多光谱防护：从紫外光、可见光、到红外光

人们发现和定义太阳光谱，共花费了多长时间？ 答案是三个世纪^[1,2]。

 

 

光的发现史

光的故事自我们熟悉的牛顿爵士（Isaac Newton）这儿开启。1666年，牛顿观察到：当一束光线通过棱镜时，会产生彩虹般五彩斑斓的光芒。古人曾以为这是水晶本身所散发出的色彩，而牛顿则敏锐地发现色彩源自于阳光，并将色彩排列命名为“光谱”。

1800年，欧洲天文学家威廉•赫歇尔（William Herschel）在研究可见光谱中不同有色光的热效应时发现，随着温度计逐渐靠近红色光，温度上升变得更为明显。作为对照，他把一个温度计放在了可见红光区域旁的暗区。令他惊讶的是，这个实验区域外的暗区竟然产生了最强的热效应。自此，“看不见”的红外光波段得以发现。

一年之后，受到赫歇尔的启发，约翰•威廉•里特（Johann Wilhelm Ritter）探索了可见光的另一端紫色端。正如他所期待的，在紫色可见光外，果然也存在着看不见的光。于是，紫外光加入了光谱大家庭。

 

图 1. 太阳电磁波谱 （图片来源：NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)）

1886年，海因里希•赫兹（Heinrich Hertz）发现了无线电波，令科学家们对光谱的解析又有了新的进展；1895年威廉•康拉德•伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）在真空管实验中意外发现了X-射线，其妻子带着结婚戒指的手部X-射线照片作为经典流传至今；1900年，保罗•维拉德(Paul Villard)在研究镭辐射时首次观测到了一种“未知射线”。几年后，欧内斯特•卢瑟福（Ernest Rutherford）将这种新辐射命名为了伽马射线。历时数个世纪，人们对于太阳发射的电磁波谱的认识渐趋完整。

 

光对皮肤的损伤

我们每天沐浴于阳光之下。阳光带来了四季更迭、也造就了五谷丰登。随着对光的理解越加深入，我们不只是崇拜光，也更科学地看待光。大量研究发现，适度的日光暴露对人体的健康是很有必要的。阳光能够帮助我们的皮肤合成维生素D，维持骨骼健康^[3]；阳光作为一种“情绪调节剂”，能促进血清素的生成，让我们感到心情愉悦^[4]；可见光、红外光也能作为一种治疗方式，在伤口愈合，皮肤病诊疗中扮演关键角色^[5]。然而，人们也开始意识到光所带来的一些负面影响。过度的阳光照射会引起色素沉着、皮肤老化、乃至皮肤肿瘤^[6]。阳光，既给予、亦索取。

自太阳发射出的电磁波谱包括了波长小到1pm的Gamma射线，亦有绵延数千公里的无线电波，每一个波段是否都值得同等的关注？实际上，阳光穿越过地球大气层时会经历重重阻挡，大部分的辐射得以吸收、屏蔽。最终，到达地面的光波长范围为280nm至3000nm波段，包括UVB、UVA、可见光、IRA、以及IRB；也正是这一波段，与我们皮肤的健康密切相关。

 

紫外光对皮肤的损伤

在光的发现史中，紫外光的出现晚于可见光和红外光；而在皮肤光防护中，紫外光却首当其冲，是研究得最早、也最为深入的波段。紫外波段可分为真空紫外波段、UVC、UVB与UVA波段。其中，波长范围在10nm至280nm区间内的真空紫外波段和UVC波段会被地球大气所吸收，无法到达地球表面；而波长范围在280nm至400nm区间内的UVB和UVA波段则能量高、穿透强，对皮肤存在影响更甚。

 

图2. UVA带来近90%的自由基生成^[9]

紫外线是皮肤老化背后的重要推手，高达80%的面部衰老可归因于紫外线[7]。其中，UVB （280-320nm）能够直接作用于角质形成细胞中的DNA，并形成环丁烷嘧啶二聚体（CPD）和6-4光产物（6-4PP），从而影响DNA的正常复制与合成；而UVA（320-400nm）具有更强的穿透性，能够作用于真皮成纤维细胞，通过产生活性氧引起细胞膜、DNA、线粒体的氧化损伤。在UVA和UVB的作用下，细胞外基质中新生胶原合成能力下降、固有胶原降解增加、变性的弹性蛋白逐步累积；从表型上，皮肤更为松弛、细纹增加、还伴有色素沉着^[8]。

在紫外线的防御中，UVA（包括UVA1与UVA2）在很长一段时间内都是被忽视的一个波段。事实上，直到2006年，欧盟的法规中才明确提出防晒霜应能有效抵抗UVA 和UVB、且“最低有效性标准”要求UVA 防护达到SPF的1/3。在我们的早期研究中，利用电子自旋共振法测量了UVA对皮肤组织的影响^[9]。我们发现，紫外线照射会在皮肤中产生大量自由基。其中，近90%的自由基由UVA引起，而UVB的贡献仅占10%。而在一项转录组研究中，研究人员进一步确认了UVA在自然UV中对基因调控的贡献率^[10]。在成纤维细胞中，92%的基因变化由UVA引起；而在角质形成细胞中，80%的基因变化由UVA引起。可见，UVA在紫外损伤中具有相当重要的作用。然而，相对于UVB防护，人们对于UVA的防护依然有所不足。因此，针对UVA+UVB的广谱防晒将是防晒产品的重点关注所在。

 

可见光对皮肤的损伤

可见光的波长范围约为400nm至700nm之间。其中，尤以400nm-500nm间的“蓝光”格外值得关注。蓝光在可见光中波长较短，而能量最高，能深入至真皮层。据报道，其最高深度甚至能抵达皮下1mm^[11]。

当蓝光照射皮肤后，皮肤中的发色团如黄素类（Flavin）、卟啉类（porphyrins）会大量吸收蓝光，并由此形成过量的自由基，包括超氧化物、单线态氧、羟基自由基等，从而激发一系列的氧化损伤。这些自由基也会参与到细胞外基质的降解与重塑中，造成皮肤松垮、皱纹等表型变化^[12]。我们过去的研究也支持了上述观点。通过电子自旋共振法我们建立了波长与自由基生成量之间的联系，发现可见光（尤其是蓝光波段）是自由基的一大诱因^[13]。基于国际照明委员会（CIE）所提供的太阳光光谱辐照度数据，我们通过卷积计算得出UV和可见光波段下的氧化压力，其中可见光占比50%、UVA为46%、UVB为4%，表明可见光在促进皮肤氧化中扮演着重要角色。

 

图 3. 阳光照射下人体皮肤自由基效能谱计算 [13]（RGeff 是根据自由基作用光谱与 CIE 太阳光谱辐照度参数卷积计算而得）

值得一提的是，除了直接消耗人体内抗氧化成分如类胡萝卜素外，蓝光持续产生低水平的自由基，且上述自由基能够绕过内源性抗氧化防御机制，并产生永久性的DNA损伤^[14]。在我们的研究中，同样发现了蓝光对于DNA的损伤作用^[15]。

 

蓝光的照射不仅造成了DNA的氧化损伤、同时也造成了环丁烷嘧啶二聚体（CPD）的累积。在细胞微核模型下，含微核细胞数目随蓝光辐照呈剂量依赖性增加，表明蓝光形成了无法修复的DNA双链断裂，并导致稳定的遗传性染色体损伤。

 

红外光对皮肤的损伤

红外波段约占到达地面阳光辐照的40%。通常，人们将红外波段分为三个部分：IRA (760 - 1400nm)， IRB (1400 - 3000nm)和IRC (3000nm - 1mm)。不同波长下的红外光，可以穿透表皮、真皮、甚至皮下组织。

红外线的一大特点在于能产生热效应，令皮肤温度升高、并引发自由基的形成和后续的氧化损伤。我们早期研究显示，红外光照射皮肤后，重要的内源性抗氧化物质如β-胡萝卜素、番茄红素等浓度下降^[16]。这些抗氧化成分原本可以帮助抵御光线带来的损伤，但由于过量自由基的生成而逐渐耗竭，因而削弱了内在的抗氧化防御体系。

 

图4. 正常人成纤维细胞暴露于3次IRA照射(162 J/ cm²)后的I型前胶原免疫染色结果。a：未辐照细胞孵育后24 h；b：重复IRA辐照后24 h；c：未辐照细胞孵育72 h；d：重复IRA辐照后72 h ^[17]

在加速皮肤衰老的过程中，红外光同样扮演了极其重要的角色。我们的研究发现，中低剂量下的红光辐照即足以造成细胞外基质的稳态失衡^[17]。当细胞受到红外光辐照后，细胞外基质组成相关基因如I型、IV型、V型胶原、原纤蛋白、纤连蛋白、弹性蛋白显著下调；而基质金属蛋白酶家族中MMP1、MMP12、MMP13等则得以上调。值得注意的是，相比于单次辐照，多次红光照射表现出更强的皮肤衰老效应。通过免疫荧光染色发现，多次辐照显著地降低了成纤维细胞中I型前胶原的含量。虽然红光是常见的一种美容、治疗手段，但红光利用不善，也会对皮肤造成不小的伤害。这一洞察也告诫了我们，“水能载舟、亦能覆舟”，人们对红光的了解还有待进一步深入。

 

不同波段光的协同效应

紫外光、蓝光、红外光各自均能对皮肤造成不良影响，那当它们叠加在一起时会不会产生1+1＞2的效果呢？已有的研究结果表明，这三种光之间的确具有协同作用。

当红光（包含红光的热效应）与可见光共同作用时，会增加基质金属蛋白酶MMP1和MMP9的表达，并引起I型前胶原的减少。紫外区域的光会将中性粒细胞募集到真皮层，而紫外光、红外光及其热效应、可见光一起则能促进巨噬细胞的浸润，从而促进炎症的侵袭^[18]。这些结果说明，包含上述波段的自然阳光的损伤作用是综合性的，不同波段的光对损伤有着不同的贡献。

Marionnet等人的研究^[19]则发现紫外光和可见光能以机制互补的方式影响皮肤色素沉积。相比于单独的UVA1照射和高能可见光（HEV）照射，UVA1+HEV辐照后所产生的色素沉着更为显著。无独有偶， Kohli等人得出了相同的结论^[20]。在IV-VI型Fitzpatrick皮肤分型受试者中，微量的UVA1能与HEV产生协同作用，导致更深、更久的色素沉着。

包含紫外光、可见光与红外光的复合光，则会进一步放大自由基的生成、线粒体DNA损伤、以及细胞核DNA损伤。上述现象在真皮层成纤维细胞上体现得尤为明显^[21]。紫外光、可见光、红外光具有不同波长，能够被皮肤内不同的发色团选择性吸收。紫外线可以被DNA、芳香氨基酸、核黄素所吸收；红外光则倾向于作用在线粒体细胞色素c氧化酶(COX)上；而可见光则被胆红素、血红蛋白、β-胡萝卜素等吸收。鉴于其不同的吸收作用和ROS生成机制，复合光相比于单一光表现出更强的损伤作用。我们应当谨记的是：阳光对皮肤的影响并非不同波长光线的效果叠加，而是不同波长光线相互作用后的结果。

 

多光谱防护策略

紫外光、可见光、红外光，在皮肤损伤中都起到了关键的作用。正因于此，多光谱防护策略在保护皮肤免受光损伤中格外重要^[22]。此处的“多”，既包括紫外波段和非紫外波段的“多覆盖”、也包括紫外波段中UVB、UVA的“多覆盖”。

为了实现理想的多光谱防护，“吸收+反射+中和”的策略正逐渐广为接受：利用防晒产品中的紫外吸收剂、蓝光吸收剂来“过滤”掉上述光线的影响，防范于未然；通过矿物粒子的添加和其表面拓扑形貌的调控来反射和散射不同波段的光线，弱化光的吸收；同时，通过抗氧化物质来清除光诱导下的过量自由基，从而防止因氧化应激而产生的诸多皮肤损伤。

 

图5. 受试者暴露于户外阳光后皮肤中的类胡萝卜素浓度显著下降，而使用防晒霜后则能有效抑制抗氧化成分的浓度下降[23]

在“吸收+反射+中和”策略中，通过在防晒霜中引入抗氧化成分来抵御多光谱下的氧化应激得到了格外的关注^[21]。在我们的早期研究中，利用共振拉曼光谱的方法评价了阳光辐照后人体皮肤中抗氧化物质的浓度变化^[22]。在日常阳光辐照下，内源性抗氧化成分类胡萝卜素含量会显著降低，从而更易造成细胞外基质的受损。在进一步的研究中我们发现，当外用产品中引入抗氧化物质时，会显著增加其在皮肤不同深度下的累积，从而增加局部抗氧化成分浓度以抑制自由基带来的细胞损伤^[23], 从而提供“生物学”上的光防护。

 

图6. VL+IR下，皮肤外植体的电子自旋共振表征[1]

为了进一步验证这一体系在抵御光损伤和光老化上的效果，我们还开展了一项体外测试[1]。可以发现，当防晒霜中包含了光吸收剂、光反射剂、抗氧化剂后，该体系能够更好地抑制光应激下的自由基生成。这一结果也说明，遵循“吸收+反射+中和”策略的防晒体系，能够提供最佳的光防护效果。

 

小结

在防晒产品的开发中，越来越多的人开始关注到全光谱防晒的优势所在。一束光从遥远的恒星启程，长途跋涉后洋洋洒洒落于地面之上。在这每一束光里，都包含约50%的可见光、40%的红外光、以及10%的紫外光。在过去，防晒产品仅仅聚焦于紫外线防护，却忽略了可见光与红外光的作用；随着研究的深入，人们业已发现这两种光在光损伤、光老化中同样起着不可或缺的作用。光的发现史记录了人们对光的不懈探索；同样，对光生物学的持续研究也伴随着防晒开发策略的更新与迭代，而多光谱防护正是其中不可缺少的一环。

作者：马晓瑜¹, 马黎¹, Olivier Doucet²
 1. 科蒂中国研发；2. 科蒂摩纳哥研发

 

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来源：荣格-《国际个人护理品生产商情》

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