對抗肌膚老化：先從了解細胞老化機制開始

皮膚是人體最大的器官，具有物理性屏障的功能，可以阻絕水分揮發、紫外光照射和外來病原菌的入侵。皮膚的結構分為表皮層（epidermis）、真皮層（dermis）和下皮層（hypodermis），表皮層是由不同分化程度的角質細胞（keratinocyte）組成，由底層至上層分為基底細胞、顆粒細胞和棘皮細胞，表皮層也包含了可以阻擋紫外光傷害的黑色素細胞及辨識外來病原菌的蘭格罕細胞（Langerhans cells）。真皮層則充滿了細胞外基質（extracellular　matrix）和纖維母細胞（fibroblast），使皮膚具有彈力，真皮層也充滿大量免疫細胞及內皮細胞。在表皮層和真皮層之間則有真皮－表皮連結（dermis-epidermis junction），具有細胞間內聚和訊息傳遞的功能。隨著年齡的增長，老化會使皮膚開始產生型態的改變，尤其是眼周肌膚容易最先觀察到皺紋，老年人也更容易患有皮膚相關的疾病，從具有生命威脅性的基底細胞癌、鱗狀細胞癌、黑色素瘤，到較不具危險性但發生率較高的濕疹都可能會發生 [1]。為了探討皮膚中各種型態的細胞對老化的影響，Zhiran Zou 的研究團隊分析了不同年齡層健康女性之眼周皮膚的單一細胞轉錄體（single cell transcriptome），深入地探討皮膚中不同細胞的功能和皮膚老化的機制 [2]。

伴隨年齡的增長，皮膚表皮層的厚度、真皮－表皮連結、真皮層的膠原蛋白密度都會顯著地降低（圖一），表皮層及真皮層中老化的細胞（p16^Ink4a-positive cells，註一）也明顯地增加。此團隊收集了不同年齡層的眼周細胞，進行單細胞　RNA　定序（single-cell RNA sequencing, scRNA-seq），根據各種細胞的專一性標記，鑑定出11種細胞（圖二），並利用（uniform manifold approximation and projection, UMAP）分析，結果顯示老、中、青的皮膚細胞密度並無顯著差異。將這11種細胞的標示基因（marker genes）經過基因本體學（　gene ontology）分析後指出各種細胞都具有獨特的生理功能，例如基底細胞中的基因多數與半胞橋體（hemidesmosome，註二）的組裝具有關聯性，而纖維母細胞中含有大量與細胞外基質整合相關的基因。

圖片說明：隨著眼周皮膚的老化，表皮層（Ep）的厚度、真皮－表皮連結（DEJ）、真皮層（Der）的膠原蛋白密度皆顯著地降低。

圖片說明：皮膚中不同型態的細胞有不同的基因表現特徵，各種細胞具有不同的功能特性。

在不同老化程度的皮膚，將表現量顯著改變的基因進行主成分分析（principal component analysis, PCA），結果顯示不同年齡層皮膚中的基因表現有分群的結果，且中年個體的趨勢向老年族群靠近，顯示了人類在中年時皮膚就邁入老化。這些顯著改變的基因經由基因本體學（gene ontology）分析後，作者們發現表現量與年齡有正相關性的基因（IFI27）與細胞激素調節訊息途徑和細胞凋亡相關，而隨著年齡增加而表現量下降的基因（KLF4、KLF6）則與上皮細胞增生和細胞外基質整合相關性較高。因為日常陽光曝曬導致的光老化也是導致皮膚衰老的重要因子之一，在較老的皮膚中許多細胞被發現光老化相關的 NF-κB 訊息途徑、發炎誘導的壓力和紫外光導致的基因突變皆增加了，且老化皮膚中 DNA 修復相關基因表現也比年輕的皮膚低。

皮膚上角化的表皮層會不斷的再生，代謝週期為四週，這個循環週期是由基底層的表皮幹細胞 （basal cell）所調控，從免疫組織染色的結果發現隨著皮膚的老化，表皮層的細胞增生相關蛋白質包括 Ki767　和　PCNA　都逐漸減少（圖三），表示表皮層的角質細胞數量會隨著皮膚老化而減少。進一步分析不同年齡層的表皮層中角質細胞與老化相關的基因，數據顯示隨著受試者皮膚的老化，表現量增加的基因與細胞凋亡、細胞激素調節的發炎訊息路徑相關，而表現量下降的基因則多數參與在上皮細胞分化、增生的訊息路徑中。皮膚逐漸老化時，角質層基底細胞（basal cell）中 KLF6 基因的下降被視為是皮膚老化的重要轉錄因子，在 KLF6 基因敲落 （KLF6 knockdown） 的人類角質細胞發現細胞增生能力低下，且老化相關的半乳糖苷酶（senescence-associated β-galactosidase）和發炎因子表現量也高於控制組。真皮層分為靠近表皮層的乳突狀層（papillary dermis）和底層的網狀層（reticular dermis），在皮膚老化的機制中纖維母細胞具有最大的影響力，隨著皮膚老化纖維母細胞中細胞外基質降解相關的基因大量地下降。人類纖維母細胞若進行 HES1 基因敲落（HES1 knockdown）後，細胞中老化相關的半乳糖苷酶增加而 Ki67 蛋白質的表現量減少，說明了 HES1 具有調控纖維母細胞老化的能力。

圖片說明：表皮層的細胞增生因子（Ki67、PCNA）隨著皮膚老化而減少。

此研究利用單細胞 RNA 定序方法分析人類皮膚中各種細胞的轉錄體　（transcriptome），發現皮膚中慢性發炎的增加和上皮細胞自我更新的減少是造成肌膚老化最主要的原因，並建立可用來篩選減緩皮膚老化及其相關疾病之新穎性治療標的或新化合物平台。

註一：p16^INK4a 蛋白是細胞老化的生物標記，具有調節細胞週期的功能，當老化發生時 p16^INK4a 蛋白在組織中會大量表現。
註二：半胞橋體（hemidesmosome）是相鄰細胞之間連接的結構。

參考文獻：

1. Deo, M. S., Kerse, N., Vandal, A. C., & Jarrett, P. (2015). Dermatological disease in the older age group: a cross-sectional study in aged care facilities. BMJ open, 5(12), e009941. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2015-009941
2. Zou, Z., Long, X., Zhao, Q., Zheng, Y., Song, M., Ma, S., Jing, Y., Wang, S., He, Y., Esteban, C. R., Yu, N., Huang, J., Chan, P., Chen, T., Izpisua Belmonte, J. C., Zhang, W., Qu, J., & Liu, G. H. (2021). A single-cell transcriptomic atlas of human skin aging. Developmental cell, 56(3), 383–397.e8. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2020.11.002

撰稿｜張智婷
審稿｜陳帝亢