Эпидермис
Эпидермис – самый поверхностный слой кожи. Это наша естественная «одежда», состоящая из нескольких слоев клеток. И она устроена очень сложно. Клетки кожи зарождаются в самом глубоком слое эпидермиса и, продвигаясь наружу, претерпевают значительные изменения. Они особым образом специализируются, чтобы защищать человека от внешних воздействий, и эта специализация неминуемо приводит к их гибели. Такова судьба большинства «жильцов» любого многоклеточного организма: подчинение жесткой диктатуре и самопожертвование ради того, чтобы единая сложная система могла существовать и успешно функционировать.
Кожа
Слои эпидермиса
По сравнению с другими животными, эпидермис человека относительно толстый и прочный1. Видимо, эволюция сделала нам этот подарок, стараясь компенсировать отсутствие шерсти. Общая толщина кожи на разных участках тела неодинакова. Свой вклад вносит как эпидермис, так и дерма. Например, кожа на ступнях и ладонях самая толстая, потому что здесь эпидермис содержит максимальное число слоев – пять. Кожа в верхней части спины тоже считается толстой, но уже за счет дермы, а эпидермис здесь тонкий, в его состав входит только четыре слоя.
Итак, максимальное число слоев эпидермиса – пять. Самый глубокий из них — базальный, далее следуют шиповатый, зернистый, блестящий и роговой (рис. 1). Они различаются как по строению входящих в их состав клеток, так и по функциям. В базальном слое находятся стволовые клетки, которые ответственны за обновление кожи. Их потомки постепенно продвигаются наружу, претерпевают биохимические и морфологические изменения. В конце концов они погибают, превращаются в роговые чешуйки и отшелушиваются2. Основные клетки, составляющие все слои эпидермиса, называются кератиноцитами (в роговом слое – корнеоцитами). Они составляют примерно 90-95% от всех клеток3.
Рисунок 1. Пять слоев эпидермиса4
Почему на разных участках кожи эпидермис разной толщины?
На этот вопрос в 2016 году смогли ответить японские ученые из Университета Хоккайдо. Команда исследователей под руководством профессора Томоми Немото разработала новый метод прижизненного наблюдения за микроскопической структурой кожи мышей в режиме реального времени. Визуализация in vivo осуществлялась с помощью двухфотонного микроскопа.
Ученые обнаружили, что в коже с толстым эпидермисом клетки базального слоя делятся с высокой частотой и в диагональном направлении, а с тонким эпидермисом – более медленно и параллельно базальной мембране. Таким образом, направление деления клеток имеет важное значение в поддержании структуры и гомеостаза эпидермиса. Авторы работы надеются, что их открытие также поможет лучше понять развитие некоторых кожных заболеваний, аллергических реакций, дополнить знания о механизмах защиты и разработать новые лекарственные препарат5 6.
Рисунок 2. Деление клеток в коже с толстым и тонким эпидермисом6
Базальный слой
Базальный, или ростковый, слой эпидермиса самый глубокий. Его клетки имеют цилиндрическую форму, а под микроскопом выглядят как кубики или столбики. Они митотически активны и постоянно производят новые кератиноциты. Своим нижним краем эти клетки прикреплены к базальной мембране – структуре, отделяющей эпидермис от дермы. В базальных клетках много рибосом и митохондрий, но слабо представлена эндоплазматическая сеть и аппарат Гольджи.
Клетки базального слоя синтезируют кератин – белок, уступающий среди материалов биологического происхождения по прочности только хитину. Он очень важен для поддержания целостности кожи и ее защитных функций. Причем, в разных слоях эпидермиса структура кератина различается. В базальном слое он имеет молекулярную массу 50/58 кД, в шиповатом – 56,5 кД, а в роговом – 64/58 кД. Различается и толщина филаментов, состоящих из кератина: от 3,5–4,5 нм в базальном слое до 9–10 нм в вышележащих слоях.
Каждая клетка в базальном слое эпидермиса зафиксирована на своем месте. С соседними клетками она соединяется с помощью прочных контактов – десмосом. Десмосома представляет собой бляшку на клеточной мембране, к которой изнутри прикреплены промежуточные филаменты из кератина (рис. 3)3.
Рисунок 3. Строение десмосомы и белки, которые входят в ее состав. Dsg – десмоглеин, Dsc – десмоколин, PG – плакоглобин, PKP – плакофилин, DP – десмоплакин, IF – промежуточные филаменты
Десмосома устроена довольно сложно. В ее состав входят белки кадгерины (десмоглеин, десмоколин), белки семейства armadillo (плакоглобин, плакофилин), плакины (десмоплакин). Раньше считалось, что десмосомы – всего лишь способ соединения клеток между собой, что-то вроде сварных швов. Но последующие исследования показали, что они выполняют более сложные функции. А именно способствуют обмену сигналами между клетками, участвуют в регуляции их дифференцировки, архитектуры цитоскелета, клеточной миграции и экспрессии генов. Обнаружены различия в белковом составе десмосом базального и вышележащих слоев эпидермиса7.
Мутации в генах белков десмосом приводят к заболеваниям кожи и сердца. Например, известно, что дефект в гене плакофилина-1 связан с синдромом эктодермальной дисплазии. Мутация в гене плакоглобина приводит к болезни Наксоса, которая проявляется в виде кардиомиопатии, кератозе ладоней, подошв и «шерстистых волос» (хрупкие, сильно завитые волосы на голове). При дефекте в гене десмоглеина-1 развивается ладонно-подошвенная кератодермия, характеризующаяся утолщением эпидермиса, а в генах десмоглеинов-3 и 4 – гипотрихоз и повышенная ломкость волос.
Между клетками эпидермиса у человека есть щелевые контакты – нексусы (рис. 4). Такой контакт по сути представляет собой канал (коннексон), через который клетки могут обмениваться водой, ионами, малыми молекулами и электрическими импульсами. Площадь контакта составляет 0,5–3 мкм, а расстояние между клеточными мембранами в этом месте – 2–3 нм. Канал состоит из белков-коннексинов диаметром 7 нм, упакованных в виде гексагональной структуры8.
Рисунок 4. Щелевые контакты между клетками – нексусы8
К базальной мембране клетки базального слоя прикрепляются с помощью полудесмосом. Как и десмосомы, они состоят из множества белков и напоминают бляшки. Та бляшка, что находится на клеточной мембране, состоит из белка BP230 и плектина. В состав наружной бляшки на базальной мембране входят белки интегрин α6β4 и коллаген XVII. Между ними находятся белок BP180 и ламинин-332 (рис. 5).
Рисунок 5. Строение полудесмосомы9
Как и десмосомы, полудесмосомы – не просто «фундамент», а структура для “общения” между клетками и внеклеточным матриксом. Например, интегрин α6β4 передает внутрь клеток сигналы, которые регулируют архитектуру их цитоскелета, пролиферацию, дифференцировку и апоптоз. Нарушение функции полудесмосом приводит к тяжелым поражениям кожи с возникновением пузырей. Например, буллезному пемфигоиду, рубцовому пемфигоиду, буллезной красной волчанке. Еще эти структуры важны для нормального развития и заживления эпидермиса, влияют на распространение злокачественных опухолей. Некоторые функции белков, из которых состоят десмосомы, были изучены относительно недавно, а еще о многом ученым предстоит узнать. Возможно, это поможет в профилактике и лечении некоторых заболеваний, в том числе злокачественных опухолей9 10 11.
Также базальный слой содержит меланоциты – клетки, вырабатывающие пигмент меланин, который придает коже цвет и защищает ее от ультрафиолетового излучения12 13.
Самая интересная и важная особенность базального слоя эпидермиса заключается в том, что именно в нем находятся стволовые клетки, за счет которых происходит обновление кожи и заживление ее после повреждений. Механизмы обновления кожи с помощью стволовых клеток будут рассмотрены далее в соответствующей главе.
Шиповатый слой
Шиповатый слой эпидермиса включает в себя до 10 слоев клеток (например, 3–4 слоя на волосистой части головы, там, где кожа тонкая, и 10 слоев в области ладоней и подошв). Свое название он получил за то, что клетки здесь неправильной, полигональной формы, и на них есть отростки – “шипы”. На концах этих “шипов” находятся десмосомы12 14.
Если не считать различий в форме, то клетки шиповатого слоя внутри имеют примерно такое же строение, как и в базальном. Еще одно отличие — в том, что в них увеличивается количество тонофиламентов, состоящих из кератина. Одни из этих филаментов соединяются своими концами с десмосомами, а другие образуют «скелет» внутри клеток. Их задача – защищать клеточное ядро от смещений и правильно распределять механические нагрузки. Чем ближе к поверхности кожи, тем кератиноциты шиповатого слоя более плоские. В них появляются особые гранулы (ламеллярные тельца, гранулы Одланда, кератиносомы). Они имеют овальную форму и размеры 300–400х100–150 нм. Кератиносомы равномерно распределены по всей цитоплазме клеток, и в них находятся различные соединения: глико- и фосфолипиды, церамиды, гидролитические (обеспечивающие внутриклеточное расщепление молекул) ферменты, свободный стерин, белки, обладающие антимикробной активностью3 15.
Несмотря на то, что в клетках базального слоя тоже присутствует кератин, его синтез «в промышленных масштабах» начинается именно в шиповатом слое. Кроме того, тут производится водоотталкивающий гликолипид, который делает кожу водонепроницаемой и защищает ее от потери влаги.
Помимо кератиноцитов, в шиповатом слое эпидермиса присутствуют клетки Лангерганса. Это макрофаги – «пожиратели», которые поглощают бактерии, аномальные клетки и другие инородные частицы16.
Зернистый слой
Зернистый слой эпидермиса содержит от 2–3 (в тонкой коже) до 5–6 (в толстой) слоев клеток овальной или ромбовидной формы. По сравнению с шиповатым слоем, в нем значительно увеличивается число гранул Одланда, и теперь они преимущественно располагаются под клеточной мембраной. Зернистый слой – своего рода граница, он проводит черту между живыми, активно размножающимися, кератиноцитами и клетками эпидермиса, которые уже погибли и начали превращаться в роговые чешуйки.
В кератиноцитах зернистого слоя синтезируется большое количество кератина и кератогиалина, который накапливается в виде гранул. Именно эти два белка составляют основную массу кератиноцитов зернистого слоя и, собственно, придают им зернистый вид. В кератогиалиновых гранулах содержится филаггрин – белок, богатый аминокислотой гистидином. Его функция – собирать вместе и стабилизировать тонофиламенты.
Помимо филаггрина, в кератиноцитах зернистого слоя синтезируются белки кератолинин, инволюкрин, лорикрин. Они накапливаются под клеточной мембраной и увеличивают ее толщину до 150 нм. Подробное описание функций молекул, которые содержатся в зернистом слое эпидермиса, представлено в Таблице 1 16 17 3 12 13.
Таблица 1. Основные компоненты клеток зернистого слоя эпидермиса и их функции.
| Название соединения | Локализация | Функции |
|---|---|---|
| Кератин | Цитоплазма | каркас, который придает клетке механическую прочность, обеспечивает ее поляризацию, поддерживает целостность; влияние на митотическую активность; осуществление клеточного транспорта; передача сигналов извне и внутри клетки; регуляция клеточной пролиферации и дифференцировки; регуляция апоптоза.18 |
| Кератогиалин | Цитоплазма клетки в виде гранул | Белок, который накапливается в кератиноцитах и представляет собой предшественник кератина |
| Филаггрин | Кератогиалиновые гранулы | Название происходит от словосочетания «белок, агрегирующий филаменты». «Склеивает» в пучки промежуточные филаменты из кератина19 |
| Кератолинин | Изначально – цитоплазма клетки | Участвует в формировании клеточной оболочки, обеспечивающей защиту клетки. |
| Инволюкрин | Изначально – цитоплазма клетки | Связывается с другими молекулами инволюкрина, лорикрином, кератином, периплакином и другими молекулами, формируя нерастворимую клеточную оболочку под мембраной. Она обеспечивает структурную поддержку клетки, ее защиту, в том числе от патогенных микроорганизмов20 |
| Лорикрин | Изначально – цитоплазма клетки | Основной компонент клеточной оболочки – составляет до 70–80% от всех соединений в ее структуре. Обеспечивает барьерную функцию рогового слоя кожи. Защищает от механического стресса21 22 23 24 |
| Липиды | Изначально – лизосомы и гранулы Одланда | Входят в состав внеклеточного матрикса, обеспечивают водонепроницаемость, связывают клетки между собой, способствуют слущиванию25 |
| Гидролитические ферменты | Изначально – лизосомы и гранулы Одланда | Выделяясь из лизосом, разрушают ядра, митохондрии, аппарат Гольджи и другие органеллы. В итоге получаются мертвые «клетки-призраки», из которых и состоят блестящий и роговой слои25 |
| Антимикробные белки | Изначально – в гранулах Одланда | Важный компонент врожденного иммунитета кожи. Дефензины и кателицидины представляют собой белки с широким антимикробным действием. Их эффекты обусловлены двумя свойствами:
|
Блестящий слой
Блестящий слой есть только там, где эпидермис имеет большую толщину – на ладонях и подошвах. Он состоит из 2–3 слоев клеток. Кератиноциты здесь уплощенной формы, они уже мертвы: гидролитические ферменты разрушили в них ядра и другие органеллы. Зато сформировалась толстая клеточная оболочка под мембраной, а сами клетки заполнены элеидином – белком, который образовался из кератогиалина на пути трансформации последнего в кератин. Элеидин прозрачный и делает таким же блестящий слой, за что тот и получил свое название. Этот белок играет роль водонепроницаемого барьера27 28.
Кстати, элеидин в большом количестве присутствует в эпидермисе красной каймы губ. За счет этого она и выглядит красной: кровь просвечивает через ткань, богатую прозрачным белком29.
Роговой слой
- Кератин становится более стабильным и нерастворимым за счет того, что между отдельными его молекулами образуются дисульфидные связи.
- Филаггрин начинает разрушаться в глубоких слоях рогового слоя, и в поверхностных слоях его уже практически нет. В результате его распада образуются гистидин и уриконовая кислота. Последняя важна для защиты кожи от ультрафиолетового излучения. Кроме того, в процессе разрушения филаггрина образуются соединения, обладающие высокой гигроскопичностью. За счет этого кожа всегда увлажнена, даже если окружающий воздух горячий и сухой.
- Кератолинин подвергается воздействию фермента трансглутаминазы, и его молекулы оказываются сшиты гамма-глютамил-лизиновыми связями. За счет этого роговые чешуйки приобретают плотную оболочку. В ее состав также входят лорикрин, клатин и ряд других белков.
- Между клетками образуется прочный цемент, состоящий из полярных липидов. Они состоят из гидрофильной и гидрофобной частей. Липиды образуют бислойные пузырьки, способные превращаться в плоские диски и скрепляться друг с другом или роговыми чешуйками. Образование сшивок обеспечивается полиненасыщенными хвостами линоленовой кислоты, входящей в состав ацилцерамидов. Полярные липиды межклеточного вещества в роговом слое представлены церамидами (25%), холестерином (19%), сульфатом холестерина (2%). Кроме того, тут есть фосфолипиды и свободные жирные кислоты3.
Роговой слой – это передовая линия обороны кожи от вредных воздействий извне. Он обеспечивает механическую защиту более глубоких и нежных слоев эпидермиса, предотвращает потерю влаги, проникновение болезнетворных микроорганизмов. Это естественная броня человека, и она постоянно обновляется. В среднем продолжительность жизни клетки эпидермиса составляет один месяц: за это время, после «рождения» в базальном слое, она успевает пройти через все остальные слои, претерпеть множество изменений, погибнуть, превратиться в роговую чешуйку и покинуть организм. Роговой слой можно сравнить с линией фронта, где постоянно гибнут миллионы солдат, а на смену им приходят свежие рекруты. Полное обновление рогового слоя происходит примерно за 4 недели16 30. За один же день человек теряет примерно 1,5 г корнеоцитов31.
Соседи кератиноцитов
Помимо кератиноцитов, универсальных солдат, в эпидермисе присутствуют и другие клетки с более специфическими функциями.
Меланоциты – клетки, которые вырабатывают пигмент меланин. Они образуются из клеток-предшественниц меланобластов нервного гребня. Зрелые клетки находятся в базальном слое эпидермиса. На десять-двадцать кератиноцитов приходится один меланоцит, а на одном квадратном миллиметре кожи находится около 1200 меланоцитов. Причем, их число примерно одинаково у всех людей и не зависит от расы.
Меланин синтезируется в особых органеллах меланоцитов – меланосомах. Существует два вида пигмента: темно-коричневый эумеланин и желтоватый или бледно-красный феомеланин. Их синтез начинается с окисления аминокислоты тирозина ферментом тирозиназой, а в дальнейшем биохимические реакции идут разными путями. Меланоцит – не только фабрика по производству меланина, но и служба доставки. К кератиноцитам от него отходят отростки – дендриты. Каждый меланоцит связан дендритами с 30–40 клетками эпидермиса (рис. 6).
Рисунок 6. Схематическое изображение меланоцита и его отростков – дендритов32
В соответствии с современными представлениями, транспорт меланосом выглядит следующим образом:
- В отростках меланоцитов формируются особые структуры – пигментные глобулы, окруженные мембраной. В них находятся меланосомы и немного митохондрий. Меланосомы контактируют с митохондриями и, согласно современным представлениям, получают от них энергию, необходимую для созревания (рис. 7)33.
- Пигментные глобулы высвобождаются из дендритов во внеклеточное пространство.
- Кератиноциты захватывают пигментные глобулы в результате процесса, напоминающего фагоцитоз.
- Внутри кератиноцита разрушается пигментная глобула.
- Отдельные меланосомы оказываются в цитоплазме кератиноцита, и в дальнейшем они концентрируются вокруг ядра (рис. 8)34 35 36 37.
Рисунок 7. Процесс созревания меланосом и их взаимодействие с митохондриями33
Рисунок 8. Схематическое изображение транспорта меланина из меланоцитов в кератиноциты38
Меланин нужен не только для того, чтобы кожа имела определенный цвет и красиво выглядела. За счет своего темного цвета этот пигмент эффективно поглощает солнечные ультрафиолетовые лучи, способные повреждать ДНК, тем самым защищая клетки. Загар принято считать результатом здоровья и хорошо проведенного отпуска, но на самом деле это признак того, что кожа защищается от вредных лучей. Ультрафиолетовое излучение – основной фактор риска развития рака кожи и меланомы.
Клетки Лангерганса обеспечивают иммунную защиту кожи. Их основная задача – поглощать чужеродные частицы и «знакомить» с антигенами T-лимфоциты. Для того чтобы выполнять эту задачу, клетки Лангерганса умеют мигрировать из кожи в лимфатические узлы. Вообще это уникальные клетки, которые одновременно имеют свойства дендритных клеток (лейкоцитов, специализирующихся на презентации антигенов) и макрофагов (клеток, «пожирающих» бактерии, остатки погибших клеток, другие инородные частицы) (рис. 9). Они составляют 3–8% от всех клеток эпидермиса и в первую очередь обнаруживаются в шиповатом слое. Происходят они из костного мозга. Для кожи клетки Лангерганса — это защита и часть системы, принимающей решение о реакции организма на те или иные антигены 12 39 40.
Рисунок 9. Схема, которая показывает двойственную природу клеток Лангерганса. Свойства, характерные для макрофагов, обозначены голубым цветом, а для дендритных клеток – красным40
Клетки Меркеля имеют яйцевидно-эллиптическую форму и находятся в базальном слое эпидермиса (рис. 10). Их поверхность покрыта небольшими выростами в виде ворсинок или шипов, соединяющихся с кератиноцитами при помощи десмосом. Эти клетки взаимодействуют с окончаниями чувствительных нервов (такие комплексы, включающие клетку Меркеля и нервное окончание, называются тельцами Меркеля) и отвечают за тактильное восприятие. За счет них человек ощущает давление от прикосновений, текстуру поверхности, боль. Также клетки Меркеля выполняют другие функции: они вырабатывают некоторые гормоны, участвуют в регуляции иммунных реакций. Назначение гормонов, продуцируемых этими клетками, не до конца изучено, а между их нервной и эндокринной функциями зачастую не удается провести четкую границу41 42 43.
Рисунок 10. Схематическое строение клетки Меркеля. 1 – кератиноцит; 2 – клетка Меркеля; 3 – микроворсинки; 4 – дольчатое ядро с несколькими ядрышками; 5 – гранулы; 6 – окончание чувствительного нерва43
Что касается иммунной функции, то тельца Меркеля активно синтезируют белок CD200, необходимый для воспалительных реакций и иммунной толерантности – состояния, при котором иммунная система воспринимает ту или иную частицу как «свою» для организма и не атакует ее. Еще клетки Меркеля вырабатывают пептид, родственный гену кальцитонина (CGRP), который подавляет антигенпредставляющую функцию клеток Лангерганса, вазоактивный интестинальный пептид (VIP) и стоматин — медиаторы воспаления43.
Больше всего клеток Меркеля в областях тела, где кожа наиболее чувствительная: на ладонях и подошвах, подушечках пальцев, в области губ, половых органов. Есть они и в ротовой полости.
Как формируется эпидермис у человека?
На ранних стадиях развития зародыш состоит из трех листков: наружного (эктодерма), среднего (мезодерма) и внутреннего (энтодерма). Эпидермис кожи образуется из наружного листка, этот процесс начинается на четвертой неделе внутриутробного развития, когда происходит процесс, называемый нейруляцией.
Изначально эпидермис эмбриона состоит всего из одного слоя – базального. В нем находятся клетки кубической формы. Уже очень скоро, примерно через неделю, появляется второй слой клеток – перидерма или эпитрихий. Позже этот слой исчезнет, а сейчас он нужен для того, чтобы защитить развивающийся эпидермис. Базальный же слой на 20 неделе начинает активно делиться, один за другим возникают все остальные слои. Сначала появляется шиповатый. Вместе с базальным их объединяют под общим термином «мальпигиев (ростковый) слой». Здесь клетки активно делятся, а в зернистом слое деление уже прекращается, и кератиноциты постепенно превращаются в роговые чешуйки. Перидерма же продолжает поочередно проходить циклы ороговения и шелушения. Она отшелушивается, смешивается с продуктом секреции сальных желез, остатками пушковых волос и образует сыровидную смазку, защищающую кожу плода44 31.
