紫外线对皮肤免疫系统的影响

赵俊钢 高 爽 李雪囡 陈 毓 胡振林 综述，许 诺审校

(1.重庆医科大学附属儿童医院 儿童卓越证据与指南协同创新实验室 重庆 400014；2.国家儿童健康与疾病临床医学研究中心重庆 400014；3.温州大学 生命与环境科学学院 浙江 温州 325000；4.温州医科大学 药学院 浙江 温州 325000；5.温州大学生命科学研究院 浙江 温州 325000）

日光中的紫外线（Ultraviolet,UV）是影响人类健康的一个重要因素。UV可以分为长波紫外线（UVA，320～400 nm）、中波紫外线（VUB，280～320 nm）和短波紫外线（UVC，＜280 nm）。UV对正常生理、调节细胞生长分化、促进黑色素生成和维生素D的产生都具有重要意义。研究表明，UV可以在局部和全身水平上以剂量依赖的方式对免疫系统产生多重效应。皮肤是直接受到紫外线辐射的器官，也是最先受损的免疫器官。紫外线辐射后不仅引起皮肤红斑、色素沉着及光老化等急慢性皮肤损伤，其对皮肤免疫系统的抑制作用还是导致各种相关疾病发生的基础。

1 紫外线调节皮肤先天免疫系统

首先，对UV所致损伤做出免疫应答的是皮肤的先天免疫系统。越来越多的研究表明，抗菌肽（Antimicrobial peptide,AMP）、模式识别受体（Pattern recognition receptor,PRR）和维生素D在UV调节先天免疫系统中具有重要意义，特别是PRR中的Toll样受体（Toll-like receptors,TLR）发挥了核心作用。

抗菌肽是机体抵御病原体入侵过程中的一类活性小分子多肽，也是先天免疫的重要组成部分[1]。UV诱导皮肤损伤的最早特征是表皮屏障功能的破坏导致细菌和过敏原渗透，皮肤因此释放多种抗菌肽，如β-防御素(BD1-BD4)和LL-37[2]。近年来,研究发现抗菌肽除了具有直接抑制细菌、真菌及病毒等病原体的生物效应外，对于调节机体的免疫功能也有重要作用[3]。具有免疫效应的抗菌肽在UV暴露后能够趋化单核细胞、肥大细胞和中性粒细胞等免疫细胞，引导细胞到达皮肤受损部位，发挥抗感染免疫作用[4-5]。同时，抗菌肽还能通过诱导这些细胞表达趋化因子或者细胞因子，如IL-8、IFN-α，最终间接促进机体先天免疫应答。此外，抗菌肽对于树突状细胞、巨噬细胞等抗原呈递细胞的激活以及促进T淋巴细胞转化也有助于启动适应性免疫。

皮肤细胞上的PRR识别损伤相关模式分子(Damageassociated molecular patterns,DAMPs)也是UV调节皮肤先天免疫系统的重要途径之一。研究表明，UV诱导的损伤导致坏死的角质形成细胞释放DAMPs，如非编码双链RNA(dsRNAs)和DNA[6]。一方面，上皮细胞及抗原提呈细胞（Antigen-presenting cells,APC）中的PRR，如Toll样受体3（TLR3）和维甲酸诱导基因I（RIG-I）,它们感受到dsRNAs的刺激后诱导细胞做出先天免疫应答[6]。另一方面，DAMPs中的自身DNA与皮肤细胞释放的LL-37形成复合物后转运到浆细胞样树突状细胞（Plasmacytoid dendritic cell,pDC），其中的TLR9检测到这种LL-37-DNA复合物而被激活。以上两种途径共同刺激角质形成细胞和pDC释放I型干扰素（IFN）与炎性细胞因子以激活免疫应答。此外，UV诱导损伤的皮肤产生氧化脂质，热休克蛋白，高迁移率族蛋白B1（HMGB1）和透明质酸，随后它们激活皮肤细胞中的TLR4[8]。相关研究已经证明，TLR4的活化增强了皮肤对感染的先天应答，尤其是增加了机体对细菌的清除率[9]。激活的TLR还能通过胞内信号传导通路最终引起粒细胞、巨噬细胞趋化聚集，毛细血管通透性增高，淋巴细胞浸润等炎症反应，从而发挥早期免疫应答的效应。

维生素D是人体必需的一种营养物质，主要通过日光照射和外源性补充获得。维生素D与免疫关系密切，其通过与细胞上的维生素D受体（VDR）结合激活和调节多种细胞通路来发挥免疫效应[10]。在UV调节皮肤先天免疫系统中，维生素D发挥了重要的作用[11]。角质形成细胞中的7-脱氢胆固醇吸收UV后光解转化为前维生素D3[25(OH)D3]，然后异构为活性代谢物1,25-二羟基维生素D3[1,25(OH)2D3]。研究发现，树突状细胞、巨噬细胞、T细胞、B细胞等免疫细胞中均含有VDR，UV暴露后角质形成细胞产生的1,25(OH)2D3与它们结合后触发对机体先天免疫和适应性免疫的调控作用[10,12-13]。在抗原呈递细胞中，树突状细胞识别、加工和呈递抗原的能力是最强大的。角质形成细胞产生的1,25(OH)2D3不仅抑制单核细胞转化为树突状细胞（Dendritic cell,DC），还通过阻止幼稚的DC分化为成熟的DC导致抗原呈递不佳影响先天免疫反应[10,12-13]。此外，另有研究表明1,25(OH)2D3可以促进单核细胞分化为具有吞噬和杀伤病原微生物能力的成熟巨噬细胞[14-15]。同时刺激巨噬细胞释放活性氧和自由基，这些活性物质通过破坏病毒蛋白质和细菌膜结构发挥抗感染免疫作用从而增强了皮肤的先天免疫系统。

近年来，研究者们发现1,25(OH)2D3和TLR之间存在相互作用。1,25(OH)2D3与细胞上的TLR2/1结合可上调抗菌肽的表达。而TLR2/1的激活可以诱导VDR的表达，进一步促进1,25(OH)2D3与VDR结合发挥免疫效应[11]。因此，UV照射后皮肤中产生的1,25(OH)2D3和细胞上的TLR2/1相互作用增强了先天免疫应答。

2 紫外线抑制皮肤适应性免疫系统

UV对皮肤适应性免疫系统的抑制作用(见图1）涉及多种细胞，它们释放不同细胞因子相互作用形成复杂的网络结构。最新研究证实，UV对皮肤适应性免疫反应的抑制作用主要由以下两点所致：一是因为影响了先天免疫细胞，特别是调节了抗原呈递细胞的数量和功能，二是由于激活了对机体免疫反应起负性调节作用的Treg细胞的活性。

图1 紫外线抑制适应性免疫的机制

角质形成细胞是人体表皮的主要细胞成分，在UV调节免疫系统中作为免疫前哨启动先天免疫并参与抑制适应性免疫[11]。相关实验表明，UV暴露后角质形成细胞产生的1,25(OH)2D3介导了UV抑制皮肤适应性免疫系统。UV暴露后皮肤产生的1,25(OH)2D3能下调单核细胞共刺激分子的表达，而这些分子表达的下调或缺失将导致T细胞对抗原呈递细胞不产生应答。另一方面，1,25(OH)2D3还可以诱导CD4+CD+25 Treg细胞群的扩增，同时阻止效应T细胞的增殖，特别是Th1细胞产生干扰素和IL-2的能力，这是1,25(OH)2D3介导UV抑制适应性免疫的主要机制[16-18]。另外，角质形成细胞中的色氨酸吸收UV后形成6-甲酰基吲哚并(3,2 B)咔唑（FICZ），其作为配体激活芳香烃受体（Aryl hydrocarbon Receptor,AhR）以增加环氧合酶2（COX2）的表达和PGE2的产生，最终诱导Treg细胞发挥免疫抑制作用[19-20]。UV致表皮损伤后角质形成细胞产生并释放多种免疫调节剂，如：核因子-κB受体活化因子配体（Receptor activator of nuclear factorκB ligand,RANKL）、血小板活化因子(Plateletactivating factors,PAFs)、IL-10、TNF等。而这些免疫因子进一步激活了涉及免疫抑制的多种信号通路和细胞。

朗格汉斯细胞（Langerhans Cell,LC）是皮肤中最主要的抗原呈递细胞，UV照射皮肤后，LC的数量减少，形态发生改变，表面分子的表达降低。其中表面分子MHC-II、共刺激分子CD80、CD86、CD40的减少抑制了T细胞对抗原的免疫应答，而另一种分子ICAM-1的减少导致LC和T细胞之间的粘附能力下降从而导致了免疫抑制作用。同时，UV暴露导致角质形成细胞释放的RANKL刺激LC和DC表达蛋白DEC205。而DEC205专门诱导Treg细胞释放FOXP3+。实验表明，在体外或体内诱导初始T细胞表达FoxP3+后可以出现Treg样的免疫抑制作用[21-22]。此外，研究者们还发现顺式尿刊酸（Cis-UCA）也是紫外线影响LC参与免疫抑制的重要介质。Cis-UCA是由角质层中的反式尿刊酸（Trans-UCA）吸收紫外线后异构化而成的，其通过与LC上的5-羟色胺受体亚型（5-HT2A）结合，抑制LC的抗原呈递功能从而发挥免疫抑制作用[23]。

角质形成细胞和朗格汉斯细胞是UV暴露后皮肤免疫系统中最容易受到DNA损伤的细胞。两种细胞中DNA和RNA的核苷酸碱基吸收UVB后产生直接导致DNA损伤的光产物，如环丁烷嘧啶二聚体（Cyclobutane Pyrimidine Dimers,CPDs）和嘧啶（6-4）嘧啶酮。研究者们还发现AhR的激活也进一步促进了CPDs的积累[24]。实验表明，特异性去除CPDs能够逆转UVB诱导皮肤免疫抑制作用，因此，CPDs的产生是UV诱导皮肤免疫抑制的重要机制之一。此外，活性氧中间体(ROIs)的形成通过导致单链和双链DNA断裂，间接破坏了DNA和RNA。UV对DNA和RNA的直接和间接损伤均能诱导细胞产生IL-10和肿瘤坏死因子（Tumor necrosis factor,TNF）。相关研究已证明IL-10是重要的免疫抑制因子，其能降低DC表面分子如MHC-II、CD80、CD86等的表达以抑制DC的抗原呈递能力，使DC无法激活T细胞从而抑制皮肤免疫反应[25]。

B细胞在UV诱导皮肤免疫抑制作用中也起了关键作用。UV增加了活化B细胞的数量，这些细胞能高表达抗MHC-II和IL-10以抑制DC功能产生免疫抑制作用[26]。研究者还发现UV诱导B细胞滤泡中CXC-趋化因子配体12（CXCL12）的上调，从而将具有CXC-趋化因子受体4（CXCR4）+的肥大细胞募集至引流淋巴结[26-27]。另外，活化的中性粒细胞也被募集到皮肤，并在此产生免疫抑制因子IL-4和IL-10。研究显示，IL-4通过诱导CD4+T细胞分化为Th2细胞，调节Th1/Th2细胞之间的平衡以发挥免疫抑制作用[28-29]。

除了APC之外，肥大细胞也与UV抑制皮肤适应性免疫有关。组胺是肥大细胞调节局部和全身免疫作用的最重要介质之一。动物实验结果显示，低剂量的UV照射可抑制肥大细胞释放组胺，而较大剂量的UVB照射能直接损伤肥大细胞的细胞膜，使大量生物活性物质释放，如组胺，血管活性物质，趋化因子等，引起局部炎症反应。此外，UV诱导角质形成细胞释放的Cis-UCA也能刺激肥大细胞释放组胺。研究者们认为组胺通过诱导角质形成细胞产生PGE2来发挥免疫抑制作用。PGE2不仅能抑制免疫细胞迁移到紫外线照射的部位或淋巴节，还能参与调节T辅助细胞的平衡，抑制Th1细胞活性，促进Th2细胞产生IL-4和IL-10等免疫抑制因子。近年的研究显示，PGE2能直接通过增强Treg细胞的增殖反应，进一步发挥免疫抑制作用。另外，组胺能激活单核细胞上的组胺H2受体以抑制IL-12的产生和刺激IL-10的产生。肥大细胞衍生的IL-10已被证实在调节炎症和免疫抑制之间的平衡中具有重要作用[30]。角质形成细胞释放的血小板活化因子(PAFs)和IL-33也能刺激肥大细胞释放TNF、IL-10等细胞因子，迁移到引流淋巴结的肥大细胞通过刺激调节性B（Breg）细胞释放更多IL-10来发挥免疫抑制作用。因此,肥大细胞是响应UV诱导免疫抑制的关键细胞之一[31]。

APC和肥大细胞一起在引流淋巴结工作以调节体液和细胞介导的免疫应答。除了诱导Treg细胞的扩增以进一步抑制Th1细胞反应外，APC在淋巴结还能激活自然杀伤性T（Natural killer T,NKT）细胞分泌免疫抑制因子IL-4[32]。

这些研究证明了皮肤中的角质形成细胞、APC和肥大细胞在UV诱导下的相互影响促进了UV对皮肤免疫系统的抑制作用。

3 紫外线对人类疾病的影响

UV对机体疾病的发生和治疗都有重要意义。UV的有害影响与组织损伤和免疫监测缺陷有关，严重时甚至可以导致皮肤肿瘤。但对于皮肤感染和自身免疫性疾病而言，UV的作用却是双面的：一方面，UV可以触发或加重疾病；另一方面，在适当的条件下对疾病的治疗也能产生积极作用。

3.1 自身免疫性疾病：湿疹是一种自身免疫介导的皮肤炎症性疾病，其病因复杂，为内外因素相互作用的结果。日晒过度是外界影响中的重要因素，紫外线可通过破坏过敏体质的表皮及真皮浅层诱导机体释放复杂的内外激发因子而引起变态反应。然而，UVB应用于临床治疗湿疹却十分常见且效果显著，机制可能与其抑制免疫系统及调节各种细胞因子和炎症递质的平衡等有关[33]。研究表明，UVB通过诱导湿疹患者皮肤中的角质形成细胞产生多种具有抗炎或免疫抑制作用的介质，同时也抑制Th1细胞的活化和真皮T淋巴细胞的浸润以产生免疫抑制作用[34]。此外，ICAM-1表达的下降有效阻止了炎症细胞的浸润，以此发挥对湿疹的治疗作用。但是紫外线治疗后可能引起皮肤干燥、红斑或者色素沉着等近期反应，过度的治疗还可能引起皮肤光老化甚至皮肤肿瘤的危险。

3.2 皮肤感染性疾病：UV照射抑制了机体对病毒、细菌和真菌的免疫反应，因此导致皮肤感染不易被清除。众所周知，疱疹病毒和白色念珠菌均会引起皮肤病理变化。带状疱疹是由水痘-带状疱疹病毒引起的急性感染性皮肤病。在世界温带地区，带状疱疹患病率与UV暴露剂量之间存在正相关的关系。UV甚至可以通过诱导JUN和FOS等转录因子表达，重新激活潜伏性单纯疱疹病毒导致感染发生[35-36]。此外，动物实验显示，对于白色念珠菌感染的小鼠，紫外线暴露损伤了皮肤免疫细胞的抗原呈递功能，导致皮肤感染加重。值得注意的是，动物模型中，紫外线暴露也会增加巨细胞病毒和流感病毒的感染率，但这些病毒感染通常是全身性的感染，不会对皮肤产生影响[37]。实际上，UV就像一把双刃剑，一方面能增加皮肤甚至全身感染风险，另一方面又可以改善皮肤感染，如紫外线可以治疗化脓性皮肤病。研究者们给出的解释是，紫外线照射后角质形成细胞上调了AMP的表达，增强了机体对病原微生物的清除能力。尽管还需要更多的研究来探究以上过程所涉及的机制，但这些结果均表明，UV对某些皮肤感染性疾病具有重要影响。

3.3 癌症：皮肤癌发生的主要原因与UV的照射有关。世界卫生组织将UV致癌原因归纳为先兆损伤、DNA损伤、氧化应激及免疫抑制等几方面[38]。研究表明，日常UVA和UVB的暴露剂量会导致皮肤细胞中的癌症基因（例如肿瘤抑制基因TP53）引发突变。此外，UV可以通过增加Treg细胞的数量并减少效应T细胞的数量来规避机体对肿瘤的免疫监视机制，接受免疫抑制治疗的移植受者中鳞状细胞癌和基底细胞癌的发生率有所增加可以很好地证明这一结论[39]。光致癌的机制十分复杂，将在以后的研究中进一步阐明。

4 小结与展望

研究表明，UV调节皮肤先天和适应性免疫系统涉及多种复杂机制。抗菌肽、模式识别受体和维生素D主要介导了UV对皮肤先天免疫系统的调节。UV对皮肤适应性免疫的抑制作用主要这取决于角质形成细胞，肥大细胞和APC等细胞之间的相互影响。这些途径之间的相互作用似乎介导了UV调节皮肤免疫系统的整体反应，尽管我们尚不清楚它们具体是如何协调运作的。UV的这些免疫调节作用进一步影响着疾病的发生发展和治疗。

关于紫外线的许多其他问题也仍然存在：①对于极低剂量的UV（远低于最小红斑剂量）对免疫系统的影响我们所知甚少；②人类生活环境中存在诸多的聚合物，皮肤对紫外线的感受性也会受此影响。紫外线甚至可以改变这些聚合物的结构产生有害物质共同影响机体；③大多数评估UV免疫调节作用的研究都以单次照射UVB或者UVA范围内发射的辐射源为条件。然而在日常生活中的自然光包含所有波长的光，它们共同作用对机体产生影响；④随着近几年臭氧层被破坏的情况愈加严重，人类被迫暴露于更多的紫外线中，尤其是中短波长的紫外线。然而研究者们花费大量的精力在UVA和UVB上却忽视了UVC的潜在利弊。根据以往的研究，UVC对感染性伤口具有消炎、杀菌、控制感染的作用，尽管还需要更多的研究来阐明其具体机制。基于以上的部分问题，本课题组也在实践中探索解决问题的新思路。例如，设计UVA联合UVB成比例照射的模型进一步模拟日光中紫外线的照射情况；引入空气污染代表物二甲基苯蒽（DMBA）联合紫外线共同建立皮肤病理模型，以研究紫外线在特定环境下的生物学效应。综上所述，对紫外线的进一步探索对其危害防治和优势利用有重要意义。