二氧化钛与氧化锌复配无机防晒剂对光老化相关基质金属蛋白酶（MMP）上调、前列腺素生物合成及细胞周期阻滞的缓解作用研究及其分子机制解析

《Photochemistry and Photobiology》：Alleviation of photoaging-associated MMP upregulation, prostanoid biosynthesis, and cell cycle arrest with titanium dioxide, zinc oxide, and inorganic-only (ZnO?+?TiO2) sunscreens

本文系统研究了含二氧化钛（TiO2）和氧化锌（ZnO）的无机防晒配方在基因和蛋白水平上对紫外线（UVR）诱导的光老化相关通路的保护作用。通过分析MMP1、MMP3、PTGS1、PTGES、MDM2、CDKN1A、CCNE2等关键基因的表达，证实TiO2、ZnO及其复配制剂（ZnO+TiO2）能显著抑制紫外线引起的基质降解、炎症反应和细胞周期阻滞，为无机防晒剂的生物功效提供了分子证据，兼具学术价值与商业化前景。

　　

引言：光老化与无机防晒剂的生物学背景

皮肤光老化是由紫外线（UVR）暴露引起的复杂生物学过程，主要表现为皱纹、弹性丧失和质地粗糙。紫外线中的UVA（315–400 nm）和UVB（280–315 nm）不仅诱发急性损伤如红斑和色素沉着，还驱动慢性效应包括皮肤癌和光老化。其中80%的外源性老化归因于UVA和UVB辐射。紫外线通过直接损伤DNA或间接产生活性氧（ROS）触发真皮应激反应，尤其影响真皮成纤维细胞——这些细胞负责细胞外基质（ECM）蛋白如胶原和弹性蛋白的合成。在UV损伤的皮肤中，ECM降解酶如基质金属蛋白酶MMP1和MMP3的表达上调，导致胶原纤维降解和弹性蛋白结构异常，进而促进皱纹形成和太阳能弹性组织变性。

无机防晒剂如二氧化钛（TiO₂）和氧化锌（ZnO）通过反射、折射和吸收紫外线提供光保护。TiO₂在UVB范围（280–315 nm）具有更高功效，而ZnO在UVA范围（315–400 nm）表现更佳，两者复配可拓宽防护谱。美国食品药品监督管理局（US-FDA）和欧洲委员会（EC）规定防晒配方中TiO₂和ZnO的最高浓度均为25%。纳米颗粒形式（<100 nm）的无机防晒剂可减少白色残留，但可能牺牲部分UVA防护以增强UVB吸收。本研究旨在从基因和蛋白水平评估TiO₂、ZnO及其复配制剂对光老化相关信号通路的保护作用。

材料与方法：防晒配方制备与生物学评估

研究制备了三种油包水（O/W）型无机防晒配方：F(TiO₂^179nm)含7.35% TiO₂（平均粒径179 nm，氧化铝硬脂酸盐涂层）、F(ZnO^57nm)含25% ZnO（57 nm，原位聚合物分散未涂层）、以及无机复配制剂F(ZnO^57nm/TiO₂^47nm)含21.4% ZnO和2.4% TiO₂（47 nm）。配方基质包含甘油硬脂酸酯、山梨坦硬脂酸酯等乳化剂和增稠剂，以模拟商业产品。

防晒性能通过绝对辐照度测试评估：配方以2 mg/cm2涂于Transpore胶带，使用FLAME光谱仪测量Newport太阳模拟器（280–1100 nm）的透射光谱。生物学实验采用人真皮成纤维细胞（HDFn），以2.16标准红斑剂量（SED）的UV-only（280–400 nm）或全光谱太阳光（280–1100 nm）照射，防晒配方通过Transpore胶带悬浮于细胞上方提供保护。照射后24小时收集细胞进行基因和蛋白分析。

基因表达通过qPCR检测，靶点包括MMP1、MMP3、PTGS1、PTGES、MDM2、CDKN1A、CCNE2和SMAD3，以GAPDH为内参，采用ΔΔCt法计算log₂折叠变化。蛋白水平通过免疫细胞化学（ICC）和Western blot（WB）分析MMP1、PTGES和p21（CDKN1A编码蛋白），使用Alexa Fluor荧光标记和二抗，荧光强度通过ImageJ定量。

结果：防晒剂的防护效能与分子机制

绝对辐照度分析显示，三种配方均显著降低UVB、UVA和蓝光范围（约380–500 nm）的辐照度传输。F(TiO₂^179nm)在UVB区表现最佳，而F(ZnO^57nm)和F(ZnO^57nm/TiO₂^47nm)在UVA区更具优势。复配制剂在374 nm后显示出与单ZnO制剂相似的辐照度增长，但整体防护性能优于单一组分。

基因表达分析表明，紫外线照射显著上调MMP1、MMP3、PTGES、MDM2和CDKN1A，并下调CCNE2。所有配方均能逆转这些变化，其中复配制剂F(ZnO^57nm/TiO₂^47nm)在75%的基因中表现出最大缓解程度（p≤0.05）。例如，在UV-only条件下，复配制剂使MMP1表达降低57%（log₂ FC=-0.32），MMP3降低61%；在全光谱条件下，对CDKN1A的缓解高达77%。PTGES的上调也被显著抑制（UV-only降低74%）。细胞周期基因中，MDM2和CDKN1A的上调以及CCNE2的下调均被有效 alleviated，提示防晒剂通过阻断p53/p21信号通路减轻细胞周期阻滞。

蛋白水平验证了基因趋势。免疫荧光显示MMP1蛋白位于细胞质近核区域，紫外线照射使MMP1阳性细胞比例从24%增至46%，而配方保护后降至15–18%。Western blot证实MMP1蛋白表达在复配制剂处理后降低72%（UV-only）。PTGES蛋白广泛分布于细胞质，Western blot显示其表达在配方保护后降低51–59%。p21蛋白在细胞核和细胞质均有分布，核内p21荧光强度在紫外线照射后显著增加（从10%至33%），配方处理使其回落至14–19%，表明细胞周期阻滞被缓解。Western blot显示p21蛋白表达降低61%，与CDKN1A基因下调一致。

讨论：配方设计与生物学意义的整合

配方中的纳米颗粒尺寸（ZnO 57 nm, TiO₂ 47/179 nm）平衡了透明度和紫外线防护效能。较大颗粒（如TiO₂^179nm）提供更强的物理屏障，但纳米颗粒（如ZnO^57nm）增强光催化吸收并减少白色残留。复配制剂结合了TiO₂的UVB防护和ZnO的UVA防护，拓宽了作用谱。

防晒剂通过减少紫外线穿透和ROS生成，阻断AP-1和NF-κB信号通路的激活，从而抑制MMP1和MMP3的表达。MMP1的缓解在UV-only条件下更显著，提示蓝光（380–500 nm）可能通过TGF-β和JNK通路独立诱导MMP1，而无机防晒剂对可见光的阻挡较弱。前列腺素通路中，PTGS1和PTGES的 alleviation 归因于ROS减少，导致PGE2合成下降和炎症反应减弱。蛋白与基因表达的差异可能源于翻译调控或蛋白降解。

细胞周期基因的调控与p53/p21信号密切相关。防晒剂通过防止DNA损伤和ROS积累，减少p53激活和下游p21表达，从而避免G1/S期阻滞。TiO₂纳米颗粒的潜在毒性（如触发p21表达）被氧化铝硬脂酸盐涂层 mitigate，符合欧洲法规要求。复配制剂在全光谱条件下的优异表现归因于其对UV和可见光协同效应的 broad-spectrum 防护。

结论：无机防晒剂的综合光保护价值

本研究证实，含TiO₂和ZnO的无机防晒配方能显著 alleviated 紫外线诱导的光老化相关基因和蛋白表达，覆盖ECM降解、炎症和细胞周期调控多条通路。复配制剂（ZnO+TiO₂）展现出最优的整体防护效能，为开发兼具 cosmetic appeal 和生物功效的防晒产品提供了分子依据。未来研究可聚焦于可见光防护策略和无机颗粒的长期生物安全性。