防曬劑的研究進展

周宏飛， 黃 炯， 壽 露， 孫梅好

(浙江師范大學 化學與生命科學學院,浙江 金華 321004)

防曬劑的研究進展

周宏飛， 黃 炯， 壽 露， 孫梅好

(浙江師范大學 化學與生命科學學院,浙江 金華 321004)

概述了紫外線的種類及其對人體的影響；綜述了防曬劑的分類和作用機理，介紹了防曬劑的評價指標和方法，并分析了防曬劑的發展趨勢；提出了通過合理修飾改造蛋白質分子，研制安全、高效的新型防曬劑的設想.

防曬劑；紫外線；評價指標；蛋白質

紫外線輻射(ultraviolet radiation，UVR)可使維生素原D3形成前維生素原D3，經自發轉變產生維生素D3,并進一步地羥基化形成活性維生素D，是人體內維生素D的主要來源[1- 2].然而，人體長時間暴露在紫外線輻射下且未采取有效的防護措施，將會對皮膚造成不同程度的傷害.紫外線輻射會導致健康生命年的顯著損失，全球約150萬傷殘調整生命年(disability- adjusted life years，DALYs)是由其造成的，并且每年超過60 000人死于與紫外線輻射有關的黑素瘤及其他皮膚癌[3].在過去的幾十年里，全球氣候變化使紫外線輻射增加，這可能是黑素瘤及皮膚癌患病率增加的一個重要因素.

為了避免被太陽中紫外線曬黑和曬傷皮膚，人們常在皮膚上涂防曬霜，打遮陽傘或穿有防紫外線功能的紡織衣物[4]等.20世紀30年代中期，Franz Greiter和Eugene Schueller把第一款簡單的防曬霜引入市場[5].隨著人們需求的增長，高效、廣譜的防曬霜得到了開發.同時，防曬霜的效果也得到了認可.文獻[6]對暴露在陽光下和使用防曬霜的澳大利亞居民進行分析后發現，居民普遍使用防曬霜后可使皮膚癌發病率降低10%～15%.

防曬劑是防曬霜中的主要作用成分，目前多種類型的防曬劑已應用于化妝品、護發用品、織物處理[7]及洗滌劑等產品中.但在防曬劑得到發展的同時，也存在許多值得注意的問題，如郭艷春等[8]和張衛強等[9]在分析防曬劑的應用情況時，得出化妝品中使用防曬劑種類繁多但防曬劑的標簽標示與檢出結果不符的情況很顯著的結論.理想的防曬劑需滿足安全、高效和使用方便等特點，科學家們一直在進行新型防曬劑的研發.本文主要就紫外線對人體的損傷和防曬劑的作用機理及評價指標等方面進行了綜述，并探討了合理修飾改造蛋白質而研制防曬劑的可能性.

1 紫外線概述

1.1 紫外線

太陽光輻射包括紫外線、可見光和紅外線.其中，紫外線是太陽光中波長較短的一種，波長范圍為200～400 nm，根據波長的不同可分為長波紫外線(ultraviolet A，UVA)、中波紫外線(ultraviolet B，UVB)和短波紫外線(ultraviolet C，UVC)3個區段(見表1)，其中到達地面的成分為95%左右的UVA和5%左右的UVB，而UVC基本上被臭氧層吸收而無法到達地面[10- 11].

表1 紫外線的分類及特點

1.2 紫外線照射引起的皮膚損傷及損傷機制

適量紫外線照射的益處包括促進維生素D的合成、抑制抑郁類疾病的發生等.此外，紫外線輻射也可以用于治療一些皮膚疾病，如牛皮癬和濕疹[12- 13].但個體長時間暴露于陽光而又未采取任何保護措施時，陽光中的紫外線會對皮膚產生不同程度的傷害.紫外線照射皮膚的過程中會產生自由基及氧化副產物，對皮膚細胞的DNA、脂質及蛋白質造成破壞，進而導致炎癥和免疫及信號通路的變化，促進細胞衰老、癌變[14]，其中包括對皮膚、眼睛及頭發的傷害.

1.2.1 紅斑作用

紅斑是皮膚經紫外線照射后毛細血管擴張的結果，通常被認為是紫外線對皮膚產生危害的一個標志，主要由UVB所致.最小紅斑劑量(minimal erythema dose，MED)是描述皮膚對紫外線敏感程度最通用的方法[15- 16].關于損傷機制，Guzman等[17]認為，紫外線誘導表皮形成紅斑是角質層細胞凋亡的過程，與DNA損傷有關.

1.2.2 皮膚色素沉著

皮膚色素沉著主要由UVA引起，按其發生機制和方式可分為即刻色素沉著(immediate pigment darking，IPD)和遲發性色素沉著(delayedtanning，DT)[18].紫外線輻射影響皮膚色素沉著的途徑多樣.文獻[19]研究表明，紫外線輻射可誘導蛋白酶活受體- 2的高表達，并可促進其在角質形成細胞膜上的移位和激活，加強角質形成細胞對黑素小體的吞噬作用，促進黑素轉運.此外，紫外線輻射會導致皮膚中活性氧的增加，進而促進黑素的合成、運轉和細胞凋亡[20].

1.2.3 皮膚腫瘤

太陽輻射造成皮膚腫瘤是一個非常復雜的生物學過程，不同腫瘤甚至是同一種腫瘤在不同個體中誘變的機理都有所差別.但對于紫外線輻射而言，其可直接或間接地造成細胞DNA損傷[21- 23]，也可通過產生氧自由基間接地損害細胞大分子[24]，從而導致皮膚細胞的誘變.此外，紫外線通過免疫調節反應使皮膚腫瘤逃過機體的免疫監視，在某種程度上促進了腫瘤的形成.在紫外線輻射中，UVB是誘導皮膚癌的重要成分[25]，可通過改變DNA結構來激活癌基因.最近的研究表明，UVA可通過助氧化作用或其他機制(如端粒縮短)而致癌[26- 29].

2009年國際癌癥研究機構確認，有充分證據表明太陽輻射會誘發皮膚惡性黑色素瘤(cutaneous melanoma，CM)、鱗狀細胞癌(squamous cell carcinoma，SCC)及皮膚基底細胞癌(basal cell carcinoma，BCC)[30].經流行病學分析，大部分鱗狀細胞癌及皮膚基底細胞癌在臉部、頸部及手部發生[31].這些部位的皮膚都易暴露在太陽下，這為長時間的紫外線照射影響鱗狀細胞癌及皮膚基底細胞癌的形成提供了證據.與鱗狀細胞癌等形成部位不同，皮膚惡性黑色素瘤更容易發生在間歇暴露在太陽光下的皮膚，如后背及大腿內部[32].此外，皮膚惡性黑色素瘤的形成過程受多種因素的影響，例如年齡、家族史和痣等[33].Bernd[34]對這三種皮膚癌的引發機制有詳細的概述.

1.2.4 皮膚光老化

皮膚光老化作用機制多樣.一方面，UVA會加快膠原纖維的退化，同時會抑制膠原蛋白與透明質酸的形成，進而導致皮膚深度褶皺而產生皺紋[35].另一方面，紫外線會導致培養的成纖維細胞中的抗氧化物酶活性降低[36]，因此細胞中活性氧簇(ROS)會增多.基因調控的改變及活性氧簇的增多會進一步導致皮膚光老化[37].

2 防曬劑

2.1 防曬劑的分類及防曬機理

目前，市場上的防曬產品主要分為以紫外線吸收劑為主的有機防曬產品、以紫外線屏蔽劑為主的無機防曬產品.此外，近幾年以植物防曬劑與生物工程防曬劑為主的生物防曬產品也得到了發展和推廣.

2.1.1 紫外線吸收劑

紫外線吸收劑一般是有機分子，具有芳香族結構或色團結構，芳香環的轉變對于防曬劑紫外光譜性質非常重要.色團分子量越大，會導致吸收劑的吸收強度和最大吸收峰波長越大，因此UVB吸收劑的分子量一般比UVA及廣譜吸收劑的分子量小[34].吸收劑作用的主要機理為：利用一個閉合的共軛體系，依靠π- π*躍遷吸收光子，當2個π分子軌道足夠接近時會產生2個離域的分子軌道，一個能量高、一個能量低.一般而言，吸收劑具有光穩定性，吸收光子后的能量能夠通過分子共振產生共振量子(主要)或通過熒光、磷光釋放，通過分子的可逆異構化使吸收劑從激發態轉變為穩態.

我國2007年《化妝品衛生規范》中規定，化妝品中限用的化學防曬劑分為8類：樟腦類、桂皮酸鹽類、水楊酸類、苯甲酸鹽類、酮類、三嗪類、苯唑類及烷類(見表2和圖1).

化學吸收劑具有紫外線吸收譜廣、吸收強度大的優點，使其防曬效果顯著.然而，在光照的作用下，化學吸收劑會發生分解反應，產生對人體有害的自由基或中間產物，長期使用會對皮膚甚至人體造成損傷[52].對此，文獻[53]通過羥丙基-β- 環糊精包合對甲氧基肉桂酸辛酯等有機防曬劑，提高了防曬劑的光穩定性.

表2 紫外線吸收劑的分類及特點

圖1 常見紫外吸收劑的化學結構[5]

2.1.2 紫外線屏蔽劑

能夠提供固體物理屏障反射、折射紫外線，從而保護皮膚不受日光灼傷的這類物質統稱為紫外線屏蔽劑，如高嶺土、氧化鋅、滑石粉、氧化鈦及新型有機粉體等.其主要作用原理是形成一層均勻的保護層，通過該保護層對紫外線反射、折射和散射，屏蔽掉部分紫外線對皮膚的傷害.曹智等[54]在無機防曬劑綜述中對此有詳細的介紹.

作為高效、安全和多用途的無機防曬劑，只有二氧化鈦(TiO2)和氧化鋅(ZnO)被認可[55].TiO2和ZnO在陽光中穩定，但暴露于紫外線后會產生自由基而降解產品中的其他成分，因此，常在其表面加入無機物(如氧化硅)和有機物(如硅烷)以減少光氧化行為[55].

雖然這類防曬劑的安全性和穩定性受到大家的公認，但存在用量大、在臉上可能留有白色殘余物、過多使用易堵塞毛孔和造成皮膚新疾病等缺點.隨著納米防曬劑的發展，這些問題得到改善，并且防曬性能得到提高.這些不溶性顆粒必須非常小，典型直徑為100 nm左右.與此同時，人們對納米粒子是否會因為長期使用并且太小而滲透皮膚進入血液導致毒性提出了不同的觀點.Jansen等[56]報道了以動物和人皮膚及受損的皮膚角質層為樣本的大量研究，表明納米顆粒被限制在角質層中.但在這之前，也有許多文章報道了試驗者使用一段時間納米防曬劑后，在血液中和尿液中檢測出了納米粒子[57].這些納米粒子的毒性主要表現在逃過人體免疫系統與蛋白質結合，以及在體外經紫外線照射后會產生羥自由基等，進而損傷細胞[58- 59].

2.1.3 生物工程類防曬劑

生物工程類防曬劑(如表皮生長因子、超氧化物岐化酶及植物提取物等)是利用生物工程技術研制出的防曬產品，其防曬效果主要是通過調節皮膚免疫功能，增加細胞活性，抵御及修復輻射損傷，進而加強化學防曬劑的防曬效果，發揮輔助協同的作用.

由于無機和有機防曬霜在使用過程中多數會產生自由基或滲入皮膚，因此常在配方中加入多種抗氧化物質，這些物質通常是植物提取物，例如類胡蘿卜素及黃酮類[60].黃酮類是在此方面研究最多的一類化合物，其中蕓香苷和槲皮黃酮在防曬霜中運用較多.當該類物質加入到無機或有機防曬霜配方中時，能夠提高防曬霜的防曬指數[61].文獻[62]運用油包水的納米乳技術，利用植物提取的表面活性劑，并在有機防曬霜配方中加入殼聚糖，提高了防曬霜的光穩定性及在皮膚表面的停留能力.植物提取物及油脂能夠捕捉光反應產生的活性氧簇并提高光穩定性，而殼聚糖是一類聚合電解質，帶有的正電荷與皮膚上的負電荷相互作用進而提高了防曬霜在皮膚上的停留能力.文獻[63]從長期受陽光中紫外線照射的安第斯山脈地區采集植物，從中提取了抗氧化復合物，并且分析了菊科提取物的光保護及抗氧化能力.

此外，劉文等[64]通過基因工程，從大豆中提取核苷酸粉末作為防曬劑加入到防曬霜配方中，并探討了乳化溫度、攪拌速度等條件對產品性能的影響，得出了所得綠色生物防曬霜符合國家所規定的各項指標的結論.陳玲林等[65]利用紫外線照射后的酵母培養液進行菌體酶解得到酵母細胞衍生物，將此作為防曬霜添加劑，可以提高防曬因子，防曬效果顯著增加.

2.2 防曬劑的評價指標和方法

為了獲得關于防曬劑的安全性和防曬效果最直觀的結果，必須用一定的指標和方法對其進行評價.文獻[66]評估了防曬霜的現狀后，總結了4個部分：1)理想的防曬劑對紫外線的吸收范圍應是UVB和UVA(275～400 nm)；2)目前評價指標不完善，雖然有防曬指數(SPF)度量防曬保護，但并不足夠；3)在防曬指數中，UVA防護評價也應該作為主要內容測定，并提出UVA- PF/SPF≥1/3的概念；4)任何良好的防曬劑都應該是合規的.文獻[34]對此總結了8點.

2.2.1 UVB防護評價

防曬劑所能提供的保護常用防曬指數(sun protection factor，SPF)表示，是UVB防護的主要評價指標，其計算方式[67]為

其中，MED(minimalerythemadose)是引起皮膚紅斑使其范圍達到照射點(最小)所需的紫外線照射最低劑量(J/m2)或最短時間(s).據美國食品和藥物管理局(FDA)[68]和國際標準組織[69]介紹，當測試SPF時，所加防曬用品的劑量應為2mg/cm2.但研究表明，實際涂用防曬劑的量約為0.39～1.02mg/cm2，因而SPF不能反應實際的防護作用[67].此外，在研究和生活中需注意,涂抹樣品的方式也會影響SPF值的大小，粗略地涂抹樣品會比平緩均勻地涂抹樣品測定的SPF小20%左右[70].不同國家之間防曬產品的SPF差異較大，但全球50%～60%防曬產品的SPF值在30～50之間.

2.2.2UVA防護評價

評價UVA防護功能的指標主要有UVA防護指數(PFA)、即刻曬斑反應(IPD)和持久曬斑反應(PPD)3種[71].IPD是指暴露于陽光下15～30min后皮膚呈現色素沉著曬斑或使皮膚變黑的最小UVA劑量.這種反應是因為黑素小體中已存在的非氧化型黑素轉變為氧化型黑素導致的，經數小時可消退.PPD和PFA均與遲發性反應有關.皮膚曬黑和遲發性紅斑反應兩者的紫外線光譜是一致的.PPD是穩定的皮膚曬斑反應，其數值線性依賴于UVA穿透肌膚的總劑量，且評估效果相對穩定，但不依賴于UVA的來源.PPD對整個UVA波段都很敏感，因此，其閾劑量可作為一個內源性UVA的測量器來鑒定防曬霜在UVA波段的效能[72].這兩種方式的防護指數是指在一定條件下，與未做保護的皮膚相比，應用防曬產品后不受損傷的最小劑量.

2.2.3 其他防護評價

鑒于防曬化妝品,特別是高SPF值產品,通常在夏日戶外運動中使用，因此季節和使用環境的特點要求防曬產品具有抗水抗汗的性能.我國2007年《化妝品衛生規范》中規定了對防曬產品進行防水性能測定,其指標為:若洗浴前后測定的SPF數值減少超過50%，則該產品不得標識具有防水功能.

此外，耐光性或防曬產品的光穩定性與人體安全最為密切.因此，防曬劑的光穩定性也是評價防曬劑的重要指標之一.文獻[73]對耐光/光不穩性進行了定義，并且客觀地評價了人體接觸防曬劑光降解產物后引起的急性和慢性毒性.

3 結 語

在防曬劑和紫外線輻射防護體系的基礎研究中，國外研究的遠比國內深入.這極有可能是地理位置引起的，中國大部分地區處于亞熱帶及溫帶，因此太陽中的紫外線輻射強度遠低于一些國家，如加拿大等.鑒于紫外線對皮膚的損傷作用，以及人們對紫外線防護意識的逐漸增強，國內對防曬劑的使用不斷增加，人們尋求更加安全、高效的防曬劑，新型防曬劑的研發也成為許多科研工作者的重要研究課題.防曬劑的研究發展將集中在：提高物理防曬劑粉體的適配性和增強其UVA屏蔽效果；研制高效、全譜的化學高分子紫外線吸收劑；新型天然防曬劑的開發利用等[74].生物來源的防曬劑(如植物和生物工程類防曬劑)因其安全性好，具有防紫外線和清除氧自由基的功效及修復皮膚、延緩老化的作用，而成為防曬劑的研究熱點之一.分析陳玲林等[65]的研究結果，酵母細胞在受到紫外線照射后會作出應激反應，其衍生物中蛋白質含量會顯著增加.因此，蛋白質在細胞抵抗紫外線中起著主要作用.

蛋白質分子中含有3種芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，可吸收一定量的紫外線，其最大吸收峰波長分別為257，274和280nm，并釋放一定的熒光(見圖2).其中：色氨酸的最大吸收峰波長為280nm，最大發射峰波長為360nm；而苯丙氨酸在257nm波長處存在最大吸收峰，釋放出波長為282nm的熒光，此熒光剛好被色氨酸吸收，然后釋放出330～350nm波長的熒光.所以，一般蛋白質分子具有一定的吸收UVB的能力.

綜上所述，色氨酸所吸收的波長較長，可吸收苯丙氨酸等釋放的熒光，且自身釋放的熒光(屬于UVA)可再次被其他化合物(例如香豆素類)吸收，即：利用高色氨酸含量的蛋白質進行適當的UVA吸收劑修飾，理論上可吸收UVA和UVB，制成可吸收280～400nm波長紫外線的防曬劑.因此，研究蛋白類防曬劑無論是在提高防曬劑的安全性還是作為廣譜紫外線吸收類防曬劑，都有重要的理論和應用價值.

圖2 芳香族氨基酸的吸收及發射光譜

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(責任編輯 薛 榮)

Research progress on sunscreen agents

ZHOU Hongfei, HUANG Jiong, SHOU Lu, SUN Meihao

(CollegeofChemistryandLifeSciences,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

Solar ultraviolet (UV) radiation had positive and negative effects on the human body. It was essential for biosynthesis of vitamin D in vivo, but revulsive to skin tanning, sunburn and even skin diseases. Sunscreen agents were the major functional components to protect skin. With increasing concerns on UV protection, sunscreen agents had been the focus of researchers and consumers. The UV′s harmful effects on skin, classification of sunscreen agents, mechanisms to block UV from skin, evaluation methods and development trend of sunscreens were reviewed. Approach of developing new sunscreen agents by rational modifications with protein molecule was also proposed.

sunscreen agent; ultraviolet; sunscreen evaluation; protein

10.16218/j.issn.1001- 5051.2017.02.014

2016- 08- 17；

2016- 11- 23

浙江省大學生科技創新活動計劃項目(2015R404008)

周宏飛(1993-)，男，浙江東陽人，碩士研究生.研究方向：蛋白質結構與功能.

孫梅好.E- mail: mhsun@zjnu.cn

Q514；R758.14

A

1001- 5051(2017)02- 0206- 08