防晒剂的研究进展

周宏飞， 黄 炯， 寿 露， 孙梅好

(浙江师范大学 化学与生命科学学院,浙江 金华 321004)

防晒剂的研究进展

周宏飞， 黄 炯， 寿 露， 孙梅好

(浙江师范大学 化学与生命科学学院,浙江 金华 321004)

概述了紫外线的种类及其对人体的影响；综述了防晒剂的分类和作用机理，介绍了防晒剂的评价指标和方法，并分析了防晒剂的发展趋势；提出了通过合理修饰改造蛋白质分子，研制安全、高效的新型防晒剂的设想.

防晒剂；紫外线；评价指标；蛋白质

紫外线辐射(ultraviolet radiation，UVR)可使维生素原D3形成前维生素原D3，经自发转变产生维生素D3,并进一步地羟基化形成活性维生素D，是人体内维生素D的主要来源[1- 2].然而，人体长时间暴露在紫外线辐射下且未采取有效的防护措施，将会对皮肤造成不同程度的伤害.紫外线辐射会导致健康生命年的显著损失，全球约150万伤残调整生命年(disability- adjusted life years，DALYs)是由其造成的，并且每年超过60 000人死于与紫外线辐射有关的黑素瘤及其他皮肤癌[3].在过去的几十年里，全球气候变化使紫外线辐射增加，这可能是黑素瘤及皮肤癌患病率增加的一个重要因素.

为了避免被太阳中紫外线晒黑和晒伤皮肤，人们常在皮肤上涂防晒霜，打遮阳伞或穿有防紫外线功能的纺织衣物[4]等.20世纪30年代中期，Franz Greiter和Eugene Schueller把第一款简单的防晒霜引入市场[5].随着人们需求的增长，高效、广谱的防晒霜得到了开发.同时，防晒霜的效果也得到了认可.文献[6]对暴露在阳光下和使用防晒霜的澳大利亚居民进行分析后发现，居民普遍使用防晒霜后可使皮肤癌发病率降低10%～15%.

防晒剂是防晒霜中的主要作用成分，目前多种类型的防晒剂已应用于化妆品、护发用品、织物处理[7]及洗涤剂等产品中.但在防晒剂得到发展的同时，也存在许多值得注意的问题，如郭艳春等[8]和张卫强等[9]在分析防晒剂的应用情况时，得出化妆品中使用防晒剂种类繁多但防晒剂的标签标示与检出结果不符的情况很显著的结论.理想的防晒剂需满足安全、高效和使用方便等特点，科学家们一直在进行新型防晒剂的研发.本文主要就紫外线对人体的损伤和防晒剂的作用机理及评价指标等方面进行了综述，并探讨了合理修饰改造蛋白质而研制防晒剂的可能性.

1 紫外线概述

1.1 紫外线

太阳光辐射包括紫外线、可见光和红外线.其中，紫外线是太阳光中波长较短的一种，波长范围为200～400 nm，根据波长的不同可分为长波紫外线(ultraviolet A，UVA)、中波紫外线(ultraviolet B，UVB)和短波紫外线(ultraviolet C，UVC)3个区段(见表1)，其中到达地面的成分为95%左右的UVA和5%左右的UVB，而UVC基本上被臭氧层吸收而无法到达地面[10- 11].

表1 紫外线的分类及特点

1.2 紫外线照射引起的皮肤损伤及损伤机制

适量紫外线照射的益处包括促进维生素D的合成、抑制抑郁类疾病的发生等.此外，紫外线辐射也可以用于治疗一些皮肤疾病，如牛皮癣和湿疹[12- 13].但个体长时间暴露于阳光而又未采取任何保护措施时，阳光中的紫外线会对皮肤产生不同程度的伤害.紫外线照射皮肤的过程中会产生自由基及氧化副产物，对皮肤细胞的DNA、脂质及蛋白质造成破坏，进而导致炎症和免疫及信号通路的变化，促进细胞衰老、癌变[14]，其中包括对皮肤、眼睛及头发的伤害.

1.2.1 红斑作用

红斑是皮肤经紫外线照射后毛细血管扩张的结果，通常被认为是紫外线对皮肤产生危害的一个标志，主要由UVB所致.最小红斑剂量(minimal erythema dose，MED)是描述皮肤对紫外线敏感程度最通用的方法[15- 16].关于损伤机制，Guzman等[17]认为，紫外线诱导表皮形成红斑是角质层细胞凋亡的过程，与DNA损伤有关.

1.2.2 皮肤色素沉着

皮肤色素沉着主要由UVA引起，按其发生机制和方式可分为即刻色素沉着(immediate pigment darking，IPD)和迟发性色素沉着(delayedtanning，DT)[18].紫外线辐射影响皮肤色素沉着的途径多样.文献[19]研究表明，紫外线辐射可诱导蛋白酶活受体- 2的高表达，并可促进其在角质形成细胞膜上的移位和激活，加强角质形成细胞对黑素小体的吞噬作用，促进黑素转运.此外，紫外线辐射会导致皮肤中活性氧的增加，进而促进黑素的合成、运转和细胞凋亡[20].

1.2.3 皮肤肿瘤

太阳辐射造成皮肤肿瘤是一个非常复杂的生物学过程，不同肿瘤甚至是同一种肿瘤在不同个体中诱变的机理都有所差别.但对于紫外线辐射而言，其可直接或间接地造成细胞DNA损伤[21- 23]，也可通过产生氧自由基间接地损害细胞大分子[24]，从而导致皮肤细胞的诱变.此外，紫外线通过免疫调节反应使皮肤肿瘤逃过机体的免疫监视，在某种程度上促进了肿瘤的形成.在紫外线辐射中，UVB是诱导皮肤癌的重要成分[25]，可通过改变DNA结构来激活癌基因.最近的研究表明，UVA可通过助氧化作用或其他机制(如端粒缩短)而致癌[26- 29].

2009年国际癌症研究机构确认，有充分证据表明太阳辐射会诱发皮肤恶性黑色素瘤(cutaneous melanoma，CM)、鳞状细胞癌(squamous cell carcinoma，SCC)及皮肤基底细胞癌(basal cell carcinoma，BCC)[30].经流行病学分析，大部分鳞状细胞癌及皮肤基底细胞癌在脸部、颈部及手部发生[31].这些部位的皮肤都易暴露在太阳下，这为长时间的紫外线照射影响鳞状细胞癌及皮肤基底细胞癌的形成提供了证据.与鳞状细胞癌等形成部位不同，皮肤恶性黑色素瘤更容易发生在间歇暴露在太阳光下的皮肤，如后背及大腿内部[32].此外，皮肤恶性黑色素瘤的形成过程受多种因素的影响，例如年龄、家族史和痣等[33].Bernd[34]对这三种皮肤癌的引发机制有详细的概述.

1.2.4 皮肤光老化

皮肤光老化作用机制多样.一方面，UVA会加快胶原纤维的退化，同时会抑制胶原蛋白与透明质酸的形成，进而导致皮肤深度褶皱而产生皱纹[35].另一方面，紫外线会导致培养的成纤维细胞中的抗氧化物酶活性降低[36]，因此细胞中活性氧簇(ROS)会增多.基因调控的改变及活性氧簇的增多会进一步导致皮肤光老化[37].

2 防晒剂

2.1 防晒剂的分类及防晒机理

目前，市场上的防晒产品主要分为以紫外线吸收剂为主的有机防晒产品、以紫外线屏蔽剂为主的无机防晒产品.此外，近几年以植物防晒剂与生物工程防晒剂为主的生物防晒产品也得到了发展和推广.

2.1.1 紫外线吸收剂

紫外线吸收剂一般是有机分子，具有芳香族结构或色团结构，芳香环的转变对于防晒剂紫外光谱性质非常重要.色团分子量越大，会导致吸收剂的吸收强度和最大吸收峰波长越大，因此UVB吸收剂的分子量一般比UVA及广谱吸收剂的分子量小[34].吸收剂作用的主要机理为：利用一个闭合的共轭体系，依靠π- π*跃迁吸收光子，当2个π分子轨道足够接近时会产生2个离域的分子轨道，一个能量高、一个能量低.一般而言，吸收剂具有光稳定性，吸收光子后的能量能够通过分子共振产生共振量子(主要)或通过荧光、磷光释放，通过分子的可逆异构化使吸收剂从激发态转变为稳态.

我国2007年《化妆品卫生规范》中规定，化妆品中限用的化学防晒剂分为8类：樟脑类、桂皮酸盐类、水杨酸类、苯甲酸盐类、酮类、三嗪类、苯唑类及烷类(见表2和图1).

化学吸收剂具有紫外线吸收谱广、吸收强度大的优点，使其防晒效果显著.然而，在光照的作用下，化学吸收剂会发生分解反应，产生对人体有害的自由基或中间产物，长期使用会对皮肤甚至人体造成损伤[52].对此，文献[53]通过羟丙基-β- 环糊精包合对甲氧基肉桂酸辛酯等有机防晒剂，提高了防晒剂的光稳定性.

表2 紫外线吸收剂的分类及特点

图1 常见紫外吸收剂的化学结构[5]

2.1.2 紫外线屏蔽剂

能够提供固体物理屏障反射、折射紫外线，从而保护皮肤不受日光灼伤的这类物质统称为紫外线屏蔽剂，如高岭土、氧化锌、滑石粉、氧化钛及新型有机粉体等.其主要作用原理是形成一层均匀的保护层，通过该保护层对紫外线反射、折射和散射，屏蔽掉部分紫外线对皮肤的伤害.曹智等[54]在无机防晒剂综述中对此有详细的介绍.

作为高效、安全和多用途的无机防晒剂，只有二氧化钛(TiO2)和氧化锌(ZnO)被认可[55].TiO2和ZnO在阳光中稳定，但暴露于紫外线后会产生自由基而降解产品中的其他成分，因此，常在其表面加入无机物(如氧化硅)和有机物(如硅烷)以减少光氧化行为[55].

虽然这类防晒剂的安全性和稳定性受到大家的公认，但存在用量大、在脸上可能留有白色残余物、过多使用易堵塞毛孔和造成皮肤新疾病等缺点.随着纳米防晒剂的发展，这些问题得到改善，并且防晒性能得到提高.这些不溶性颗粒必须非常小，典型直径为100 nm左右.与此同时，人们对纳米粒子是否会因为长期使用并且太小而渗透皮肤进入血液导致毒性提出了不同的观点.Jansen等[56]报道了以动物和人皮肤及受损的皮肤角质层为样本的大量研究，表明纳米颗粒被限制在角质层中.但在这之前，也有许多文章报道了试验者使用一段时间纳米防晒剂后，在血液中和尿液中检测出了纳米粒子[57].这些纳米粒子的毒性主要表现在逃过人体免疫系统与蛋白质结合，以及在体外经紫外线照射后会产生羟自由基等，进而损伤细胞[58- 59].

2.1.3 生物工程类防晒剂

生物工程类防晒剂(如表皮生长因子、超氧化物岐化酶及植物提取物等)是利用生物工程技术研制出的防晒产品，其防晒效果主要是通过调节皮肤免疫功能，增加细胞活性，抵御及修复辐射损伤，进而加强化学防晒剂的防晒效果，发挥辅助协同的作用.

由于无机和有机防晒霜在使用过程中多数会产生自由基或渗入皮肤，因此常在配方中加入多种抗氧化物质，这些物质通常是植物提取物，例如类胡萝卜素及黄酮类[60].黄酮类是在此方面研究最多的一类化合物，其中芸香苷和槲皮黄酮在防晒霜中运用较多.当该类物质加入到无机或有机防晒霜配方中时，能够提高防晒霜的防晒指数[61].文献[62]运用油包水的纳米乳技术，利用植物提取的表面活性剂，并在有机防晒霜配方中加入壳聚糖，提高了防晒霜的光稳定性及在皮肤表面的停留能力.植物提取物及油脂能够捕捉光反应产生的活性氧簇并提高光稳定性，而壳聚糖是一类聚合电解质，带有的正电荷与皮肤上的负电荷相互作用进而提高了防晒霜在皮肤上的停留能力.文献[63]从长期受阳光中紫外线照射的安第斯山脉地区采集植物，从中提取了抗氧化复合物，并且分析了菊科提取物的光保护及抗氧化能力.

此外，刘文等[64]通过基因工程，从大豆中提取核苷酸粉末作为防晒剂加入到防晒霜配方中，并探讨了乳化温度、搅拌速度等条件对产品性能的影响，得出了所得绿色生物防晒霜符合国家所规定的各项指标的结论.陈玲林等[65]利用紫外线照射后的酵母培养液进行菌体酶解得到酵母细胞衍生物，将此作为防晒霜添加剂，可以提高防晒因子，防晒效果显著增加.

2.2 防晒剂的评价指标和方法

为了获得关于防晒剂的安全性和防晒效果最直观的结果，必须用一定的指标和方法对其进行评价.文献[66]评估了防晒霜的现状后，总结了4个部分：1)理想的防晒剂对紫外线的吸收范围应是UVB和UVA(275～400 nm)；2)目前评价指标不完善，虽然有防晒指数(SPF)度量防晒保护，但并不足够；3)在防晒指数中，UVA防护评价也应该作为主要内容测定，并提出UVA- PF/SPF≥1/3的概念；4)任何良好的防晒剂都应该是合规的.文献[34]对此总结了8点.

2.2.1 UVB防护评价

防晒剂所能提供的保护常用防晒指数(sun protection factor，SPF)表示，是UVB防护的主要评价指标，其计算方式[67]为

其中，MED(minimalerythemadose)是引起皮肤红斑使其范围达到照射点(最小)所需的紫外线照射最低剂量(J/m2)或最短时间(s).据美国食品和药物管理局(FDA)[68]和国际标准组织[69]介绍，当测试SPF时，所加防晒用品的剂量应为2mg/cm2.但研究表明，实际涂用防晒剂的量约为0.39～1.02mg/cm2，因而SPF不能反应实际的防护作用[67].此外，在研究和生活中需注意,涂抹样品的方式也会影响SPF值的大小，粗略地涂抹样品会比平缓均匀地涂抹样品测定的SPF小20%左右[70].不同国家之间防晒产品的SPF差异较大，但全球50%～60%防晒产品的SPF值在30～50之间.

2.2.2UVA防护评价

评价UVA防护功能的指标主要有UVA防护指数(PFA)、即刻晒斑反应(IPD)和持久晒斑反应(PPD)3种[71].IPD是指暴露于阳光下15～30min后皮肤呈现色素沉着晒斑或使皮肤变黑的最小UVA剂量.这种反应是因为黑素小体中已存在的非氧化型黑素转变为氧化型黑素导致的，经数小时可消退.PPD和PFA均与迟发性反应有关.皮肤晒黑和迟发性红斑反应两者的紫外线光谱是一致的.PPD是稳定的皮肤晒斑反应，其数值线性依赖于UVA穿透肌肤的总剂量，且评估效果相对稳定，但不依赖于UVA的来源.PPD对整个UVA波段都很敏感，因此，其阈剂量可作为一个内源性UVA的测量器来鉴定防晒霜在UVA波段的效能[72].这两种方式的防护指数是指在一定条件下，与未做保护的皮肤相比，应用防晒产品后不受损伤的最小剂量.

2.2.3 其他防护评价

鉴于防晒化妆品,特别是高SPF值产品,通常在夏日户外运动中使用，因此季节和使用环境的特点要求防晒产品具有抗水抗汗的性能.我国2007年《化妆品卫生规范》中规定了对防晒产品进行防水性能测定,其指标为:若洗浴前后测定的SPF数值减少超过50%，则该产品不得标识具有防水功能.

此外，耐光性或防晒产品的光稳定性与人体安全最为密切.因此，防晒剂的光稳定性也是评价防晒剂的重要指标之一.文献[73]对耐光/光不稳性进行了定义，并且客观地评价了人体接触防晒剂光降解产物后引起的急性和慢性毒性.

3 结 语

在防晒剂和紫外线辐射防护体系的基础研究中，国外研究的远比国内深入.这极有可能是地理位置引起的，中国大部分地区处于亚热带及温带，因此太阳中的紫外线辐射强度远低于一些国家，如加拿大等.鉴于紫外线对皮肤的损伤作用，以及人们对紫外线防护意识的逐渐增强，国内对防晒剂的使用不断增加，人们寻求更加安全、高效的防晒剂，新型防晒剂的研发也成为许多科研工作者的重要研究课题.防晒剂的研究发展将集中在：提高物理防晒剂粉体的适配性和增强其UVA屏蔽效果；研制高效、全谱的化学高分子紫外线吸收剂；新型天然防晒剂的开发利用等[74].生物来源的防晒剂(如植物和生物工程类防晒剂)因其安全性好，具有防紫外线和清除氧自由基的功效及修复皮肤、延缓老化的作用，而成为防晒剂的研究热点之一.分析陈玲林等[65]的研究结果，酵母细胞在受到紫外线照射后会作出应激反应，其衍生物中蛋白质含量会显著增加.因此，蛋白质在细胞抵抗紫外线中起着主要作用.

蛋白质分子中含有3种芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，可吸收一定量的紫外线，其最大吸收峰波长分别为257，274和280nm，并释放一定的荧光(见图2).其中：色氨酸的最大吸收峰波长为280nm，最大发射峰波长为360nm；而苯丙氨酸在257nm波长处存在最大吸收峰，释放出波长为282nm的荧光，此荧光刚好被色氨酸吸收，然后释放出330～350nm波长的荧光.所以，一般蛋白质分子具有一定的吸收UVB的能力.

综上所述，色氨酸所吸收的波长较长，可吸收苯丙氨酸等释放的荧光，且自身释放的荧光(属于UVA)可再次被其他化合物(例如香豆素类)吸收，即：利用高色氨酸含量的蛋白质进行适当的UVA吸收剂修饰，理论上可吸收UVA和UVB，制成可吸收280～400nm波长紫外线的防晒剂.因此，研究蛋白类防晒剂无论是在提高防晒剂的安全性还是作为广谱紫外线吸收类防晒剂，都有重要的理论和应用价值.

图2 芳香族氨基酸的吸收及发射光谱

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(责任编辑 薛 荣)

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

浙江省大学生科技创新活动计划项目(2015R404008)

周宏飞(1993-)，男，浙江东阳人，硕士研究生.研究方向：蛋白质结构与功能.

孙梅好.E- mail: mhsun@zjnu.cn

Q514；R758.14

A

1001- 5051(2017)02- 0206- 08