피부 장벽의 개념과 각질층의 구조와 층판소체, 각질세포외막의 형성

피부 장벽의 개념

피부의 가장 중요한 기능 중의 하나는 피부 장벽으로서의 역할이다. 외부 환경과 접하고 있는 피부는 체액의 손실을 막고 유해한 환경으로부터 신체를 보하는 가장 중요한 일차 방어선이다. 또한 독성 물질이나 미생물, 기계적인 자극이나 자외선에 대한 장벽 기능을 담당한다.

피부의 가장 바깥에 위치하여 외계와 직접 접촉하고 있는 각질층은 비록 세포가 죽어 있는 상태이긴 하지만 피부의 장벽 기능의 중요한 역할을 수행한다. 각질층은 피부를 통한 수분과 전해질의 손실을 억제함으로써 피부가 정상적인 생물학적 기능을 유지할 수 있는 환경을 제공하고 외부 환경으로부터 유해한 인자가 피부를 통해 침범할 때 이를 제일선에서 막아내는 역할을 한다. 각질층은 약 40%의 단백질, 40%의 수분 그리고 10~20%의 지질로 구성되는데 그 구조는 단백질이 풍부한 각질세포(corneocyte)와 그 사이를 채우고 있는 지질로 이뤄져 있으며 이 중 특히 지질은 장벽의 주된 역할을 담당한다.

 

1969년 Schreiner와 Wolff는 실험적으로 진피 내로 추적 단백질인 horseradish peroxidase를 주입한 후 전자현미경 하에서 추적단백질(tracer protein)의 이동을 관찰한 결과 진피와 표피 사이의 기저막을 쉽게 통과하였고, 표피 내 과립층의 상부까지 별 무리 없이 이동하는 것을 볼 수 있었다. 그러나 각질층을 통과하지 못하는 것을 관찰하였고 결국 각질층이 표피의 장벽 역할을 한다는 것을 증명하였다. 각질층의 지질은 주로 각질 세포 사이에 존재한다. 작은 막성 원판상 구조들은 서로 융합되어 각질 세포 사이에서 층판상 구조를 이룬다. 이후 막 융합과정을 거쳐 넓고 사이가 비지 않은 지질 다중층이 형성되어 수분 증발에 대한 장벽 역할을 수행한다. 그러나 각질 세포간 지질만으로는 수분 소실에 대한 장벽 역할을 할 수 없고, 각질 세포간 지질의 다중층과 각질 세포간의 정확한 결합이 필수적인 것으로 알려져 있다. 이를 위한 각질 세포의 상부에 위치한 지질의 단분자층과 각질 세포의 단백질막 층이 서로 공유 결합으로 연결되면 각질층은 장벽 기능을 담당할 수 있다.

표피의 수분 함량은 기저층에서 과립층 하부까지 65%에서 70%정도로 비교적 일정하지만 과립층에서 각질층의 경계부위에서는 40%로 감소하며, 각질층의 상부로 갈수록 15%까지 감소한다. 이것은 신체의 내부에서 외부로 수분이 수동 확산되는 과정에서 생기는 현상으로 설명되고 있다. 이러한 경피수분손실(transepidermal water loss)은 정상 피부에서 시간당 0.1~0.4mg/㎠이다. 실험적으로 피부장벽의 손상을 유도하기 위하여 바셀린 에테르(petrolaum ether)와 같은 비극성 유기용매를 사용하는 경우 피부장벽의 미약한 손상이 나타나지만, 아세톤(acetone)과 같은 극성용매를 사용하는 경우 상대적으로 심한 손상이 나타난다. 이는 피부표면에 비극성 지방으로 이루어진 피부표면장벽(superficial barrier)과 스핑고리피드(sphingolipid)나 유리스테롤(free sterol)로 이루어진 실질적인 피부장벽이 있다는 것을 의미한다. 손상된 피부장벽은 수증기불투과막(water vapor impermeable membrane)에 의해 변화될 수 있는데, 피부장벽의 손상에 의한 표피 내의 지질의 합성이 이러한 수증기불투과막에 의해 억제된다. 이는 표피를 통한 수분 통과가 표피 내의 지질 합성의 조절에 관여하는 증거로 생각된다.

 

각질층을 이해하는데 있어서 가장 기본이 되는 것은 각질층이 크게 2부분으로 구성되어 있다는 사실이다. 1960년대 중반까지 각질층은 대사(metrobolism) 등의 생화학적 기능을 지니지 않은, 아주 균일한 비닐막과 같은 구조로 간주되었다. 그러나 이러한 모델은 각질층이 수분투과에 대한 장벽의 역할을 수행함은 설명할 수 있었지만 여러 가지 물질이 경피 흡수되는 현상이나 부위에 따른 도포 약물의 각질층을 통한 흡수의 정도의 차이, 자극에 대한 개인 간이나 해부학적 부위에 따른 반응 차이 등은 설명할 수 없는 한계를 가지고 있었다. 그 후 각질층에 대한 구고적, 생물학적 연구를 통해 각질층이 단백질로 풍부한 각질세포와 세라마이드, 자유지방산, 콜레스테롤과 같은 다양한 지질로 이루어진 연속적인 매질의 두 가지 요소로 구성되어 있음이 밝혀졌다. 즉 각질 세포와 다충층상 구조(lamella structure)를 나타내는 각질세포간 지질이 연속적인 층(intercellular lamella sheets)을 이루고 있음이 알려졌다. Elias 등은 이러한 각질층의 구조를 두 구획 모델(two compartment model)로 설명을 하였는데, 집을 지을 때 쓰이는 벽돌구조(각질세포)와 그 사이의 회반죽(각질세포간지질)을 비유하여 "bricks and mortar mode"이라고 명명하였다.

각질층 내에서 벽돌의 역할은 각질세포가 담당하며, 회반죽은 다양한 구조의 지질로 이루어진 복합체들이 담당하고 있다. 각질세포는 주로 케라틴의 다발로 구성되어 있으며, 피부의 구조적 안정과 탄력성에 관여한다. 각질층의 지질은 다른 일반적인 생체막들과 다르게 인지질이 아닌 세라마이드(ceramide), 콜레스테롤(cholesterol), 자유지방산(free fatty acid)으로 이루어져 있다. 인지질(phospholipid), 스핑고미엘린(sphingomyelin), 콜레스테롤을 함유하는 보통의 생체막은 수분이나 물에 잘 녹는 분자량이 낮은 물질에 대한 투과성이 강해 장벽으로서의 역할을 잘 수행하지 못한다. 그러나 각질층의 세라마이드, 콜레스테롤, 자유지방산 등의 지질은 직선적으로 잘 연결되어 있어 수분과 친수성 물질의 투과를 억제하는 훌륭한 장벽 기능을 담당한다.

 

각질층의 구조와 층판소체

각질층 내의 각질세포간 지질의 주성분은 표피의 층판소체에서 유래한 세라마이트, 콜레스테롤, 자유지방산이다. 이외에 약간의 콜레스테롤 설페이트(cholesterol sulfate)가 세포간지질에 존재하는 것이 알려져 있다. 각질세포간 지질은 표피 내 과립층의 층판소체에 유래하나, 층판소체 내의 지질성분은 각질세포간 지질의 전구체 형태인 인지질(phospholipids), 스핑고마이엘린(sphingomyekine), 콜레스테롤 설페이트, 글루코실세라마이드(glucosylceramide), 아실글루코실세라마이드(acylglucosylceramide) 등이다. 이들은 각질형성세포가 분화되는 마지막단계에서 세포외유출(exocytosis)과정을 거쳐 과립층과 각질층의 경계부위에 배출된다. 이러한 유출단계에서 각 지질의 전구체가 층판소체 내부의 효소에 의한 작용과 세포 외 변환(extraceluar processing)과정을 거쳐 각질세포간 지질성분인 세라마이드, 콜레스테롤 및 자유지방산 등으로 변환되어 다중층상 구조를 이룬다.

두 구획 모델에서 회반죽과 같은 역할을 하는 것이 지질 성분이라면 벽돌과 같은 역할을 하는 것이 단백질이 풍부한 각질세포이다. 기저층에서 생성된 각질형성세포는 과립층에 도달하면서 세포 내 기관들이 사라지기 시작하고, 케라토히알린 과립(keratohyalin granule) 내부의 profilaggrin이 단백질 분해와 탈인산화 과정을 거쳐서 필라그린(filaggrin)으로 변화된다. 필라그린은 세포 내에서 접착제의 역할을 하며 각질중간세사(keratin intermediate filament)들이 수평적으로 배열되어 macrofibril을 형성한다. 한편 칼슘이온이 세포 내부로 유입되면서 트랜스글루타미나제(transglutaminase)를 활성화시켜서 involucrin, loricrin, keratolinin, cornifin 등 각질세포막을 구성하는 단백질의 비가역적 결합을 유도하게 된다. 각질층의 하부는 세포막이 케라틴의 macrofibril로 채워진 각질세포막에 의해 둘러 쌓여있는 구조를 이루게 되며, 상부는 세포막이 점차 사라지면서 불용성의 각질세포막으로 대체된다. 이런 각질세포는 산이나 알칼리성 용액, 단백질 분해효소, 유기용매 등 외부 자극에 대한 장벽의 역할을 수행한다. 이러한 과정을 요약하면 각질형성세포가 기저층에서 생성된 후 유극층과 과립층을 거치며 분화되면서 세포의 형태가 편평하게 되고 세포 내 소기관의 손실, 섬유성 단백질의 생성, 탈수 및 세포막의 비후 등의 각화과정을 거친 후 탈락된다. 정상 상태에서는 각질형성세포의 재생비율과 같은 비율로 탈락되어 일정한 두께의 각질층을 이룬다. 각질형성세포가 피부에서 탈락되는 기전의 조절은 아직 정확하게 밝혀지지는 않았지만 지질, 가수분해, 간효소, 당단백질, 교소체 등이 모두 관여되는 것으로 추정된다. 표피가 분화되면서 세포 간격은 점점 증가하는데 과립층에서는 세포간격이 전 부피의 약 1%를 차지하는데 반하여 각질층에서는 약5~30%을 차지한다. 피부장벽의 주된 지질인 세라마이드, 콜레스테롤, 자유지방산 등은 각질층 전 층에 똑같은 양으로 분포하는 것이 아니라 상부로 갈수록 점차 많아지고 이와 동시에 교소체의 의한 각질세포간의 결합도 상부로 갈수록 약해지고 교소체의 숫자도 적어지면서 형태로 점차 해체된다. 이것은 글라이코시다제(glycosidase)와 단백분해효소(protease)등이 교소체에 작용하여 해체시키기 때문에 일어나는 현상으로 각질세포의 탈락에 중요한 역할을 담당한다. 글라이코시다제와 단백분해효소 등이 교소체에 작용하여 해체시키기 때문에 일어나는 현상으로서 각질세포이 탈락에 중요한 역할을 담당한다. 글라이코시다제와 단백분해효소 등의 효소들은 층판소체에 의해 각질층으로 운반되는 것으로 추정되며 부위에 따라 교소체의 해체정도가 다른 것은 효소에 저항하는 단백질이나 교소체를 보호하는 역할을 하는 당분자 등에 의해 감수성이 변화하기 때문으로 생각된다. 비정상적인 각질세포의 탈락의 경우 각질층이 두꺼워지고 건조한 인설이 동반된다. 이는 각각의 세포가 탈락되는 생리적 현상과는 달리 각질세포가 무리를 이루어서 탈락이 되기 대문에 육안적으로 인설이 관찰된다.

 

각질세포외막의 형성

• 개시(initiation)

각질세포외막(cornified envelope)은 중층 편평상피의 최종분화과정의 산물로서 각질세포의 세포막 외각에 형성되며, 중층 편평상피의 물리적 장벽 기능을 제공하는 약 10nm의 불용성 단백질막이다. 특히 각질세포는 약5nm길이의 세라마이드가 이러한 단백질막과 공유 결합하고 있는 지질막으로 덮여 있다. 이러한 구조는 세포 외부로 배출된 표피 지질들이 잘 배열되도록 도와주며 이렇게 형성된 각질세포외막과 각질세포간 지질층은 효과적인 물리적 장벽 및 수분 손실에 대한 장벽의 기능을 담당하게 된다. 각질세포외막의 형성과정은 크게 세 가지 단계를 거치게 되며 유극층의 상부에서 시작된다.

 

• 각질세포지질막(corneocyte lipid envelope)의 형성

과립층 내의 각질형성세포에는 골지체(Golgi complex)로부터 형성된 층판소체가 축적된다. 층판소체의 내부에는 각질층 내의 각질세포간 지질의 주성분이 되는 지질과 여러 효소가 포함되어 있으며, 매우 긴 지방산 사슬을 가지고 있는 ω-hydroxyceramide가 층판소체의 내부와 막에 포함되어 있다. 과립층과 각질층의 경계에서 층판소체의 막은 세포막과 융합하고, 층판소체의 내용물은 세포 외부 공간으로 배출되며 이에 따라 각질 세포의 세포막은 ω-hydroxyceramide가 풍부한 층판소체의 막 성분으로 대치되게 된다. ω-hydroxyceramide의 지방산 사슬은 탄소를 30개 이상 포함할 정도로 길이가 길어 세포막의 지질 이중막을 관통하여 involucrin envoplakin-periplakin 단백질 골격에 닿을 수 있어 세포막과 연결된 트랜스글루타미나제-1효소에 의해 ω-hydroxyceramide와 단백질 골격간의 에스테르 공유결합을 이루게 된다. 이렇게 형성된 지질막은 기존의 세포막인 지질 이중막을 대체하게 되며, 층판소체를 통하여 세포 외로 배출된 표피 지질과 맞물린 구조를 형성하고 잘 배열된 층판구조를 형성하는데 영향을 준다.

 

• 강화(reinforcement)

표피의 각질세포외막은 약 80%가 loricrin이라는 단백질로 구성되어 있으며 이는 small proline rich protein family(SPR)와 복합체를 이룬다. loricrin은 불용성 단백질로서 loricrin granule 내에 격리되어 있으나, SPR은 친수성 단백질로 알려져 있다. 세포막과 연관되지 않은 세포질 내 트랜스글루타미나제-3 효소가 이들 단백질을 서로 교차 결합시켜 동종, 혹은 이종 이합체를 형성하는 것으로 추측된다. 트랜스글루타미나제-3에 의하여 교차 결합된 단백질 이합체들은 세포의 외막쪽으로 이동하여 트랜스글루타미나제-1 효소에 의해 미리 형성되어 있던 단백질 골격과 교차결합을 이룬다. 이 때 포함되는 SPR의 양은 인체의 해부학적 위치에 따라 달라지는데 이는 신체 각 부위에서 물리적 힘에 대한 저항력과 관련이 있는 것으로 생각된다.

 

이러한 과정을 거치는 동안 각질 세포는 내구성과 탄력성을 가지고 층을 이루며 배열된 표피 지질 내에 묻혀 있는 모습으로 각질층을 형성하게 되고 필수적인 물리적 장벽과 수분 장벽의 역할을 수행할 수 있게 된다.