Keratynocyty

Keratynocyty to komórki naskórka odpowiedzialne za produkcję keratyny w skórze. Wywodzą się z dwóch embrionalnych listków zarodkowych: endodermy i ektodermy. U ludzi stanowią 90% komórek naskórka. Występują także we włosach, w błonie śluzowej jamy ustnej, w rogówce oka i w limfie. Keratynocyty odgrywają podstawową rolę w utrzymaniu bariery naskórkowej, a także w procesach immunologicznych. Są źródłem czynników wzrostu, cytokin i peptydów o właściwościach antybakteryjnych. Chronią organizm przed szkodliwym działaniem środowiska, m.in. zbyt wysoką temperaturą otoczenia i promieniowaniem UV. Zapobiegają także wniknięciu do organizmu bakterii, grzybów czy pasożytów. Z wiekiem dochodzi do zmniejszenia ich liczby na skutek utraty zdolności komórek macierzystych warstwy podstawnej naskórka do proliferacji. Keratynocyty wykorzystuje się w terapii ran po przeszczepach skóry i w leczeniu pourazowych ran ziarninujących, m.in. po oparzeniach. Przyspieszają one wzrost naskórka i gojenie się ran. Zaburzenia w ilości i funkcjonowaniu keratynocytów prowadzą do schorzeń dermatologicznych i limfatycznych.

1. Keratynocyty w skórze

1.2. Struktura

Budowa keratynocytów różni się w zależności od miejsca ich położenia w skórze. Keratynocyty zasiedlające tkankę podstawną zawierają liczne rybosomy i mitochondria, a także aparat Golgiego, filamenty pośrednie i szorstkie retikulum endoplazmatyczne. Komórki te syntetyzują keratynę, z której powstają włókna keratynowe. Powszechnie określa się je jako tonofilamenty. Keratynocyty tkanki podstawnej są elementami połączenia skórno-naskórkowego. Leżą równolegle do błony podstawnej, do której przyłączone są za pomocą półdesmosomów. [1,2]

W warstwie kolczystej naskórka włókna keratynowe produkowane przez keratynocyty zaczynają grupować się w wiązki zwane tonofibrylami. Ich obecność przyczynia się do zwiększenia oporności naskórka na działanie czynników mechanicznych. Są one na tyle grube, że uwidaczniają się pod mikroskopem świetlnym. Cytoplazma tych keratynocytów zawiera liczne cząsteczki eozynofilowe, których rolą jest barwienie tonofibryli. Na powierzchni keratynocytów warstwy ziarnistej znajdują się dwa rodzaje białek – filagryna i trichohialina. Ponadto komórki te syntetyzują keratohialinę. Wzmacnia ona włókna keratynowe. Odpowiada tym samym za nawilżenie i elastyczność skóry. [1,2]

Keratynocyty położone w warstwie zrogowaciałej nazywane są korneocytami. Komórki te mają silnie spłaszczony kształt. Nie mają jądra komórkowego i organelli cytoplazmatycznych. Korneocyty w dolnej części warstwy rogowej są połączone ze sobą za pomocą wyspecjalizowanych połączeń (korneodesmosomów). Tworzą pionowe kolumny składające się z 10-30 komórek. Podczas migracji w kierunku górnej powierzchni skóry ulegają degradacji i powodują złuszczanie naskórka. Komórki te występują również w istocie właściwej rogówki oka. [3,4]

1.2. Różnicowanie i działanie

W naskórku znajdują się dwa rodzaje keratynocytów – komórki macierzyste i wywodzące się z nich komórki przejściowo namnażające się. Te z drugiej grupy, po przejściu kilku cykli mitotycznych, przekształcają się w komórki zróżnicowane, niezdolne do dalszych podziałów. Proces różnicowania keratynocytów jest wieloetapowy. W jego wyniku dochodzi do wykształcenia na powierzchni naskórka warstwy zrogowaciałej. Wymaga on skoordynowanego działania wielu genów kodujących specyficzne białka, będące wskaźnikami różnicowania w poszczególnych warstwach naskórka. Geny te są skupione w tzw. kompleksie różnicowania naskórka (ang. epidermal differentiation complex, EDC) i usytuowane u człowieka na chromosomie 1q21. Kluczowymi czynnikami sygnałowymi w procesie różnicowania keratynocytów, niezbędnymi na wszystkich etapach tego procesu, są jony wapnia. [14]

W procesie różnicowania keratynocytów dochodzi do powstania warstwy rogowej. W komórkach powstają dwa rodzaje ziarnistości. Pierwsze z nich mają nieregularny kształt i zawierają profilagrynę. Drugie są mniejsze, okrągłe i zawierają bogatą w cysteinę lorykrynę. W trakcie różnicowania keratynocytów profilagryna ulega proteolizie, w wyniku której powstaje cząsteczka filagryny. Białko to łączy poszczególne filamenty keratynowe pośrednie, współtworzące szkielet komórki, w grubsze wiązki nazywane makrofibrylami, które zaczynają wypełniać całą komórkę. W trakcie proteolizy profilagryny jej reszta N-końcowa jest przenoszona do jądra różnicującej się komórki, odgrywając ważną rolę w jego rozpadzie. Pozostała filagryna jest źródłem wolnych aminokwasów, które dzięki swojej wysokiej higroskopijności pełnią ważną funkcję w utrzymaniu prawidłowego nawodnienia warstwy rogowej naskórka. Natomiast uwolniona z ziarnistości lorykryna w obecności enzymu transglutaminazy 3 łączy się białkami SPR. Tak powstały kompleks jest przyłączany do cytoszkieletu komórki. Jednocześnie nasilają się procesy adhezji międzykomórkowej, w której biorą udział białka adhezyjne, desmosomy i jony wapnia. [14]

W procesie proliferacji keratynocytów biorą udział cytokiny, takie jak interleukina 1 i 6 (IL-1, IL-6) oraz czynnik martwicy nowotworów alfa (ang. tumor necrosis factor, TNF-α). W procesie wzrostu keratynocytów niezbędne są związki takie jak czynnik wzrostu keratynocytów (ang. keratinocyte growth factor, KGF), naskórkowy czynnik wzrostu (ang. epidermal growth factor, EGF), insulinopodobny czynnik wzrostu (ang. insulin-like growth factor, IGF), czynnik wzrostu fibroblastów (ang. fibroblast growth factor, FGF), czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego (ang. vascular endothelial growth factor, VEGF) czy transformujący czynnik wzrostu nowotworów beta (ang. transforming growth factor beta, TGF-β). Cytokiny i czynniki wzrostu wpływają także na aktywację keratynocytów. Dochodzi do hiperproliferacji tych komórek i zmian w ich cytoszkielecie. Aktywowane keratynocyty mają zdolność do migracji. Zwiększa się również ekspresja ich receptorów powierzchniowych oraz nasila się produkcja składników błony podstawnej. Zmiany te są konieczne do odnowy uszkodzonych obszarów skóry. Aktywowane keratynocyty wytwarzają sygnały parakrynne pobudzające fibroblasty, komórki śródbłonka naczyń, melanocyty i limfocyty oraz sygnały autokrynne skierowane do leżących sąsiadująco keratynocytów. Produkują także powierzchniowe cząsteczki, takie jak białka adhezyjne (np. CD54), integryny czy fibronektyna. Za utrzymywanie keratynocytów w stanie pobudzenia odpowiada TNF-α. [14]

2. Keratynocyty we włosach

2.1. Struktura

Pojedynczy włos zbudowany jest z łodygi i korzenia. Korzeń włosa wnika w zagłębienie naskórka, które znane jest jako mieszek włosowy. Mieszki włosowe to skomplikowane struktury zbudowane z dziewięciu populacji keratynocytów oraz dwóch przedziałów łącznotkankowych. Natomiast korzeń włosa zbudowany jest z trzech warstw keratynocytów tworzących odpowiednio rdzeń, korę oraz powłoczkę włosa. W korze i w powłoczce włosa znajdują się duże ilości keratyny, co sprawia, że rogowacieją. Komórki rdzenia wypełnione są zaś trichohialiną, dlatego jego komórki tworzą gęstą sieć. Gdy połączenia między komórkami rdzenia słabną, pojawiają się między nimi wolne przestrzenie, pomagające utrzymać prawidłową temperaturę skóry głowy. [16]

Wewnętrzna pochewka korzenia włosa zbudowana jest z trzech warstw, z których każda ulega specyficznej keratynizacji. Położona najbardziej zewnętrznie warstwa Henlego ma jedną warstwę komórek, które są ze sobą połączone za pomocą desmosomów. W procesie różnicowania tej warstwy komórek dochodzi do wytworzenia ziaren trichohialiny, które w miarę rogowacenia rozpraszają się i wraz z filamentami keratynowymi tworzą przestrzenną sieć. W warstwie środkowej, zwanej warstwą Huxleya, leżą komórki skrzydlate. One również produkują ziarna trichohialiny, które w końcowym etapie różnicowania ulegają degradacji. Komórki warstwy środkowej tworzą wypustki, które przenikają pomiędzy komórkami warstwy Henlego i łączą się z komórkami zewnętrznej pochewki włosa. Ostatnią warstwą pochewki wewnętrznej jest powłoczka pochewki włosa. Tworzy ją warstwa spłaszczonych, ułożonych dachówkowato komórek, które zazębiają się z komórkami powłoczki włosa. Prawdopodobnie kontrolują one wzrost korzenia. [16]

Pochewka zewnętrzna korzenia włosa składa się z dwóch typów keratynocytów, które nie ulegają rogowaceniu. Wewnętrzna warstwa nazywana jest warstwą komórek towarzyszących. Keratynocyty tej warstwy charakteryzują się spłaszczonym, trójkątnym kształtem oraz nietypowym układem tonofilamentów. Leżą one tuż pod błoną komórkową od strony wewnętrznej pochewki włosa. W odróżnieniu od pozostałych komórek, które migrują z obszaru wybrzuszenia w kierunku cebulki włosa, komórki warstwy towarzyszącej poruszają się w kierunku powierzchni skóry wraz z korzeniem włosa i pochewką wewnętrzną, z której komórkami są ściśle połączone. [16]

2.2. Różnicowanie i działanie

W obszarze zewnętrznej pochewki korzenia włosa, tuż pod gruczołem łojowym znajduje się wybrzuszenie, czyli miejsce, w którym lokalizują się komórki macierzyste włosa. Komórki te dzielą się asymetrycznie, dając komórkę macierzystą oraz komórkę przejściowo dzielącą się. Ta ostatnia migruje w obrębie zewnętrznej pochewki włosa w kierunku cebulki, gdzie daje początek macierzy włosa, z której powstają komórki pozostałych warstw. Komórki macierzyste włosa mogą również migrować do naskórka, gdzie w przypadku zranienia odbudowują zniszczoną tkankę. Obok wybrzuszenia, tuż ponad brodawką włosa, znajduje się drugi rezerwuar komórek macierzystych włosa. Określa się je mianem wtórnego zawiązku włosa. Są to komórki przejściowo dzielące się. [16]

Keratynocyty z włosa pełnią zbliżone funkcje, co komórki pochodzące z naskórka. Regulują funkcje melanocytów, takie jak proliferacja, różnicowanie, melanogeneza i dendrytogeneza. W przebiegu melanogenezy mieszkowej, przy udziale synaps pigmentacyjnych, zachodzi transfer melanosomów zawierających barwnik do keranocytów zlokalizowanych w cebulkach włosów. Dzięki temu możliwe jest rozmieszczenie pigmentu w całym mieszku włosowym. Na jedną cebulkę włosa przypada pięć keratynocytów i pojedynczy melanocyt. Pigmentacja włosów ma charakterystyczny cykliczny charakter, a melanogeneza jest ściśle sprzężona z cyklem wzrostu włosa – w przeciwieństwie do ciągłej pigmentacji naskórka. Synteza melaniny i transfer pigmentu do keratynocytów są w dużym stopniu kontrolowane przez cząsteczki sygnałowe, do których należą leukocyty, fibroblasty i komórki śródbłonka. Mechanizm jest zbliżony do tego, który zachodzi w naskórku. Jednakże granulki melaniny przeniesione do korowych keratynocytów włosów pozostają minimalnie strawione, w przeciwieństwie do naskórka, gdzie melanina jest prawie całkowicie zdegradowana w różnicujących się keratynocytach. [17]

3. Keratynocyty w oku

3.1. Struktura

Powierzchnia zewnętrzna rogówki i spojówki zbudowana jest z dwóch warstw komórek nabłonkowych. Oddzielone są one od siebie wąską strefą przejściową znaną jako rąbek. Nabłonek rogówki składa się z keratynocytów, które rozciągają się mozaikowo w nałożonych na siebie warstwach. Jest przezroczysty, wielowarstwowy i nierogowaciejący. Przylega do leżącej pod nim błony Bowmana. Od strony warstwy podstawnej zawiera komórki o fenotypie komórek sześciennych, pozbawionych mucyny. Natomiast prekursory nabłonka spojówki różnicują się zarówno w keratynocyty, jak i w komórki kuliste, które są komórkami kubkowymi produkującymi śluz. Komórki obu nabłonków różnią się również stopniem unaczynienia. [20,21]

Rogówka nie jest unaczyniona, a ​​komórki jej nabłonka nie wytwarzają żadnych czynników angiogennych. Co więcej, mogą uwalniać czynniki przeciwdziałające angiogenezie. Mimo że rogówka jest miejscem uwalniania czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego, który w warunkach fizjologicznych jest silnym stymulatorem angiogenezy, to bliskość unaczynionych tkanek powoduje jednak jej awaskularyzację. Również niektóre receptory VEGF hamują miejscowe unaczynienie. Natomiast nabłonek spojówki jest silnie unaczyniony, a jego komórki uwalniają substancje proangiogenne. Dodatkowo w przypadku niedoboru komórek macierzystych rogówki (np. po urazie mechanicznym lub rozległym oparzeniu rogówki) są one w stanie przemieścić się do miejsca zapalenia, gdzie promują neoangiogenezę. W ten sposób umożliwiają dotarcie komórek układu odpornościowego i cytokin do rogówki oraz zapobiegają dalszym uszkodzeniom. [20,21]

3.2. Różnicowanie i działanie

Położone głęboko warstwy podstawne nabłonka oka zawierają niedojrzałe, półuśpione komórki macierzyste (głównie fibroblasty i prekursory keratynocytów) zdolne do autoregulacji i proliferacji. Migrują one w kierunku powierzchni zewnętrznej, gdzie dochodzi do ich różnicowania. Dojrzałe komórki przedostają się do płynu łzowego i są natychmiast zastępowane przez kolejne komórki migrujące z warstw wewnętrznych. Proces ten zachodzi przez całe życie organizmu. Integralność nabłonka jest niezbędna do zagwarantowania ochrony soczewki i prawidłowej ostrości wzroku. [20,21]

Różnicowanie komórek nabłonka zależy od aktywności komórek macierzystych rogówki, takich jak fibroblasty i prekursory keratynocytów. Komórki te dostarczają czynników wzrostu i cytokiny. Wraz z keratynocytami wchodzą w interakcje z komórkami rąbka rogówki. Są one kluczowe dla utrzymania zdrowia rogówki i regeneracji jej komórek. Istnieją trzy główne grupy cytokin, które pośredniczą między komórkami rąbka a leżącym pod nimi zrębem rogówki:

cytokiny typu I (np. TGFα, IL-1β, płytkopochodny czynnik wzrostu) – są produkowane przez keratynocyty rogówki i oddziałują na fibroblasty w podścielisku
cytokiny typu II (np. IGF-1, TGFβ1, TGFβ2, podstawowy czynnik wzrostu fibroblastów) – wpływają zarówno na keratynocyty, jak i fibroblasty, odpowiadają za powolny podział komórek podstawnych rąbka rogówki
cytokiny typu III (m.in. KGF, czynnik wzrostu hepatocytów) – są produkowane przez fibroblasty i stymulują proliferację oraz migrację komórek progenitorowych rogówki [24]

Keratynizacja nabłonka warstwowego jest kontrolowana przez białka produkowane przez określoną grupę genów. Geny te mogą zarówno wspomagać, jak i hamować proces różnicowania komórek nabłonka oka. Kluczową rolę odgrywają tu retinoidy oraz ich receptory jądrowe. Stopień keratynizacji poszczególnych warstw nabłonka zależy od ich wrażliwości na retinoidy. W fizjologicznych warunkach keratynocyty nabłonka powierzchni oka, choć są zdolne do produkcji białek powodujących rogowacenie, to są przed nią powstrzymywane przez obecność retinoidów we krwi i łzach. Brak witaminy A w diecie lub jej niedobór, zwłaszcza u noworodków i w przypadku niektórych chorób przewlekłych, może prowadzić do rogowacenia nabłonka oka, co ma poważne konsekwencje zdrowotne. [22,23]

4. Podstawowe funkcje keratynocytów

4.1. Odczuwanie zimna

Termowrażliwość to proces, dzięki któremu organizm może odczuć zmiany temperatury w ciele i w otaczającym go środowisku. Do niedawna uważano, że zimno jest odbierane tylko przez neurony czuciowe. Dziś wiemy, że komórki naskórka również mogą wykrywać zmiany temperatury i przekazywać informacje o bodźcach do układu nerwowego. Pod wpływem zimna błona komórkowa keratynocytu ulega depolaryzacji i uwalnia ATP. Następnie za pośrednictwem receptorów P2X4 dochodzi do aktywacji neuronów czuciowych. Cały czas trwają badania nad mechanizmami działania keratynocytów w odpowiedzi na niską temperaturę. [15]

W badaniach na myszach naukowcy użyli optogenetyki, aby zablokować aktywność keratynocytów. Wyniki pokazały, że po zahamowaniu tych komórek myszy były mniej wrażliwe na zimno – potrzebowały więcej czasu, aby zareagować na bodziec zimna, jak np. suchy lód. Inne badania, przy użyciu techniki obrazowania wapnia, wykazały, że wszystkie badane keratynocyty reagowały na zimno. Odpowiedź ta była zależna od obecności wapnia i sodu na zewnątrz komórek. Aby zrozumieć, jakie kanały jonowe są odpowiedzialne za te reakcje, naukowcy podawali różne substancje blokujące je podczas ekspozycji komórek na zimno. Odkryto także, że keratynocyty uwalniają ATP, co wpływa na neurony czuciowe, szczególnie te zawierające receptor P2X4. Gdy zablokowano wydzielanie ATP przez keratynocyty lub wyłączono funkcję tych neuronów, myszy słabiej reagowały na niskie temperatury. [15]

4.2. Odczuwanie bólu

Wolne zakończenia nerwowe zlokalizowane wewnątrz naskórka są całkowicie otoczone rynienkami cytoplazmy keratynocytów i tworzą struktury przypominające synapsy. Keratynocyty odbierają bodźce termiczne, mechaniczne i chemiczne dzięki obecności kanałów jonowych potencjalnego receptora przejściowego (ang. transient receptor potential channels, TRP) oraz innych receptorów czuciowych. W momencie ich aktywacji dochodzi do napływu jonów wapnia do komórek i uwalniania ATP, który następnie wiąże się z receptorami P2 na zakończeniach nerwowych, pobudzając neurony czuciowe. Proces ten jest regulowany przez układ opioidowy oraz endotelinę. Keratynocyty posiadają także receptory dla neuroprzekaźników, takich jak adrenalina, acetylocholina, glutaminian i kwas gamma-aminomasłowy, które wpływają na ich aktywację i migrację. Ponadto keratynocyty jednocześnie produkują i reagują na neurotrofiny, cytokiny prozapalne oraz neuropeptydy. W efekcie tworzy się pętla sprzężenia zwrotnego, która nasila reakcje neurozapalne. Skutkiem jest wzrost wrażliwości sensorycznej (sensytyzacji) i odczuwania bólu. [32]

4.3. Wpływ na gojenie się ran

Trudno gojące się rany powstają m.in. w zespole stopy cukrzycowej i w niewydolności żylnej. Jedną z przyczyn utrudnionego gojenia się ran jest zaburzone ukrwienie tkanki. Dochodzi do powstawania wolnych rodników tlenowych, które podtrzymują przewlekły stan zapalny. Leczenie trudno gojących się ran stanowi duże wyzwanie kliniczne, trwa bowiem długo i wiąże się z wysokim ryzykiem zakażeń bakteryjnych. W warunkach fizjologicznych układ odpornościowy skóry kontroluje namnażanie się bakterii i zapobiega ich wnikaniu do wnętrza organizmu. Natomiast w przypadku trudno gojącej się rany w jej otoczeniu powstaje biologiczna membrana (tzw. biofilm). Jest to wielokomórkowa struktura bakterii otoczona warstwą substancji organicznych i nieorganicznych, produkowanych przez te drobnoustroje. Bakterie bronią się przed leukocytami gospodarza, otaczając się śluzową macierzą. Z czasem dochodzi do wytworzenia oporności na antybiotyki. Keranocyty odgrywają ważną rolę w procesie gojenia się ran, wytwarzają bowiem drobnocząsteczkowe peptydy o aktywności bakteriobójczej (ang. antimicrobial peptides, AMP). Są to związki charakteryzujące się obecnością hydrofobowych reszt aminokwasowych. Mają zdolność wnikania w błonę komórkową bakterii. Powodują zaburzenia w jej strukturze i funkcjonowaniu. W efekcie zapobiegają namnażaniu się bakterii wokół rany i usprawniają procesy jej gojenia. Do najważniejszych AMP należą katelicydyna i defensyny. [8,9]

Katelicydyna to białko o działaniu bakteriobójczym. Jest skuteczna w stosunku do bakterii Gram-dodatnich, jak i Gram-ujemnych, niezależnie od poziomu ich antybiotykooporności. Mechanizm jej działania polega na bezpośrednim uszkodzeniu błon komórkowych i lizie drobnoustrojów. Katelicydyna ma również działanie immunomodulujące. Reguluje proces apoptozy, indukuje angiogenezę oraz stymuluje proliferację i migrację komórek. Keratynocyty uwalniają ją w odpowiedzi na zakażenie czy urazy mechaniczne. Zaburzenia aktywności katelicydyny są jedną z przyczyn nieprawidłowego gojenia ran. [9] Zaobserwowano, że u pacjentów z przewlekłym owrzodzeniem żylnym podudzi tempo gojenia się rany było znacznie wolniejsze w przypadku niedoboru katelicydyny w surowicy krwi niż u pacjentów z prawidłowym stężeniem tego peptydu. [10]

Defensyny to białka, których zadaniem jest pobudzanie syntezy substancji odpornościowych, takich jak cytokiny, chemokiny i czynniki wzrostu. Wpływają na transdukcję sygnałów i regulację szlaków zapalnych, wywołując aktywację układu odpornościowego. Działają również bezpośrednio na drobnoustroje. Wbudowują się w błonę komórkową bakterii i grzybów, powodując tworzenie się w niej porów, czego skutkiem jest niszczenie jejstruktury. Jednocześnie defensyny wpływają na keratynocyty, które pod wpływem ich działania zwiększają ekspresję mediatorów prozapalnych. Jedno z białek, β‑defensyna HBD‑1, zwiększa także migrację keratynocytów przez fosforylację naskórkowego receptorowego czynnika wzrostu. Wpływa na regulację szybkości proliferacji keratynocytów i w ten sposób przyspiesza proces gojenia się ran. [11]

W obszarach skóry objętych ranami gromadzą się kompleksy macierzy zewnątrzkomórkowej (ang. extracellular matrix, ECM). Składają się one z kolagenu, polisacharydów i glikoprotein. Są swoistym rusztowaniem, na którym spoczywają komórki naskórka, m.in. keratynocyty. W chwili uszkodzenia skóry fibroblasty rozrastają się i produkują zwiększone ilości ECM. W procesie gojenia się ran macierz zewnątrzkomórkowa jest niezbędna do migracji keratynocytów z brzegów rany do jej środka i do tworzenia ziarniny, a w późniejszym czasie także blizny. Jeżeli ECM jest za mało bądź w ogóle nie jest wytwarzana, to jej funkcje przejmują keratynocyty. Są one zdolne do zbiorowej migracji i tworzenia mostków wielokomórkowych ponad strefami pozbawionymi ECM. Przyleganie keratynocytów do siebie jest możliwe dzięki procesom adhezji komórkowej, natomiast ich struktura wzmocniona jest dzięki obecności wiązek aktyny. Głównym zadaniem keratynocytów jest utrzymanie integralności skóry. [12]

4.4. Wpływ na błony śluzowe

Błona śluzowa jamy ustnej, a zwłaszcza jej warstwa nabłonkowa, jest ważnym elementem homeostazy organizmu. Komórki nabłonka zapewniają ciągłość błony śluzowej. Odgrywają również ważną rolę w regulacji procesów immunologicznych, naprawczych i regeneracyjnych. W skład cytoszkieletu wchodzą m.in. keratynocyty. Warunkują one wytrzymałość mechaniczną nabłonka oraz sprawiają, że pełni on rolę selektywnej bariery chemicznej. Keratynocyty w błonie śluzowej jamy ustnej występują pod postacią komórek progenitorowych i dojrzewających. Komórki progenitorowe cechują się wysokim potencjałem proliferacyjnym. Natomiast po przekształceniu w postać dojrzewającą w ich cytoplazmie ilość keratyn wzrasta z 30 do 50% całkowitej puli białek cytoszkieletu. Ich rozkład w jamie ustnej jest stały i charakterystyczny dla poszczególnych obszarów nabłonka. W przypadku stanów zapalnych jamy ustnej keratynocyty wraz z komórkami odpornościowymi i komórkami śródbłonka naczyń krwionośnych migrują do miejsca zapalenia, by uczestniczyć w procesie gojenia. [13]

W fazie zapalenia jamy ustnej keratynocyty produkują interleukiny i czynniki wzrostu komórek oraz stymulują migrację neutrofilii. Uwolnione IL-1 i TNF-α aktywują receptory błonowe śródbłonka naczyń kapilarnych odpowiedzialne za adhezję leukocytów. Przyłączone do powierzchni śródbłonka komórki syntetyzują i wydzielają enzymy proteolityczne, co powoduje zwiększenie przepuszczalności naczyń krwionośnych, a także ułatwia proces przechodzenia leukocytów przez śródbłonek i ich migrację w kierunku miejsca zapalenia. Przy udziale leukocytów i makrofagów, na drodze fagocytozy i wydzielania proteaz, dochodzi do usunięcia bakterii i fragmentów zniszczonych tkanek z jamy ustnej. [13]

Keratynocyty znajdują zastosowanie w wypełnianiu ubytków błony śluzowej jamy ustnej o różnej etiologii. Stanowią alternatywę dla przeszczepów skóry lub błony śluzowej, jak i różnego rodzaju operacji plastycznych. Keratynocyty przyspieszają gojenie się rany i znacznie zmniejszają towarzyszące jej dolegliwości bólowe. Ich wykorzystanie w medycynie stwarza nowe możliwości w zakresie chirurgii przedprotetycznej, periodontologicznej oraz chirurgii rekonstrukcyjnej jamy ustnej. [13]

4.5. Produkcja witaminy D

Miejscem syntezy witaminy D jest skóra. Na syntezę tej witaminy wpływają pora roku, pora dnia, szerokość geograficzna, czas ekspozycji na promieniowanie słoneczne, jakość pigmentacji skóry, a nawet wiek. Proces skórnej syntezy witaminy D może być hamowany przez umiejscowioną w naskórku melaninę absorbującą promieniowanie UV. Chroni ona w ten sposób organizm przed oparzeniami i uszkodzeniami DNA. [19] Keratynocyty są komórkami nabłonka, które jako jedyne mają możliwość regulacji pełnego spektrum reakcji metabolicznych witaminy D, począwszy od jej syntezy po konwersję do aktywnych metabolitów i jej inaktywację. Ta szczególna pozycja keratynocytów wynika z ich lokalizacji. Pełnią one bowiem funkcję łącznika pomiędzy ciałem człowieka a środowiskiem zewnętrznym. [25] Jednocześnie kalcytriol, czyli aktywna forma witaminy D, pobudza proliferację keratynocytów. [27]

Mechanizm oddziaływania keratynocytów na metabolizm witaminy D jest wielowątkowy. Witamina D3 (cholekalcyferol) jest wytwarzana z prekursora steroidowego, czyli z 7-dehydrocholesterolu (7-DHC), który znajduje się w błonie komórkowej keratynocytów skóry. [26] Energia fotonów UVB oddziałujących na naskórek jest wykorzystywana w reakcji fotoizomeryzacji 7-DHC do prewitaminy D3. Ta z kolei ulega przekształceniu do cholekalcyferolu na zasadzie samorzutnej izomeryzacji termicznej. [28] Innym elementem systemu odpowiedzi keratynocytów na promieniowanie UV jest cytochrom P450 CYP11H1, przekształcający witaminę D3 w niekalcemiczne sekosteroidy, takie jak 20(OH)D3 i 20,23(OH)2D3. Wraz z produktami ubocznymi produkcji prewitaminy D i 25(OH)D3 wytwarzanym przez CYP27A, absorbują one promieniowanie UV chroniąc wraz z melaniną DNA komórkowe skóry. [25] Ponadto keratynocyty uwalniają enzymy pozwalające na syntezę 1,25-dihydroksycholekalcyferolu z 7-DHC. Komórki te wyposażone są również w jądrowy receptor witaminy D3 (VDR), który odpowiada za parakrynne i autokrynne działanie tego hormonu na keratynocyty. Tym samym naskórek może być traktowany jako samodzielny układ endokrynny witaminy D3. [28]

U myszy pozbawionych receptorów witaminy D i receptorów wapniowych (CaSR) w keratynocytach zachodzi spontaniczna karcynogeneza, nawet przy braku takich bodźców, jak promieniowanie UV lub chemiczne substancje rakotwórcze. Aktywna forma witaminy D, wraz z jej receptorem umiejscowionym na keratynocytach, przekierowuje wewnątrzkomórkową β-kateninę do tworzenia kompleksów z E-kadheryną, która wraz z jonami wapnia zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia złośliwej transformacji komórek. Jednocześnie szlak sygnałowy Wnt jest przełączany na zmniejszoną proliferację i redukcję niektórych cyklin zaangażowanych w proliferację komórek nabłonkowych. Potwierdzają to wyniki badań na ludziach. Wyższe poziomy witaminy D były przypisywane niższym wskaźnikom różnych typów nowotworów. Badanie obejmujące ponad 300 000 przypadków raka trzustki u pacjentów ze 172 krajów położonych na różnych szerokościach geograficznych wykazało, że najniższe wskaźniki (1/100 000) występowały w krajach o najwyższym nasłonecznieniu, podczas gdy w krajach o najniższym nasłonecznieniu częstość była około 10 razy wyższa u kobiet i mężczyzn. Podobną zależność stwierdzono również w przypadku szpiczaka mnogiego. Prawidłowa struktura i funkcjonowanie keratynocytów umiejscowionych w skórze są więc jednymi z elementów zapobiegających powstawaniu nowotworów, nie tylko związanych stricte ze skórą, ale i mających tendencję do rozwoju w innych tkankach organizmu. [25]

5. Udział keratynocytów w patomechanizmie wybranych chorób

5.1. Rogowacenie słoneczne

Rogowacenie słoneczne (ang. actinic keratosis, AK) to schorzenie związane z nieprawidłowym metabolizmem keratynocytów, z potencjalnym ryzykiem rozwoju raka kolczystokomórkowego. Diagnozuje się je głównie u osób o jasnej karnacji, często eksponujących ciało na promieniowanie słoneczne. Charakteryzuje się nadmiernym rogowaceniem i złuszczaniem naskórka. Zazwyczaj na skórze pacjenta pojawia się od sześciu do ośmiu zmian, a im jest ich więcej tym ryzyko rozwoju raka wzrasta. [17]

Rogowacenie słoneczne charakteryzuje się nieprawidłowym ukształtowaniem keratynocytów. Komórki mają atypowy kształt – są powiększone, ich krawędzie są nieregularne, a jądra komórkowe hiperchromatyczne. W przebiegu choroby dochodzi do pogrubienia warstwy rogowej z przetrwałymi jądrami. Zmiany zapalne mogą mieć różną wielkość i kształt. Wyróżnia się trzy stopnie zaburzeń różnicowania keratynocytów. Śródnaskórkowa neoplazja keratynocytów I stopnia (ang. keratinocytic intraepidermal neoplasia, KIN I) charakteryzuje się atypowością komórek warstwy podstawnej, obejmującą 30% powierzchni naskórka. W neoplazji keratynocytów II stopnia (KIN II) atypowe komórki zajmują dwie trzecie dolnej powierzchni naskórka, a w KIN III występują w całym naskórku. Obecność nieprawidłowo zróżnicowanych keratynocytów predysponuje do rozwoju raka kolczystokomórkowego skóry. [18]

5.2. Rak kolczystokomórkowy skóry

Rak kolczystokomórkowy skóry to nowotwór wywodzący się z keratynocytów naskórka. Jest drugim najczęściej występującym nowotworem skóry. Jednym z czynników biorących udział w powstawaniu raka kolczystokomórkowego jest narażenie na promieniowanie UV. Ponad 80% przypadków tego nowotworu dotyczy części ciała eksponowanych na światło słoneczne. [18]

Rozwój raka kolczystokomórkowego jest wieloetapowy. Rozpoczyna się od aktywacji protoonkogenów (m.in. z rodziny Ras) i/lub unieczynnienia genu supresorowego p53 w keratynocytach. Gen p53 jest zlokalizowany na krótkim ramieniu chromosomu 17 i koduje czynniki transkrypcyjne. Indukuje aktywność wielu białek, które biorą udział w regulacji cyklu komórkowego i sprzyjają apoptozie komórek. Jego aktywacja doprowadza do zatrzymania cyklu komórkowego w fazie G1, pozwalając na naprawę uszkodzeń DNA, bądź do zaprogramowanej śmierci komórki. Keratynocyty, które mają uszkodzone DNA (np. na skutek promieniowania UV), nie mogą zostać naprawione, więc są eliminowane przez proces apoptozy indukowanej przez białko p53. Mutacje w genie p53 powodują ciągłe dzielenie zmienionej nowotworowo komórki i progresję choroby. Ponadto w odpowiedzi na zranienie skóry w regionie wybrzuszenia pochewki naskórka komórki pochodzące ze szpiku kostnego mogą osiedlać się i różnicować się w kierunku komórek macierzystych keratynocytów. W sprzyjających warunkach (np. na skutek przewlekłego stanu zapalnego) komórki pochodzące ze szpiku kostnego mogą zapoczątkować proces złośliwej transformacji prowadzącej do rozwoju raka skóry. [18]

5.3. Atopowe zapalenie skóry

Atopowe zapalenie skóry (AZS) to przewlekła, nawracająca choroba zapalna skóry. Cechuje się zaburzeniami integralności naskórka, w efekcie czego patogeny, alergeny, promieniowanie UV czy też związki chemiczne obecne w otoczeniu wnikają w głębsze warstwy skóry i aktywują komórki układu immunologicznego. Pod wpływem stanu zapalnego dochodzi do uszkodzenia tkanki. Keratynocyty uczestniczą w patogenezie AZS. Wpływają na aktywność komórek odpornościowych i zaostrzają stan zapalny w skórze. [5] Skutkuje to nieprawidłowym uwalnianiem mediatorów prozapalnych, takich jak cytokiny i chemokiny. Kluczowymi cytokinami regulującymi rozwój odpowiedzi zapalnych w keratynocytach są czynnik martwicy nowotworu i interferon gamma (IFN-γ). [6]

Jednym z czynników powstawania atopowego zapalenia skóry jest mutacja genu FLG. Koduje on profilagrynę, która jest niezbędna do prawidłowego różnicowania się keratynocytów i utrzymania integralności naskórka. Mutacje genu FLG prowadzą do zaburzeń funkcjonowania keratynocytów i wzrostu poziomu stanu zapalnego w skórze. Jednocześnie dysfunkcje te zwiększają ryzyko wystąpienia chorób o podłożu alergicznym, nawet po ustąpieniu objawów AZS. Zjawisko to znane jest pod postacią marszu alergicznego i dotyczy tkanek, w których nie występuje ekspresja genu FLG. Najczęściej powoduje alergiczny nieżyt nosa, choć może przerodzić się nawet w astmę oskrzelową. [5]

Keratynocyty produkują tzw. małe pęcherzyki zewnątrzkomórkowe (ang. small extracellular vesicles, sEVs), które wpływają na odpowiedź immunologiczną. Pod wpływem stanu zapalnego zaczynają one wydzielać glikany i nasila się ich interakcja z komórkami dendrytycznymi. Ponadto w momencie stymulacji cytokinami typowymi dla przebiegu AZS dochodzi do zwiększenia aktywności receptorów na keratynocytach. Małe pęcherzyki zewnątrzkomórkowe są także źródłem lipidowych ligandów dla białka CD1a. Ligandy te regulują aktywność CD1a-zależnych limfocytów T. Wyciszenie genu FLG w keratynocytach skutkuje wzmocnieniem odpowiedzi odpornościowej swoistej i zahamowaniem odpowiedzi nieswoistej. Na zmiany te wpływa zmniejszona aktywność enzymów odpowiadających za metabolizm lipidów w skórze pacjentów z AZS. [5]

Keranocyty objęte atopowym zapaleniem skóry produkują tzw. limfopoetynę podścieliska grasicy (ang. thymic stromal lymphopoietin, TSLP). Wpływa ona na rozwój objawów AZS, mianowicie nasila swędzenie i podrażnienie skóry. Ponadto poprzez aktywację komórek dendrytycznych zwiększa produkcję cytokin prozapalnych, takich jak IL-4, IL-5, IL-13 i IL-31. Działanie keranocytów jest dodatkowo wzmacniane przez limfokiny. Są to pochodne cytokin uwalniane przez limfocyty T. Pobudzają wzrost i proliferację komórek odpornościowych. Innym ważnym mediatorem zapalnym wytwarzanym przez keratynocyty jest czynnik stymulujący kolonie granulocytów i makrofagów (ang. granulocyte-macrophage colony stimulating factor, GM-CSF). Jego ekspresja jest regulowana przez cytokiny IFN-γ, TNF-α i IL-17, a w AZS nadmiernie wzrasta. [6]

Ważną rolę w patofizjologii atopowego zapalenia skóry odgrywa także filagryna (ang. filaggrin, FLG). bJest to białko biorące udział w tworzeniu i utrzymaniu bariery naskórkowej. Wszelkie zmiany w strukturze i działaniu FLG mogą prowadzić do agregacji włókien keratynowych i zmiany wartości pH skóry. W efekcie dochodzi do jej odwodnienia, co objawia się nadmierną suchością i świądem. [7]

5.4. Obrzęk limfatyczny

Obrzęk limfatyczny jest objawem zastoju płynu międzykomórkowego i limfy w tkankach. Powstaje najczęściej w następstwie uszkodzenia naczyń limfatycznych prowadzących do regionalnych węzłów chłonnych. Obrzęki limfatyczne rozwijają się w bakteryjnych zapaleniach skóry i tkanek miękkich, w przebiegu urazów mechanicznych oraz po usunięciu lub naświetlaniu węzłów chłonnych w przypadku nowotworów. W toku rozwoju obrzęków limfatycznych dochodzi do zmian funkcjonalnych keratynocytów i fibroblastów. Cechą charakterystyczną tych schorzeń jest nadmierna proliferacja tych komórek. Efektem jest zwiększenie poziomu stanu zapalnego w obrębie skóry i naczyń limfatycznych oraz włóknienie tkanki. Proces ten jest nasilany przez czynniki wzrostu i cytokiny znajdujące się w płynie tkankowym. Zaburzenia odpływu chłonnego z tkanki prowadzą również do zatrzymania w niej mikroorganizmów penetrujących skórę, a następnie do kolonizacji przez nie głębiej położonych tkanek. Tak więc tempo proliferacji i różnicowania keratynocytów nie jest wynikiem zmian patologicznych w samej komórce, a skutkiem wpływu cytokin i czynników wzrostu zawartych w chłonce na jej metabolizm. [14]

5.5. Cukrzyca typu 2

Cukrzyca typu 2 jest chorobą metaboliczną, charakteryzującą się podwyższonym stężeniem glukozy we krwi. Prowadzi do zmniejszenia wrażliwości tkanek na insulinę. Cukrzyca może prowadzić do pogorszenia jakości życia. [30] Jednym ze skutków ubocznych cukrzycy jest dermatopatia cukrzycowa. Objawia się ona atrofią i stwardnieniem skóry. Mogą pojawić się wybroczyny, owrzodzenia czy pęcherze. NIeleczona dermatopatia cukrzycowa powoduje powstawanie stopy cukrzycowej. Powyższe zmiany są następstwem głębokich zaburzeń metabolicznych przebiegających w towarzystwie mikroangiopatii. [31]

W zdrowej skórze zachodzi enzymatyczna glikozylacja białek. Jest to proces celowy i korzystny dla tkanki. W przebiegu cukrzycy dochodzi do nieenzymatycznej glikozylacji peptydów. Ma ona charakter spontaniczny i nieuregulowany, a jej nasilenie zależy od ilości cukrów prostych, w tym glukozy, w organizmie. Reakcje glikozylacji prowadzą do powstawania nieodwracalnej sieci powiązań białkowych zwanych końcowymi produktami glikozylacji (ang. advanced glycation end- products, AGEs). Wiąże się to z rozwojem uszkodzeń ścian naczyń krwionośnych i nerwów, a także z przyspieszeniem procesów starzenia się tkanek. Skóra staje się narażona na ciągłą ekspozycję na antygeny i czynniki zewnętrzne, co wymaga sprawnej obrony immunologicznej. Rolę tę odgrywa układ odpornościowy skóry (ang. skin immune system, SIS). W jego skład wchodzą naskórkowe keratynocyty, limfocyty T, komórki Langerhansa, komórki śródbłonka naczyń, makrofagi, neutrofile i komórki tuczne, a także melanocyty. Natomiast w obrębie skóry właściwej są to fibroblasty i komórki macierzyste. [31]

W warunkach hiperglikemii obserwuje się wzmożoną aktywność keratynocytów. Pod wpływem nadmiaru stresu oksydacyjnego dochodzi do aktywacji szlaków sygnałowych kinaz (ang. extracellular signal-regulated kinases, ERK), co hamuje ekspresję białek na powierzchni keratynocytów. W efekcie zaburzonej równowagi oksydacyjno-redukcyjnej uwalniają one cytokiny i czynniki wzrostu, zapobiegając w ten sposób rozwojowi stanu zapalnego. Jednocześnie w warunkach hiperglikemii rozwija się wewnątrzkomórkowy stres oksydacyjny ze wszystkimi jego biologicznymi następstwami. W przebiegu przewlekłego procesu zapalnego hamowana jest proliferacja keratynocytów. Zmniejsza się też ich żywotność i zdolność do migracji. [31]

Za pośrednictwem kadheryny E keratynocyty wchodzą w interakcję z komórkami Langerhansa. Są to komórki dendrytyczne, które w warunkach fizjologicznych pozostają w uśpieniu. Natomiast w stanie hiperglikemii uwalniają TGF-β1, IL-1b i TNF-α. Związanie ich z AGEs prowadzi do ich stymulacji, zwiększonej produkcji cytokin, rozwoju stresu oksydacyjnego i indukowania kaskady zjawisk odpowiadających rozwojowi przewlekłego procesu zapalnego. Zmiany czynnościowe komórek Langerhansa prowadzą także do pobudzenia keratynocytów. Jednocześnie za pośrednictwem selektyny E obecnej na ich powierzchni dochodzi do migracji limfocytów T w głąb naskórka. Regulują one odpowiedź immunologiczną w warunkach stresu oksydacyjnego wywołanego hiperglikemią. [31]

5.6. Choroba Alzheimera

Produkowana przez keratynocyty keratyna 9 uważana jest za jeden z biomarkerów choroby Alzheimera. Zrozumienie, w jaki sposób białko, którego ekspresja zachodzi głównie w naskórku, jest powiązane z chorobą Alzheimera, może rzucić nowe światło na mechanizmy leżące u podstaw tego schorzenia. Dysregulacja bariery krew-mózg i zakłócenia układu ubikwityna-proteasom prowadzą do nieprawidłowej ekspresji keratyny 9 we krwi i w płynie mózgowo-rdzeniowym. Zaburzona aktywność tego białka może przyczyniać się do wystąpienia i postępu choroby Alzheimera. Co ciekawe keratyna 9 występuje wyłącznie w płynie mózgowo-rdzeniowym pobranym od pacjentów z chorobą Alzheimera, nie jest obecna u osób zdrowych. Obserwuje się również istotne korelacje pomiędzy stężeniami keratyny 9 a pozostałymi markerami choroby Alzheimera, takimi jak apolipoproteina E (ApoE), klusteryna czy białko tau w osoczu krwi. Choć nie wchodzi ona w bezpośrednie reakcje z tymi związkami, to jest z nimi ściśle powiązana funkcjonalnie. Wpływa także na mechanizmy sygnalizacji komórkowej, poprzez szlak sygnalizacyjny Wnt. W chorobie Alzheimera działa on nieprawidłowo. Keratyna 9 wchodzi w interakcje z komórkami prezentującymi antygen (APC) i kadheryną 1 tłumiąc aktywność szlaku Wnt. Skutkuje to wzrostem neurotoksyczności β-amyloidów i nadmierną fosforylacją białka tau. Jednocześnie peptydowe produkty degradacji białka amyloidowego (ang. amyloid precursor protein, APP) uczestniczą w regulacji proliferacji keratynocytów. [29]