Review

Ceramides metabolism and impaired epidermal barrier in cutaneous diseases and skin aging: focus on the role of the enzyme PNPLA1 in the synthesis of ω-O-acylceramides and its pathophysiological involvement in some forms of congenital ichthyoses^☆

Métabolisme des céramides et altération de la barrière épidermique en pathologie dermatologique et au cours du vieillissement cutané : focus sur le rôle de l’enzyme PNPLA1 dans la synthèse des ω-O-acylcéramides et son implication physiopathologique dans certaines formes d’ichtyoses congénitales

Unité Différenciation Epithéliale et Autoimmunité Rhumatoïde (UDEAR), UMR 1056 Inserm – Université Toulouse 3, Place du Dr Baylac, Hôpital Purpan, TSA 40031, F-31059 Toulouse Cedex 9, France

^* Correspondence: nathalie.jonca@inserm.fr

Received: 11 February 2019
Accepted: 18 March 2019

Abstract

The outermost layer of the skin, the stratum corneum, is essential for the protective barrier functions of the skin. It results from the stacking of corneocytes, the dead flattened cells resulting from epidermal terminal differentiation of underlying living keratinocytes. The cornified lipid envelope, encapsulating corneocytes, and the extracellular mortar-like multilayered lipid matrix, called lamellae, are two crucial elements of the epidermal barrier. Stratum corneum extracellular lipids are mainly composed of ceramides, cholesterol and free fatty acids. Ceramides, and more specifically the epidermis specific ω-O-acylceramides, are essential for lipid-matrix organization into lamellae and formation of the corneocyte lipid envelope. Pathophysiological studies of inherited lipid metabolism disorders recently contributed to a better understanding of stratum corneum lipid metabolism. In the lab, our data from patients with Autosomal Recessive Congenital Ichthyosis and a murine knock-out model showed that the enzyme PNPLA1 is essential for the last step of synthesis of omega-O-acylceramides. Skin aging is a complex biological process caused by genetic and extrinsic factors e.g. sun exposure, smoke, and pollution. Aging skin is marked by a senescence-related decline in lipid and water content, which ultimately impairs epidermal barrier function. Thus, aged epidermis is prone to develop altered drug permeability, increased susceptibility to irritants contact dermatitis and severe xerosis. Ceramide deficiency may account, at least in part, for the dysfunction of the stratum corneum associated with ageing. Hence, treatments able to increase skin-ceramide levels could improve the epidermal barrier function in aged skin. Many animal testing and clinical trials are taken in that regard.

Résumé

La couche la plus superficielle de la peau ou stratum corneum est essentielle à la fonction de barrière protectrice de la peau. Elle est formée d’un empilement de cornéocytes, cellules mortes aplaties résultant de la différenciation terminale des kératinocytes épidermiques. L’enveloppe cornée lipidique, qui entoure les cornéocytes, et la matrice lipidique extracellulaire multi-lamellaire, appelée lamellae, sont deux éléments cruciaux de la barrière épidermique. Les lipides extracellulaires du stratum corneum sont essentiellement composés de céramides, cholestérol et acides gras libres. Les céramides, et plus particulièrement les ω-O-acylcéramides, sont nécessaires à l’organisation des lamellae et la formation de l’enveloppe cornée lipidique. L’étude physiopathologique de maladies héréditaires du métabolisme des lipides a récemment contribué à mieux comprendre le métabolisme des lipides du stratum corneum. Nos données issues de patients atteints d’ichtyose congénitale autosomique récessive et d’un modèle de souris knock-out ont montré que l’enzyme PNPLA1 est essentielle à l’ultime étape de synthèse des ω-O-acylcéramides. Le vieillissement cutané est un processus biologique complexe causé par des facteurs génétiques et extrinsèques (exposition solaire, tabac, pollution…). Au cours du vieillissement, le contenu de la peau en eau et en lipides, incluant les céramides, diminue progressivement ce qui, à terme, affecte la barrière épidermique. Ainsi, la peau âgée a tendance à développer des défauts de perméabilité aux drogues, une sensibilité accrue aux irritants, dermatites de contact et xérose sévère. De nombreux tests sur animaux et essais cliniques sont conduits dans le but d’augmenter le taux de céramides épidermiques et donc d’améliorer la barrière cutanée de la peau âgée.