1964_christophers and kligman_visualization of the cell layers of the stratum corneum

8/13/2019 1964_Christophers and Kligman_Visualization of the Cell Layers of the Stratum Corneum

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P r e l i m i n a r y a n d S h o r t R e p o r tV I S U A L I Z A T I O N O F T H E C E L L L A Y E R S O F T H E S T R A T U M C O R N E U M *

E N N O C H R I S T O P H E R S , M . D . A N D A L B E R T M . K L I G M A N , 1 \ 1 . D . , P H . D .T h e a n a t o m y o f t h e h o r n y l a y e r i s u s u a l l ys p o i l e d b e y o n d r e c o g n i t i o n b y t i s s u e p r o c e s s i n g .I t a p p e a r s t o b e a l o o s e , s l o u g h i n g m a s s , w h e r e a si n f a c t i t i s a c o h e r e n t , p l a s t i c m e m b r a n e w h i c hs e r v e s a s t h e b a r r i e r a g a i n s t t h e i n w a r d a n do u t w a r d m o v e m e n t o f a l l s u b s t a n c e s i n c l u d i n gw a t e r .B y l i g h t m i c r o s c o p y o f t r a n s v e r s e s e c t i o n s , o n ec a n r a r e l y m a k e o u t t h a t t h e u n i t o f o r g a n i z a t i o ni s a c e l l , w i t h w e l l d e f i n e d c e l l m e m b r a n e s . D u r i n gt h e p r o c e s s o f k e r a t i n i z a t i o n , t h e c e l l s a r e f l a t -t e n e d s o c o m p l e t e l y t h a t t h e i r t h i c k n e s s i s l e s st h a n o n e m i c r o n , c l o s e t o t h e l i m i t o f r e s o l u t i o no f t h e l i g h t m i c r o s c o p e . I n c o n s e q u e n c e , s o e l e -m e n t a r y a f a c t a s t h e n u m b e r o f c e l l l a y e r s c o m -p r i s i n g t h e s t r a t u m c o r n e u m i n v a r i o u s r e g i o n s o ft h e b o d y , i s n o t k n o w n . T h e e l e c t r o n m i c r o s c o p ec o u l d e a s i l y p r o v i d e t h i s i n f o r m a t i o n , b u t a l e s sc u m b e r s o m e t e c h n i c w a s s e l e c t e d f o r t h i s t a s k .U t i l i z i n g t h e k n o w l e d g e t h a t h o r n y c e l l s s w e l lg r e a t l y i n a l k a l i n e s o l u t i o n s , w e h a v e d e v i s e d as i m p l e l i g h t m i c r o s c o p e t e c h n i c f o r c o u n t i n g t h ec e l l l a y e r s o f t h e s t r a t u m c o r n e u m . A t t h e s a m e

t i m e , s o m e s p e c i a l m o r p h o l o g i c f e a t u r e s o f c e r t a i na r e a s c a n b e v i s u a l i z e d . T h e s e d a t a a r e i m p o r t a n ti n e x p l a i n i n g t h e b a r r i e r f u n c t i o n .M E T H O D

F r o m l i v i n g s u b j e c t s , h o r n y l a y e r s h e e t s m a yb e c o n v e n i e n t l y s e c u r e d f r o m d i f f e r e n t r e g i o n s b yt h e c a n t h a r i d i n - b l i s t e r t e c h n i c , o r f r o m a u t o p s y -s k i n b y s e p a r a t i o n w i t h t r y p s i n ( 1 ) . T h e s t r a t u mc o r n e u m i s t h e n d i r e c t l y e m b e d d e d i n p a r a f f i nw i t h o u t f i x a t i o n o r d e h y d r a t i o n , a n d s e c t i o n s c u ta t 5 m i c r o n s , n o t m o r e . T h e s e a r e d r i e d a t 6 0 0 Cf o r o n e h o u r , d e - p a r a f f i n i z e d i n x y l o l a n d m o u n t e da s u s u a l . A l t e r n a t i v e l y , o n e c a n a l s o s t a r t w i t h 5m i c r o n s t h i c k f r o z e n s e c t i o n s o f s k i n , i g n o r i n g t h ep r e s e n c e o f d e r m i s a n d e p i d e r m i s . F i x e d , d e h y -d r a t e d s p e c i m e n s a r e a l t o g e t h e r u n s a t i s f a c t o r yf o r t h i s p u r p o s e .T h e m o u n t e d s p e c i m e n i s c o v e r - s l i p p e d a n d* F r o m t h e D e p a r t m e n t o f D e r m a t o l o g y , U n i -v e r s i t y o f P e n n s y l v a n i a S c h o o l o f M e d i c i n e , P h i l -a d e l p h i a , P e n n s y l v a n i a .T h i s s t u d y w a s c o n d u c t e d u n d e r t h e s p o n s o r s h i po f t h e C o m m i s s i o n o n C u t a n e o u s D i s e a s e s o f t h eA r m e d F o r c e s E p i d e n i i o l o g i c a l B o a r d a n d w a s

s u p p o r t e d b y T h e S u r g e o n G e n e r a l , D e p a r t m e n to f t h e A r m y .W e a r e i n d e b t e d t o t h e i n m a t e s o f H o l m e s b u r gP r i s o n f o r s e r v i n g a s v o l u n t e e r s a n d t o t h e a d m i n -i s t r a t i o n ( E d w a r d H e n d r i c k , S u p e r i n t e n d e n t ) f o ru s e o f t h e f a c i l i t i e s .R e c e i v e d f o r p u b l i c a t i o n M a r c h 1 0 , 1 9 6 4 .

f l o o d e d w i t h t w o t o t h r e e d r o p s o f 0 . 4 N s o d i u mh y d r o x i d e , f o l l o w e d i m m e d i a t e l y b y a d r o p o r t w oo f 0 . 1 % s o l u t i o n o f m e t h y l e n e b l u e .A s o n e w a t c h e s u n d e r t h e m i c r o s c o p e , t h e h o r n yl a y e r b e g i n s t o s w e l l a l m o s t i m m e d i a t e l y . I n d i s -t i n c t l a m i n a e s u d d e n l y b e c o m e r e c o g n i z a b l e c e l l s .A s t h e k e r a t i n i z e d c o n t e n t s a r e s o l u b i l i z e d b y t h ea l k a l i , t h e r e s i s t a n t c e l l m e m b r a n e s o f t h e s w o l l e nc e l l s b e c o m e v e r y c l e a r a n d d i s t i n c t , a i d e d b y a na c q u i r e d a v i d i t y f o r t h e b l u e d y e . A f t e r a f e w m m -u t e s , t h e c e l l l a y e r s c a n b e e a s i l y c o u n t e d ( F i g s .1 A a n d 1 B ) . T h e s e d e v e l o p m e n t s a r e i d e n t i c a lw h e n t h e s p e c i m e n c o n s i s t s o f f r o z e n s e c t i o n s o fs k i n ; o n e c a n a d d i t i o n a l l y o b s e r v e t h e s w e l l i n ga n d d i s s o l u t i o n o f t h e e p i d e r m a l c e l l s , a t e c h n i co f p o s s i b l e u s e f u l n e s s i n o t h e r c o n n e c t i o n s . T h eh o r n y c e l l s o f t h e h e a d , h a n d s a n d f e e t s w e l l t h em o s t , s u g g e s t i n g s o m e f u n d a m e n t a l s t r u c t u r a ld i f f e r e n c e ( F i g . 2 ) . T h e s e , i n t e r e s t i n g l y , a r e t h er e g i o n s o f h i g h e s t c e l l t u r n o v e r a n d k e r a t i n s y n -t h e s i s ( 2 ) . M o r e o v e r , f o r e q u a l t h i c k n e s s e s , t h e s eh o r n y l a y e r s t e n d t o b e f a r m o r e p e r m e a b l e .O v e r m o s t o f t h e a d u l t b o d y , t h e h o r n y l a y e ri s a b o u t 1 5 c e l l s t h i c k , e x e m p t i n g o f c o u r s e , s p e -c i a l r e g i o n s l i k e t h e p a l m s , s o l e s , s c r o t u m a n d t h ed o r s u m o f h a n d s a n d f e e t . T h i s i s a t l e a s t t w i c et h e n u m b e r o f c e l l l a y e r s o f t h e v i a b l e e p i d e r m i s ,a l t h o u g h k e r a t i n i z e d c e l l s , b e i n g s o e x t r e m e l yf l a t t e n e d , m a k e u p o n l y a b o u t 1 0 % o f t h e c e l l p o p -u l a t i o n o f t h e e p i d e r m i s p e r u n i t a r e a ( 3 ) .

S U M M A R YB y t r e a t i n g t r a n s v e r s e s e c t i o n s o f b l i s t e r t o p so r f r o z e n s e c t i o n s w i t h 0 . 4 N s o d i u m h y d r o x i d e ,t h e h o r n y l a y e r s w e l l s , t h e r e s i s t a n t c e l l m e m b r a n e s

b e c o m e d i s t i n c t a n d s u s c e p t i b l e t o d y e i n g w i t hm e t h y l e n e b l u e .T h e s t r u c t u r a l o r g a n i z a t i o n o f t h e h o r n y l a y e ri s t h u s r e v e a l e d a n d t h e n u m b e r o f c e l l l a y e r sr e a d i l y c o u n t e d .R E F E R E N C E S

1 . K L I G M A N , A . M . A N D C H R I S T O P H E R S , E . : P r e p a -r a t i o n o f i s o l a t e d s h e e t s o f h u m a n s t r a t u mc o r n e u m . A r c h . D e r m . ( C h i c a g o ) , 8 8 : 7 0 2 ,1 9 6 3 .2 . G O L D S C H M I D T , H . A N D K L I G M A N , A . M . : Q u a n t i -t a t i v e e s t i m a t i o n o f k e r a t i n p r o d u c t i o n b yt h e e p i d e r m i s . A r c h . D e r m . ( C h i c a g o ) , 8 8 :7 0 9 , 1 9 6 3 .3 . H U N T E R , i t . , P I N K U S , H . A N D S T E E L E , S . C i i . :E x a m i n a t i o n o f t h e e p i d e r m i s b y t h e s t r i pm e t h o d . I I I . T h e n u m b e r o f k e r a t i n c e l l s i nt h e h u m a n e p i d e r m i s . J . I n v e s t . D e r m . , 2 7 :3 1 , 1 9 5 6 .

4 0 7


2/4

4 0 8 T H E J O U R N A L O F I N V E S T I G A T I V E D E R M A T O L O G Y

F I G . 1 A . B l i s t e r t o p h o r n y l a y e r f r o m d o r s u m o f h a n d , m o u n t e d i n w a t e r . I n d i v i d u a l c e l l s c a n n o t b em a d e o u t ( X 9 4 6 ) .F I G . l B . S a m e s p e c i m e n t r e a t e d w i t h s o d i u m h y d r o x i d e a n d m e t h y l e n e b l u e . T h e r e s i s t a n t m e m -b r a n e s o f t h e s w o l l e n c e l l s s t a n d o u t c l e a r l y a n d t h e c e l l l a y e r s c a n b e e a s i l y c o u n t e d ( X 7 3 1 ) .

- - ' 1 . - - * ' - a 8 m s - - ' - - 4 % .

-- ' 4 1 ' - . - - . , _ , - - - * - a -- _ _ _ 5 - - - - - - * S , , _ _ _

- - - t 4 % t : c s : * t : 41 _ - - * - r - - - c - ' u , _ _ 0 ' , * - - - s -- _ e - - -

- 11 , *- ' 4 _ t _ * - : - ' . 4 - -- 4 - - c , - : : ' t ' ,* f l - I r , ' - r * * - -: a : -

- _ _a

' C .f t -


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V I S U A L I Z A T I O N O F T H E C E L L L A Y E R S O F T H E S T R A T U M C O R N E U M 4 0 9

F i u . 2 . B l i s t e r s f r o m s c a l p t r e a t e d w i t h s o d i u m h y d r o x i d e a n d m e t h y l e n e b l u e . T h e h o r n y c e l l s o ft h e h e a d , h a n d s a n d f e e t e x h i b i t g r e a t e r s w e l l i n g t h a n e l s e w h e r e . T h e c e l l m e m b r a n e s b e c o m e d e e p l yd y e d a f t e r p o s t - t r e a t m e n t w i t h s o d i u m h y d r o x i d e ( X 9 0 2 ) .

t t* p

. S IS _

- -- - : '-.


4/4

9 T H E J O U R N A L O F I N V E S T I G A T I V E D E R M A T O L O G Y2 4 . W y n n , C . H . a n d I q b a l , M . : I s o l a t i o n o f r a ts k i n l y s o s o m e s a n d a c o m p a r i s o n w i t h l i v e r

a n d s p l e e n l y s o s o m e s . B i o c h e m . J . , 9 8 : l O P ,1 9 6 6 .2 5 . O l s o n , R . L . a n d N o r d q u i s t , R . E . : U l t r a m i c r o -s c o p i c l o c a l i z a t i o n o f a c i d p h o s p h a t a s e i nh u m a n e p i d e r m i s . J . I n v e s t . D e r m . , 4 6 : 4 3 1 ,1 9 6 6 .2 6 . R o w d e n , C . : U l t r a s t r u c t u r a l s t u d i e s o f k e r a -t i n i z e d e p i t h e l i a o f t h e m o u s e . I . C o m b i n e de l e c t r o n m i c r o s c o p e a n d c y t o c h e m i c a l s t u d yo f l y s o s o m e s i n m o u s e e p i d e r m i s a n d e s o -p h a g e a l e p i t h e l i u m . J . I n v e s t . D e r m . , 4 9 : 1 8 1 ,1 9 6 7 .2 7 . P r o s e , P . H . , S e d l i s , E . a n d B i g e l o w , M . : T h ed e m o n s t r a t i o n o f l y s o s o m e s i n t h e d i s e a s e ds k i n o f i n f a n t s w i t h i n f a n t i l e e c z e m a . J . I n -v e s t . D e r m . , 4 5 : 4 4 8 , 1 9 6 5 .2 8 . H a l l , J . H . , S m i t h , J . G . , J r . a n d B u r n e t t , S .C . : T h e l y s o s o m e i n c o n t a c t d e r m a t i t i s : Ah i s t o c h e m i c a l s t u d y . J . I n v e s t . D e r m . , 4 9 :5 9 0 , 1 9 6 7 .2 9 . P e a r s e , A . C . E . : p . 8 8 2 , H i s t o c h e m i s t r y T h e o -r e t i c a l a n d A p p l i e d , 2 n d e d . , C h u r c h i l l , L o n -d o n , 1 9 6 0 .3 0 . P e a r s e , A . C . E . : p . 9 1 0 , H i s t a c h e i n i . s t r y T h e a -r e t s c a l a n d A p p l i e d , 2 n d e d . , C h u r c h i l l , L o n -d o n , 1 9 6 0 .3 1 . D a n i e l s , F . , J r . , B r o p h y , D . a n d L o b i t z , W . C . :H i s t o c h e m i c a l r e s p o n s e s o f h u m a n s k i n f o l -l o w i n g u l t r a v i o l e t i r r a d i a t i o n . J . I n v e s t .D e r m . , 3 7 : 3 5 1 , 1 9 6 1 .3 2 . B i t e n s k y , L . : T h e d e m o n s t r a t i o n o f l y s o s o m e sb y t h e c o n t r o l l e d t e m p e r a t u r e f r e e z i n g s e c -t i o n m e t h o d . Q u a r t . J . M i c r . S c i . , 1 0 3 : 2 0 5 ,1 9 5 2 .3 3 . D i e n g d o h , J . V . : T h e d e m o n s t r a t i o n o f l y s o -s o m e s i n m o u s e s k i n . Q u a r t . J . M i c r . S c i . ,1 0 5 : 7 3 , 1 9 6 4 .3 4 . J a r r e t , A . , S p e a r m a n , R . I . C . a n d H a r d y , J . A . :H i s t o c h e m i s t r y o f k e r a t i n i z a t i o n . B r i t . J .D e r m . , 7 1 : 2 7 7 , 1 9 5 9 .3 5 . D e D u v e , C . a n d W a t t i a u x , R . : F u n c t i o n s o fl y s o s o m e s . A n n . R e v . P h y s i o l . , 2 8 : 4 3 5 , 1 9 6 6 .3 6 . W a r a v d e k a r , V . S . , S a c l a w , L . D . , J o n e s , W . A .a n d K u h n s , J . C . : S k i n c h a n g e s i n d u c e d b y

U V i r r a d i a t e d l i n o l e n i c a c i d e x t r a c t . A r c h .P a t h . , 8 0 : 9 1 , 1 9 6 5 .3 7 . N i c o l a i d e s , N . : L i p i d s , m e m b r a n e s , a n d t h eh u m a n e p i d e r m i s , p . 5 1 1 , T h e E p i d e r m i sE d s . , M o n t a g n a , W . a n d L o b i t z , W . C . A c a -d e m i c P r e s s , N e w Y o r k .3 8 . W i l l s , E . D . a n d W i l k i n s o n , A . E . : R e l e a s e o fe n z y m e s f r o m l y s o s o m e s b y i r r a d i a t i o n a n dt h e r e l a t i o n o f l i p i d p e r o x i d e f o r m a t i o n t oe n z y m e r e l e a s e . B i o c h e m . J . , 9 9 : 6 5 7 , 1 9 6 6 .3 9 . L a n e , N . I . a n d N o v i k o f f , A . B . : E f f e c t s o fa r g i n i n e d e p r i v a t i o n , u l t r a v i o l e t r a d i a t i o na n d X - r a d i a t i o n o n c u l t u r e d K B c e l l s . J .C e l l B i o l . , 2 7 : 6 0 3 , 1 9 6 5 .4 0 . F u k u y a m a , K . , E p s t e i n , W . L . a n d E p s t e i n ,J . H . : E f f e c t o f u l t r a v i o l e t l i g h t o n R N Aa n d p r o t e i n s y n t h e s i s i n d i f f e r e n t i a t e d e p i -

d e r m a l c e l l s . N a t u r e , 2 1 6 : 1 0 3 1 , 1 9 6 7 .4 1 . D a n i e l s , F . , J r . a n d J o h n s o n , B . E . : I n p r e p a -r a t i o n .4 2 . I t o , M . : H i s t o c h e m i c a l i n v e s t i g a t i o n s o f U n n a so x y g e n a n d r e d u c t i o n a r e a s b y m e a n s o fu l t r a v i o l e t i r r a d i a t i o n , S t u d i e s o n M e l a n i n ,T o h o k u , J . E x p . M e d . , 6 5 : S u p p l e m e n tV , 1 0 , 1 9 5 7 .4 3 . B i t c n s k y , L . : L y s o s o m e s i n n o r m a l a n d p a t h o -l o g i c a l c e l l s , p p . 3 6 2 3 7 5 , L y s a s a m e s E d s . ,d e R e u c k , A . V . S . a n d C a m e r o n , M . C h u r c h -i l l , L o n d o n , 1 9 5 3 .4 4 . J a n o f f , A . a n d Z w e i f a c h , B . W . : P r o d u c t i o n o fi n f l a m m a t o r y c h a n g e s i n t h e m i c r o c i r c u l a -t i o n b y c a t i o n i c p r o t e i n s e x t r a c t e d f r o m l y s o -s o m e s . J . E x p . M e d . , 1 2 0 : 7 4 7 , 1 9 6 4 .4 5 . H e r i o n , J . C . , S p i t z n a g e l , J . K . , W a l k e r , R . I .a n d Z e y a , H . I . : P y r o g e n i c i t y o f g r a n u l o -c y t e l y s o s o m e s . A m e r . J . P h y s i o l . , 2 1 1 : 6 9 3 ,1 9 6 6 .4 6 . B a d e n , H . P . a n d P e a r l m a n , C . : T h e e f f e c t o fu l t r a v i o l e t l i g h t o n p r o t e i n a n d n u c l e i c a c i ds y n t h e s i s i n t h e e p i d e r m i s . J . I n v e s t . D e r m . ,4 3 : 7 1 , 1 9 6 4 .4 7 . B u l l o u g h , W . S . a n d L a u r e n c e , E . B . : M i t o t i cc o n t r o l b y i n t e r n a l s e c r e t i o n : t h e r o l e o ft h e c h a l o n e - a d r e n a l i n c o m p l e x . E x p . C e l l .R e s . , 3 3 : 1 7 6 , 1 9 6 4 .

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