氧化應激在皮膚光老化中的作用

鄧 映，杜 宇，劉 萍，杜曉霜，楊洪秋

（西南醫(yī)科大學附屬中醫(yī)醫(yī)院醫(yī)學美容中心，四川 瀘州，646000）

近年來，隨著臭氧層逐漸被破壞，人類的戶外活動日益增多，長期或大量紫外線（Ultraviolet,UV）輻射導致光老化及光相關皮膚病的發(fā)生率不斷上升。皮膚光老化是指UV（主要是UVA和UVB）直接或間接對皮膚造成的慢性損傷，是皮膚衰老的主要組成部分[1]。光老化與氧化應激、DNA損傷、炎癥反應等有關，其中氧化應激是近年來國內外研究的熱點。相關研究證實抑制氧化應激通路可改善或延緩光老化，為光老化的診治提供了更多的思路及方向[1.2]。

1 光老化

皮膚光老化是皮膚長期暴露于UV的結果，表現(xiàn)為暴露部位尤其是面部的皮膚出現(xiàn)皺紋、皮革樣粗糙、不規(guī)則色素斑、毛細血管擴張、角化過度等表現(xiàn)。相較于自然老化，皮膚光老化具有表皮不規(guī)則萎縮或肥厚、黑素細胞減少或增加、朗格漢斯細胞減少以及真皮明顯增厚、Ⅰ型膠原纖維減少、彈力纖維變性、血管迂曲擴張等特征性組織學改變[1-3]。

2 光老化與氧化應激

正常情況下，皮膚中氧化及抗氧化系統(tǒng)處于動態(tài)平衡，共同參與細胞間及細胞內信號傳遞、抗微生物、抗病毒、調節(jié)細胞生長、增殖、老化、死亡等生理過程。細胞內的氧化劑主要指活性氧簇（Reactive oxygen species，ROS），包括過氧化氫（H2O2）、超氧化物（.O2-）、羥基團(.OH）、單線態(tài)氧（O2）、一氧化氮（NO）等。ROS主要在線粒體有氧代謝或酶促反應(如NADPH氧化酶）中產生，亦可在接觸電離輻射（如UV）、光敏性物質（如四環(huán)素類、維A酸類、黑素等）以及污染物后產生。當UV照射皮膚時，細胞內的抗氧化劑如過氧化氫酶（Hydrogenperoxidase,CAT）、超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutas,SOD）、谷胱甘肽過氧化酶（Glutathione Peroxdas,GSHPx）、谷胱甘肽還原酶、以及維生素C、維生素E、谷胱甘肽等非酶類物質將阻止ROS的生成或者中和代謝產生的ROS，以對抗氧毒性，維持皮膚的穩(wěn)態(tài)。然而，當機體遭受過度UV暴露時，體內ROS產生過多或機體抗氧化劑防御能力不足，引起ROS蓄積、氧化及抗氧化系統(tǒng)失衡，細胞遭受氧化應激（Oxidative Stress,OS）損傷，DNA及線粒體損傷、膠原異常降解、彈性纖維變性，最終導致光老化的發(fā)生[2-4]。

2.1 發(fā)病機制

研究發(fā)現(xiàn)UV輻射皮膚形成的ROS可引起組織中脂質、DNA、線粒體、端粒等的直接損傷形成過氧化脂質、嘧啶二聚體和6-4光產物等，引起細胞活力下降，甚至凋亡[4-7]。另一方面，ROS可促使細胞中炎癥、抗氧化等相關信號通路激活，誘發(fā)細胞凋亡及膠原蛋白、彈性蛋白等的合成減少、降解增加，最終誘發(fā)皺紋、斑駁樣色素沉著、皮膚粗糙等光老化表現(xiàn)[4.6.8.11-15]。

2.1.1 氧化應激對表皮的影響

當表皮角質形成細胞過度暴露于UVB后細胞活力下降，同時細胞內ROS的水平顯著升高，抗氧化劑被消耗，絲裂原活化蛋白激酶級聯(lián)反應（MAPKs）過度表達；同時凋亡蛋白bax表達上調，抗凋亡蛋白Blc-2表達下調，角質形成細胞出現(xiàn)凋亡[5-7]。同樣地，HaCaT細胞經過UVA照射后亦出現(xiàn)活力降低、ROS生成增加、超氧化物歧化酶下降、脂質過氧化物質丙二醛（Malonaldehyde,MDA）增加，進而出現(xiàn)氧化應激損傷。此時，調控氧化應激的關鍵轉錄因子核轉錄因子E2相關因子2（nuclear factor E2-related fator 2，Nrf2）的水平下降，Kelch樣ECH相關蛋白1即Keap1蛋白（細胞質中抑制Nrf2的蛋白）明顯升高，信號通路Nrf2/ARE信號通路被抑制，胞內氧化還原失衡，蓄積的ROS進一步誘發(fā)炎癥反應，誘導腫瘤壞死因子（TNF）-α，白介素（IL）-1β和IL-6等炎癥因子水平上升[6.8]。

另一方面，在黑素細胞中，ROS誘導黑素生成增加。在UVA和UVB輻射下，人類角質形成細胞通過NO合成酶（NOS）分泌NO，黑素細胞酪氨酸酶活性增強，黑素產生增加[9]。同時UVB輻射刺激角質形成細胞將誘導α-黑素細胞刺激激素（α-MSH）分泌，從而響應黑素細胞的黑皮質素1受體（MC1R）觸發(fā)細胞信號傳導，最終黑素生成增加[10]。

2.1.1 氧化應激對真皮的影響

長期暴露于UVB輻射時人成纖維細胞內ROS水平顯著提高、脂質過氧化、DNA損傷、抗氧化劑減少，細胞出現(xiàn)凋亡，同時光老化相關的信號通路激活。

一方面，MAPKs信號傳導激活，三個主要的蛋白包括細胞外信號轉導蛋白激酶(ERKs)、C-Jun N-末端激酶(JNKs)和P38MAPK磷酸化（p-ERK1，p-JNK和p-p38）活性增強，引起轉錄因子AP-1和基質金屬蛋白酶MMPs（MMP-2、9和12）的過度表達。相應地，細胞外基質中的膠原蛋白、彈性蛋白和其他結締組織被降解[11-12]。

另一方面，UV誘發(fā)氧化應激時抗氧化相關的Nrf2/ARE信號通路被抑制，Nrf2表達減少，下游的抗氧化酶SOD、CAT的活性降低，MDA升高[13]。同時氧化應激狀態(tài)觸發(fā)核轉錄因子（nuclear factor-Kappa B,NFκB）通路激活，調節(jié)炎癥相關基因表達，上調血管內皮生長因子（VEGF）以及炎癥細胞因子如IL-1β，IL-6，IL-10和TNF-α等的產生，最終膠原纖維及彈力纖維被破壞，皮膚出現(xiàn)皺紋、厚度增加等光老化表現(xiàn)[14-15]。

3 治 療

雖然過量UV可觸發(fā)皮膚細胞中ROS的快速產生和積累，但抗氧化劑可吸收UV，抑制游離UV在細胞中誘導的自由基反應，并調節(jié)內源性抗氧化劑和炎癥系統(tǒng)，從而拮抗氧化應激所致的組織損傷。由于內源性抗氧化劑在衰老過程中逐漸下降，而人類對健康及抗衰的需求越來越大，因此采用口服或外用抗氧化劑，外源性抗氧化劑與內源性抗氧化劑協(xié)同作用保護皮膚逐漸成為防治光老化的有效方法。外源性抗氧化劑家族可分為天然抗氧化劑和合成抗氧化劑，其中天然抗氧化劑多為植物化學衍生物，包括多酚類、維生素類和其他植物化學衍生物或完整提取物[4.16]。

3.1 天然抗氧化劑

3.1.1 多酚類

多酚的天然來源包括茶，可可，葡萄/葡萄酒，大豆，石榴、白頭翁、佛手柑，蕨類植物等。多酚固有的抗氧化功能在于其羥基（-OH）基團，可結合于芳環(huán)，充當氫或電子給體，將其賦予自由基或其他反應性物質，這是抑制ROS及其介導的DNA、蛋白質和脂質損害、炎性因子產生和信號轉導途徑的激活的分子基礎[3.17]。此類物質包括類黃酮（兒茶素，異黃酮，原花青素和花青素等）和非類黃酮中的酚酸（苯甲酸，沒食子酸和肉桂酸）、二苯乙烯及白藜蘆醇等，這些化合物可以減少炎癥，減輕氧化應激損傷并影響多種信號通路，以保護皮膚免受UV傷害[3.18-23]。

（1）類黃酮：類黃酮是飲食中的主要抗氧化劑，如茶中含量豐富的茶多酚，具有良好的自由基清除活性，因此茶多酚成為抗光老化研究的熱點。茶多酚不僅減少ROS，誘導抗氧化酶的表達，同時阻礙DNA氧化損傷，增加膠原蛋白和彈性蛋白纖維的含量，抑制MMP-3的產生，從而防治光老化[18]。同樣富含兒茶素、表兒茶素等類黃酮成分的雞血藤被證實能阻斷UVB誘導的MAPK、NF-κB和c-Jun的磷酸化，在轉錄和翻譯水平上調節(jié)MMPs、基質金屬蛋白酶組織抑制劑（TIMP）-1、I型膠原蛋白、彈性蛋白和透明質酸合酶2（HAS2）的表達，以改善光老化[5]。而在UVB輻射前處理前于小鼠皮膚局部應用富含原花青素和花青素等酚類化合物的葡萄干提取物可減少中性粒細胞浸潤、膠原蛋白降解、以及COX-2、Nrf-2和HO-1基因的表達，預防光老化的發(fā)生[19]。

（2）非類黃酮：研究發(fā)現(xiàn)含高濃度肉桂酸的白頭翁提取物可防止脂質過氧化引起的膜損傷、抑制AP-1和NF-κB通路激活、下調TNF-α及NO合成酶的表達，同時抑制UV介導的細胞-細胞外基質粘著力的喪失，防止角質形成細胞凋亡[3.20]。沒食子酸（Gallic acid,GA）是一種天然存在于綠茶葉以及其他天然來源中的酚類化合物，可保護細胞和組織免受氧化損傷。一方面GA能夠抑制UVB誘導的c-Jun和c-Fos的磷酸化，上調TGF-α、彈性蛋白和前膠原I表達，抑制MMP-1和IL-6表達和活性。另一方面，GA抑制UVB誘導的表皮增厚和膠原蛋白降解，皮膚皺紋、局部水合作用改善[21]。白藜蘆醇是一種具有強抗炎作用的多酚類物質，在暴露于UVB輻射之前單一應用白藜蘆醇在無毛小鼠的皮膚上可抑制環(huán)氧合酶、鳥氨酸脫羧酶和脂質過氧化，調節(jié)細胞因子（IL-6，IL-8和TNF-α）水平，從而修復和保護細胞[22]，而且其與人類皮膚上的特異性結合位點結合能夠阻斷人角質形成細胞凋亡和線粒體功能障礙，從而能延緩皮膚衰老[23]。

3.1.2 維生素類

（1）維生素C：即抗壞血酸，被認為是最強大的、水溶性天然抗氧化劑，但它不能由人體合成，主要存在于如櫻桃、橘子、檸檬和番茄等水果中，其強抗氧化活性使其成為抗UV輻射的良好保護劑[24]。在暴露于UVA前用維生素C或番茄提取物預處理細胞能使ROS、GSH和脂質過氧化水平維持在基礎水平，并且減輕凋亡和炎癥[25]。維生素C能刺激膠原蛋白的合成，減少膠原蛋白降解和穩(wěn)定膠原纖維，減少黑色素的形成，并減輕皮膚炎癥，防止UV對皮膚的氧化應激損害，從而改善老化表現(xiàn)[26]。

（2）維生素E：是使用最廣泛的抗氧化劑，主要存在于堅果，種子和植物油中，同時人體皮脂腺在正常情況下可分泌維生素E，UV可引起的維生素E消耗[。維生素E不僅能通過減少自由基而發(fā)揮抗皮膚光老化的作用，同時可與其他物質協(xié)同發(fā)揮作用，防止氧化損傷[27]。維生素E與類花生酸系統(tǒng)的相互作用可能導致抗炎作用，從而補充皮膚中其他抗氧化劑的光保護作用[28]。維生素E和維生素C協(xié)同作用可增強內源性皮膚抗氧化劑防御能力，調節(jié)各種皮膚抗氧化劑之間的平衡,提高皮膚抗氧化劑生物利用度的因素，從而克服溶解性差、皮膚滲透性低或在儲存過程中不穩(wěn)定等缺點[29]。

（3）類胡蘿卜素：一類天然色素的總稱，是具有高抗氧化能力的四萜類物質，具有單線態(tài)分子氧的猝滅和過氧自由基的清除能力[3.27]。β-胡蘿卜素是自然界中存在最普遍也是最穩(wěn)定的類胡蘿卜素之一。番茄紅素，西紅柿中主要的β-胡蘿卜素，可防止GSH消耗和脂質過氧化，有效抵消由UV引起的氧化應激損害[30]。一組安慰劑對照、雙盲、隨機研究發(fā)現(xiàn)口服富含番茄紅素能完全抑制UVA/B誘導的血紅素加氧酶1、細胞間粘附分子1和基質金屬肽酶1 mRNA的上調，減輕氧化應激，從而保護人體皮膚免受UV輻射所致光老化[31]。辣椒紅素和辣椒素是僅在紅辣椒果實中發(fā)現(xiàn)的類胡蘿卜素，辣椒紅素或辣椒素進行預處理可減少UVB誘導的皮膚成纖維細胞DNA鏈斷裂，并抑制caspase-3激活，從而保護細胞DNA、抑制細胞凋[32]。

（4）葉黃素：是存在于許多蔬菜和水果以及黃色蠶繭中的一種類胡蘿卜素，它們以高濃度存在于人的視網膜中作為抗氧化劑來保護人的眼睛免受陽光造成的損害。在人角質形成細胞中的研究發(fā)現(xiàn)不同劑量的絲葉黃素通過抗氧化作用保護UVB誘導的細胞凋亡和細胞周期停滯[33]。

（5）硫辛酸：具有抗氧化及抗炎作用，針對33位女性的隨機半臉對照實驗發(fā)現(xiàn)外用5%α-硫辛酸軟膏可改善面部光老化表現(xiàn)[34]，且主要是通過下調轉錄因子的產生與炎性細胞因子的產生而實現(xiàn)[35]。

3.1.3 其他植物化學衍生物 （1）枸杞多糖：富含于常見中草藥枸杞中。研究發(fā)現(xiàn)枸杞多糖可明顯減少經UVB輻射后人角質形成細胞內ROS的含量，并降低DNA損傷、下調MMPs 的表達[36]。

（2）穿心蓮內酯：一種二萜類化合物，是廣受歡迎的中藥穿心蓮的藥用成分，不僅具有抗腫瘤、抗菌作用，同時可抑制氧化應激和抗炎。局部應用穿心蓮內酯可以抑制UV引起的皮膚厚度增加、彈性降低、皺紋和水分減少等光老化改變。以光老化小鼠為模型發(fā)現(xiàn)穿心蓮內酯不僅降低MDA水平、上調抗氧化酶SOD和CAT的活性，同時下調IL-1、IL-6、IL-10和TNF-α的水平，最終皮膚膠原蛋白含量增加、膠原纖維和彈性纖維的破壞減少，表明穿心蓮內酯可能是一種潛在的抗光老化劑[37]。

3.2 天然合成抗氧化劑

3.2.1 類維生素A

類維生素A是一組包含維生素A及其天然和合成衍生物的物質，它們是親脂性分子，很容易穿透表皮，在臨床和組織學方面均已證明是有效的抗光老物質[38]。類維生素A有一個共同的化學結構，該結構包含多個共軛雙鍵，使它們能夠捕獲自由基并吸收UV，從而防護UV誘發(fā)的DNA、脂質膜或蛋白質的氧化應激損傷[39]。

3.2.2 輔酶Q

輔酶Q10是生物體內廣泛存在的脂溶性醌類化合物，人類和哺乳動物中為輔酶Q10。輔酶Q10參與線粒體呼吸鏈中質子及電子傳遞，是細胞呼吸和細胞代謝的激活劑，也是重要的抗氧化劑。輔酶Q10不僅通過抑制膠原酶的表達、、降低特異性磷酸酪氨酸激酶的活化、減少DNA氧化性損傷從而對抗UVA介導的人角質形成細胞的氧化應激[40]。同時輔酶Q10可通過增強抗氧化酶SOD2和GSH-Px活性抑制UVB誘導的皮膚氧化應激[41]。

自由基特別是活性氧自由基在皮膚光老化發(fā)生過程中具有重要作用，因此采用抗氧化劑口服或外用是防止皮膚光老化的有效方法。源自不同植物物種的天然酚類化合物、維生素類以及合成抗氧化物能夠通過防止紫外線滲透，減少炎癥和氧化應激以及影響多種光老化相關信號通路來保護皮膚，這將為光老化的有效防護提更加有力的依據(jù)，同時亦加速了天然抗氧化劑在護膚品尤其是藥妝品中的應用。但是相關研究多局限于體外實驗及動物實驗，使用劑量較小，故大劑量使用的副作用、“類維生素A皮炎”的最小化等問題的解決需更多科學實驗驗證。綜上所述，使用外源抗氧化劑增加皮膚細胞的抗氧化能力以延緩光老化進程值得更多的關注及探索。