第十四节　皮肤结缔组织代谢

近年来有关结缔组织成分的研究进展迅速，发现了许多新的成分，阐明了许多疾病的分子机制。

一、参与皮肤结缔组织代谢的主要细胞

1.成纤维细胞

成纤维细胞的主要功能是合成各种胶原（collagen）、弹性蛋白（elastin）及其他ECM成分，同时还产生分解这些成分的酶类，从而维持其代谢平衡。在受到某些刺激时成纤维细胞能够进行迁移、增殖及加速合成ECM，这些作用在创伤愈合等组织修复中是十分重要的。但成纤维细胞的过度增生和合成ECM过多则可形成病理性纤维增生，如瘢痕疙瘩。此外，成纤维细胞的某些功能缺陷往往是一些遗传性结缔组织病的原因。成纤维细胞很容易在体外培养，对研究其生物学作用极有帮助。利用细胞培养技术，许多成纤维细胞的功能，产生的各种结缔组织成分及其编码基因等得以发现。诸多细胞因子可以影响成纤维细胞的功能，如成纤维细胞生长因子、单核巨噬细胞集落刺激因子（GMCSF）、血小板源性生长因子（PDGF）等，促进其增殖和胶原合成，对于及时有效的组织修复具有重要的意义。

2.角质形成细胞

也是重要的结缔组织成分，调节和产生细胞，可产生Ⅳ、Ⅶ、Ⅷ型胶原、板层素和一些氨基聚糖，还可产生多种细胞因子和基质金属蛋白酶，积极参与结缔组织成分的合成和调控。

3.其他细胞

真皮是一个多血管组织，血管内皮细胞、多种白细胞、淋巴细胞及肥大细胞等对结缔组织成分的合成和分解都发挥重要的调节作用，特别是在炎症及创伤等过程中，由于这些细胞浸润后可产生各种细胞因子，其调节作用就更加明显。如血管内皮生长因子促进血管内皮细胞的迁移、增殖和分化而促进结缔组织的新生。肥大细胞可以通过产生IL-4刺激成纤维细胞的增殖，促进结缔组织的修复。巨噬细胞在结缔组织中对维持胶原的平衡起着复杂和重要的作用，它一方面可以促进纤维增生，另一方面又可以促进胶原降解，这与其中的金属蛋白酶的作用有关。另外，脂肪细胞可分泌瘦素，作用于下丘脑，从而调节脂肪和能量代谢，并发挥脂肪组织重建和维持结缔组织的功能。另有研究证实，瘦素还可以促进胶原合成。

二、胶原

胶原主要位于真皮，约占皮肤干重的80%～85%，是细胞外基质中最主要的成分，是一类具有遗传特异性的蛋白超家族。目前发现的胶原至少有29种，在皮肤表达的至少有12种。尽管这些胶原的聚合方式不一，但它们的初级结构却极为相似。所有的胶原分子均由三条α链组成，再以三螺旋或超螺旋形式形成胶原分子。按分子结构特点的不同，胶原可分为三类：第一类为纤维型胶原，包括Ⅰ～Ⅲ型，Ⅴ型和Ⅺ型胶原。它的特点是分子量大，整个分子均为由三条α链组成的三螺旋结构；第二类胶原包括Ⅵ、Ⅶ、Ⅻ型胶原，除有三螺旋结构外，还有非胶原成分将三螺旋结构隔开，分子量较小。第三类胶原为短链胶原，分子量小，包括ⅩⅢ、Ⅺ和Ⅹ型胶原等。真皮细胞间主要是Ⅰ和Ⅲ型胶原，而在基底膜、真皮血管、神经和皮肤附属器周围的主要是Ⅳ型胶原。胶原的韧性为皮肤提供了有效的抗张强度。在婴儿和青年人皮肤中，Ⅰ型胶原蛋白的含量较多，约占70%，Ⅲ型胶原蛋白相对较少，约占30%。而在衰老过程中，成纤维细胞合成Ⅱ型胶原蛋白增加，Ⅰ型胶原蛋白减少。

三、弹力蛋白（elastin）

弹力蛋白本身是一具有特异弹力及张力的蛋白。弹力纤维（图2-7，图2-8）的力量来自于特殊的交联桥粒结构和异桥粒结构。随着赖氨酸残基的酶促氧化脱氨基作用，这些交联结构产生弹性。弹力蛋白的可溶性前体——原弹力蛋白的发现可帮助了解弹力蛋白的部分性质。原弹力蛋白的分子量大约有70kD，原弹力蛋白的交联发生迅速，其被分泌到细胞外后规则地分布于微丝周围，并且在分子间通过桥联结构形成交联，交联过程需赖氨酰氧化酶催化。每四个原弹力蛋白分子形成这样一个交联。原弹力蛋白的交联迅速发生，最终形成一不溶性的多聚体—弹力蛋白。

弹力蛋白的表达受到多种因素的影响和调控，如在皮肤中，TGF-β1促进弹性蛋白的表达，延缓其降解。IGF和IL-10同样具有上调弹力蛋白表达的作用。在人类皮肤中，弹力蛋白的特征之一就是它在皮肤衰老过程中进行性降解，片段化甚至消失。除了在伤口愈合处的真皮质中，在肺、大动脉等器官中存在大量的弹力蛋白。弹力蛋白的产生始于妊娠中期，在出生前达到高峰，新生儿早期表达减少，到成年期处于较低水平。但在某些疾病过程中可伴随弹力蛋白表达的改变。已有文献报道，在乳房肿瘤、肺气肿及肝纤维化中有弹力蛋白的沉积和表达增加。

四、基质

基质（ground substances）为结缔组织中在细胞及纤维间充满的无定形物质的总称。由多种非胶原性糖蛋白（结构性糖蛋白）、蛋白多糖和氨基聚糖构成，结构性糖蛋白包括纤维连接素（fibronectin）、板层素（Laminin）、玻连蛋白、腱糖蛋白及巢蛋白等。蛋白多糖是由蛋白质与氨基聚糖结合而成。氨基聚糖的基本构成为氨基糖和糖醛酸的重复结构，皮肤的氨基聚糖至少已发现有7种：①透明质酸（HA）；②4-硫酸软骨素；③6-硫酸软骨素；④硫酸皮肤素；⑤硫酸角质；⑥肝素；⑦硫酸乙酰肝素。其中HA是唯一不含硫酸的成分，是由两个糖基、葡萄糖醛酸和N-乙酰氨基葡萄糖组成的超过30 000重复单位的直链多聚糖大分子聚合物。皮肤中氨基聚糖属于生物大分子，对保持皮肤的水分有重要作用，每克可结合约500ml水，尤其是透明质酸，其结合水分子的能力较强。基质不仅有支持、连接细胞作用，而且还可通过其在细胞表面的特异受体-整合素（integrin）的β亚单位参与细胞的形态变化、增殖、分化及迁移等多种生物学作用。基质占皮肤干重的0.1%～0.3%。细胞外基质在组织创伤修复过程中起着重要作用。基质的合成和降解失衡与组织瘢痕形成、纤维硬化症等关系密切。

五、结缔组织成分的分解与调节

1.胞内金属蛋白酶（MMPs）

结缔组织成分的分解由一组酶系统来完成，这些酶称为基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP），它们是一族锌离子依赖的内肽酶。随着认识的深入，人们发现以往所谓的胶原酶（collagenase）不仅能降解各类胶原，同时也能降解蛋白多糖及其他基质蛋白。这些酶组成一个庞大的，在结构和酶学性质上高度相关的蛋白质家族，并且其成员在不断发现。这些酶能由皮肤中不同类型的细胞产生，如成纤维细胞、角质形成细胞、单核巨噬细胞和内皮细胞、肥大细胞和嗜酸性粒细胞。一般来说，MMPs在皮肤中不作为主要组成成分。但MMPs在不同的生理情况下扮演重要角色，如组织形态再造、组织修复、血管再生等过程中的ECM溶蛋白重塑形过程。另一方面，MMPs在结缔组织成分的过度降解中起关键作用，如类风湿关节炎、骨关节炎、慢性溃疡、皮肤光照老化等。而肿瘤细胞浸润和转移过程中MMPs亦起到重要作用。与真皮基质的胶原一样，新的胶原酶不断被发现，这些酶不仅能降解胶原，也能降解纤维连接素、明胶、蛋白多糖等。这类酶含有金属离子如Zn2+。同时也需要Ca2+作为协同因子。由于该酶极易在缺乏Ca2+的情况下变性，因此能被螯合剂如EDTA灭活；如果重新加入Ca2+则其活性部分恢复。

MMPs系统是一类包括原纤维胶原、非原纤维胶原、纤维连接素、板层素、以及基底膜或间质基质糖蛋白在内的酶，在ECM蛋白质代谢过程中起到关键的作用。根据其特征性的活性，这些酶可用于治疗发病机制涉及组织降解的各种癌症和关节炎等疾病。在诸如伤口愈合、妊娠、血管增生等正常生理过程中，MMPs参与基质蛋白的细胞外降解和分解，有文献报道MMPs也能促使细胞穿越基底膜。各种类型细胞中MMPs的释放与许多疾病的发生发展有关，如炎症性皮肤病、关节炎、牙周炎、组织溃疡等。现已证明：疾病过程中的组织损害常常与MMPs和TIMPs（金属蛋白酶组织抑制因子）之间的平衡失调密切相关。

2.弹性蛋白酶

弹性蛋白酶是一种能降解可溶性弹力蛋白或其合成底物的一组酶的总称。不同的研究者对成纤维细胞的弹性蛋白酶的分类尚不一致，有人把它归类于MMPs；有人把它归于丝氨酸蛋白酶，因此对其命名亦较为困难。

最有特征的弹性蛋白酶来自多形核细胞，一般称为中性粒细胞弹性蛋白酶，属于丝氨酸蛋白酶。中性粒细胞弹性蛋白酶存在于多形核细胞的嗜苯胺蓝颗粒中，不仅能降解弹力蛋白，亦能分解纤维型胶原的交联区，Ⅲ型和Ⅳ型胶原的螺旋区以及纤维连接素。巨噬细胞弹性蛋白酶是一金属蛋白酶，但更像中性粒细胞酶，它是非特异性的。胰酶与中性粒细胞酶一样，也是一种丝氨酸蛋白酶。这两种蛋白酶水解疏水氨基酸如丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸等之间的肽键。

3.蛋白水解酶

蛋白水解酶（proteolytic enzyme）通过催化多肽链的水解而使皮肤中的蛋白质降解。其种类繁多，由于缺乏严格的底物特异性，故分类较困难。按其作用方式一般分为肽链内切酶（蛋白酶，proteinase）和肽链外切酶（肽酶，peptidase）两大类。

在人类皮肤中发现和提纯的肽链内切酶有：酪蛋白水解酶、糜蛋白酶、胰蛋白酶，胶原酶、白明胶酶和弹性蛋白酶、激肽释放酶、C₁-酯酶、纤维蛋白溶酶、组织蛋白酶（cathepsin）、钙离子激活蛋白酶等。肽链外切酶也发现较多，但只有少数被纯化，如：氨肽酶、羧肽酶、二肽基肽酶和二肽酶等。在人类皮肤和血浆中尚含有一些这些蛋白水解酶（特别是蛋白酶）的抑制剂，较为重要的为α₂-巨球蛋白。蛋白酶和蛋白酶抑制剂之间存在着微妙的平衡关系，在疾病过程中起着重要作用。一种少见的常染色体显性遗传病——遗传性血管性水肿，就是因为血浆中功能性的C₁-酯酶抑制剂缺乏，导致皮肤和黏膜的水肿。

皮肤中的蛋白水解酶在正常情况下参与细胞与细胞外结构物质的代谢。前者包括细胞内蛋白质的消化（溶酶体酶）以及表皮角化过程中的蛋白质代谢；后者包括胶原酶、弹性蛋白酶、纤维连接蛋白和蛋白多糖的作用以及酶原、大分子结构物质和激素的激活。除此之外，蛋白水解酶还参与皮肤病发生发展过程中的许多病理生理过程，如皮肤的炎症过程和细胞功能的调节。前者包括释放化学趋化性肽，增加血管通透性，降解结构蛋白及细胞的去附着和细胞毒作用；后者包括加强细胞的分化和增殖、恶性转移及恶性细胞的侵袭。通过研究皮肤病中的蛋白水解酶可能为澄清皮肤病的发病机制提供有用的线索。