武汉大学张先正/中山大学洪胜《ACS Nano》：用“头发”做防晒霜！

过量的紫外线(UV)辐射会导致一系列皮肤问题。虽然商业防晒霜可以在一定程度上保护皮肤免受紫外线引起的伤害，但此类产品引起的副作用仍然令人担忧。在这里，受人类头发天然光保护效果的启发，武汉大学张先正&中山大学药学院(深圳)洪胜合作从人类头发中提取多功能颗粒作为防晒霜进行紫外线防护。体外和体内结果表明，头发衍生颗粒(HDP)可以有效保护皮肤免受紫外线辐射。此外，HDP保留了头发中黑色素的抗氧化能力，从而避免了紫外线引起的氧化损伤。此外，HDP的独特形状可以防止它们渗透到皮肤中，从而避免潜在的毒性。此外，由于其介孔结构，这些颗粒也可以用作药物载体。随着奥克立林的负载，颗粒更有效地阻挡紫外线辐射。这项研究为天然物质防晒霜的设计和开发提供了一种巧妙的策略。该研究以题为“Human-Hair-Derived Natural Particles as Multifunctional Sunscreen for Effective UV Protection”的论文发表在《ACS Nano》上。

黑色素是一种广泛存在于自然界(例如动物、植物和微生物)中的独特色素，众所周知，它可以保护生物体免受紫外线的伤害。在这项研究中，头发衍生颗粒(HDP)被提取并用作紫外线防护的多功能防晒霜(方案1)。一方面，黑色素的天然紫外线防护作用使HDP能够有效地保护皮肤免受紫外线辐射。另一方面，黑色素具有调节氧化还原平衡的能力;因此，含有黑色素的HDP还可以抑制紫外线诱导的ROS产生并防止皮肤损伤。此外，HDP的特殊梭形形状使它们只能留在皮肤表面，而不是渗透到皮肤深处，从而有效地抵御潜在的毒性。人类头发中这种固有的超微结构为寻找高效、生物安全和低成本的防晒霜替代品提供了机会，这种替代品有可能成为具有各种生物功能的高度生物相容性紫外线屏蔽剂。

方案1.用于有效紫外线防护的HDP示意图

【HDP的制备和表征】

HDP表现出均匀的梭形结构，平均长度约为800 nm，平均宽度约为200 nm。HDPs在UV区域吸收较强，显示出良好的UV防护能力。令人惊讶的是，HDPs具有不均匀的介孔结构，其孔径从3到10nm不等，显示出作为药物载体的潜力。为了提高颗粒的紫外线防护效率，在HDP中加载了奥克立林(一种通常用于商业防晒霜的有机紫外线过滤剂)。负载奥克立林的HDP(Oct@HDPs)比空HDP更强烈地吸收紫外线，表明它们具有卓越的紫外线防护效率。值得注意的是，HDP具有良好的稳定性，其结构和性能不受汗液或细菌的影响。

图1. HDP的表征

鉴于HDP是从人类头发中获得的，头发提供者的年龄和性别可能会影响颗粒的性质。结果，从18个人身上收集了头发样本，包括女性和男性，年龄从20岁到50岁不等。每个性别的样本按年龄分为三组(21至30岁，31至40岁和41至50岁)，每组包含三个样本。结果表明，从不同头发提供者中提取的HDP具有相似的结构和性质，并且头发提供者的年龄和性别对颗粒的影响可以忽略不计。

图2. 从不同头发提供者提取的HDP的特征

【体外细胞毒性和细胞内ROS产生】

进一步探讨Oct@HDPs体外的紫外线防护效果，不同成分(包括PBS、游离奥克立林、商用防晒霜、PDA、TiO2、HDP 和 Oct@HDPs)的细胞毒性作用。在没有紫外线照射的情况下，除商业防晒霜外，所有组中对细胞活力的影响都可以忽略不计。然而，当暴露在紫外线下时，奥克立林、商业防晒霜和 TiO2均表现出比对照组高得多的细胞毒性，揭示了在紫外线照射下产生有害ROS。值得注意的是，HDP和Oct@HDPs对整个浓度范围内的细胞活力影响不显著，显示出其良好的生物相容性。且HDPs可以通过清除ROS来保护细胞免受紫外线伤害，并显示出有效的紫外线防护能力。

图3. 体外细胞毒性和紫外线诱导的细胞内ROS产生

【皮肤渗透试验】

虽然已经证明PDA和HDPs显示出有效的紫外线防护能力，但它们是否会穿透皮肤仍然有待商榷。因此，通过在猪皮肤上局部应用颗粒进一步评估了颗粒的离体皮肤渗透，发现HDPs可以在不渗透到深层皮肤的情况下保持长期的皮肤滞留，从而避免渗透引起的副作用，这使得它们适合作为安全有效的紫外线过滤剂工作。定量数据还显示，较大的颗粒在防止皮肤渗透方面表现出更好的能力。这些结果表明，梭形和大尺寸颗粒都有助于防止皮肤渗透，因此梭形大尺寸HDPs可以有效防止其渗透到皮肤深处。

图4. HDPs的体外皮肤渗透示意图

【体内紫外线防护效率】

随后，进一步研究了HDPs和Oct@HDPs的体内紫外线防护效率。人们普遍认为，长期紫外线照射会导致表皮增厚和角蛋白含量增加。因此，通过组织学检查研究了裸鼠皮肤上的颗粒紫外线防护。发现受Oct@HDPs保护的皮肤对紫外线引起的表皮增生有明显的抑制作用，表皮厚度与正常皮肤保持在同一水平，表明Oct@HDPs具有高效的紫外线防护性能。且在Oct@HDPs保护的皮肤中未观察到明显的角蛋白增生现象，可有效预防皮肤角化病。与H&E染色的结果一致，Masson的染色也证实了Oct@HDPs在体内具有卓越的紫外线防护效率。

图5. 体内Oct@HDPs紫外线防护效率

【安全性评估】

大多数紫外线过滤器可以通过光活化ROS产生导致不可逆的DNA双链断裂(DSB)，这可能是皮肤癌发病率上升与防晒霜使用增加之间的一致性的原因。因此，对γ-H2AX(一种由DSB引发的H2AX磷酸化产生的蛋白质)免疫荧光染色以评估体内的DNA损伤。与未受保护组相比，受HDP和Oct@HDPs保护的小鼠γ-H2AX的产生明显减少。特别是在Oct@HDPs治疗组中，它显示出与正常皮肤相同的γ-H2AX水平。表明HDPs可以有效抑制紫外线诱导的皮肤DNA损伤。此外，未受保护组的小鼠在紫外线照射后表现出高水平的TNF-α，一种典型的炎症促炎细胞因子，表明紫外线照射会引起皮肤炎症。相比之下，HDP和Oct@HDPs处理组中TNF-α的产生显着减少。这些结果进一步验证了HDP和Oct@HDPs具有高生物相容性和生物安全性，并有可能用作防晒霜，以实现有效的紫外线防护。

图6. 小鼠背表皮上的γ-H2AX和TNF-α染色

【小结】

受人类头发自然功能的启发，该研究开发了来自人类头发的天然颗粒(HDP)作为多功能防晒霜，可有效保护紫外线。首先，这些颗粒显示出良好的紫外线吸收能力，从而保护皮肤免受太阳有害射线的伤害。此外，由于其介孔结构，这些颗粒还可以用作药物载体。随着紫外线过滤器的加载，发现颗粒在阻挡紫外线辐射方面更有效。更重要的是，由于黑色素是HDP的主要成分之一，这些颗粒可以有效地清除ROS，以保护皮肤免受伤害。另一方面，HDP的特殊梭形形状阻止了防晒霜渗透到深层皮肤中，从而避免了副作用。此外，HDPs可以有效抑制紫外线诱导的DNA损伤和皮肤炎症，表明颗粒具有很高的生物相容性和生物安全性。这些优异的性能促进了这种天然防晒霜在紫外线防护方面的潜在应用。一般来说，人发源材料在防晒霜中的应用是传统防晒霜的有前途的替代品。

来源：BioMed科技

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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