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【转载】 《皮肤养生学》（17）—— 第二节 皮肤光老化发生机制

美容---皮肤养生学 │ 2010-04-10 17:02:22

 

第二节 皮肤光老化发生机制

 

一、紫外线简介

 

对于人类的生存来说，太阳光中的紫外线辐射（ultraviolet radiation，UVR）是一种非常显著的环境因子，它主要作用于人的皮肤。根据波长大小和对皮肤的影响，太阳光中的紫外线可以分为三类：

 

1、UVA：波长为320-400 nm，是长波紫外线，几乎全部穿过大气层到达地面。UVA能穿透皮肤的真皮层，可以使皮肤过早变黑老化。

 

2、UVB：波长为280-320 nm，是中波紫外线，在穿过大气层时被臭氧层吸收较少，大部分可到达地面。UVB可以穿透皮肤几毫米，会使皮肤出现晒黑斑。

 

3、UVC：波长为200-280 nm，是短波紫外线，能量较高，但大部分都被臭氧层所吸收，不能到达地面。

 

二、光老化衰老学说

 

皮肤衰老的光老化学说综合了诸多衰老学说的理论基础，该学说认为日光中的紫外线可通过下列机制引起皮肤老化：损伤细胞核和线粒体DNA；产生高度反应的活性氧簇与各种细胞内结构相互作用而造成细胞和组织的损伤；直接抑制表皮郎格罕斯细胞的功能，引起光免疫抑制，使皮肤的免疫监督功能减弱；导致MMP活化皱纹形成；长期日光照射可直接损伤体外培养的皮肤成纤维细胞使皮肤变得粗糙、多皱。

 

1、UVR诱导的DNA损伤

 

有机分子中的共轭键能吸收较短波长的UVR，而线性重复结构或环状结构能吸收较长波长的UVR。DNA上所有碱基都包含有环状结构和许多共轭键，所以在细胞中主要是DNA吸收UVR。UVR将首先损伤细胞中的染色体，从而使DNA上的基因受到损伤，这种损伤可导致细胞内的基因发生突变。

 

（1）UVR诱导细胞核DNA损伤

 

同一条DNA链上两个相邻嘧啶碱基位点最易受到UVR损伤，较短波长的UVR特异地形成嘧啶二聚体。环丁烷嘧啶二聚体形式（cyclobutane pyrimidine dimmer，CPD ）是两个嘧啶碱基以共价键联结成6-4环丁烷的结构而形成的，是一种6-4光生产物。当UVB照射细胞时，甲基化的胞嘧啶更易形成嘧啶二聚体，且在人类皮肤癌中，p53突变基因的主要突变位点都发生在甲基化的胞嘧啶处。与此同时，光老化的成纤维细胞对嘧啶二聚体和（6-4）光产物的修复能力下降，且随年龄增长参与细胞核外切修复的蛋白及其mRNA水平下降。由此可见，在UVR的作用下，一方面可使DNA的突变增加，另一方面又导致机体对突变的修复能力下降，从而最终导致了DNA的损伤。

 

（2）UVR诱导线粒体DNA突变

 

在光老化中最为常见的是4977碱基对的突变，又称共缺失突变。共缺失突变的出现和紫外线照射之间存在时间/剂量的关系。当应用单态氧灭活剂（抗氧化剂）之后，共缺失突变减少；用氘增加单态氧的半衰期后，共缺失突变增加。共缺失突变损伤了线粒体的氧化磷酸化代谢，进一步增加了慢性光老化的氧化压力。

 

UV除了诱导细胞核DNA损伤以及线粒体DNA突变以外，实际上还能对DNA造成更多损伤，例如蛋白与DNA交联、碱基氧化损伤和中链断裂等。这些损伤都不同程度地影响了细胞正常的生理功能，导致细胞衰老和凋亡，从而加速了皮肤的衰老。

 

2、UVR引起的ROS过量导致的衰老

 

活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）是一组具有一个或多个未配对电子的原子或分子，包括超氧阴离子（superoxide anion）、单线态氧（singlet oxygen）、过氧化氢（hydrogen peroxide）、羟自由基（hydroxyl radica1）等。UVR可通过多种途径使皮肤中ROS浓度异常升高，高浓度的ROS具有活泼的化学性质，可与皮肤组分发生复杂的化学反应产生多种生物学效应：

 

（1）使质膜中不饱和脂肪酸形成丙二醛（malondialdehvde，MDA），产生脂褐素，脂褐素在细胞中不断积累将影响细胞的正常功能；

 

（2）ROS异常增多可使RNA，DNA主链断裂，碱基被破坏降解，发生碱基突变，使热稳定改变；

 

（3）产生的MDA又可与核酸交联，破坏遗传物质，影响转录复制，使蛋白质合成减少或发生差错，从而影响机体的营养和酶的活性；

 

（4）ROS可直接损害蛋白质或生成MDA再与之交联，使蛋白质变性生成高聚化合物，中断生化反应，产生自身免疫性损害，而结缔组织蛋白多肽的损害，则会影响血液和组织间的营养交换和能量储存，这也加速了生物体的衰老和死亡。

 

因此，目前UVR引起的ROS过量被视为引发光老化的一个重要因素。

 

3、UVR通过诱导抗原刺激反应的抑制途径降低免疫应答

 

表皮内最主要的抗原呈递细胞（APC）是郎格汉斯细胞（LC）。LC是树突状细胞的一种，其主要功能是捕捉、加工、处理抗原，之后移行至局部淋巴结，将抗原递呈给T淋巴细胞。UVR可引起LC的形态结构、数量及功能发生一定程度的改变，这是皮肤免疫系统产生抑制的先决条件。在经过过量的UVR之后，LC的树突状外观被破坏，超微结构显示LC胞浆内Birbeck颗粒减少，且大量重要的膜表面抗原丢失，从而造成LC的抗原提呈功能降低甚至丧失。研究发现UVB对II类主要组织相容性抗原(MHC- II)的表达没有影响，而是通过调节LC表面的主要协同刺激分子ICAM-1和B7来降低LC的功能。

 

研究发现，受紫外线照射后的小鼠郎格罕斯细胞受损，其分泌有活性的细胞因子白介素-12（interleukin-12，IL-12）的功能产生障碍，而IL-12是活化Th1型细胞的关键性细胞因子。由于有活性的IL-12功能障碍，使LC对Th1细胞的抗原呈递功能下调，抗原递呈细胞就不能有效的活化Th1型细胞，只能把抗原递呈给Th2型细胞，从而导致皮肤免疫功能特别是细胞免疫功能受损，免疫应答降低，最终抑制了Th1介导的迟发型超敏反应（delayed-type hypersensitivity，DTH）及接触性超敏反应（contact hypersensitivity，CHS）等细胞免疫应答的发生。

 

4、UVR导致MMP活化的途径及其作用

 

基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）是一类生物活性依赖于锌离子、有降解细胞外基质（extra-cellar matrix，ECM）能力的内肽酶家族，其中基质胶原酶（MMP-1)，72 KD明胶酶（MMP-2），基质溶解素-I（MMP-3）和92 KD明胶酶（MMP-9）四种金属蛋白酶协同作用可以降解含或不含胶原成分的真皮细胞外基质。MMP-1可以降解I型胶原，MMP-2和MMP-9降解弹性蛋白和基底膜成份中的Ⅳ型和Ⅶ型胶原，MMP-3降解Ⅳ型胶原、蛋白聚糖、纤维粘连蛋白和板层素。因此，MMP在皮肤老化的组织学表现和皱纹形成中起重要作用。

 

UVR可通过膜受体依赖和非膜受体依赖途径诱导皮肤组织中MMP表达增高。通过膜受体依赖诱导途径在皮肤光老化的发生过程中起主要作用，通过非膜受体依赖途径在一些特定情况下产生影响（如DNA损伤的依赖途径）。UVR介导的多条信号转导通路大都聚集到促分裂原激活的蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号转导通路上，所涉及的细胞外信号调节激酶（external-signal regulated kinase，ERK）通路和应急激活的蛋白激酶（stress activated protein kinase，SAPK）通路，通过磷酸化的三级酶促级联反应，激活多种效应蛋白，调节有关基因表达，诱导皮肤组织中MMP表达增高。UVR导致ROS增加，ROS增加引起神经酰胺的增加，神经酰胺的增加又有助于MAPK活化。MAPK途径的重要效应是激活转录因子活化蛋白（active protein，AP-1），最终使AP-1活化且具有高度转录活性。AP-1可以调节MMP-1，3，9基因的表达，使其转录水平升高。AP-1调节MMP表达升高的同时也作用于I型前胶原编码的两个基因，使其表达水平下降，抑制前胶原表达。一方面MMP表达升高，导致细胞外基质特别是胶原降解；另一方面前胶原的表达受到抑制，胶原合成减少。持续的UVR最终导致光老化皮肤中胶原蛋白流失，皮肤松弛，弹性下降，细纹增多且不断加深，使皮肤呈现出衰老的迹象。

 

5、 UVR对人皮肤成纤维细胞生长的影响

 

研究表明，UVR中的长波紫外线（ultraviolet A，UVA）可直接损伤体外培养的皮肤成纤维细胞，而成纤维细胞是合成和分泌胶原蛋白和弹性蛋白的主要细胞，对皮肤皱纹的形成发挥着重要的作用。UVA可引起原代培养的真皮成纤维细胞形态发生皱缩、细胞贴附功能下降、致使悬浮细胞逐渐增加。四唑盐比色实验 （MTT法）显示：随着UVA剂量的增加，细胞存活数显著下降，分裂增殖能力降低。乳酸脱氢酶（LDH）检测表明，UVA在3J/cm2较低剂量时，细胞就有损伤，引起LDH向细胞外渗透，高剂量时更为明显。LDH是细胞膜破坏后漏出的胞浆酶，是反映细胞损伤较灵敏的指标之一，己被广泛用于细胞毒性研究。

 

透射电镜观察细胞的线粒体变化：在透射电镜下UVA损伤组成纤维细胞线粒体呈空泡样改变，嵴断裂，线粒体肿胀，同时可见粗面内质网肿胀及脱颗粒（见图4-1和图 4-2）。

 

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图4-1 未辐射组成纤维细胞超微结构〔Scale bar= 200 nm)

 

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图4-2  UVA辐射组成纤维细胞超微结构( Scale bar=200 nm)

 

UVA辐射水可产生活性氧，包括超氧阴离子、羟自由基和单线态氧。由于细胞处于液态环境，氧自由基可造成细胞严重损伤。异常情况下过量生成的自由基对细胞的损伤机制是多方面的：

 

（1）直接与生物大分子反应，引起DNA损伤，导致基因突变，使蛋白质变性，酶失活；

 

（2）与生物膜共价结合，损伤膜功能；

 

（3）启动膜脂质过氧化，使膜脂质疏水区羰基形成，导致亲水中心出现，膜通透性增加，造成线粒体肿胀，内质网空泡形成。

 

通过实验观察到UVA可使成纤维细胞内活性氧含量增加，超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）活性降低，线粒体、内质网受损，证明了UVA辐射产生的自由基对生物膜的损伤作用，UVA诱导抗氧化酶活性抑制加重了这一作用。线粒体是细胞内能量合成的主要场所，对维持细胞正常生理功能起着重要作用。近年研究表明，线粒体不仅作为体内的“能量加工厂”，而且还与氧自由基的产生，细胞死亡进程的调控有关。目前关于线粒体在老年及一些退行性疾病中的变化的研究再次成为热点之一。线粒体膜电位和线粒体肿胀度是观察线粒体膜通透性和流动性功能，进而评价线粒体功能的敏感指标。有研究表明，线粒体膜电位下降可导致线粒体膜通透转运孔（PTP）开放。PTP开放，一方面可以破坏线粒体膜电位，使氧化磷酸化受阻；另一方面可导致凋亡诱导因子（AIF）的释放。线粒体肿胀将导致线粒体外膜破坏，使位于内外膜之间的细胞色素C和AIF大量释放而在凋亡过程中起重要作用。

 

 

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