Hautbarriere: Wie Hornzellen, Lipide und Zellkontakte zusammenarbeiten

Eine Schutzfläche aus Zellen und Zwischenräumen

An der Hautoberfläche liegen flache Hornzellen wie versetzte Platten übereinander. Jede enthält ein dichtes Keratingerüst und ist von einer widerstandsfähigen Hülle umgeben. Die Zwischenräume füllen geordnete Lipidschichten. Der Weg durch diese Anordnung ist verschlungen: Ein Stoff trifft auf wechselnde proteinreiche und lipidreiche Kompartimente. Aus deren Zusammenspiel ergeben sich die mechanische Festigkeit und der hohe Widerstand gegen unkontrollierten Wasserdurchtritt. [3] [59]

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Diese äußere Grenze wird von innen laufend nachgebildet. Teilungsfähige Zellen der Basalschicht liefern neue Keratinozyten. Auf ihrem Weg durch Stachelzell- und Körnerschicht verändern sie ihre Proteine, Zellkontakte und Sekretvorräte. In der Hornschicht bestehen schließlich kernlose, stark umgebaute Zellen. An der freien Oberfläche lösen sich die ältesten Hornzellen. Wachstum, Differenzierung und Abschilferung halten die mehrlagige Fläche im Gleichgewicht. [72] [7]

Die Dicke der Hornschicht richtet sich nach der Körperregion. Handflächen und Fußsohlen besitzen eine ausgeprägte verhornte Oberfläche und eine zusätzliche lichtmikroskopisch erkennbare Glanzschicht. Die lebenden Zelllagen bleiben auch dort auf die Versorgung von der Gewebeseite angewiesen. Die gefäßfreie Oberhaut erhält Nährstoffe aus den Gefäßen der darunterliegenden Lederhaut über kurze Diffusionsstrecken. [1]

Was eine Hornzelle belastbar macht

Während der Verhornung werden Proteine an der Zellperipherie zu einer stabilen Hornzellhülle vernetzt. Sie umschließt das innere Keratinsystem. An ihrer Außenseite liegt zusätzlich eine gebundene Lipidhülle, die den Anschluss an die extrazellulären Lipidlamellen unterstützt. Mechanisch belastbare Zellkörper und geordnete Zwischenräume entstehen dadurch als zusammenhängende Architektur. Beide Komponenten müssen an vielen kleinen Kontaktflächen aufeinander abgestimmt sein. [74] [4]

Filaggrin trägt zu dieser Reifung bei. Sein Vorläufer Profilaggrin wird in den auffälligen Keratohyalingranula der Körnerschicht gespeichert. Nach der Verarbeitung entstehen Filaggrinmoleküle, die Keratinfilamente zusammenlagern helfen. Später wird ein Teil dieses Materials weiter zu kleinen wasserbindenden Molekülen abgebaut. Dasselbe Ausgangsprotein verbindet so eine frühe strukturelle Aufgabe mit der späteren Wasserbindung in der Hornschicht. [6] [7]

Hornzellen bleiben untereinander über Korneodesmosomen verbunden. Diese spezialisierten Haftkontakte entwickeln sich aus Verbindungen der lebenden Epidermis. Ihre Bestandteile bilden molekulare Brücken zwischen benachbarten Hornzellen. Weiter außen werden sie schrittweise durch Proteasen abgebaut. So kann sich die Oberfläche erneuern, während tiefere Hornschichtlagen genügend Zusammenhalt für Belastung und Schutz behalten. [48]

Wie die Lipidschichten in die Zwischenräume gelangen

In den oberen lebenden Keratinozyten liegen Lamellenkörperchen. Diese kleinen sekretorischen Organellen enthalten Lipidvorstufen sowie Enzyme und weitere Bestandteile der späteren Oberflächenbarriere. An der Grenze zur Hornschicht verschmelzen sie mit der Zellmembran und geben ihren Inhalt nach außen ab. Im Extrazellulärraum werden die Vorstufen enzymatisch verarbeitet und zu lamellären Anordnungen organisiert. [4] [7]

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Zu den zentralen Lipidgruppen gehören Ceramide, Cholesterin und freie Fettsäuren. Ihre Kettenlängen, chemischen Eigenschaften und räumliche Packung beeinflussen, wie dicht sich die Lamellen anordnen. Eine bloße Menge an Fett beschreibt diese Struktur daher nur teilweise. Entscheidend sind auch die passenden molekularen Bausteine und ihr geordneter Einbau zwischen den Hornzelloberflächen. [4] [59]

Die Lipidlamellen liegen zwischen den Zellen; wasserbindende Bestandteile befinden sich zu einem wesentlichen Teil in den Hornzellen. Diese räumliche Aufteilung schafft zwei ergänzende Eigenschaften: Die Zwischenräume begrenzen den Durchtritt, die Zellkörper behalten einen für ihre Mechanik günstigen Wassergehalt. Ein Querschnitt lässt beide Ebenen erkennen: robuste einzelne Platten und viele dünne geschichtete Grenzflächen dazwischen. [3] [6] [59]

Wasserbindung und transepidermaler Wasserverlust

Der natürliche Feuchthaltefaktor, kurz NMF, ist ein Gemisch kleiner wasserbindender Substanzen. Zu den aus Filaggrin hervorgehenden Anteilen gehören freie Aminosäuren, Urocaninsäure und Pyrrolidoncarbonsäure. Sie tragen dazu bei, Wasser in der Hornschicht zu halten. Der lokale Wassergehalt beeinflusst die Beweglichkeit des Keratinsystems und die Arbeitsbedingungen von Enzymen, die am kontrollierten Zellablösen beteiligt sind. [6] [48]

Durch die Haut gelangt fortlaufend Wasser nach außen und verdunstet. Dieser passive transepidermale Wasserverlust wird als TEWL bezeichnet. Seine Größe hängt unter anderem von der Hautregion, den Umgebungsbedingungen und dem Zustand der Barriere ab. Bei einer Messung müssen Temperatur, Luftfeuchte und Luftbewegung berücksichtigt werden. Ein Messwert ist deshalb immer an den Ort und die Bedingungen der Untersuchung gebunden. [47]

Ekkriner Schweiß nimmt einen anderen Weg: Eine Drüse bildet Flüssigkeit, ihr Gang führt sie gezielt zur Hautoberfläche. Passive Wasserabgabe durch die epidermale Barriere und aktive Drüsensekretion tragen somit auf verschiedenen anatomischen Wegen zur Wasserabgabe bei. Für die Hautfeuchte sind zusätzlich Verdunstung und die Verteilung der Flüssigkeit auf der Oberfläche wichtig. Die Wärmefunktion dieses Drüsenwegs erläutert die Seite zur Temperaturregulation. [44] [47]

Beim Durchtritt durch die Hornschicht können Stoffe verschiedene Wege nehmen: zwischen den Zellen entlang der Lipidräume, durch aufeinanderfolgende Zell- und Lipidkompartimente oder über Hautanhangsgebilde. Größe, Löslichkeit und die Verteilung zwischen den Materialien beeinflussen die Passage. Die Struktur bildet damit eine selektive Grenzfläche, deren Eigenschaften für jeden Stoff und jeden Transportweg gesondert betrachtet werden. [48]

Die zweite Dichtung liegt in lebenden Zelllagen

Unterhalb der Hornschicht tragen Tight Junctions in der Körnerschicht zur parazellulären Abdichtung bei. Claudine und weitere Kontaktproteine verbinden benachbarte Zellmembranen zu einem regulierten Grenzsystem. Dieses wirkt an einer anderen Stelle als die Hornzell-Lipid-Architektur. Der mehrschichtige Schutz beruht damit auf unterschiedlichen Kontaktformen: Haftverbindungen übertragen Kräfte, abdichtende Kontakte begrenzen den Weg zwischen lebenden Zellen. [3] [5]

Die Bedeutung dieser Kontakte wurde unter anderem an Claudin-1-defizienten Mäusen untersucht. Trotz einer äußerlich erkennbaren Schichtung der Epidermis zeigten die Tiere einen schweren Wasserverlust. Die Arbeit verknüpfte den Verlust eines Kontaktproteins mit einer gestörten Barrierefunktion. Sie macht anschaulich, weshalb die Leistungsfähigkeit einer Hautgrenze aus mehreren molekularen und räumlichen Ebenen entsteht. [5]

Die Basalmembran an der Grenze zur Lederhaut übernimmt wieder eine andere Aufgabe. Sie verankert die Oberhaut am darunterliegenden Gewebe und bildet eine geordnete Kontaktfläche zur Versorgung aus der Dermis. Zusammen mit den Zell-Zell-Verbindungen stabilisiert sie die Haut gegen Zug- und Scherkräfte. Die Seiten zur Epidermis und zum Epithelgewebe erklären diese Befestigung im Zusammenhang mit der gesamten Schichtenfolge. [1]

Säuremilieu, Enzyme und dosierte Abschilferung

Die Hautoberfläche besitzt ein leicht saures Milieu, dessen Ausprägung nach Region und Bedingungen variiert. Innerhalb der Hornschicht verändert sich der pH-Wert mit der Tiefe. Diese chemische Umgebung beeinflusst Enzyme, die Lipidvorstufen zu reifen Barrierelipiden verarbeiten. Sie beeinflusst außerdem Proteasen und deren Hemmstoffe, die den Zusammenhalt zwischen Hornzellen steuern. [8] [49]

Kallikrein-Proteasen können Bestandteile von Korneodesmosomen abbauen. Ihre Aktivität wird unter anderem durch pH und proteolytische Hemmsysteme begrenzt. Im tieferen Stratum corneum bleibt der Zusammenhalt deshalb erhalten, während weiter außen einzelne Verbindungen gelöst werden. Die Oberfläche erneuert sich in einer fein abgestimmten Abfolge aus Herstellung, Stabilisierung und Abbau ihrer Bausteine. [48] [8]

Bei einer Barrierestörung reagieren die noch lebenden Keratinozyten auf veränderte lokale Bedingungen. Lipidbereitstellung, Differenzierung und entzündliche Signale können sich anpassen. Umgekehrt beeinflussen Entzündungsbotenstoffe die Reifung und Zusammensetzung der Barriere. Dieses Wechselspiel erklärt, weshalb vermehrter Wasserverlust, veränderte Zellreifung und Entzündung gemeinsam auftreten und sich gegenseitig verstärken können. [3] [49]

Pigment, Abwehr und das Gewebe unter der Grenze

Melanozyten geben pigmenthaltige Melanosomen an Keratinozyten ab. Das so verteilte Melanin trägt zum Schutz vor ultravioletter Strahlung bei. Keratinozyten beteiligen sich daneben an der Abwehr, etwa durch antimikrobielle Peptide und Signalstoffe. Immunzellen und die örtliche Mikroorganismengemeinschaft wirken an der Grenzfläche mit. Wasserbarriere, Pigmentschutz und Immunüberwachung ergänzen sich an derselben Körperoberfläche. [2] [49]

Unterhalb der Oberhaut trägt die kollagen- und elastinfaserreiche Dermis die Gefäße, Nerven und viele Hautanhangsgebilde. Ihre oberflächlichen Papillen verzahnen sich mit der Epidermis; tiefere Faserzüge verteilen mechanische Lasten. Haarfollikel, Talg- und Schweißdrüsen besitzen jeweils eigene Baupläne und Mündungswege. Die Subkutis ergänzt diese Schichten durch Fettgewebe, Polsterung, Energiespeicherung und Verschieblichkeit gegenüber tieferen Strukturen. [1] [2] [71]

Die Haut meldet Berührung, Dehnung, Temperatur und potenziell schädigende Einwirkungen an das Nervensystem. Dazu tragen freie Nervenendigungen und spezialisierte sensible Strukturen in unterschiedlichen Tiefen bei. Merkelzellen stehen in der Epidermis mit sensorischen Nerven in Verbindung. Die Schutzfläche ist dadurch zugleich eine fortlaufend beobachtete Kontaktfläche, an der mechanische und thermische Informationen entstehen. [1] [2]

Wenn die Schutzfläche neu geschlossen werden muss

Nach einer Verletzung greifen Blutstillung und Entzündungsreaktion mit der Gewebereparatur ineinander. Keratinozyten wandern über geeignete Wundflächen und vermehren sich; Fibroblasten bilden neue extrazelluläre Matrix, und Gefäße wachsen in das Reparaturgewebe ein. Erhaltene epitheliale Reserven an den Wundrändern und Hautanhangsgebilden tragen zur Wiederbedeckung bei. Die spätere Differenzierung stellt die Hornzell-Lipid-Architektur wieder her. [9]

Mit zunehmender Wundtiefe erhält der bindegewebige Wiederaufbau mehr Gewicht. Kollagen wird über längere Zeit umgeordnet und an die Belastung angepasst. Die Eigenschaften der entstehenden Fläche hängen unter anderem von der Tiefe, der lokalen Durchblutung, mechanischer Beanspruchung und dem Entzündungsverlauf ab. Auch Infektionen und die Stoffwechsellage beeinflussen die Reparatur. Die geschlossene Oberfläche ist deshalb ein Abschnitt in einer längeren Entwicklung von Gewebefestigkeit und Barrierefunktion. [9]

Vier Bauteile, vier ergänzende Aufgaben

Begriffe zum Weiterlesen

Hornzelle

Kernlose, keratinreiche Zelle der äußersten epidermalen Schicht. [72]

NMF

Natural Moisturizing Factor: Gemisch kleiner wasserbindender Moleküle in der Hornschicht. [6]

Lamellenkörperchen

Sekretorische Organellen oberer Keratinozyten, deren Inhalt nach außen abgegeben wird. [7]

TEWL

Transepidermaler Wasserverlust: passive Wasserabgabe durch die Haut mit Verdunstung an der Oberfläche. [47]

Haarfollikel

Epithelialer Wachstums- und Verankerungsapparat eines Haares in der Haut. [76]

Talgdrüse

Drüse, deren lipidreiches Sekret an die Oberfläche beziehungsweise in einen Haarfollikel gelangt. [76]

Haaraufrichtemuskel

Glatter Muskel am Haarfollikel, der das Haar aufrichten kann; lateinisch Musculus arrector pili. [76]

Hier geht das Wissen weiter

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Temperaturregulation: Wie der Körper Wärme bildet, verteilt und abgibt