主要是成纖維細胞,其可分泌合成ECM。皮膚油脂的分泌受雄激素和腎上腺皮質激素的調節,而隨著年齡增長,激素分泌減少使得皮脂分泌減少,且伴隨皮脂腺萎縮、數目減少等。此外,皮膚水合能力也隨著年齡增加而下降,使皮膚呈漸進性老化[5]。皮膚的內在衰老和外在衰老在臨床和組織學方面存在相似之處,但也有著明顯的不同。

1.1 皮膚內在衰老的臨床與組織學特征 臨床上皮膚自然老化的特征包括皮膚變薄、干燥、細小皺紋、彈性降低、色素異常沉著等[6]。隨著年齡增長而發生的變化之一是表皮網狀脊的喪失導致的表皮層變薄,這種變化伴隨著真皮乳頭的衰減和喪失,其中包含部分負責表皮營養的精致毛細血管袢。此外,網脊的衰減也導致皮膚抵抗剪切力的能力下降[7]。組織學上表現為表皮變薄,表皮與真皮結合處變平萎縮,膠原蛋白、彈性蛋白等ECM含量減少,真皮層變薄[8]。隨著年齡增長,皮膚細胞數目減少且功能減退。表皮中角質形成細胞增殖分化減少,黑素細胞和朗格漢斯細胞減少;真皮中成纖維細胞、肥大細胞等細胞數量減少,體積變小[9]。

1.2 皮膚外在衰老的臨床與組織學特征 光老化在皮膚上的臨床表現包括表皮增厚、皮膚粗糙、失去彈性、皺紋粗大加深、毛細血管擴張、異常色素沉著[6],出現皮膚癌的可能性更高[10]。相較自然老化中成纖維細胞的數目減少、活性降低,光老化中的成纖維細胞功能亢進,且真皮內炎癥細胞的數目增加,其釋放的細胞因子可刺激蛋白水解酶的表達,進而引起膠原蛋白和彈性蛋白等ECM的降解。嚴重光老化皮膚中還可見真皮內堆積的大量變性、蓬亂增生的彈性纖維,這些物質的積累導致皮膚增厚粗糙、失去彈性[5]。此外,黑素細胞合成黑色素異常增多導致嚴重的色素沉著,且光老化皮膚常伴有血管壁增厚,血管周圍常有炎性細胞浸潤,血管網排列紊亂等[9]。

2 皮膚衰老的分子機制

皮膚衰老涉及多種機制和信號通路,其中氧化應激起著關鍵作用。光老化雖然在臨床與組織學上與皮膚內在衰老存在明顯差異,但它是發生在內在衰老的基礎之上,由紫外線加速皮膚衰老過程,兩者具有共同的分子機制[11]。因此,以下將從紫外線對皮膚的影響、氧化應激、細胞衰老及ECM降解4個方面對皮膚衰老的機制進行講述。

2.1 紫外線在光老化中的作用及機制 光老化主要是由皮膚暴露在紫外線下造成的。紫外線輻射(UVR)有3種類型:UVA (320～400 nm)、UVB (280～320 nm)和UVC (100～280 nm)。其中UVC被臭氧層吸收,因此只有UVA和UVB到達地球表面。由于UVB波長較短,大多數被表皮吸收,僅一小部分到達乳頭狀真皮層。而UVA可以深入表皮[12]。與UVA相比,UVB優先被吸收紫外線的分子,如芳香氨基酸、DNA、不飽和脂質等發色團吸收,并在結構上對其進行轉化,引發UVA之間或與其他分子間的化學作用,發揮生物功能。例如,DNA對中波紫外線的吸收形成嘧啶二聚體,引起DNA突變。UVA輻射則通過促進氧化損傷,通過增加活性氧(ROS)水平間接導致DNA損傷。DNA損傷的大量積累導致p53激活,可能誘導健康角化細胞凋亡[13]。

紫外線輻射產生ROS,引起破壞性氧化應激,還可以激活花生四烯酸途徑,介導炎癥反應[14]。而DNA損傷也可通過不同途徑誘導炎癥反應,炎癥也會引發DNA損傷,導致惡性循環,進而加劇皮膚光老化過程[15-16]。此外,UVR還會刺激皮膚ECM成分如膠原蛋白、彈性蛋白和糖蛋白的降解。UVR暴露顯著增加基質金屬蛋白酶(MMPs)的表達和分泌,誘導ECM蛋白降解[17]。而彈性蛋白及其剪接變體表達的增加又可引起光老化皮膚中彈性蛋白及其片段的真皮積累,這一過程被稱為太陽彈性癥[18]。ECM成分的病理改變可促進組織纖維化和細胞衰老,并引發炎癥反應[19]。總之,紫外線輻射直接或間接地擾亂皮膚的內穩態,誘發細胞應激,從而加劇皮膚衰老。

2.2.1 ROS來源:ROS的來源包括各種酶和非酶物質,如線粒體電子傳遞鏈、環加氧酶、過氧化物酶體氧化酶、還原型輔酶Ⅱ(NADPH)氧化酶和脂加氧酶。電子傳遞鏈位于線粒體內膜內,ROS作為線粒體有氧代謝電子傳遞鏈的副產物不斷產生,在皮膚中,大約1.5%～5%的氧氣消耗通過內在過程轉化為ROS[21]。但線粒體對皮膚中ROS產生的貢獻僅在干細胞中顯著,因為在角化過程中,角質形成細胞降解了包括細胞核、線粒體、過氧化物酶體和內質網在內的細胞器。近年的研究發現,內質網以及過氧化物酶體產生的ROS與線粒體一樣多,甚至更多[22]。在過氧化物酶體中充滿了各種各樣的酶,其中黃酮類酶/氧化還原酶可產生H2O2作為副產物。過氧化物酶體不僅產生H2O2,而且還能像線粒體一樣形成超氧化物。內質網則主要通過細胞色素P450家族成員以及蛋白質二硫異構酶PDI和內質網氧化還原蛋白-1 (ERO1)的組合產生ROS[23]。皮膚是人體與環境的界面,因此經常接觸污染物、外來生物和紫外線照射,這些外源性因素導致產生的ROS則稱為外源性ROS,其中又以紫外線照射引起的ROS在皮膚衰老中起的作用尤為重要。

2.2.2 抗氧化系統:人體細胞對ROS損傷具有多種保護機制,消除自由基的最重要的抗氧化酶是谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)。這種抗氧化酶可以通過與谷胱甘肽的巰基反應去除單線態氧、H2O2和有機過氧化物。其他抗氧化酶還包括超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶,它們分別消除超氧化物自由基和H2O2。非酶促抗氧化劑包括泛醇、類胡蘿卜素、維生素C(抗壞血酸)和維生素E等[22]。為了應對多種來源的ROS,皮膚也發展出復雜獨特的抗氧化機制。研究發現,大多數抗氧化劑在表皮中的濃度高于真皮層,角質層的抗氧化能力主要依賴于SPRR蛋白家族,這些蛋白質可以通過形成分子內二硫鍵來抑制ROS[24]。

2.2.3 ROS對皮膚細胞的損傷:當體內ROS產生過多時,可損傷DNA、蛋白質、脂質,進而對細胞產生損傷。ROS可通過與DNA堿基的相互作用直接破壞DNA,目前研究最多的DNA損傷類型是由單線態氧介導的鳥嘌呤氧化成8-氧鳥嘌呤(8-oxoG),它的核苷酸類似物8-氧脫氧鳥苷(8-oxo-dG)在復制過程中通過配對腺嘌呤而不是胞嘧啶分子,以及將鳥嘌呤轉化為胸腺嘧啶分子,產生GC到TA的轉化,導致細胞功能異常[24]。此外,ROS還可損傷RNA,這些氧化損傷導致翻譯效率降低,進而引起蛋白質異常和酶功能異常[25]。

ROS的另一個靶標是線粒體DNA (mtDNA)。由于缺乏修復機制和組蛋白,mtDNA易發生氧化應激誘導的損傷,并且比基因組DNA具有更高的突變頻率。單線態氧由UVA和光敏劑相互作用反復產生,可引起mtDNA的大規模缺失。mtDNA的這種損傷導致電子傳遞鏈和氧化磷酸化過程的缺陷,最終導致ATP產生減少。氧化磷酸化受損也會增加單線態氧的產生,從而導致更多的mtDNA突變[26]。反復暴露于UVA后,成纖維細胞發生mtDNA缺失,并通過線粒體和細胞核之間的逆行途徑導致基因表達模式改變,而成纖維細胞的功能和結構變化會影響皮膚結構,如膠原蛋白,并導致皮膚光老化[27]。

ROS還可影響脂質和蛋白質。脂質過氧化不飽和脂肪酸鏈的ROS產生脂質氫過氧化物作為主要產物,它們對DNA堿基具有反應性,可通過產生無法修復的MDA-DNA加合物損傷DNA[28],而膜脂損傷又可導致膜流動性改變、細胞膜滲漏或膜結合細胞受體功能障礙。當某些氨基酸在氧化應激中轉化為氧化形式時,蛋白質會發生修飾和隨后的構象變化,氧化反應產生的活性物質還可以氧化其他生物靶點并誘導蛋白質交聯[27]。此外,氨基酸可以被不同途徑產生的不同ROS氧化,如單線態氧主要破壞氨基酸的側鏈,而側鏈的氧化可導致有關蛋白質或酶的性質和功能發生變化[29]。

2.2.4 ROS對皮膚衰老相關信號通路的影響:盡管少量ROS的存在已被證明對維持身體或細胞的健康有益,如激活環加氧酶和脂加氧酶,調節炎癥過程等[30],但ROS仍誘導和加速包括皮膚老化在內的衰老過程,同樣,光老化的發生也與ROS的產生有關[31]。紫外線會導致ROS增加,而ROS可通過刺激絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和激活由c-Fos和c-Jun組成的異二聚體激活蛋白1 (AP-1)誘導MMPs的合成[32]。MMPs可以降解ECM中的膠原蛋白和彈性蛋白,促進皮膚衰老。此外,ROS和活化的MAPK信號通路可以激活NF-κB,從而影響介導炎癥的多種細胞因子的表達[33]。另外,活化的NF-κB可調節血紅素氧合酶-1 (HO-1)的表達,間接增加細胞中游離鐵的水平,從而通過Fenton反應促進ROS的進一步產生[34]。

2.3 細胞衰老在皮膚衰老中的作用及機制 細胞失去增殖能力,進入不可逆的細胞周期停滯狀態,被稱為細胞衰老或復制性衰老。衰老的細胞停滯在有絲分裂的G1期,且對有絲分裂 E2F信號不敏感[35]。衰老細胞的特點是不能增殖、不能抗凋亡、分泌促進炎癥和組織惡化的因子,這種特殊的分泌狀態被稱為衰老相關分泌表型(SASP)[36]。細胞衰老既可以發生在生理狀態如組織修復過程中,也可發生在病理狀態如癌癥中[37]。生理狀態下,誘導細胞衰老的信號是端粒縮短和功能障礙(即所謂的復制性衰老)。其他因素如直接和持續的DNA損傷、氧化應激、腫瘤抑制因子或原癌基因的激活、線粒體功能障礙也可誘導細胞衰老[2]。衰老細胞通常表現為形態異常,如體積增大、變平、顆粒增多等,衰老相關β-半乳糖苷酶(SA-β-Gal)目前被認為是識別衰老細胞的金標準[38]。

衰老在傷口愈合過程中可防止纖維化,抑制腫瘤形成,但它也是導致年齡相關疾病的主要因素[39]。衰老是由衰老過程中發生的端粒縮短和基因組不穩定引發的,由于皮膚持續暴露于UVR和污染等外部壓力源,累積的環境因素可能會促進衰老和炎癥表型,而衰老細胞的積累可導致慢性炎癥和代謝功能障礙,進一步加劇皮膚的衰老過程[40]。

目前認為成纖維細胞的衰老在皮膚衰老中起主要作用。成纖維細胞是構成皮膚真皮層的主要細胞類型,它們產生ECM的組成部分。在UVR照射下可檢測到細胞周期蛋白依賴性激酶p16INK4a和p21以及腫瘤蛋白p53水平升高,衰老相關SA-β-gal的表達增加,核層蛋白B1(Lamin B1)減少[41],表明成纖維細胞獲得衰老樣表型。隨后衰老成纖維細胞數量的增加導致產生富含促炎細胞因子的SASP,包括IL-1、IL-6、IL-8、IL-18、MMPs和各種其他炎癥趨化因子,這些細胞因子可以誘導c-Jun N-末端激酶(JNK)和轉錄因子激活蛋白(AP-1),它們隨后激活MMPs,導致膠原蛋白分解和彈性喪失,從而形成皺紋[42]。成纖維細胞可以釋放對調節表皮細胞增殖和分化平衡至關重要的胰島素樣生長因子(IGF)-1,而衰老成纖維細胞由于功能失調線粒體中超氧陰離子的產生增加,IGF-1信號明顯降低。IGF-1通路的抑制不僅抑制真皮層膠原合成,而且由于DNA損傷誘導的磷酸化組蛋白、γH2AX和p16INK4a陽性表皮細胞的積累增加,導致表皮萎縮[43]。此外,在衰老的成纖維細胞中ROS濃度的增加還會增強AP-1和NF-κB依賴的信號通路,從而導致炎癥[44]。

與成纖維細胞相比,皮膚角質形成細胞的周轉率更高,因此對皮膚衰老的影響僅限于表皮。UVR產生ROS可導致MAPKs的磷酸化,隨后激活細胞外信號調節激酶(ERK)、p38和JNK, 這些分子隨后激活AP-1的c-Jun和c-fos成分,進一步增加MMPs的表達。其他升高的SASP包括促炎細胞因子,如TNF-α、IL-1α、IL-1β和IL-6[45]。此外,最近一項關于黑素細胞衰老的研究報道,衰老的黑素細胞SASP以旁分泌方式誘導端粒功能障礙,并通過激活CXC趨化因子受體3(CXCCR3)依賴性線粒體ROS來限制周圍細胞的增殖。因此,衰老的黑素細胞會影響和損害基底角化細胞的增殖,并導致表皮萎縮[46]。

2.4 ECM降解在皮膚衰老中的作用及機制 如前所述,氧化應激及細胞老化過程中都存在ROS通過刺激絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和激活由c-Fos和c-Jun組成的異二聚體AP-1誘導MMPs的合成[47]。MMPs可以降解ECM中的膠原蛋白和彈性蛋白,其中膠原酶(MMP-1)是唯一能夠分解完整纖維性膠原的MMP,其他類型的MMP,如92 kDa明膠酶(MMP-2)、基質裂解酶(MMP-3)和72 kDa明膠酶(MMP-9)可以進一步分解降解的膠原片段[48]。此外,NF-κB和AP-1可以降低基質金屬蛋白酶抑制劑(TIMPs)的轉錄水平,而TIMPs/MMPs的下降更有利于進一步降解膠原和彈性蛋白[49]。

轉化生長因子-β(TGF-β)通過Smad途徑促進ECM形成,是誘導Ⅰ型前膠原合成和分泌的主要途徑之一。而UVR可通過激活AP-1下調TGF-βⅡ型受體的表達,影響下游Smad/TGF-β信號通路,進而減少編碼Ⅲ型和Ⅰ型膠原前體的COL3A1和COL1A1基因的轉錄,間接減少膠原的生物合成[50]。因此,TGF-β/SMAD信號受損可使膠原合成減少,導致真皮變薄。

3 小結

皮膚作為體表器官,其衰老得以最直觀的感受。而皮膚衰老除了由遺傳、年齡等因素導致的內源性衰老,還有主要由紫外線引起的光老化。兩者雖然在臨床和組織學方面存在較大差異,但其分子機制是相關聯的。自然老化主要由于體內產生的過多ROS引起,光老化則是在此基礎上由UVR進一步加劇ROS的產生,而ROS的產生造成DNA、蛋白質、脂質的損傷,引起細胞衰老。此外,氧化應激和細胞衰老又可通過激活多條信號通路引起ECM的降解,導致皮膚衰老。