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姜黄素Curcumin光动力疗法photodynamic therapy PDT 红蓝光Red/blue light
核酸纳米技术 nucleic acid nanotechnology
脱发是一种常见的皮肤疾病,主要临床症状为毛发异常脱落、毛发稀疏等[1]。据估计,随年龄增长高达85%的男性和50%的女性受脱发的困扰影响[2]。毛发脱落的本质受到毛囊健康状况的影响。健康的毛囊细胞呈周期性变化,其周期分为生长期、退化期和休止期,经历毛发的生长、静止、脱落和再生长过程。毛囊的生长期长达2～6年,是毛发健康生长的阶段;退化期一般处于成长期后2～3周,此间毛发停止生长,毛囊逐渐萎缩,发根向皮肤表面推进;休止期在退化期后持续2～3个月,已经衰老萎缩的毛囊附近会重新形成一个生长期毛球,新毛发随旧发脱落而长出,自此进入新一轮生长循环(图1)。
图1. 头发的生长周期[3]
正常人大约有85%毛发处于生长期,各个毛囊均独立进行周期性变化,互不影响。当毛囊因各种因素受到损伤时,会危害头发健康生长,严重还会导致脱发,甚至形成瘢痕[4, 5]。从长期来看,脱发对世界多数人的生活质量和心理状况造成了不利影响,甚至引发社会焦虑。因此,用于防脱生发的药物需求逐渐增加。米诺地尔和非那雄胺是目前美国食品和药品管理局批准的两种有效治疗脱发的临床药物,但米诺地尔可引起过敏性皮炎,非那雄安有体重增加、水肿、心绞痛和性腺机能减退、致畸等多种副作用易对人体造成不同程度的伤害。为寻求更安全高疗效的治疗方案,医学界将目光瞄准了新型天然药物的开发和新治疗技术的应用[6]。
姜黄素(curcumin)是一种天然低分子量多酚化合物(图2),存在于姜黄植物根茎中[7],具有优异的抗菌、抗炎、抗氧化及抗肿瘤等多种特性,在医药领域的应用中已有超过四千年的历史[8]。现如今,姜黄素在皮肤病[9]、呼吸系统疾病[10]、神经系统疾病[11]和癌症[12]等多个病症的治疗中受到广泛应用。在防脱生发中,姜黄素的助益主要表现在抗炎抗菌、抗氧化、抗雄性激素分泌、促进血液循环、刺激毛囊细胞活性等方面。
图2 姜黄素外观状态与分子结构
(1)抗菌、抗炎作用:由外界细菌(金黄色葡萄球菌)、真菌感染(马拉色菌)和病毒等引发的毛囊炎是毛发异常脱落的主因之一[13]。据目前证据显示,姜黄素是一种重要的抗炎症和伤口愈合剂,对酵母菌、霉菌及各种革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌显示出优异的抗菌作用[14]。Teow等人[15]综合多项研究证据指出,姜黄素及其衍生物对金黄色葡萄球菌均有良好的抑制效果,且主要通过破坏细菌膜发挥抗菌作用。在抗真菌活性方面,姜黄素也展现了对马拉色菌毒性菌丝的良好抑制效果[16]。
图3 姜黄素对金黄色葡萄球菌的抑制作用[15]
细胞炎症受NF-κB信号通路调控[17]。皮肤受到外界环境的刺激时,会异常激活NF-κB,诱导促炎细胞因子的表达,进而引发毛囊炎症[18]。据Farris的研究报道[19],姜黄素是一种潜在的抗炎防脱发成分,可阻碍NF-κB信号通路的激活,减少肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和致毛囊退化的白细胞介素-1(IL-1)。姜黄素显著的抗炎作用,可以显著抑制炎症因子的释放,减轻头皮炎症,从而有助于预防和缓解因炎症引起的脱发问题。
(2)抗氧化:氧化应激是导致脱发的一个重要因素,会损伤毛囊形成的相关细胞[20]。姜黄素是一种天然的强效抗氧化剂,可以中和自由基,[9],减少氧化应激对毛囊细胞的损伤,从而保护头发健康,促进头发生长。Nrf2通路是保护细胞免受氧化应激的重要途径,姜黄素可诱导Nrf-2转录因子的上调(图4),增加酶促抗氧化剂(如血红素加氧酶和谷胱甘肽)的合成,增强细胞的抗氧化防御[21]。
图4 姜黄素处理下Nrf2在细胞中的表达情况
(3)调节雄性激素表达:脱发特别是男性型脱发与二氢睾酮(DHT)水平的升高密切相关。研究表明,姜黄素是一种有效的天然的抗雄激素药物[22],可以抑制5α-还原酶的活性,从而减少DHT的生成。雄激素的刺激、雄激素受体的异常表达以及5α-还原酶的活性增强,均是诱发雄激素性脱发(AGA)的重要因素[23]。研究表明,姜黄素对多个通路具有调节作用,能减弱雄激素诱导的TGF-β信号通路异常变化,从而诱导毛囊进入生长期、促进毛发生长和抑制毛囊周围纤维化[24]。此外,姜黄素还可抑制雄激素受体(AR)的异常表达[25],对II型5α-还原酶亦具备潜在的非特异性抑制作用[26]。
姜黄素还可以改善头皮血液循环,增加毛囊获得的氧气和营养物质,有助于毛囊健康,促进毛囊细胞的增殖和分化,增加毛囊的数量和活性,从而促进新发的生长。然而姜黄素难溶于水、光热稳定性差且及皮肤透过率低等原因造成了其在临床应用中的困难,如何提高姜黄素的生物利用度是目前研究的热点。
近年来,核酸是纳米技术领域内一种极具吸引力的材料,在药物传输系统的设计与优化方面展现了非凡潜力[27]。作为一种天然存在的生物大分子,核酸由核苷酸单元聚合而成,具备精准的碱基配对规则、多功能性、纳米尺度的精巧结构、生物相容性以及可降解性等一系列卓越特性。目前,科研人员已将其巧妙地融入药物运输系统中,开创了一系列创新的核酸拓扑结构,如DNA纳米花[28]、DNA折纸[29]和DNA四面体[30, 31]等(图5)。这些结构不仅能高效装载药物,而且相较于传统载体,显著降低毒副作用。它们能通过静电相互作用和凹槽结合等机制,有效装载草药单体和小分子肽,进而提升药物的生物利用度。
图5 核酸纳米技术的应用
(A)DNA折纸技术[32];(B)DNA纳米花技术[33];(C)DNA框架组装技术[30]。
Lv等人[28]研发的自组装DNA纳米花成功实现了对蒽环类广谱抗生素Dox的装载与细胞内缓释;Wu等人[29]则利用DNA折纸结构递送喹诺酮类抗生素,有效对抗伤口感染;Lin等人[30, 31]的研究则展示了DNA四面体在运载红霉素[31]、姜黄素[30]等药物方面的临床潜力。在体内外实验中,利用四面体DNA将姜黄素包裹成纳米颗粒,能够通过靶向激活核因子E2相关因子2(NRF2)/谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)途径,增强线粒体功能,抑制铁死亡,促进糖尿病微环境下BMSCs的成骨分化,减少小梁丢失,增加骨形成(图6),该方法亦有效提升了姜黄素的生物利用度和稳定性[30]。
图6 DNA自组装四面体包裹姜黄素用于骨密度治疗
核酸适配体因具有高效的特异性识别能力,被广泛应用在生物检测领域当中,为核酸药物的靶向递送开辟了新究路径。常规核酸框架可通过设计特定的粘性末端,与特定的核酸适配体结合,以调节递送系统的生物学功能与活性,实现精准的药物递送。研究发现,在DNA四面体侧臂上修饰核酸配体可促进药物的被动运输与胞内作用[31];在运载左氧氟沙星的DNA纳米载体上添加可定位细菌肽聚糖的核酸适配体,可使药物抵达并富集在伤口感染部位(图7)[32]。Tian的体内实验[29]也证实装载黄芩苷的DNA纳米花能靶向富集在肥胖小鼠的脂肪细胞内,直接激活药物效能。无论采取何种靶向方式,只要载体具备靶向富集能力,就能在提升药物作用效率的同时,大幅减少对非靶向区域的潜在毒性。
图7 DNA折纸技术运载左氧氟沙星靶向细菌肽聚糖,实现伤口精准抑菌修复[32]
基于以上研究,通过构建核酸载体包裹姜黄素,或可以提升姜黄素生物利用度和其在防脱生发治疗效果,还能降低对正常毛囊细胞的毒副作用。
传统的脱发光疗法使用红光(625-740 nm)刺激头部皮肤产热,加速血液循环,促进毛发生长,但对毛囊组织的修复效果低。现代光动力疗法(PDT)则利用特定波长的激光活化光敏药物对症治疗,具有患者依从性高、接受度高等优点。姜黄素是一种天然的光敏剂,在280 nm和420 nm处具有特征吸收峰,其生物活性受特定光照激发后会显著增强。在蓝光(420-480nm)的照射下,姜黄素被激发产生活性氧(ROS)的能力,可破坏等微生物的细胞膜、DNA、蛋白质等,靶向抑制微生物的生长[34-36]。多项体外研究利用LED蓝光活化姜黄素,有效灭杀金黄色葡萄球菌[36]、幽门螺杆菌[37]、痤疮丙酸杆菌[38]等病原体,较单一使用姜黄素治疗显现出更高的整体病变组织清除率和消炎作用。部分研究还拓展了姜黄素在蓝光诱导下对多种致皮肤感染真菌的灭活能力[39, 40]。
为改善姜黄素疏水性阻碍,还有多项研究利用多种亲水性材料与姜黄素结合构建纳米抗菌复合物。使用二氧化钛TiO2、2-羟丙基-β-环糊精(HPCD)及魔芋葡甘露聚糖制备的抗菌姜黄素薄膜(KTCHD),在低浓度即可高效杀菌,且有助于伤口愈合(图8)[41]。
图8 姜黄素薄膜(KTCHD)处理的体内伤口愈合情况[41]
(a)小鼠皮肤伤口;(b)伤口面积的定量分析;
(c)伤口组织的菌落照片和(d)定量计数;(e)小鼠重量变化。
通过外涂脱毛膏脱去小鼠背部毛发,研究姜黄素对对小鼠毛发生长的影响,在体研究结果表明,姜黄素能缩短毛囊从休止期到生长期的时间(P<0.05),加快毛发出表皮的时间,同时姜黄素可延长毛囊生长期并减缓其进入退化期,延长毛发的最终长度(P<0.05)[42]。
图9 小鼠背部脱毛第12天
图10 小鼠背部脱毛第15天
图9-10可以看出脱毛后12天,生理盐水组仍处于生长早期到生长期之间的过渡期,姜黄素组小鼠皮肤已经变黑色,并可见少许黑色毛发;脱毛后15天,姜黄素小鼠毛发明显更加茂盛、浓密、色泽黑亮,而生理盐水组毛发成花斑样生长。从表1小鼠背部毛发长度测量结果可以看出,姜黄素组小鼠毛发生长速度较快,且姜黄素对小鼠鼠背毛终长度有影响[42]。
图11 小鼠背部脱毛后第18天背部皮肤组织切片
图11小鼠背部脱毛后第18天背部皮肤组织切片可以看出,生理盐水组毛囊数量较少,体积较小,毛囊颜色较浅,处于退行期;而姜黄素组毛囊数量相对较多,体积较大,“囊泡样”结构增多(囊泡样结构为毛囊前期),仍处于生长期,且毛球内有明显黑色素,推测姜黄素可能有促进毛囊黑色素合成的作用[42]。
图12 小鼠毛囊体外培养图片
图12可以看出,小鼠毛囊体外培养第3天时,姜黄素组与生理盐水对照组无明显差异,毛囊均处于生长期;培养第7天时,生理盐水对照组毛囊毛球体积变小且毛乳头细长,透明度增加,毛囊已处于退化期,而姜黄素组毛囊毛球形态圆润且结构致密,毛乳头色黑,提交无明显缩小,毛囊仍处于生长期,说明姜黄素可显著延长毛囊的生长期,且有助于细胞黑色素的生成[42]。
图13 不同处理下小鼠皮肤毛发再生情况
最新的研究表明,通过特殊设计的脱氧核糖核酸对姜黄素进行包裹,可以极大的改善姜黄素的生物相容性和利用率,可以助力其在生发、防脱领域中的应用。如图13,以米诺地尔溶液作为阳性对照,结果表明:红蓝光结合核酸纳米姜黄素作用于脱发模型小鼠时,小鼠皮肤毛发生长旺盛,且更乌黑油亮,其促小鼠毛发生长的效果明显优于米诺地尔。
姜黄素在抗菌、抗炎、抗氧化及激素调节等多个方面对脱发治疗具良好作用。核酸纳米姜黄素对比姜黄素,拥有更好的生物相容性,稳定性及靶向性;而相较于高副作用的米诺地尔药物,核酸纳米姜黄素又具温和、高效、低毒、无副作用等优势。其与光动力疗法相结合,蓝光激发姜黄素可以增强其生物活性和功效性,红光可以增强皮肤微循环,在生发、防断发领域拥有广泛的应用潜力。
综上所述,姜黄素协同核酸靶向富集技术结合光动力疗法在防脱生发治疗中展现出高度的可行性与广阔的应用前景。该技术不仅可以克服传统姜黄素制剂的局限性,同时,进一步的提升了姜黄素的生物活性及其在肌肤美容抗衰领域中的应用潜力。
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