Atlas van de planten- en dierenhistologie

Keratinocyten zijn de belangrijkste celbestanddelen van de opperhuid. Ze geven zeer weinig extracellulaire matrix af, zodat de plasmamembraan van aangrenzende keratinocyten zeer dicht bij elkaar liggen. De cohesie van de keratinocyten wordt versterkt door de vele desmosomen die de integriteit van de epidermis handhaven. Keratinen, een soort intermediaire filamenten van het cytoskelet, vormen de belangrijkste familie van eiwitten die door keratinocyten worden gesynthetiseerd. Keratinocyten doorlopen een karakteristieke levenscyclus die begint in de basale laag van de epidermis en eindigt in de meer oppervlakkige of vrije oppervlakte van de epidermis.

Morfologie en differentiatie

De morfologie van keratinocyten verandert tijdens de levenscyclus, die bij de mens ongeveer een maand duurt. De veranderingen verlopen progressief vanaf de basale laag, waar de keratinocyten worden geboren, tot de oppervlakkige laag, waar ze afsterven en zich losmaken van de opperhuid. Uit de morfologische verschillen van de keratinocyten ontstaan de kenmerken van de epidermale lagen. De lagen of strata (stratum in enkelvoud) zijn het stratum basale, stratum spinosum, stratum granulosum en stratum corneum. De dikte van de lagen kan variëren naar gelang van de lichaamsregio (figuur 1). Zo kan de dikte van de epidermis, d.w.z. de dikte van de lagen, variëren van 50 µm in lichaamsregio’s met weinig mechanische belasting tot 1 mm in regio’s zoals de handpalmen en de voetzolen, waar de wrijving groter is.

Stratum basale

De stratum basale of basale laag (figuren 2 en 4) is een één dikke cellaag die voornamelijk uit keratinocyten bestaat en zich in het diepere deel van de opperhuid bevindt. Deze cellen zijn via hemidesmosomen verbonden met de basale lamina. Deze verbinding helpt de integriteit van het epitheel te bewaren en regelt de proliferatie en differentiatie van de keratinocyten.

Keratinocytaire stamcellen worden aangetroffen in het stratum basale. Zij zijn rond tot zuilvormig, ongeveer 6-10 µm groot, en vertonen meer affiniteit voor basische kleurstoffen dan gedifferentieerde keratinocyten vanwege hun hoge gehalte aan ribosomen. De stamcellen van de interfolliculaire epidermis differentiëren in keratinocyten, maar niet in andere epidermale celtypes. Er zijn ook keratinocytaire stamcellen in de haarfollikels die differentiëren in cellen van de haarfollikel (keratinocyten en talgklieren) en in keratinocyten van de interfolliculaire epidermis.

De proliferatie- en differentiatiesnelheden van keratinocytaire stamcellen en de vervangingssnelheid van rijpe keratinocyten moeten in het epitheel vergelijkbaar zijn. De vervangingssnelheid hangt af van omstandigheden zoals wondherstel, wrijving, of orgaangroei. Het contact van stamcellen met de basale lamina lijkt belangrijk te zijn voor het reguleren van deze proliferatiesnelheid. Wanneer bijvoorbeeld integrines, adhesie-eiwitten die keratinocyten aan de basale lamina hechten, het contact met de basale lamina verliezen, beginnen stamcellen te differentiëren en migreren ze naar de bovenste lagen van de epidermis.

Keratinocyten van de stratum basale synthetiseren een deel van de basale lamina. Integrines die keratinocyten aan de basale lamina hechten, zijn ook betrokken bij het behoud van de integriteit van de basale lamina.

Stratum spinosum

Het stratum spinosum bevindt zich net boven het stratum basale (figuren 2 en 4). Het bestaat uit min of meer polyhedrale keratinocyten van ongeveer 10 tot 15 µm groot, groter dan die in het stratum basale, met meer eosinofiel cytoplasma en één of twee duidelijk zichtbare kernen. In het cytoplasma zijn vele keratinebundels aanwezig, tonofilamenten genoemd, die zich samenvoegen tot tonofibrillen. Tonofibrillen kunnen met lichtmicroscopie worden waargenomen en dragen bij tot de cytoplasmatische kleuring met eosine. In dit stratum worden keratinocyten spinous keratinocyten genoemd, omdat zij veel desmosomen (figuur 3) en adherente juncties gemeen hebben. Deze cel-celjuncties zijn radiaal verdeeld in de plasmamembraan en worden verbonden door tonofibrillen. Bij lichtmicroscopie zien de celjuncties eruit als stekels, vandaar de naam van deze laag.

Keratinocyten brengen de intermediaire filamenten keratinen tot expressie in het cytoplasma. Het type keratine dat tot expressie komt, verandert naarmate de keratinocyten zich naar het bovenste oppervlak van het epitheel bewegen. In het meer oppervlakkige deel van de stratum spinosum krijgen keratinocyten een meer afgeplatte vorm, waarschijnlijk geïnduceerd door de progressieve verandering in het type van de gesynthetiseerde keratines.

De stratum spinosum is dikker in die delen van de huid die blootstaan aan wrijving of mechanische rek. De sterke cel-cel adhesie in dit stratum helpt een meer resistente opperhuid te krijgen.

Stratum granulosum

In de buitenste lagen van het stratum granulosum veranderen de keratinocyten de genexpressie en produceren ze kerato-hyalinekorrels (figuren 2 en 4). Het stratum granulosum is relatief dun, ongeveer 15 µm, en keratinocyten zijn afgeplat en vertonen veel kerato-hyalinekorrels in het cytoplasma. Deze granules zijn polygonaal, niet door een membraan begrensd, en sterk basofiel. Ze groeien geleidelijk, maken de epidermale barrière sterker, en zijn het beginpunt van verhoorning of keratinisatie van de bovenste lagen van de epidermis.

Lamellaire lichaampjes worden waargenomen in het stratum granulosum. Deze celstructuren zijn niet aanwezig in het stratum basale, en beginnen zichtbaar te worden in het stratum spinosum. Ze zijn zeer talrijk in het stratum granulosum. Lamellaire lichaampjes zijn organellen, ongeveer 100 tot 300 nm groot, die zijn opgebouwd uit stapels lipidelagen, zodat zij een lamellaire structuur vertonen. Hun functie wordt vervuld in het stratum corneum en houdt verband met het onthechte celproces in dit stratum en met de ondoordringbaarheid van de epidermis. Lamellaire lichaampjes worden geëxocyteerd en hun bestanddelen worden extracellulair gemodificeerd om lipidelagen te vormen die parallel aan het huidoppervlak liggen.

De kern en organellen van cellen in het stratum granulosum zijn gedegradeerd, terwijl het cytoplasma bijna vol keratinefilamenten zit. De permeabiliteit voor calcium en andere ionen wordt verhoogd tijdens de laatste fasen van de celdifferentiatie. Ionen stimuleren de activering van transglutaminasen en leiden tot de vorming van een eiwitstructuur onder het plasmamembraan die celomhulsel wordt genoemd. Deze structuur wordt dikker naarmate de keratinocyten degenereren en is belangrijk voor het organiseren van de keratine filamenten parallel aan het epitheliale oppervlak en voor het verbinden van deze filamenten met de extracellulaire lamellaire lichaampjes.

Dichte juncties tussen keratinocyten van het stratum granulosum vormen een verzegelde barrière die alleen door kleine moleculen en ionen kan worden overschreden. Keratinocyten sterven af door een proces dat bekend staat als verhoorning, en worden een verhoornde anucleaire cel. Cornificatie is een ander mechanisme dan apoptose. Voordat ze sterven, synthetiseren keratinocyten eiwitten en lipiden die bijdragen aan de vorming van de oppervlakkige barrière van de epidermis.

De stratum lucidum is een laag van keratinocyten tussen de stratum granulosum en de stratum corneum. Het bevindt zich in huidgebieden met een sterke mechanische belasting, zoals de voetzolen.

Stratum corneum

Het stratum corneum bestaat uit gedegenereerde keratinocyten, de zogenaamde corneocyten (figuur 5). De corneocyten zijn met elkaar verbonden door desmosomen (corneosomen) en ingebed in een extracellulaire matrix die verrijkt is met apolaire lipiden en in lagen is georganiseerd. Tijdens de laatste stadia verliezen de corneocyten hun kern, raken ze vol keratinen, en worden ze omgeven door een laag eiwitten, alsook door een bedekking van chemisch gebonden lipiden.

De dikte van het stratum corneum is variabel en hangt af van de algemene dikte van de epidermis. Hoe meer keratinocyten er in de stratum basale worden geproduceerd, hoe dikker de stratum spinosum en corneum. Het afsterven van cellen in het stratum granulosum leidt tot het verlies van desmosomen langs het stratum corneum, waardoor de cel-celverbindingen zwakker worden en cellen en celfragmenten van de epidermis loskomen. Filaggrine en keratine maken 80 tot 90 % van de eiwitten van de hoornlaag uit.

Deze laag beschermt tegen uitdroging, ziekteverwekkers en chemische en fysische beschadigingen. De verwerking van de lipiden van de lamellaire lichamen is belangrijk voor de epidermis. Zo wordt glycerol gevormd uit de lamellaire lichaampjes en helpt het de opperhuid de hydratatie op peil te houden. Vrije lipiden van het oppervlak dragen ertoe bij dat de opperhuid een beetje zuur blijft, met een pH van ongeveer 5 bij de mens. Bovendien wordt cholesterolsulfaat omgezet in cholesterol, dat bijdraagt tot de onthechting van de meer oppervlakkige lagen van het stratum corneum. De vrijgekomen lipiden zijn georganiseerd in verschillende vellen die de ondoordringbaarheid van de opperhuid mogelijk maken.

Functies

Keratinocyten vormen de epidermis van de huid en hun belangrijkste functie is een barrière te vormen tussen de externe en de interne omgeving. Zij beschermen tegen mechanische beschadiging, ultraviolet licht, ziekteverwekkers en schadelijke chemische stoffen. Het is van groot belang dat de epidermis voorkomt dat er water verloren gaat. Bovendien zijn keratinocyten zeer actief tijdens het herstel na een wond.

Waterverliesbarrière

Het voorkomen van waterverlies berust vooral op de hoornlaag. Het is als een muur met breuken en mortel, waarbij de breuken de cellen zijn en de mortel de extracellulaire lipide-aggregaten.

Barrière tegen ziekteverwekkers

De epidermis is de eerste fysieke horde die ziekteverwekkers moeten nemen om het organisme binnen te dringen. Bovendien geven keratinocyten cytokinen af die ziekteverwekkers afremmen en neutraliseren. Na een wond of beschadiging stimuleren keratinoncyten de ontsteking en de activering van Lagerhanscellen, de antigeenpresenterende cellen van de opperhuid.

Huidpigmentatie

De huidpigmentatie is bedoeld als bescherming tegen ultraviolet licht. Bij zoogdieren is melanine het pigment dat de huid donkerder maakt. Melanine wordt gesynthetiseerd door melanocyten, een zeer schaars celtype dat verspreid in de stratum basale van de opperhuid en in de haarfollikels voorkomt. Melanine wordt verpakt in cytoplasmaorganellen die melanosomen worden genoemd. De productie en afgifte van melanosomen wordt beïnvloed door omgevingsvariabelen en door paracriene stoffen die door keratinocyten worden afgegeven. Voordat ze vrijkomen, worden melanosomen verspreid via het cytoplasma van melonocyten en celprocessen die zich uitstrekken over omliggende keratinocyten. De uiteindelijke kleur van de huid hangt af van de productie van melanosomen en hun verspreiding door de opperhuid. Na een hoge melaninesynthese worden melanosomen uit de melanocyten geëxocyteerd en door naburige keratinocyten opgevangen. Geschat wordt dat elke melanocyt melanine levert aan ongeveer 45 keratinocyten. Zodra melanosomen in de stratum basale keratinocyten zijn opgenomen, worden ze naar de bovenste epidermislagen verplaatst wanneer geladen keratinocyten de stratum basale verlaten en zich differentiëren om de bovenste lagen te vormen. Op deze manier hebben alle epidermislagen melanine, zelfs de stratum corneum. Alles bij elkaar hangt de kleur van de huid af van de hoeveelheid melanine die melanocyten en keratinocyten bevatten.

Wondherstel

Na een wond gaan de keratinocyten van een stabiele toestand over in een andere waarin ze gaan bewegen. Ontkoppeling van het basale membraan door verlies van desmosomen en verandering in de expressie van integrines laten keratinocyten bewegen, evenals de reactie op cytokines die door andere cellen worden afgegeven. Op deze manier kunnen keratinocyten zich verplaatsen naar de beschadigde gebieden en deze afsluiten.

Bibliografie

Eckert RL, Rorke EA. 1989. Moleculaire biologie van de differentiatie van keratinocyten. Environmental Health Perspectives 80:109-116.

Grinnell F. 1992. Wondherstel, keratinocyte activering en integrine modulatie. Tijdschrift voor celwetenschappen 101:1-5.

Madison KC. 2003. Barrièrefunctie van de huid: “La Raison d’EŒtre’ van de epidermis. The journal of investigative dermatology 121: 231-241.

Nemes Z, Steinert PM. 1999. Bakstenen en mortel van de epidermale barrière. Experimental and molecular medicine 1: 5-19.

Proksch E, Brandner JM, Jensen J-M. 2008. De huid: een onmisbare barrière. Experimentele dermatologie 17: 1063-1072.

Simpson CL, Patel DM, Green KJ. 2011. Deconstructing the skin: cytoarchitectural determinants of epidermal morphogenesis. Nature reviews in moleculaire en celbiologie 12:568-580.

Yamaguchi Y, Brenner M, Hearing VJ. 2007. The Regulation of Skin Pigmentation. Tijdschrift voor biologische scheikunde 282:27557-27561.