FUNGSI BARRIER KULIT : DASAR MORFOLOGIS DAN MEKANISME REGULASI

AbstrakKulit menutupi tubuh dan memiliki fungsi yang berbeda: defensif, termoregulasi, ekskretori, resorptif, metabolit dan sensorik. Kulit memberikan proteksi organisme mamalia terhadap agen fisik, kimia, dan biologis eksogen, serta menopang homeostasis organisme. Hampir 90% dari fungsi barrier kulit berada dalam stratum korneum. Konstituen utama dari barrier lipid bilayer dan korneosit yang tertanam dalam suatu cornified envelope yang berinteraksi untuk melakukan beberapa fungsi defensif. Di sinilah mekanisme untuk regulasi homeostasis barrier dibahas.

Pendahuluan Kulit adalah organ terbesar dalam organisme mamalia dan merupakan pertahanan langsung dari faktor eksternal. Kulit tidak hanya merupakan sekedar pembungkus tubuh tetapi memenuhi beberapa fungsi penting : defensif, termoregulasi, ekskretorik, resorptif, metabolit dan sensorik. Kulit yang sehat memberikan perlindungan tubuh dari faktor lingkungan : fisik (trauma mekanik, cedera termal, radiasi), kimia (agen destruktif, permukaan zat aktif, xenobiotik, alergen) dan biologis (bakteri, virus, dll). Unsur utama dari fungsi pertahanan kulit adalah untuk mempertahankan homeostasis dengan mencegah kehilangan air yang tidak terkendali, ion dan protein serum dari organisme ke lingkungan. Epidermis tidak mutlak impermeabel terhadap substansi yang melekat secara langsung ke permukaan kulit fenomena yang mendasari pengobatan dermatologi topikal serta penerapan sistem terapi transkutan untuk transport obat transdermal.Untuk pertama kalinya, pada tahun 20-an di abad ke-20, Marchionini dan Schade menunjukkan bukti ilmiah untuk fungsi proteksi dari mantel air-lipid dari kulit dan memperkenalkan konsep barrier kulit. Menurut definisi, barrier mengacu pada suatu objek yang memisahkan dua ruang yang berbeda dan/atau mencegah hubungan bebas antara dua lingkungan. Dalam pengertian ini, barrier kulit menjamin integritas tubuh dan mengontrol pertukaran zat dengan lingkungan.Konsep barrier kulit telah terus berkembang secara paralel dengan kemajuan metode penelitian. Saat ini, dianggap bahwa lebih dari 90 % dari fungsi barrier kulit berada pada epidermis dan khususnya di lapisan korneous terluar (stratum korneum). Struktur morfologi, yang menyusun barrier kulit berkembang relatif lambat dalam ontogenesis (sekitar 34 minggu kehamilan). Barrier kulit tidak sepenuhnya segera kompeten setelah lahir dan berkembang dalam tahap awal dari periode neonatal. Pemahaman dasar morfologi dan biokimia dari barrier epidermal sangat penting untuk memahami fungsi utamanya. Awalnya, stratum korneum (SC) dianggap sebagai lapisan inert sel-sel mati yang terbentuk pada proses keratopoesis, yang saling berhubungan melalui lapisan lipid interseluler. Dalam beberapa dekade terakhir, pemahaman struktur SC telah diperbarui dan model klasik (semen dan beton) kini telah berkembang menjadi konsep bahwa SC adalah sistem dinamis dengan aktivitas metabolik, yang merespon pengaruh eksternal melalui proses regulasi dalam sintesis DNA dan protein struktural, proteolisis dan transportasi ion. Struktur skematik dari barrier epidermal diilustrasikan pada Gambar 1.SC dengan konstituen utamanya yaitu korneosit dan lipid bilayer lamelar interseluler, dianggap sebagai struktur utama yang menentukan kecepatan pertukaran substansi transkutan. Resistensi mekanik barrier epidermis terutama disebabkan oleh korneosit yang tertanam dalam apa yang disebut cornified envelope. Ini terdiri dari protein seperti loricrin, involucrin dan filaggrin yang terkait secara dinamis. Lapisan lipid yang berdekatan bertanggung jawab terhadap permeabilitas air dan pertukaran zat dengan lingkungan eksternal. Komponen biokimia utama barrier kulit adalah lemak dan protein.

1. Lipid Lipid yang terlibat dalam komposisi SC adalah 50 % ceramides, 25 % kolesterol dan kolesterol ester, 15 % asam lemak bebas dan lipid lainnya yang ada dalam konsentrasi kecil. Lipid pada SC secara substansial berbeda dari lipid-lipid yang menyusun membran biologis lainnya dalam tubuh. Ceramides secara struktural adalah famili heterogen lipid yang mengandung rantai hidrokarbon panjang asam omega-hidroksi dan 6-hidroksisphingosine sebagai pengikat. Anggota baru dari keluarga ceramide secara kontinyu ditemukan, tapi ceramide-1 (ceramide yang paling tidak polar dalam struktur SC) memainkan peran penting dalam organisasi lapisan lipid interseluler. Lapisan double-stranded dari ceramides omega-hidroksi secara kovalen terikat pada protein cornified envelope di sekitar korneosit, sehingga menentukan homogenitas dan kesatuan stratum corneum. Kolesterol meningkatkan fluiditas lipid interseluler, dan dengan demikian memberikan kontribusi untuk sifat elastis yang dimiliki kulit.Tiga kelas utama SC lipid yang berasal dari prekursor mereka fosfolipid glikoceramides, sphingomyelin, dan sterol bebas dikirim ke SC melalui struktur ovoid, dikelilingi oleh membran, yang disebut badan lamelar atau badan Odland. Badan Odland mengandung enzim hidrolase seperti protease dan, yang bertanggung jawab untuk sintesis lipid dari lapisan korneous dan proses fisiologis deskuamasi. Setelah disekresi ke dalam ruang interseluler SC, prekursor lipid menjalani konversi enzimatik untuk ceramides, kolesterol dan asam lemak bebas oleh enzim dari badan lamelar (Gambar 2). Proses ini disebut pemrosesan lipid dan tujuannya adalah konversi biokimia prekursor polar menjadi lipid nonpolar dan pengorganisasian mereka ke dalam lapisan lipid. Model yang berbeda diusulkan untuk organisasi lipid interseluler di SC : model sandwich, mosaik dan fase gel. Studi mikroskop elektron menggunakan ruthenium tetroksida sebagai reagen post-fiksasi mengungkapkan komposisi lapisan lipid interseluler : lamella ringan memiliki susunan bilayer dan sebagian diselingi oleh area electron-dense.Berbagai faktor, seperti perubahan keasaman permukaan kulit, gangguan mekanik barrier epidermal dan lain-lain, mempengaruhi proses pemrosesan lipid. Hambatan aktivitas fosfolipase sekretori (yang mengubah fosfolipid menjadi asam lemak bebas - Gambar 2) menyebabkan defek dalam struktur lapisan lipid interseluler. Destruksi eksperimental dari barrier kulit menyebabkan peningkatan sintesis kolesterol, berhubungan dengan aktivitas yang lebih tinggi dari enzim HMGCoA -reduktase (enzim kunci dalam sintesis kolesterol). Kurangnya -glucocerebrosidase dan asam sphingomyelinase, masing-masing pada penyakit Gaucher dan Niemann-Pick, mengarah pada suatu gangguan organisasi lipid interseluler di area SC dan manifestasi klinis dari fungsi barrier kulit yang terganggu.Sebum, yang diproduksi oleh kelenjar sebaceous, terlibat dalam pembentukan mantel air-lipid dari permukaan kulit dan berpartisipasi dalam pembentukan barrier epidermal. Komposisi sebum manusia dianalisis dengan kromatografi lapis tipis : asam lemak (47 %), ester lilin (17 %), ceramides (13 %), squalene(11 %), kolesterol (7 %), trigliserida (3 %) dan ester kolesterol (2 %). Asam lemak berfungsi sebagai substrat untuk pembentukan keasaman permukaan kulit suatu mekanisme pertahanan yang penting terhadap tumbuhan patogen, serta pemeliharaan homeostasis barrier. Sekresi sebum yang berkurang merupakan elemen kunci dalam patogenesis xerosis senilis dan kulit atopik.

2. Protein Beberapa protein seperti keratin, loricrin, involucrin, filaggrin dan corneodesmosin berpartisipasi dalam membangun sitosol kornesit, cornified envelope dan hubungan antarkorneosit. Keratin membentuk filamen intermediate sitoskeleton korneosit. Keratin utama, yang ditemukan dalam lapisan suprabasal adalah keratin 1, 2f dan 10, yang menyusun sekitar 80 % dari berat korneosit. Keratins 1 dan 10 membentuk sitoskeleton korneosit yang terhubung dengan desmoglein 1 dan desmocollin 1 sampai protein plak desmosomal plakoglobin dan desmoplakin. Keratin melekat pada protein cornified envelope di sekitar korneosit tersebut, sehingga memberikan kontribusi bagi stabilitas barrier epidermis. Mutasi pada gen bertanggung jawab untuk sintesis keratin 1 di ichthyosis hystrix, yang menyebabkan tidak sempurnanya pembentukan filamen intermediet dan gangguan fungsi barrier.Filaggrin termasuk famili protein pengikat Ca2+ S100. Transformasi enzimatik profilaggrin yang terletak di granula keratohialin dalam stratum granulosum, mengarah pada pembentukan dua produk filaggrin dan peptida N-terminal. Filaggrin menyebabkan pembentukan filamen keratin ke dalam makrofibril di lapisan terendah dari SC. Filaggrin adalah sumber penting untuk menjaga kelembaban kulit. Dengan mencapai permukaan kulit, filaggrin terdegradasi untuk membebaskan asam amino komponen dasar dari suatu kompleks yang sangat bersifat penyerap (absorben) yang disebut faktor pelembab alami (NMF). Sebagian kecil filaggrin mengikat dengan loricrin untuk pembentukan cornified envelope korneosit. Peptida N-terminal terlibat dalam regulasi diferensiasi sel yang diprogram oleh korneosit.Mutasi pada gen filaggrin berhubungan dengan fungsi barrier yang terganggu pada penyakit seperti ichthyosis vulgaris dan dermatitis atopik. Protein yang secara struktural berbeda membangun cornified envelope hidrofobik yang membungkus korneosit, misalnya involucrin, loricrin, envoplakin dan protein yang mengandung prolin. Loricrin, yang disuplai ke SC oleh granula keratohialin, adalah komponen utama dari cornified envelope dan mewakili sekitar 70% dari massanya. Pasien dengan mutasi pada gen loricrin, secara klinis akan mengembangkan sindrom Vohwinkel, yang ditandai dengan konstriktur digital (pseudo-ainhum), keratodermia, ichthyosis ringan sampai sedang dan fungsi barrier kulit yang terganggu.Involucrin terutama terletak di lapisan luar cornified envelope dan dianggap sebagai prekursor utama untuk pembentukannya. Proses pembentukan ikatan antara protein dalam komposisi cornified envelope dilakukan oleh enzim-transglutaminase-1. Meskipun ada setidaknya dua isoform lain dari enzim ini, aktivitas mereka tidak cukup untuk mengkompensasi defisiensi transglutaminase-1 pada kasus ichthyosis lamellarisKorneodesmosom (desmosoms di SC) terbuat dari protein yang berbeda cadherins desmosomal, desmogleins, desmocollins, protein plak desmosomal dan korneodesmosin ekstraseluler. Korneodesmosin yang disekresikan oleh badan lamellar mengikat protein cornified envelope, sesuai dengan lokasi korneodesmosom. Protein ini memainkan peran penting dalam proses deskuamasi fisiologis yang ditunjukkan oleh degradasi yang meningkat dan meningkatnya pelepasan korneosit dari permukaan kulit.

3. Mekanisme regulasi homeostasis barrier kulitBarrier kulit memenuhi berbagai fungsi defensif: a. perlindungan dari faktor lingkungan (fisik, kimia, biologib. perlindungan antimikrobac. mengatur transportasi air dan pertukaran zat dengan lingkungan (ekskresi, sekresi, resorpsi)d. perlindungan terhadap stress oksidatif Sebuah regulasi yang tepat diperlukan untuk implementasi yang tepat dari fungsi tersebut. Terdapat beberapa mekanisme yang saling terkait dan sistem pensinyalan dari pembentukan dan pemeliharaan barrier epidermal:

3.1. Hidrasi stratum korneumAir sangat penting untuk berfungsinya proses fisiologis dalam organisme mamalia. Pengeluaran air yang tidak terkendali ke lingkungan eksternal terutama bergantung pada integritas stratum korneum dari epidermis. Retensi air memberikan kontribusi untuk elastisitas kulit. Distribusi air tidak homogen pada epidermis dan gradien air ditentukan melalui suatu metode baru in vivo confocal Raman microspectroscopy (CRM). Para peneliti menunjukkan peningkatan kadar air secara gradual pada SC dari 15% menjadi 25%, yang mencapai 40% di perbatasan SC dan stratum granulosum. Dengan transisi ke lapisan yang lebih dalam dari epidermis terjadi peningkatan kadar air yang pesat hingga 70% yang tetap konstan di seluruh epidermis. Sebuah kurva distribusi air epidermal khas yang diperoleh CRM pada relawan sehat ditampilkan pada Gambar 3 (dimodifikasi oleh Darlenski, R. et al. Metode non-invasif in vivo untuk pemeriksaan sifat fisik barrier kulit. Eur J Pharm Biopharm 2009;72 (2) :295-303).Banyak proses fisiologis secara langsung bergantung pada hidrasi SC. Degradasi korneodesmosom dilakukan oleh enzim (glikosidase dan serin-protease) yang membutuhkan air untuk berfungsi. Dengan cara ini proses deskuamasi bergantung pada kadar air di SC. Gangguan deskuamasi terjadi pada penyakit dan kondisi dimana hidrasi SC berkurang, seperti ichthyosis vulgaris dan senilis xerosis.Degradasi enzimatik filaggrin bergantung juga pada kadar air di SC. Berkurangnya hidrasi SC akan mengaktivasi degradasi filaggrin menjadi asam amino higroskopis (komposisi faktor pelembab alami) yang menahan air dalam stratum korneum. Gangguan mekanisme regulasi ini dalam ichthyosis vulgaris dikaitkan dengan menurunnya tingkat faktor pelembab alami dan fungsi barrier kulit yang terganggu.Stratum korneum mengandung sitokin pro-inflamasi yang belum terbentuk. Rendahnya kelembaban lingkungan menyebabkan pelepasan mediator proinflamasi seperti interleukin-1. Hal ini mungkin menjelaskan perkembangan beberapa penyakit kulit inflamasi dalam lingkungan kelembaban rendah (misalnya di musim dingin).

3.2. Gradien ion kalsium pada epidermisDistribusi kuantitatif ion kalsium (Ca2+) dalam epidermis adalah homogen. Tingkat Ca2+ cukup rendah pada lapisan basale dan spinosus dari epidermis, dan puncaknya pada stratum granulosum. Kerusakan eksperimental untuk barrier kulit merangsang proses pemulihan yang terjadi pada konsentrasi Ca2+ yang rendah di lapisan permukaan epidermis. Telah diketahui bahwa berkurangnya Ca2+ dalam kerusakan integritas barrier merangsang sekresi badan lamellar di perbatasan antara stratum granulosum dan stratum corneum. Pemulihan barrier akan terhalang dalam lingkungan yang kaya Ca2+. Di sisi lain, kalsium sangat penting untuk diferensiasi sel dan pengembangan kontak interseluler pada epidermis. Pembentukan kontak interseluler melalui cadherins sulit terjadi tanpa adanya Ca2+.Gangguan gradien Ca2+ memiliki signifikansi klinis. Pada penyakit seperti psoriasis vulgaris dan X- linked ichthyosis, gangguan gradien Ca2+ diamati secara paralel dengan fungsi barrier kulit yang terganggu.

3.3. Keasaman permukaan kulit sebagai mekanisme regulasipH asam dari lapisan permukaan kulit sangat penting untuk fungsi pertahanan barrier epidermal dan untuk pembentukan dan pemeliharaan integritas. Mekanisme untuk pembentukan pH kulit eksogen dan endogen ditampilkan pada Gambar 4.Fungsi barrier kulit sudah kompeten saat lahir, sedangkan pH permukaan kulit masih netral. pH netral adalah penyebab tertundanya pemulihan barrier epidermal yang rusak pada eksperimen tikus neonatal. Para peneliti menjelaskan fenomena ini dengan berkurangnya aktivitas -glucocerebrosidase dan asam sphingomyelinase (yang terlibat dalam pemrosesan lipid dari SC dengan pH asam yang optimal) dan peningkatan aktivitas serin-protease (menurunkan korneo-desmosom dengan pH basa yang optimal). Peran pH dikonfirmasi oleh normalisasi proses pemulihan melalui pengasaman lingkungan. Signifikansi klinis dari hasil ini ditunjukkan oleh lingkaran setan patogenesis pada diaper (popok) dermatitis. Keasaman yang tidak cukup dari SC pada bayi dan lingkungan basa (dari garam amonium dalam urin) mengaktifkan enzim (berasal dari feses) tripsin, dan lipase, yang menyebabkan kerusakan lebih lanjut dan iritasi barrier kulit.Peningkatan pH epidermal saat lahir menjadi predisposisi infeksi bakteri dan jamur yang lebih sering pada neonatus. Nilai pH yang tinggi mendukung perkembangan patogen permukaan kulit seperti Staphylococcus aureus dan Candida albicans. Kesimpulannya, gangguan mekanisme regulasi tunggal saja akan mengarah pada penurunan berbagai fungsi barrier kulit. Integritas barrier kulit sangat penting untuk melaksanakan fungsi pertahanan kulit.