光老化

皮膚的老化主要可分為兩個原因：內因性老化(intrinsic aging)與 外因性老化(extrinsic aging)，而外因性老化受外在環境，如紫外線、

汙染物、自由基等影響，最主要為紫外線所引起的光老化

(photoaging)。光老化是指慢性光損害的皮膚，長期暴露於陽光下而 造成皮膚光化。內因性老化皮膚的特色為平滑、乾燥、暗沉並伴隨著 細紋的產生。而光老化的皮膚則是有嚴重的皺紋和色素沉澱，例如：

曬斑和臉部、頸部與手臂斑點狀的色素沉著(Svobodova et al., 2006) 。 轉譯因子NF-κB會因為UV照射而活化，NF-κB會刺激發炎反應的 細胞激素產生，放大皮膚對於UV的反應，吸引已形成嗜中性白血球 膠原蛋白酶(MMP-8)的嗜中性白血球。NF-κB也能促進MMP-9的表 現。只要很小的UV劑量，低於造成紅斑的劑量，就可使MMP的表現 增加。隨著UV照射劑量的增加，MMPs的表現量也會隨之增加。

經人體試驗證實，光老化的皮膚膠原蛋白產生量會減少，照射UV 後膠原蛋白原產生量降低，於二十四小時後最為明顯(Chung, 2003;

Fisher et al., 2000; Rabe et al., 2006; Rittie and Fisher, 2002) 。

（一） UV對於DNA所造成的傷害

皮膚經UV照射會產生直接或是間接的影響，大約有50%UV所造 成的傷害乃因形成自由基，自由基會直接造成細胞的傷害。而光致癌

性(photocarcinogenesis）及UV照射所引起的DNA分子改變，已被廣泛 研究。皮膚組織中黑色素吸收能量達到激發態(excited states)，產生化 學變化，將能量轉移至其他分子，或以光或熱的方式散發多餘的能 量。DNA吸收UV的波長範圍為245 nm至290 nm，因此UVB為誘導 DNA突變的最主要原因。UVB對DNA所造成的突變除了化學變化之 外，尚有形成環丁烷嘧啶二聚體(cyclobutane pyrimidine dimmers)與 Pyrimidine-pyrimidone (6-4) photoproducts(如圖四)，會使DNA的螺旋 結構產生扭曲變形 (Ichihashi et al., 2003; Moriwaki and Takahashi, 2008)。

皮膚經UVA照射間接產生活性氧，包括超氧陰離子(superoxide anion)、過氧化物(peroxide)和單態氧(singlet oxygen)。活性氧不僅會 損害DNA也會傷害組織裡之脂質與蛋白質，UVA能使trans-urocanic acid產生變化，使單態氧產生與DNA nicks。8-Hydroxy guanine 也是 UVA藉由活性氧誘導產生。

圖四 Adjacent pyrimidine bases on the same stand pyrimidine dimer (a) or (6-4) pyrimidine-pyrrimidone photoproduct (b) alter absorbing UVB light energy.(Ichihashi et al., 2003)

（二） UV誘導的訊號傳遞

UV照射後產生活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，會引發下 游一連串的訊號傳遞途徑產生。暴露UV後15分鐘，角質細胞、纖維 母細胞的表皮生長因子、IL-1、TNF-α的受器會活化，而影響下游的 訊號傳遞。促使核轉譯因子AP-1(activator protein 1)被活化，進而調控 MMPs的表現。

活化細胞表面細胞激素與生長因子受器將產生調節下游訊號傳

遞的蛋白質，匯集這些訊號傳遞將會活化small GTP-binding protein例 如: Ras、Rac與Cdc42，這三個small GTP-binding protein是ERK、JNK 與p38等mitogen activated protein kinase (MAP Kinase)的上游調控因 子。在人體皮膚中經UV照射後的30分鐘內，Ras就會被活化。與GTP 結合後的Ras會吸引Raf-1 kinase到細胞膜，Raf-1因而被活化，而Raf-1 是ERk MAP Kinase 的 上 游 活 化 因 子 。 另 一 個 small GTP-binding protein，Rac-1，是由生長因子、細胞激素所活化，同樣地，在人體 皮膚裡照射UV後能夠快速的被活化。皮膚經UV照射15分鐘後會誘導 NADPH oxidase活性，因而提高超氧陰離子的活性。活性氧產生增加 時可能擴大訊號傳遞而活化MAP Kinases。Rac-1和Cdc42已被證實能 與調節MEKK(JNK、ERK和p38上游活化因子)的序列結合如圖四 (Jinlian et al., 2007; Rittie and Fisher, 2002)。

UV照射後細胞內神經醯胺(ceramide)含量增加，能活化MAPK pathway。神經醯胺是由神經鞘磷脂酵素(sphingomyelinases， SMases) 分解鞘磷脂(sphingomelin)所產生，能快速活化Raf-1、MEKK1和Erk。

由於神經醯胺與活性氧的量同時提高，推測UV誘導神經醯胺的產生 與活性氧產生的提高有相關性。而且UV所誘導神經醯胺的產生會被 自由基清除劑如維生素E所抑制。

圖五 UV-induced signaling cascades: UV activation of growth factor or cytokine receptors leads to the activation of MAP Kinase.(Rittie and Fisher, 2002)

1. UV誘導AP-1活化

MAP kinase pathways最主要的效應產生於轉錄因子AP-1。AP-1是 由Jun和Fos家族蛋白(c-Jun，JunB，JunD，c-Fos，FosB，Fra1和Fra2) 所組成(Karin et al., 1997)，以異雙元體(heterodimer)最為典型，由c-Jun 與c-Fos所組成，縱使組合的變化依據啟動子前後的序列而定，但 c-Jun/c-Fos具有最高的轉錄活性。與培養的細胞相比，人類皮膚會持 續高度表現c-Fos，且不受UV的影響^。當皮膚未照射UV時，AP-1轉錄 因子通常由c-Fos和JunD所組成。在許多生長因子、細胞激素以及外 在環境刺激下(例如：UV)能誘導c-Fos和c-Jun基因的轉錄。MAPK pathways可以直接或間接地促進c-Fos和c-Jun基因的轉錄，除此之 外，JNK及p38可透過磷酸化的方式活化與穩定c-Jun。人體皮膚中，

UV所誘導c-Jun的mRNA及蛋白質量的增加可在30分鐘及1小時分別 被偵測出^，c-Jun蛋白質的量可以持續維持24小時，其能有效與JunD競 爭形成具有活性的AP-1(c-Jun：c-Fos)並遍及表皮與真皮細胞。

2. AP-1調控MMPs與膠原蛋白生成

AP-1可以調控許多基因的表現，而這些基因可進一步調節細胞生 長與分化。有些MMPs家族成員也受到AP-1的調控，MMPs是依賴鋅 (zinc-dependent)的蛋白內切酶，可以有效降解所有的細胞外基質蛋 白，以不活化態(zymogens)分泌。經過酵素切斷前結構域(prodomain)

方能成為活化態，而MMPs的活化可藉由三方面來調控：MMPs的合 成、zymogens的活化和抑制水解活性。MMPs活性可藉由內生性的蛋 白抑制劑TIMPs所抑制。而這些MMPs中可被AP-1所活化的包含：

MMP-1、MMP-9和MMP-3。在人體試驗中，皮膚經UV照射會誘發 MMP-1、MMP-3和MMP-9基因的表現(Fisher et al., 1996; Fisher et al., 1997)。UV照射後的8小時可以觀察到MMP-1、MMP-3和MMP-9基因 的轉錄增加，這三個MMPs的基因表達增加進一步合成許多具有酵素 活性的MMPs(Fisher et al., 1998)。UV造成皮膚的傷害會誘發部分 MMPs的表現，而MMP-1、MMP-3和MMP-9具降解膠原蛋白纖維的 能力。人體試驗中觀察得知，UV照射後24小時內，可以發現膠原蛋 白的降解量增加(Fisher et al., 1997)。因此，皮膚暴露於UV下，將導 致AP-1轉錄因子增加，而提高MMPs的濃度，造成細胞外基質的降解。

UV不僅增加膠原蛋白降解速度，也會減少第I型膠原蛋白的生 成，形成膠原纖維的量也會降低(Fisher et al., 2000)。活性氧能直接攻 擊組織使其氧化，使膠原蛋白降解(Dong et al., 2008)，干擾膠原蛋白 基因表現的訊號傳遞。在體外實驗(Bizot-Foulon et al., 1995; Fisher et al., 1997)與人體試驗(Bizot-Foulon et al., 1995; Fisher et al., 1996)中發 現，纖維母細胞照射UV後，細胞外基質的降解會增加。第I型的膠原 蛋 白 的 減 少 部 分 是 由 於UV 所 誘 發 之 AP-1 造 成 的 ， AP-1 可 降 低

COL1A1 and COL1A2 的 基 因 表 現 (Bornstein, 1996; Chung et al., 1996)。UV照射後的8個小時內，第I型膠原蛋白的表現會降低。在接 下來的24小時內，可以觀察到上層的真皮中第I型膠原蛋白原減少 (Chung, 2003; Fisher et al., 2000; Rabe et al., 2006)。

3. UV削弱TGF-β訊號傳遞

TGF-β能調節多種細胞功能，包括分化、增生與誘發細胞外基質 蛋白的生成，在皮膚TGF-β會抑制表皮角質細胞生長和促進真皮纖維 母細胞生長，並誘發產生細胞外基質膠原蛋白和彈力蛋白，抑制 MMP-1和MMP-3。TGF-β的受器遍及表皮與真皮。TGF-β是膠原蛋白 合成過程中很重要的啟動子(promoter)，其中最占優勢為TGF-β2群 組。TGF-β的作用是經由與細胞表面受器複合體結合，複合體含3種 蛋白：Type I、II、III (TβRI、TβRII、TβRIII)，TGF-β的接合是與兩 個TβRI及兩個TβRII的複合體結合，TβRII磷酸化TβRI，TβRI又磷酸 化receptor-activated Smad protein（R-Smad）-Smad2和Smad3形成雜聚 體並與Smad4（co-Smad）結合形成聚合體，此聚合體進入細胞核後 調節標的基因的轉錄。Inhibitory Smads（I-Smad），Smad6和Smad7 能夠阻斷R-Smad磷酸化，因此影響TGF-β的訊號傳遞(Gambichler et al., 2007)。經UV照射後TGF-β2的蛋白表現量降低和增加Smad7的表 現，造成第I型膠原蛋白減少，能夠藉由調控AP-1與TGF-β來調節UV

造成的膠原蛋白合成降低。

CCN family是 cystein-rich proteins，其中的兩類connective tissue growth factor (CTGF) 和Cyr61，可以調控TGF-β所誘發的膠原蛋白原 產生。TGF-β藉由Smad這條路徑來刺激CTGF基因表達。以CTGF注射 老鼠皮膚或加至培養的纖維母細胞中，可以刺激第I型膠原蛋白原的 產生。也有文獻指出，利用anti-CTGF的抗體及RNAi的方式可以抑制 由TGF-β 所 誘 導 的 第 I 型 膠 原 蛋 白 原 的 產 生 (Duncan et al., 1999;

Kothapalli et al., 1997)。相反地，在培養的纖維母細胞中加入Cyr61則 可抑制膠原蛋白的產生，當外加TGF-β時可以克服此現象。CTGF和 Cyr61於人體皮膚的表皮及真皮中或是培養的角質細胞、纖維母細胞 中皆能持續表現。

UV射 線 會 藉 由 減 少 TβRII的 表 現 及 增 加 Smad7的 表 現 來 削 弱 TGF-β的訊號傳遞，其中 TβRII的減少所產生的影響較大，如 此 TGF-β/Smad的訊號傳遞在一開始的步驟就被阻斷。在動物實驗與細 胞實驗中，經UV照射會減低CTGF(Quan et al., 2002)，此作用也可能 是UV所造成第I型膠原蛋白原生成減少的原因，但UV抑制CTGF基因 表現的機制目前尚未明瞭。

（三） 內因性老化

1. 內因性老化皮膚膠原蛋白生成降低

內因性最主要的特徵就是第I型、第III型膠原蛋白原生成量降低，

使得皮膚變薄而脆弱，其不論是蛋白質或是mRNA的量皆降低。在體 外實驗中，老化的纖維母細胞TGF-β1、TβRI、TβRII基因表現降低，

而在老化的皮膚中TGF-β1和TβRII的量減少。TβRII的減少或許也是重 要的一環，因為如此會減低TGF-β所誘發的訊號傳遞，但TβRII的減 少不會影響一般蛋白質的合成，因為在老化皮膚中TβRI並未減少。除 此之外，CTGF也是減少的，這樣的現象與TGF-β誘導的反應一致，

皆會降低第I型膠原蛋白原的生成。

Decorin是富含白胺酸(leucine)的蛋白聚醣(proteoglycan)。在老化 的皮膚中TGF-β會與decorin結合且被隔離。Decorin與膠原蛋白間的作 用會影響到皮膚的張力強度，並調控膠原蛋白纖維形成的速率。

decorin基因缺陷的老鼠，皮膚因無張力而易損傷，大量膠原蛋白纖維 呈現不規則狀。與年輕老鼠相較，年長老鼠皮膚真皮中decorin的量會 上升，在體外實驗中，老化的人類纖維母細胞也有相同的情形。推測 老化的人類皮膚中可觀察到過量decorin，造成膠原蛋白纖維結構破 壞。然而decorin的量在老化與UV照射的皮膚中是否升高，仍是未知 的。

2. 內因性老化皮膚基質金屬蛋白酶表現增加

內因性的皮膚除了膠原蛋白生成減少外，MMP-1、MMP-2