林飛燕， 黃鄧高, 殷曉靜

1.南方醫(yī)科大學皮膚病醫(yī)院皮膚美容中心,廣東 廣州 510091；2.海南省第五人民醫(yī)院激光美容科,海南 ?？?571127；3.?？谑腥嗣襻t(yī)院/中南大學湘雅醫(yī)學院附屬海口醫(yī)院中心實驗室,海南 ?？?570208；4.海南省藥品監(jiān)督管理局化妝品注冊與監(jiān)督管理處,海南 ?？?570216

長期紫外線(ultraviolet, UV)照射是皮膚外源性老化的主要原因，紫外線照射可損傷表皮角質(zhì)形成細胞和真皮成纖維細胞，引起皮膚萎縮、皺紋及皮膚腫瘤等[1]。海洋覆蓋了地球表面的70%以上，是生物多樣性的巨大資源[2]。海洋生物中有眾多光保護物質(zhì)，包括類胡蘿卜素/葉黃素、類菌孢素氨基酸、偽枝藻素、多酚類物質(zhì)和硫酸多糖等，它們具有廣泛的生物活性，如紫外線吸收、抑制氧化應(yīng)激/抗氧化、基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑(matrix metalloproteinase,MMP)、修復損傷的DNA、調(diào)節(jié)免疫活性及抑制炎癥、修復光老化損傷的表皮屏障和重建真皮細胞外基質(zhì)等[2-6]，在皮膚護理、化妝品和醫(yī)藥產(chǎn)品方面有很大的開發(fā)潛力。本文綜述了海洋生物中的多種光保護物質(zhì)的光保護作用機制及其在抗皮膚光老化中的應(yīng)用進展。

1 皮膚光老化的發(fā)生機制

皮膚老化有兩個過程:內(nèi)在老化和外在老化。陽光是威脅皮膚的最有害的外部成分，因此外在老化也被稱為光老化[7]。目前，皮膚暴露于UV輻射仍然被認為是皮膚外源性老化或光老化的主要原因[1]。UVB(290～320 nm)和 UVA(320～400 nm)，尤其是長波 UVA1(340～400 nm)，都會導致皮膚光老化。此外，光老化還可以由紫外線光譜以外的波長范圍引起，即可見光，更準確地說是藍光(400～440 nm)[8]，以及短波紅外線(infrared A radiation,IRA，770～1 200 nm)[9]。以上各類外源性的光輻射可以通過誘導活性氧產(chǎn)生增加和核苷酸的結(jié)構(gòu)重排改變 DNA穩(wěn)態(tài)[10]、通過誘導產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)破壞細胞氧化平衡、通過促凋亡炎癥因子改變信號轉(zhuǎn)導通路和炎癥級聯(lián)反應(yīng)[11-12]、誘導免疫抑制和細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)重塑而導致光老化[13]。

主要的海洋初級生產(chǎn)者包括藍藻、浮游植物、大型藻類和水生植物，這些生物都生活在透光帶中，以保持光合作用的活性[14]。許多海洋生物內(nèi)源性的晝夜節(jié)律、細胞生長和繁殖通常伴隨著季節(jié)周期的變化，而這些變化在一定程度上可能受到光的控制[15]。

日照輻射對海洋生物也有一定傷害。研究表明，短期增強的 UV照射可以顯著影響海藻的氨基酸代謝、碳水化合物代謝、谷胱甘肽代謝和苯丙烷生物合成[16]，藻類在壓力條件下會產(chǎn)生有機滲透劑，它們也可作為抗氧化劑和熱保護劑[3]。為了抵消和減少高紫外線輻射引起的光損傷，海洋生物合成了類胡蘿卜素、類霉菌孢素氨基酸、硫酸化多糖和多酚等多種光保護物質(zhì)，它們具有廣泛的生物活性，如UV吸收、抗氧化、MMP抑制劑、抗衰老和免疫調(diào)節(jié)活性等[2-6]。

2 海洋中的常見光保護物質(zhì)

2.1 類胡蘿卜素/葉黃素

UVB 輻射的強度與陸生和海洋植物中類胡蘿卜素的積累之間存在很強的相關(guān)性，類胡蘿卜素在光合捕光復合物中起重要作用，可以吸收藍綠色區(qū)域的太陽光譜并將能量轉(zhuǎn)移到葉綠素[17]。皮膚或眼睛上的光損傷可以通過組織中的生物化合物來保護，這些化合物來自食物中的營養(yǎng)來源，蝦青素等類胡蘿卜素在清除人體內(nèi)自由基方面起著至關(guān)重要的作用，因此被作為人類膳食補充劑廣受歡迎[3]。

2.1.1 蝦青素(astaxanthin,ASX) 蝦青素屬于一類天然存在于微藻、甲殼類、魚類和一些鳥類等生物中的類胡蘿卜素，因其強大的抗氧化能力而被歸類為葉黃素。雨生紅球藻在壓力環(huán)境條件下積累蝦青素，是自然界中蝦青素最豐富的來源，含量可以高達 5%[18]。

2.1.2 巖藻黃素(fucoxanthin,FX) 巖藻黃素是一種橙色的類胡蘿卜素，存在于棕色海藻、硅藻和微藻，主要由褐藻產(chǎn)生并儲存在葉綠體中的葉黃素。就穩(wěn)定性和生物利用度而言，脫脂牛奶是巖藻黃素應(yīng)用的極好食品基質(zhì)[19]。

2.2 類菌孢素氨基酸(Mycosporin-like amino acids,MAA)

MAA 通常是小的(<400 Da)無色水溶性化合物，目前已知其中 20 多種，由一個與氨基酸殘基或亞氨基醇共軛的環(huán)己烯酮組成[5]。MAA存在于各種水生物種中，大多數(shù)產(chǎn)生 MAA 的海藻是紅藻，其次是褐藻和綠藻[2,5]。MAA 對鼠成纖維細胞沒有毒性，高濃度下對人皮膚成纖維細胞的細胞活力沒有影響，甚至有助于增加細胞活力[15]。

2.3 偽枝藻素(scytonemin)

偽枝藻素是一種黃綠色的吲哚生物堿，是一種藍藻代謝物，已知對UV輻射具有保護作用[20]。藍藻產(chǎn)生偽枝藻素是作為它們在環(huán)境壓力條件下生存的響應(yīng)策略的一部分，特別是在脈沖輻射的條件下[6]。

2.4 多酚類化合物

多酚是一種生物活性物質(zhì)，多酚的三大類是酚酸、類黃酮和單寧，在化妝品和皮膚病學上的重要性主要是抗氧化及光保護作用[2]。

2.5 硫酸化多糖

角叉菜膠、巖藻多糖/褐藻糖膠分別是在紅藻和褐藻中發(fā)現(xiàn)的主要硫酸化多糖，除了獨特的物理功能特性，如增稠、膠凝、乳化和穩(wěn)定等，還經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)具有抗氧化、清潔、保濕和恢復細胞活力的生物活性[2,21]。

3 海洋生物提取物的光保護作用機制

3.1 直接吸收光子

防止光線輻射對皮膚有害影響的第一步，是防止其對皮膚的穿透。據(jù)報道，MAA 是自然界中吸收 UVA 最強的化合物，在 310～360 nm 之間的紫外光譜中具有最大吸收帶[6]，涵蓋到達地球表面的大部分 UV(約295～400 nm)光譜范圍[5]。與光合色素不同，MAA 被調(diào)用作為被動屏蔽物質(zhì)，通過以無害熱的形式消散吸收的輻射能量而不產(chǎn)生光化學反應(yīng)[2]。隱生植物是含有吸收可用顏色光的色素，有葉綠素a作為主要的捕光色素，還有別黃嘌呤、α-carotene和隱生植物藻膽蛋白等多種吸光分子作為輔助色[22]。隱生植物對從全光譜到藍色、綠色或紅色光的光顏色變化均有響應(yīng)，部分吸光分子的吸光峰值主要在藍光及紅光波段，未來是否可用于光防護產(chǎn)品的研發(fā)，仍有待研究。

3.2 抑制氧化應(yīng)激、修復損傷的DNA

紫外線輻射通過產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)誘導線粒體功能障礙和細胞毒性的機制包括 caspase 激活、膜去極化和細胞色素 C 釋放的相關(guān)步驟，引起細胞氧化應(yīng)激[13]，并通過形成CPD和6-4 PPs破壞生物體 DNA誘導衰老。此外，與 ROS產(chǎn)生相關(guān)的紫外線輻射會導致信號通路的激活，例如 MMP1 通路介導的衰老、MAPK/AP-1/NF-κB/TNF-α/IL-6-介導的炎癥誘導的衰老，以及 p53/BAX/caspase-3/細胞色素C介導的細胞凋亡誘導的衰老[3]。因此，預防光老化，可以通過減少ROS的釋放和修復損傷的DNA尋找解決方案。

3.2.1 抑制氧化應(yīng)激 類胡蘿卜素，包括蝦青素和巖藻黃素，被稱為單線態(tài)氧猝滅劑。這些光合色素通過將多余的能量以熱量的形式消散并返回到初始基態(tài)來減輕與紫外線照射相關(guān)的有害影響。許多研究表明，巖藻黃素比最常見的陸源抗氧化劑和類胡蘿卜素具有更好的抗氧化和光保護性能[23]。最初，人們認為 MAA 在到達關(guān)鍵細胞目標之前僅通過吸收UV起作用，但有研究發(fā)現(xiàn)來自各種物種的不同MAA也具有抗氧化特性，這是光保護分子非常理想的特性[5]。

多酚類的抗氧化功能存在于羥基(-OH)基團中，該基團與芳環(huán)結(jié)合，充當氫或電子供體，賦予自由基或其他活性物質(zhì)，這是抑制 ROS 和 ROS 介導的 DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)損傷的基礎(chǔ)[2]。

3.2.2 修復損傷的DNA 光解酶Photolyase是修復由太陽輻射引起的 DNA 損傷的酶，一種含有黃素腺嘌呤二核苷酸分子的黃素酶，作為催化輔助因子，可與 CPD 或(6-4)PP 特異性結(jié)合，利用可見光光子的能量，修復紫外線誘導的 CPD 和 6-4PPs DNA 損傷，高劑量的紫外線輻射可能是這些酶完善其光修復潛力的關(guān)鍵因素[24-25]。光解酶對 DNA 的修復可以概括為三個光誘導過程：光引發(fā)、光還原和光再激活[26]。

3.3 免疫調(diào)節(jié)及炎癥抑制

在上文所述由UV引起的炎癥級聯(lián)反應(yīng)中，NF-κB是參與這些炎癥介質(zhì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要轉(zhuǎn)錄因子，在未受刺激的細胞中，NF-κB以非活性狀態(tài)存在于細胞質(zhì)中，與稱為IκB的抑制蛋白復合。激活后，IκB發(fā)生磷酸化和降解，包括 p65 在內(nèi)的 NF-κB轉(zhuǎn)移到細胞核中，與 DNA 結(jié)合并激活轉(zhuǎn)錄。因此，抑制NF-κB的表達，可以下調(diào)光老化過程中的炎癥反應(yīng)及后續(xù)損傷[20]。

3.4 修復、重建光老化損傷的表皮屏障和真皮細胞外基質(zhì)

UV照射可以通過上調(diào)MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-7、MMP-9和MMP-12等MMPs的表達，導致Ⅰ型膠原纖維、蛋白多糖、層粘連蛋白和纖連蛋白等重要組成基質(zhì)的降解，破壞真皮結(jié)構(gòu)，導致真皮塌陷，加上衰老過程中的屏障損傷、水分流失，最后形成皺紋，出現(xiàn)皮膚光老化[3]。因此，海洋生物活性成分中，有助于延緩膠原流失，促進生物合成，穩(wěn)定皮膚屏障，穩(wěn)定皮膚含水量的相關(guān)成分，是防治皮膚光老化進程中更為主動的一系列防治措施的潛在選擇。

4 海洋生物光保護成分在抗光老化中的應(yīng)用

4.1 減少光線損傷

Gelyma公司已上市的防曬產(chǎn)品Helionori?和Helioguard365?，含有來自一種紅海藻(Porphyraumbilicalis)的 MAAs[6]。MAA為高度水溶性，會使得配制用于海灘的防曬霜變得比較困難，但是應(yīng)用于日間護理產(chǎn)品會好得多，因為水性配方比基于油的配方具有更好的感官特性[5]。

4.2 抵抗氧化應(yīng)激

來自藍藻的偽枝藻素可以減少活性氧的產(chǎn)生和 DNA 損傷的形成，同時還有抗氧化和抗增殖活性[20]，是眾所周知的強效紫外線防曬劑，有人建議可用于開發(fā)藥妝品[27]。

角叉菜膠能夠減少ROS的釋放，對HaCaT細胞中 UVB 誘導的細胞凋亡的有害影響顯示出顯著的保護作用，與單獨使用防曬霜相比，將角叉菜膠添加到廣泛的護膚品和化妝品中可能會減少紫外線引起的光損傷[2]。

4.3 促進損傷修復

傳統(tǒng)防曬霜可以防止皮膚癌的發(fā)展，但是對已經(jīng)被日曬損壞的皮膚細胞沒有修復作用，含有 DNA 修復酶(光解酶和核酸內(nèi)切酶)和抗氧化劑的防曬霜可提供“主動光保護”[25,28-29]，局部抗氧化劑和 CPD 光解酶的組合可最大程度地降低 CPD 和自由基誘導的蛋白質(zhì)損傷[30]。例如，Ateia?的一款防曬霜(Kwizda Pharma，維也納，奧地利)將傳統(tǒng)防曬霜與專利成分配方Nopasome?相結(jié)合，而Nopasome?是脂質(zhì)體包裹的CPD光解酶(Photosome?)、T4核酸內(nèi)切酶V(Ultrasome?)和胭脂仙人掌提取物的組合[25]。

南極海洋紅球菌屬(Rhodococcussp.NJ-530)適應(yīng)南極洲的高強度紫外線輻射，光解酶在紅球菌的生理適應(yīng)機制中起著不可替代的作用。光解酶PHR由NJ-530的1 146 bp 光解酶同源區(qū)phr基因編碼合成，rtPCR表明phr基因的轉(zhuǎn)錄水平在UVB輻射(90 μW·cm-2)的作用下高度上調(diào)，并在暴露20 min后增加到最大149.17 倍。純化的PHR帶有藍光，在體外試驗中對紫外線誘導的DNA 損傷具有明顯的光修復活性[26]，未來有望被投入應(yīng)用于光保護性產(chǎn)品的研發(fā)。

4.4 調(diào)節(jié)免疫異常及炎癥反應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，偽枝藻素可以通過下調(diào) NF-κB活性抑制LPS 誘導的小鼠巨噬細胞系中 TNF-α 和iNOS的表達，表明偽枝藻素可作為多功能護膚成分應(yīng)用[20]。

角叉菜膠被稱為免疫調(diào)節(jié)劑，可誘導環(huán)加氧酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)的表達和前列腺素-E2(prostaglandin-E2,PGE2)的釋放，COX-2 表達是急性紫外線照射后角質(zhì)形成細胞存活和增殖的重要因素[2]。

4.5 延緩膠原流失，促進生物合成，穩(wěn)定皮膚屏障，穩(wěn)定皮膚含水量

4.5.1 抑制 MMP的降解作用、延緩膠原流失 褐藻糖膠是最常見的從褐藻中分離出來的硫酸化多糖，目前多數(shù)研究報告表明，褐藻糖膠的光保護活性是通過抑制基質(zhì)金屬蛋白酶-1(MMP-1)活性來介導的，更準確地說，這些硫酸化多糖會下調(diào) NF-κB的表達，進而減少 MMP-1 的表達[2]。低分子量褐藻糖膠對紫外線 B 照射小鼠的抗光老化作用，已在人皮膚成纖維細胞和小鼠模型中得到測定，而且似乎局部外用低分子量褐藻糖膠比高分子量具有更強的光保護活性[31]。

間苯三酚可以顯著抑制UVB 誘導的 MMP-1上調(diào)以及絲裂原活化蛋白激酶和激活蛋白1與MMP-1啟動子結(jié)合的磷酸化，當應(yīng)用于 UVB 照射的小鼠皮膚時是安全有效的[2]。因此，間苯三酚可作為防曬乳液和霜劑配方。

4.5.2 促進生物合成和細胞增殖 來自Meristothecadakarensis和Janiarubens的藻類提取物肽 PYP1-5可以促進糖胺聚糖、Ⅰ型和Ⅲ型膠原蛋白合成[32]。此外，具有多重光防護功能的MAA還具有細胞增殖特性，對人角質(zhì)形成細胞的傷口愈合過程有正面影響，甚至可以作為一種新的傷口愈合促進產(chǎn)品[33]。

4.5.3 穩(wěn)定皮膚屏障 巖藻黃素可在紫外線誘導的曬傷中刺激絲聚蛋白啟動子活性，聚絲蛋白是一種紫外線敏感基因，可反映皮膚損傷的狀態(tài)，這說明巖藻黃素的其他保護機制可能通過誘導紫外線敏感基因表達促進皮膚屏障形成來發(fā)揮作用，從而預防由于屏障功能障礙加重的光老化[34]。

4.5.4 穩(wěn)定皮膚含水量 轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶2有利于膠原蛋白Ⅶ內(nèi)的蛋白質(zhì)交聯(lián)，TGM2減少會導致表真皮完整性的下降而導致水分流失，蝦青素可以抑制TGM2，經(jīng)此或許可以恢復類固醇硫酸酯酶(steroid sulfatase,STS)和水通道蛋白 3(aquaporin 3,AOP3)的生理水平，從而減少皮膚水分流失[35]。此外，蝦青素還增加了兩種天然保濕因子：焦谷氨酸(pyroglutamic acid,PCA)和尿刊酸(urocanic acid,UCA)的含量，有助于抵御皮膚干燥和皺紋形成，從而預防由于皮膚失水而加重的光老化[35]。

5 結(jié)語與展望

綜上所述，人類可以從海洋生物中獲得大量具有強大光防護、光修復性能的提取物，它們具有阻擋光線穿透、抗氧化、抗炎、損傷修復、延緩降解、促進合成以及穩(wěn)定皮膚屏障等一系列重要作用，并且可應(yīng)用于外用、口服、產(chǎn)品添加等多種場景，對未來在光老化的預防治療、產(chǎn)品開發(fā)等領(lǐng)域的研究具有重大的價值和意義。此外，海洋生物提取物因具有“天然和健康”的特點，通常更容易被人們接受，能夠促進消費者的積極響應(yīng)，為進一步挖掘海洋寶藏的巨大潛能提供社會動力與助力。因此，具有光保護作用的海洋生物提取物將具有更廣泛的應(yīng)用前景。