海洋生物提取物中抗皮肤光老化活性成分的研究进展

林飞燕， 黄邓高, 殷晓静

1.南方医科大学皮肤病医院皮肤美容中心,广东 广州 510091；2.海南省第五人民医院激光美容科,海南 海口 571127；3.海口市人民医院/中南大学湘雅医学院附属海口医院中心实验室,海南 海口 570208；4.海南省药品监督管理局化妆品注册与监督管理处,海南 海口 570216

长期紫外线(ultraviolet, UV)照射是皮肤外源性老化的主要原因，紫外线照射可损伤表皮角质形成细胞和真皮成纤维细胞，引起皮肤萎缩、皱纹及皮肤肿瘤等[1]。海洋覆盖了地球表面的70%以上，是生物多样性的巨大资源[2]。海洋生物中有众多光保护物质，包括类胡萝卜素/叶黄素、类菌孢素氨基酸、伪枝藻素、多酚类物质和硫酸多糖等，它们具有广泛的生物活性，如紫外线吸收、抑制氧化应激/抗氧化、基质金属蛋白酶抑制剂(matrix metalloproteinase,MMP)、修复损伤的DNA、调节免疫活性及抑制炎症、修复光老化损伤的表皮屏障和重建真皮细胞外基质等[2-6]，在皮肤护理、化妆品和医药产品方面有很大的开发潜力。本文综述了海洋生物中的多种光保护物质的光保护作用机制及其在抗皮肤光老化中的应用进展。

1 皮肤光老化的发生机制

皮肤老化有两个过程:内在老化和外在老化。阳光是威胁皮肤的最有害的外部成分，因此外在老化也被称为光老化[7]。目前，皮肤暴露于UV辐射仍然被认为是皮肤外源性老化或光老化的主要原因[1]。UVB(290～320 nm)和 UVA(320～400 nm)，尤其是长波 UVA1(340～400 nm)，都会导致皮肤光老化。此外，光老化还可以由紫外线光谱以外的波长范围引起，即可见光，更准确地说是蓝光(400～440 nm)[8]，以及短波红外线(infrared A radiation,IRA，770～1 200 nm)[9]。以上各类外源性的光辐射可以通过诱导活性氧产生增加和核苷酸的结构重排改变 DNA稳态[10]、通过诱导产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)破坏细胞氧化平衡、通过促凋亡炎症因子改变信号转导通路和炎症级联反应[11-12]、诱导免疫抑制和细胞外基质(extracellular matrix,ECM)重塑而导致光老化[13]。

主要的海洋初级生产者包括蓝藻、浮游植物、大型藻类和水生植物，这些生物都生活在透光带中，以保持光合作用的活性[14]。许多海洋生物内源性的昼夜节律、细胞生长和繁殖通常伴随着季节周期的变化，而这些变化在一定程度上可能受到光的控制[15]。

日照辐射对海洋生物也有一定伤害。研究表明，短期增强的 UV照射可以显著影响海藻的氨基酸代谢、碳水化合物代谢、谷胱甘肽代谢和苯丙烷生物合成[16]，藻类在压力条件下会产生有机渗透剂，它们也可作为抗氧化剂和热保护剂[3]。为了抵消和减少高紫外线辐射引起的光损伤，海洋生物合成了类胡萝卜素、类霉菌孢素氨基酸、硫酸化多糖和多酚等多种光保护物质，它们具有广泛的生物活性，如UV吸收、抗氧化、MMP抑制剂、抗衰老和免疫调节活性等[2-6]。

2 海洋中的常见光保护物质

2.1 类胡萝卜素/叶黄素

UVB 辐射的强度与陆生和海洋植物中类胡萝卜素的积累之间存在很强的相关性，类胡萝卜素在光合捕光复合物中起重要作用，可以吸收蓝绿色区域的太阳光谱并将能量转移到叶绿素[17]。皮肤或眼睛上的光损伤可以通过组织中的生物化合物来保护，这些化合物来自食物中的营养来源，虾青素等类胡萝卜素在清除人体内自由基方面起着至关重要的作用，因此被作为人类膳食补充剂广受欢迎[3]。

2.1.1 虾青素(astaxanthin,ASX) 虾青素属于一类天然存在于微藻、甲壳类、鱼类和一些鸟类等生物中的类胡萝卜素，因其强大的抗氧化能力而被归类为叶黄素。雨生红球藻在压力环境条件下积累虾青素，是自然界中虾青素最丰富的来源，含量可以高达 5%[18]。

2.1.2 岩藻黄素(fucoxanthin,FX) 岩藻黄素是一种橙色的类胡萝卜素，存在于棕色海藻、硅藻和微藻，主要由褐藻产生并储存在叶绿体中的叶黄素。就稳定性和生物利用度而言，脱脂牛奶是岩藻黄素应用的极好食品基质[19]。

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

MAA 通常是小的(<400 Da)无色水溶性化合物，目前已知其中 20 多种，由一个与氨基酸残基或亚氨基醇共轭的环己烯酮组成[5]。MAA存在于各种水生物种中，大多数产生 MAA 的海藻是红藻，其次是褐藻和绿藻[2,5]。MAA 对鼠成纤维细胞没有毒性，高浓度下对人皮肤成纤维细胞的细胞活力没有影响，甚至有助于增加细胞活力[15]。

2.3 伪枝藻素(scytonemin)

伪枝藻素是一种黄绿色的吲哚生物碱，是一种蓝藻代谢物，已知对UV辐射具有保护作用[20]。蓝藻产生伪枝藻素是作为它们在环境压力条件下生存的响应策略的一部分，特别是在脉冲辐射的条件下[6]。

2.4 多酚类化合物

多酚是一种生物活性物质，多酚的三大类是酚酸、类黄酮和单宁，在化妆品和皮肤病学上的重要性主要是抗氧化及光保护作用[2]。

2.5 硫酸化多糖

角叉菜胶、岩藻多糖/褐藻糖胶分别是在红藻和褐藻中发现的主要硫酸化多糖，除了独特的物理功能特性，如增稠、胶凝、乳化和稳定等，还经常被发现具有抗氧化、清洁、保湿和恢复细胞活力的生物活性[2,21]。

3 海洋生物提取物的光保护作用机制

3.1 直接吸收光子

防止光线辐射对皮肤有害影响的第一步，是防止其对皮肤的穿透。据报道，MAA 是自然界中吸收 UVA 最强的化合物，在 310～360 nm 之间的紫外光谱中具有最大吸收带[6]，涵盖到达地球表面的大部分 UV(约295～400 nm)光谱范围[5]。与光合色素不同，MAA 被调用作为被动屏蔽物质，通过以无害热的形式消散吸收的辐射能量而不产生光化学反应[2]。隐生植物是含有吸收可用颜色光的色素，有叶绿素a作为主要的捕光色素，还有别黄嘌呤、α-carotene和隐生植物藻胆蛋白等多种吸光分子作为辅助色[22]。隐生植物对从全光谱到蓝色、绿色或红色光的光颜色变化均有响应，部分吸光分子的吸光峰值主要在蓝光及红光波段，未来是否可用于光防护产品的研发，仍有待研究。

3.2 抑制氧化应激、修复损伤的DNA

紫外线辐射通过产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)诱导线粒体功能障碍和细胞毒性的机制包括 caspase 激活、膜去极化和细胞色素 C 释放的相关步骤，引起细胞氧化应激[13]，并通过形成CPD和6-4 PPs破坏生物体 DNA诱导衰老。此外，与 ROS产生相关的紫外线辐射会导致信号通路的激活，例如 MMP1 通路介导的衰老、MAPK/AP-1/NF-κB/TNF-α/IL-6-介导的炎症诱导的衰老，以及 p53/BAX/caspase-3/细胞色素C介导的细胞凋亡诱导的衰老[3]。因此，预防光老化，可以通过减少ROS的释放和修复损伤的DNA寻找解决方案。

3.2.1 抑制氧化应激 类胡萝卜素，包括虾青素和岩藻黄素，被称为单线态氧猝灭剂。这些光合色素通过将多余的能量以热量的形式消散并返回到初始基态来减轻与紫外线照射相关的有害影响。许多研究表明，岩藻黄素比最常见的陆源抗氧化剂和类胡萝卜素具有更好的抗氧化和光保护性能[23]。最初，人们认为 MAA 在到达关键细胞目标之前仅通过吸收UV起作用，但有研究发现来自各种物种的不同MAA也具有抗氧化特性，这是光保护分子非常理想的特性[5]。

多酚类的抗氧化功能存在于羟基(-OH)基团中，该基团与芳环结合，充当氢或电子供体，赋予自由基或其他活性物质，这是抑制 ROS 和 ROS 介导的 DNA、蛋白质和脂质损伤的基础[2]。

3.2.2 修复损伤的DNA 光解酶Photolyase是修复由太阳辐射引起的 DNA 损伤的酶，一种含有黄素腺嘌呤二核苷酸分子的黄素酶，作为催化辅助因子，可与 CPD 或(6-4)PP 特异性结合，利用可见光光子的能量，修复紫外线诱导的 CPD 和 6-4PPs DNA 损伤，高剂量的紫外线辐射可能是这些酶完善其光修复潜力的关键因素[24-25]。光解酶对 DNA 的修复可以概括为三个光诱导过程：光引发、光还原和光再激活[26]。

3.3 免疫调节及炎症抑制

在上文所述由UV引起的炎症级联反应中，NF-κB是参与这些炎症介质转录调控的主要转录因子，在未受刺激的细胞中，NF-κB以非活性状态存在于细胞质中，与称为IκB的抑制蛋白复合。激活后，IκB发生磷酸化和降解，包括 p65 在内的 NF-κB转移到细胞核中，与 DNA 结合并激活转录。因此，抑制NF-κB的表达，可以下调光老化过程中的炎症反应及后续损伤[20]。

3.4 修复、重建光老化损伤的表皮屏障和真皮细胞外基质

UV照射可以通过上调MMP-1、MMP-2、MMP-3、MMP-7、MMP-9和MMP-12等MMPs的表达，导致Ⅰ型胶原纤维、蛋白多糖、层粘连蛋白和纤连蛋白等重要组成基质的降解，破坏真皮结构，导致真皮塌陷，加上衰老过程中的屏障损伤、水分流失，最后形成皱纹，出现皮肤光老化[3]。因此，海洋生物活性成分中，有助于延缓胶原流失，促进生物合成，稳定皮肤屏障，稳定皮肤含水量的相关成分，是防治皮肤光老化进程中更为主动的一系列防治措施的潜在选择。

4 海洋生物光保护成分在抗光老化中的应用

4.1 减少光线损伤

Gelyma公司已上市的防晒产品Helionori®和Helioguard365®，含有来自一种红海藻(Porphyraumbilicalis)的 MAAs[6]。MAA为高度水溶性，会使得配制用于海滩的防晒霜变得比较困难，但是应用于日间护理产品会好得多，因为水性配方比基于油的配方具有更好的感官特性[5]。

4.2 抵抗氧化应激

来自蓝藻的伪枝藻素可以减少活性氧的产生和 DNA 损伤的形成，同时还有抗氧化和抗增殖活性[20]，是众所周知的强效紫外线防晒剂，有人建议可用于开发药妆品[27]。

角叉菜胶能够减少ROS的释放，对HaCaT细胞中 UVB 诱导的细胞凋亡的有害影响显示出显著的保护作用，与单独使用防晒霜相比，将角叉菜胶添加到广泛的护肤品和化妆品中可能会减少紫外线引起的光损伤[2]。

4.3 促进损伤修复

传统防晒霜可以防止皮肤癌的发展，但是对已经被日晒损坏的皮肤细胞没有修复作用，含有 DNA 修复酶(光解酶和核酸内切酶)和抗氧化剂的防晒霜可提供“主动光保护”[25,28-29]，局部抗氧化剂和 CPD 光解酶的组合可最大程度地降低 CPD 和自由基诱导的蛋白质损伤[30]。例如，Ateia®的一款防晒霜(Kwizda Pharma，维也纳，奥地利)将传统防晒霜与专利成分配方Nopasome®相结合，而Nopasome®是脂质体包裹的CPD光解酶(Photosome®)、T4核酸内切酶V(Ultrasome®)和胭脂仙人掌提取物的组合[25]。

南极海洋红球菌属(Rhodococcussp.NJ-530)适应南极洲的高强度紫外线辐射，光解酶在红球菌的生理适应机制中起着不可替代的作用。光解酶PHR由NJ-530的1 146 bp 光解酶同源区phr基因编码合成，rtPCR表明phr基因的转录水平在UVB辐射(90 μW·cm-2)的作用下高度上调，并在暴露20 min后增加到最大149.17 倍。纯化的PHR带有蓝光，在体外试验中对紫外线诱导的DNA 损伤具有明显的光修复活性[26]，未来有望被投入应用于光保护性产品的研发。

4.4 调节免疫异常及炎症反应

研究发现，伪枝藻素可以通过下调 NF-κB活性抑制LPS 诱导的小鼠巨噬细胞系中 TNF-α 和iNOS的表达，表明伪枝藻素可作为多功能护肤成分应用[20]。

角叉菜胶被称为免疫调节剂，可诱导环加氧酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)的表达和前列腺素-E2(prostaglandin-E2,PGE2)的释放，COX-2 表达是急性紫外线照射后角质形成细胞存活和增殖的重要因素[2]。

4.5 延缓胶原流失，促进生物合成，稳定皮肤屏障，稳定皮肤含水量

4.5.1 抑制 MMP的降解作用、延缓胶原流失 褐藻糖胶是最常见的从褐藻中分离出来的硫酸化多糖，目前多数研究报告表明，褐藻糖胶的光保护活性是通过抑制基质金属蛋白酶-1(MMP-1)活性来介导的，更准确地说，这些硫酸化多糖会下调 NF-κB的表达，进而减少 MMP-1 的表达[2]。低分子量褐藻糖胶对紫外线 B 照射小鼠的抗光老化作用，已在人皮肤成纤维细胞和小鼠模型中得到测定，而且似乎局部外用低分子量褐藻糖胶比高分子量具有更强的光保护活性[31]。

间苯三酚可以显著抑制UVB 诱导的 MMP-1上调以及丝裂原活化蛋白激酶和激活蛋白1与MMP-1启动子结合的磷酸化，当应用于 UVB 照射的小鼠皮肤时是安全有效的[2]。因此，间苯三酚可作为防晒乳液和霜剂配方。

4.5.2 促进生物合成和细胞增殖 来自Meristothecadakarensis和Janiarubens的藻类提取物肽 PYP1-5可以促进糖胺聚糖、Ⅰ型和Ⅲ型胶原蛋白合成[32]。此外，具有多重光防护功能的MAA还具有细胞增殖特性，对人角质形成细胞的伤口愈合过程有正面影响，甚至可以作为一种新的伤口愈合促进产品[33]。

4.5.3 稳定皮肤屏障 岩藻黄素可在紫外线诱导的晒伤中刺激丝聚蛋白启动子活性，聚丝蛋白是一种紫外线敏感基因，可反映皮肤损伤的状态，这说明岩藻黄素的其他保护机制可能通过诱导紫外线敏感基因表达促进皮肤屏障形成来发挥作用，从而预防由于屏障功能障碍加重的光老化[34]。

4.5.4 稳定皮肤含水量 转谷氨酰胺酶2有利于胶原蛋白Ⅶ内的蛋白质交联，TGM2减少会导致表真皮完整性的下降而导致水分流失，虾青素可以抑制TGM2，经此或许可以恢复类固醇硫酸酯酶(steroid sulfatase,STS)和水通道蛋白 3(aquaporin 3,AOP3)的生理水平，从而减少皮肤水分流失[35]。此外，虾青素还增加了两种天然保湿因子：焦谷氨酸(pyroglutamic acid,PCA)和尿刊酸(urocanic acid,UCA)的含量，有助于抵御皮肤干燥和皱纹形成，从而预防由于皮肤失水而加重的光老化[35]。

5 结语与展望

综上所述，人类可以从海洋生物中获得大量具有强大光防护、光修复性能的提取物，它们具有阻挡光线穿透、抗氧化、抗炎、损伤修复、延缓降解、促进合成以及稳定皮肤屏障等一系列重要作用，并且可应用于外用、口服、产品添加等多种场景，对未来在光老化的预防治疗、产品开发等领域的研究具有重大的价值和意义。此外，海洋生物提取物因具有“天然和健康”的特点，通常更容易被人们接受，能够促进消费者的积极响应，为进一步挖掘海洋宝藏的巨大潜能提供社会动力与助力。因此，具有光保护作用的海洋生物提取物将具有更广泛的应用前景。