Angew：水嫩肌肤“吹弹而不破”的化学基础

从西施的“倚风凝睇雪肌肤”，到杨贵妃的“雪肤花貌参差是”，似乎都在暗示在古人眼中皮肤水嫩细腻才是美女的标配。如今，爱美女性（当然也有男性）在皮肤保养护理上的投入更是不惜血本。其实，对于人类来说，看似吹弹可破的水嫩皮肤还是人体最大的保护性器官，既能防止身体过度失水，又能阻挡有害物或病原体入侵。

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今天这篇文章，关注的是皮肤起保护功能最重要的部分——表皮最外层的角质层（SC）。角质层由15-20层扁平的角质细胞组成，这些细胞没有细胞核，并嵌在由神经酰胺（Cer）、胆固醇（Chol）和脂肪酸组成的脂质基质中。几十年来，人们一直认为角质层的脂质以高度有序的刚性脂质连续组装体的形式存在，高刚性带来更好的保护，这似乎很符合常理。而且，此前对角质层脂质结构的研究主要依靠X射线和中子衍射、²H和¹³C MAS 核磁共振（NMR）以及傅里叶变换红外光谱（FTIR），结果也支持这一结论。这些方法显示，在皮肤生理温度（32 °C）下，角质层脂质相呈现密集堆积的正交或六方层状，并形成短周期相（SPP）或长周期相（LPP）结构，仅在高温或非生理状态下检测到动态脂质。

不过也不是完全没有疑问。比如，生理状态下的脂质膜普遍具有高度动态的特征，怎么到了角质层中脂质就能形成高度刚性的相呢？此外，前面提到的研究角质层的技术可能对于表征动态相来说并不“友好”，比如衍射技术对有序结构更敏感，最适合用于研究脂质层的刚性相。还有研究表明，在生理温度下，角质层混合物中超长链Cer[EOS]的油酰或亚油酰基链有相当部分是动态的，而其他脂质仍保持刚性相。这就提出了一个问题，考虑到角质层中富含Cer分子，那么迄今尚未被详细研究的其他Cer分子片段是否可能有更高的可动性？近日，捷克查理大学的Katerina Vávrová教授和德国莱比锡大学的Daniel Huster教授等人对角质层脂质的化学结构和动态特征进行研究，揭示了角质层与以往认知不同的化学特征。

图1. Cer[NS]-sph-d₂₈的化学合成。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究者的目光投向了Cer分子的鞘氨醇主链，他们合成了最典型的Cer分子——Cer[NS]（含全氘代鞘氨醇），即Cer[NS]-sph-d₂₈ （图1）。此外，他们还制备了另外一种氘代Cer分子——酰基链被氘代的Cer[NS]-acyl-d₄₇，进行了比较研究。

在此基础上，他们将三种化合物Cer[NS]、木蜡酸（LA）和Chol分别以1:1:1和1:1:0.45的摩尔比混合构建模拟角质层脂质体系模型。完全模拟再现神经酰胺和脂肪酸的结构不均一性在技术上难以实现（这些酯类包含1000多种化学结构不同的分子），这两个模型基本上能以合适的比例代表角质层主要脂质，且保留了这些脂质含饱和长链的特征。随后，他们利用固体²H NMR研究Cer[NS]/LA/Chol混合物，其中Cer[NS]分别取Cer[NS]-sph-d₂₈和Cer[NS]-acyl-d₄₇，这样就可以分别研究鞘氨醇链和酰基链的结构和动力学。结果表明，两个混合物中Cer[NS]-acyl-d₄₇ 的二十四烷酰链在25 ℃和32 ℃时均表现出明显的正交晶相。然而，Cer[NS]-sph-d₂₈观察到的情况明显不同，大量鞘氨醇（26%-32%）处于高度流动状态。他们根据序参量计算动态鞘氨醇的平均长度，受快速反式gauche异构化影响，含高、低胆固醇（Chol）的混合物模型其链长分别减少13.0 Å和12.7 Å。

图2. ²H NMR分析Cer[NS]/LA/Chol组成的角质层脂质混合物模型。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.^[1]

在50 °C下，两种比例的角质层模型结构发生变化，所有核磁波谱都显示鞘氨醇和二十四烷酰链部分为流体相。当Cer[NS]的鞘氨醇完全是流体时，正交晶相的二十四烷酰链依然在高、低含量胆固醇混合物中占据了53%和6%的比例。直到65 °C正交晶相的二十四烷酰链才基本消失。角质层模型的多层结构在流体相状态下完全消失，但随着温度的降低又重新形成。FTIR结果显示，32 ℃下鞘氨醇的有序度低于酰基链，这与核磁共振结果一致。Cer[NS]的鞘氨醇链熔融相变温度（56 °C）与二十四烷酰链（68 °C）差别明显。且观察到的预相变也与核磁共振观察到的32 °C至50 °C之间的晶相损失一致。

图3. Cer[NS]的序参量、投射链长和FTIR光谱图。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究者对皮肤角质层脂质的短周期相结构研究得出几个重要的结论：（1）在构成角质层脂质的主要混合物中，Cer[NS]的两个链显示截然不同的动态特征。在生理温度下，脂质类主要是正交晶相，其中约1/3到1/4的鞘氨醇链具有高度流动性。这可能有助于致密的角质层产生有限的渗透性。（2）Cer[NS]的脂链不同动态状态排除了以往推测的角质层Cer[NS]发夹模型。（3）角质层的脂质相很可能显示出区域聚簇的结构特征，通过流动链和刚性链的分别聚簇，最大限度减少疏水错配。这与现代流体生物膜模型是一致的。综合起来，在生理温度下，Cer分子具有扩展的构象，其高流动和高刚性链区域性聚簇使得角质层脂质相具有不均一性和流动性。这种可流动的角质层脂链对于维持皮肤弹性和促进生理上重要分子（水、细胞因子和抗菌肽等）的转运可能至关重要。而这可能就是水嫩肌肤“吹弹而不破”的化学基础。

图4. 生理温度下皮肤角质层短周期相结构模型。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

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The Sphingosine and Acyl Chains of Ceramide [NS] Show Very Different Structure and Dynamics Challenging Our Understanding of the Skin Barrier

Oskar Engberg, Andrej Kováčik, Petra Pullmannová, Martin Juhaščik, Lukáš Opálka, Daniel Huster, Kateřina Vávrová

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 17383-17387, DOI: 10.1002/anie.202003375

（本文由水村山郭供稿）