皮膚老化機制及老化狀態評估方法的研究進展

曾 鳴 綜述，徐 良 審校

（北京一輕研究院北京101111）

·綜述·

皮膚老化機制及老化狀態評估方法的研究進展

Research progress on mechanisms and assessment methods of skin-aging

曾 鳴 綜述，徐 良 審校

（北京一輕研究院北京101111）

衰老是一種不可避免的生理變化過程。隨著人年齡的增長，人體內大分子和細胞的生化調節能力不斷降低，相關器官和組織功能逐漸衰退。就人體最大的器官皮膚而言，衰老意味著角質形成細胞、成纖維細胞數量減少與功能下降，彈性蛋白和膠原蛋白合成減少及萎縮，從而使皮膚變得缺乏彈性、松弛、粗糙，并伴有不規則色素沉著、干燥等現象。

隨著社會的發展，人類的平均壽命在不斷提升，這使得社會人口結構朝著老齡化趨勢發展。人們越來越關注皮膚老化問題，各大護膚品企業的產品線無一例外都覆蓋了延緩皮膚老化的產品。要想開發出高性能的原料和產品，就要求科研人員對皮膚老化機制有深刻的認識，并能夠采用客觀準確的方法來評估產品性能。因此，皮膚老化機制的探索和皮膚老化狀態評估方法的開發已成為相關科研機構及人員關注的熱點。本文就近年來皮膚老化機制及老化狀態評估方法的研究進展綜述如下。

1 皮膚老化機制

眾所周知，控制和影響皮膚老化的因素主要分為兩類：內源性因素和外源性因素。

1.1 內源性因素：包括遺傳基因、自由基、內分泌、免疫等諸多因素，其中遺傳基因起決定作用。由于遺傳基因的差別，導致了不同性別、不同種族人群皮膚老化的差別。男性和女性的皮膚在結構和性質上有所不同，男性皮膚的真皮層比女性的厚，表皮層與皮下組織則比女性的薄[1]。一項針對白人皮膚的全基因組基因表達分析研究表明男女皮膚的老化過程很可能有所不同[2]。種族對皮膚老化的差異化影響在膚色構成方面尤為明顯，深膚色人種的皮膚對紫外線輻射有更好的應對機制[3]。研究發現，以非裔美國人和白人的皮膚癌發病率做比對參考，非裔美國人皮膚對紫外線的防護能力遠遠強于白人皮膚[4]。即便種族相同，基因多態性也會導致同種族人群皮膚老化的差異性。Naval等[5]提取了120名白人女性志愿者唾液的脫氧核糖核酸樣本，統計了樣本中13種皮膚老化相關蛋白的單核苷酸多態性（single nucleotide polymorphism，SNP），并通過基因聚類分析將這13種蛋白SNP按比例不同界定出10個基因簇，對應10種不同的皮膚屬性，主要體現為抗氧化、水合、彈性等不同組合。這意味通過分析個體的基因多態性，便能為其提供較強針對性的延緩老化對策。此外，一些非編碼的微小核糖核酸（micro-ribonucleic acids，microRNAs）也被認為在調節皮膚細胞增殖衰老平衡中發揮著重要作用[6]。例如：miR-23a-3p是調節透明質酸合成酶-2的一種microRNA等[7]發現miR-23a-3p在衰老皮膚成纖維細胞中的表達比在正常細胞中的表達明顯要高，同時衰老細胞中透明質酸的分泌量明顯較低。

1.2 外源性因素：包括紫外線輻射、吸煙、空氣污染等，是導致人皮膚老化的另一重要因素。Ekiz等[8]研究了574名土耳其人面部皺紋與他們生活方式及生活環境的關系，發現長期日光曝曬、吸煙對皮膚有顯著的負面影響。Ichibori等[9]在日本開展了一項同卵雙生雙胞胎皮膚比對研究，通過問答方式及高清照片量化分析方法來評估67對雙胞胎的皮膚差異。分析結果表明，雙胞胎中使用防曬產品的一個，其皮膚皺紋評分顯著低于不使用防曬產品的另一個；雙胞胎中不吸煙的一個，其皮膚網狀精細結構的完整性顯著好于有吸煙史的另一個。

1.2.1 紫外線輻射：長期暴露于陽光下，人皮膚會發生一系列的性狀變化，如皮膚皺紋變粗、毛細血管擴張、不規則色素沉著、彈性纖維變性等。鄭瑞等[10]收集了30名不同年齡志愿者的正常皮膚標本，發現中老年組志愿者光暴露部位皮膚的真皮彈性纖維比青少年組明顯要粗、多，還伴有扭曲、無序化的特點。

導致皮膚發生上述老化現象的核心因素是紫外線。紫外線輻射會導致活性氧自由基的過度產生以及基質金屬蛋白酶的過度表達，引發氧化應激損傷、膠原降解等一系列反應，使皮膚日漸老化，不過引起這些反應的深層次機制仍不是十分清楚。Hiroaki等[11]發現，人角質形成細胞經中波紫外線（ultraviolet radiation b，UVB）照射后，細胞中Stratifin蛋白（14-3-3蛋白家族中的一種）的信使RNA（messenger RNA，mRNA）表達和蛋白合成水平有顯著提升。他們還發現，經0.5μg/ml的Stratifin處理后，與天然保濕因子和神經酰胺合成相關的兩種蛋白、人I型膠原蛋白（collagen-I，Col-I）以及透明質酸合成酶-2的mRNA表達有顯著降低，基質金屬蛋白酶-1（matrix metalloproteinase-1，MMP-1）和-2（MMP2）的mRNA表達則有顯著提升，意味著UVB照射可通過誘導Stratifin表達來影響一些皮膚老化相關蛋白的表達。Qin等[12]發現經UVB照射人皮膚成纖維細胞中的富含半胱氨酸蛋白61（cysteine rich 61，Cyr61）的mRNA表達和蛋白合成水平有顯著提高，試驗表明Cyr61能誘導白細胞介素的mRNA表達和蛋白合成水平提高，進而抑制Col-I的合成，并促進MMP-1的表達。胡孝輝等[13]發現UVB能降低人皮膚成纖維細胞中β-catenin基因及其下游基因c-myc的表達水平，使得β-catenin和c-myc對衰老相關基因P16的抑制作用降低，進而帶動P16表達提升及MMP1、MMP3表達提升。

1.2.2 吸煙：早期的流行病學研究結果與臨床報道表明，吸煙產生的煙霧是導致人皮膚早衰的獨立因素之一[14]。近些年，關于香煙煙霧導致人皮膚老化的研究，主要著眼于細胞與分子水平上的機制研究。Yang等[15]發現香煙煙霧的萃取液能抑制人皮膚成纖維細胞的增殖能力，且抑制呈劑量依賴性和時間依賴性。同時，萃取液還能抑制超氧化物歧化酶和谷胱甘肽過氧化物酶的活性，導致活性氧水平的提高，說明香煙煙霧導致的皮膚老化可能是由氧化應激損傷和抗氧化系統被抑制而引起的。Kim等[16]發現香煙煙霧的萃取液能誘導人皮膚成纖維細胞中的早期生長反應基因-1(early growth response-1，Egr-1)的過度表達，并證明Egr-1的過表達會進一步抑制轉化生長因子β受體2的表達，最終導致I型前膠原的表達與合成減少。Ono等[17]發現香煙煙霧的己烷萃取液能通激活人皮膚成纖維細胞芳香烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AhR）信號通路，并通過抑制AhR基因表達及添加AhR抑制劑的方法，證明了AhR信號通路的激活與MMP-1的表達增加有顯著的相關性。

1.2.3 空氣污染：目前，世界上許多城市或多或少都面臨著空氣污染問題，人們除了考慮空氣污染對呼吸系統的危害，也開始關注空氣污染是否會加速皮膚老化。等[18]研究了400名白人女性皮膚老化與空氣污染的關系。這些受試者大都為家庭主婦，長期定居于城市區域或農村區域，且相關地區的空氣條件多年基本不變。研究結果表明，與交通相關的煙塵和空氣顆粒物對皮膚老化有重要影響，主要體現在臉部的色素斑沉著與鼻子兩側的法令紋加深。空氣污染導致皮膚老化的機制與香煙煙霧作用機制類似，包括使皮膚中活性氧水平提升，以及通過污染顆粒物吸附的多環芳烴激活皮膚AhR信號通路[19]。此外，污染顆粒物還能通過攜帶一些有機化合物及金屬，直接定位并攻擊線粒體，導致線粒體損害和老化[20]。

2 皮膚老化狀態的評估方法

在了解皮膚老化機制的基礎上，客觀準確評估皮膚狀態與年齡的關系，是目前皮膚老化研究的另一個熱點。非侵入性的無創檢測方法是皮膚老化評估方法開發應用的主要方向，包括硅膠復模、共聚焦顯微鏡、漫反射紅外光譜、生物電阻抗頻譜等。

2.1 硅膠復模：硅膠復模法是評估皮膚表面紋理的主要方法之一，方法較為成熟，創新發展主要集中在定量評估。Ryu等[21]提出了一種定量評估皮膚紋理結構老化程度的方法。他們獲取了80名不同年齡韓國女性左臉頰皮膚的硅膠膜片，并用皮膚圖像分析儀對膜片進行了圖像采集。3名受訓研究人員采用6張具有代表性的、皮膚紋理顯著不同（皮膚越老，紋線越少越不清晰）的照片作為評分基準，分別對80名受試者的皮膚紋理圖像進行了評分。同時，他們還計算了受試者皮膚紋理圖像的星形結構（5條或以上皮膚紋線相交在同一點）數量，作為另一個考察參數。統計結果表明，皮膚紋理評分與受試者年齡有很高的正相關性，皮膚紋理的星形結構數量與受試者年齡有很高的負相關性。該評估方法通過主客觀手段結合，分析皮膚紋理的細微結構差異，具有較好的重現性。

2.2 共聚焦顯微鏡：共聚焦顯微鏡成像是一種可獲得皮膚不同層面成像的三維技術，能觀測角質層及真皮淺層。Longo等[22]提出了一種共聚焦顯微鏡成像半定量評估皮膚老化的方法。他們征集了50名年齡分布在24～88歲的志愿者，并按年齡段由小到大分為5個組別。他們首先確定了用于綜合定量評分的比對依據，即具有代表性的、結構明顯不同的表皮紋理、細胞排列及膠原纖維共聚焦成像。通過將各組別受試者臉頰成像的評分與年齡進行關聯，他們發現，隨著受試者年齡組的增大，皮膚皺紋由斜方形結構向直線排列變化，角質形成細胞由規整多邊形排列向不規則排列變化，膠原纖維結構由纖細網狀結構向卷曲無定形狀態變化。該方法能提供類似組織病理學檢查的高分辨率成像，結果評分與年齡有較好的關聯性，但方法操作復雜。

2.3 近紅外漫反射光譜：光老化和生理性老化導致皮膚老化的特征有所不同，要想區分這兩種老化類型并不容易。Miyamae等[23]提出用近紅外漫反射光譜結合主成分分析的方法來區分和評估皮膚的兩種老化類型。他們采集了86名不同年齡志愿者前臂外側和上臂內側的近紅外漫反射光譜數據，并進行數據處理和主成分分析，發現5990-5490cm-1和5000-4480cm-1對應的受試者數據，在主成分分析圖中明顯落于2個不同的區域（前臂外側數據區、上臂內側數據區），因子分析表明4880cm-1的數據（包含蛋白質酰胺基伸縮與肽骨架二級結構信息）可用于區分光老化和非光老化；其次，受試者數據按年齡段區分的話，則明顯落于5個不同的區域，因子分析表明5930、5860、5790、5670cm-1的數據能用來區分皮膚年齡段差異，其中5930cm-1的數據與蛋白質含量相關。相比于前兩種方法，該方法結果不夠直觀，但包含了皮膚蛋白質結構及含量的信息，測試過程相對簡便快捷。

2.4 生物電阻抗頻譜：皮膚老化除了會使內部蛋白質結構及含量發生變化，還會使皮膚的電學性質發生變化等[24]提出一種生物電阻抗頻譜和Cole-Cole阻抗模型相結合的方法，用于分析皮膚電學性質與受試者性別、年齡的關系。他們征集了60名不同年齡志愿者（30名男性，30名女性），通過對受試者右前臂內側生物阻抗頻譜（在0.1Hz到100kHz范圍選取20個頻率點）的測量，計算出Cole-Cole阻抗模型的四個參數：低頻電阻R0、高頻電阻R∞、散射系數、松弛時間。研究結果證明，R0、R∞、隨著受試者年齡的增大而增大，女性的R0、要小于男性，女性的則大于男性，意味著皮膚電學性質也能作為一種老化標志物。該方法也是一種簡便快捷的方法，但各參數與皮膚結構或性質的深層次關系尚不清楚。

3 小結

探究皮膚老化機制，尤其外源性老化機制，對研制具有延緩皮膚老化效果的護膚原料和產品有直接的指導意義。目前皮膚外源性老化機制的相關研究較多，涉及紫外線、吸煙、空氣污染等多種因素研究，而且不同因素的作用機制也多種多樣。如何從眾多研究成果中，選擇合適的生化體系開發出能實際應用的抗衰老功效評價體系，建立客觀便捷的皮膚老化評估方法，值得重點關注。

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編輯/李陽利

2014-11-20

2014-12-25