FSHW | 胶原多肽对皮肤光老化的保护作用及其机制研究进展

Introduction

皮肤是人体最大的器官之一，由表皮、真皮和皮下组织组成。紫外线的长期照射会改变皮肤的结构，因此，它可能导致皮肤弹性、水分和柔软度降低，出现棕色斑点和皱纹，这就是所谓的光老化。光老化是皮肤老化的主要原因之一。理论上，补充Ⅰ型胶原蛋白可以减轻皮肤光损伤。然而，胶原蛋白的结构相对稳定，具有特殊的三螺旋结构，其分子量大于300 kDa。因此，直接吸收和利用胶原蛋白的效率较低。在酸、碱、热和酶的作用下，胶原可以被降解。与完整的胶原蛋白相比，低分子量的多肽更容易被人体消化吸收，从而提高了其营养和功能特性。近年来，越来越多的研究证实了低分子量胶原多肽对皮肤光老化的保护作用。本文综述了胶原多肽对光老化皮肤的保护作用及其分子机制，为胶原多肽在食品和化妆品工业中的应用提供理论依据。

胶原多肽的制备

目前，酶法是制备生物活性肽的常用方法。已报道的蛋白酶分为动物蛋白酶、植物蛋白酶和微生物蛋白酶，其中碱性蛋白酶因其优良的水解能力而最为常用。为了提高胶原蛋白的水解度，不同蛋白酶组合被广泛用于水解胶原蛋白。表1概述了胶原蛋白的酶水解及其胶原多肽的生物活性。酶法提取的胶原多肽具有保湿、吸湿、抑制酪氨酸酶活性、抗氧化和潜在的抗光老化等生物活性，其作用效果与分子量、氨基酸组成和肽序列等密切相关。

表1 酶法制备胶原多肽的部分总结

皮肤光老化机制

紫外线的长期辐射可通过细胞信号通路引起一系列的变化，导致细胞外基质（ECM）的降解和光老化反应的发生。光老化皮肤的主要组织学特征是ECM组成发生变化，胶原合成逐渐减少，胶原降解增加，导致胶原含量减少。转化生长因子β（TGF-β）/Smad是胶原合成减少的主要调节途径，真皮成纤维细胞中基质金属蛋白酶（MMPs）/基质金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）的不平衡表达是ECM降解增加的主要原因。

TGF-β/Smad和MAPK信号通路影响胶原代谢，参与光老化过程。此外，最近的一些研究报道，紫外线可以诱导NF-κB、PTEN/PKB、Hh和Wnt通路的激活，从而引起光老化。NF-κB和Hh信号通路参与紫外光诱导的光老化中炎症因子的表达和MAPK的激活。此外，UVB辐射可诱导成纤维细胞PTEN和PKB的磷酸化，上调AP-1的活性，增加MMP-1和MMP-3的表达。紫外线照射也可下调Wnt3a的表达，Wnt3a与光老化相关蛋白TGF-β2呈正相关，从而减少成纤维细胞胶原的合成。

胶原多肽可防止保湿因子流失

天然保湿因子（NMF）是丝聚糖蛋白的水解衍生物。紫外线的辐射可破坏丝聚糖蛋白的水解，最终导致NMF含量降低和皮肤水合能力下降。胶原多肽中含有大量的NMF，如Ser、Asp、Hyl、Hyp等。此外，胶原多肽中含有许多亲水性基团，如羟基和羧基，可以增强皮肤结合和保持水分的能力，有效提高光老化皮肤的含水量。动物实验表明，UVB重复照射（10～30 mJ/cm2，3次/周，共6周）可增加经表皮失水（TEWL），降低角质层含水量，而摄入胶原多肽可显著降低TEWL，增加含水量，这可能与小鼠皮肤中透明质酸含量增加有关。胶原多肽的活性成分可刺激成纤维细胞，诱导透明质酸合成，导致真皮中透明质酸含量增加。透明质酸含有大量的亲水因子，能吸收和保持高水分，从而提高皮肤的含水量和弹性。

胶原多肽防止黑色素过度生成

酪氨酸酶是黑色素形成的关键酶，能逐渐将酪氨酸转化为黑色素。胶原多肽中的酪氨酸残基可以与酪氨酸酶的活性部分结合，导致酪氨酸酶活性的降低。酪氨酸酶不能催化酪氨酸转化为黑色素，黑色素的合成降低。因此，胶原多肽可以表现出光保护作用。表2总结了不同来源胶原多肽对酪氨酸酶活性的抑制作用。到目前为止，胶原多肽抑制酪氨酸酶活性，进而降低黑色素含量的确切机制尚未阐明。黑色素的产生涉及多种信号途径，包括多分子和基因调控，其中环磷酸腺苷（cAMP）是重要的调控途径之一，可以通过激活蛋白激酶A来上调小眼畸形相关转录因子（MITF），实现黑色素的合成。有研究提出胶原多肽对黑色素合成的抑制可能与cAMP表达的降低有直接关系。最近的一些研究表明，MAPK途径也可以影响黑色素的合成，而胶原多肽在MAPK途径中起一定的调节作用。胶原肽是否能通过MAPK途径调控黑色素的合成尚不清楚，这可能是胶原多肽抑制黑色素合成的主要分子机制之一。

表2 不同来源胶原多肽对B16黑色素瘤细胞种酪氨酸酶活性及黑色素含量的影响

清除自由基

胶原多肽具有抗氧化活性，能清除人体内过多的自由基，从而延缓衰老，改善皮肤老化。有研究表明，多肽的抗氧化活性取决于氨基酸的组成和序列，His在抗氧化活性中起着重要作用。但也有研究认为MW是决定胶原蛋白水解物抗氧化能力的主要因素。胶原多肽的抗氧化活性与分子量的对数呈负相关，这可能是由于分子量低的多肽能暴露更多的电子供体，与自由基结合，阻断自由基链反应。因此，小肽更容易通过肠道屏障。然而，已经表明分子量为1400 Da的肽比分子量为900 Da和200 Da的肽具有更强的抗氧化活性。表3总结了一些来自不同来源的胶原多肽的体外抗氧化活性。胶原多肽中疏水性氨基酸的存在对抗氧化活性具有重要意义，含硫氨基酸也能提高胶原多肽的抗氧化活性。此外，胶原多肽的抗氧化活性与氨基酸的位置和组成有关。胶原多肽末端的疏水氨基酸显示出更强的抗氧化活性，因此胶原多肽的抗氧化活性与其分子量、氨基酸组成和序列有关。

表3 不同来源胶原蛋白多肽的体外抗氧化活性

胶原多肽对光老化小鼠皮肤形态学的改善作用

紫外线照射后，皮肤组织结构发生改变，变性、无功能的胶原纤维替代正常纤维，真皮纤维排列紊乱、粗糙，聚集严重，角化严重，表皮增生增厚。用胶原肽（167 mg/kg/d或333 mg/kg/d）处理光老化小鼠后，小鼠皮肤中真皮纤维组织排列更为有序致密，胶原多肽对光老化引起的皮肤组织紊乱有较好的改善作用。有研究表明，与高分子量肽（MW＞1kDa）相比，口服低分子量肽（0.5 kDa＜MW＜1 kDa）对皮肤有较好的修复作用，而明胶（120 kDa＜MW＜220 kDa）对皮肤无明显改善作用。这可能与低分子量多肽具有较高的抗氧化性能有关。一般来说，低分子量肽可以暴露更多的电子供体，具有较高的自由基清除能力，从而通过信号通路（如TGF-β/Smad、MAPK）减缓自由基对人体皮肤的损伤，改变ECM的合成。此外，低分子量多肽更容易被吸收，具有更高的生物活性，有助于修复光老化皮肤。

胶原多肽抑制光老化的信号通路

胶原多肽改善皮肤光老化的机制已被探讨。研究发现，胶原多肽可通过调节TGF-β/Smad、MAPK、NF-κB等信号通路改变ECM的合成。一方面，胶原多肽可以增强抗氧化能力，清除ROS，进而调节相关途径，从而减轻光老化。另一方面，胶原多肽也能与MMP-1和MMP-9的活性位点结合，从而抑制其活性。来自罗非鱼皮肤的多肽YGDEY在Leu235和Asp131位点与MMP-1和MMP-9形成氢键，距离分别为2.14和2.01 Å，从而降低MMP-1和MMP-9的活性。罗非鱼鱼皮明胶水解物的LSGYGP与MMP-1的Tyr240、Thr241和MMP-9的Glu402形成氢键，表现出抑制活性。

图1 胶原肽对紫外线诱导皮肤光老化的保护机制

结论与展望

近年来，胶原蛋白多肽因其独特的生物活性而备受关注。本文综述了胶原多肽作为一种潜在的抗光老化保护成分的研究进展。胶原蛋白主要来源于动物，包括陆生和水生动物。然而，由于人畜共患病，例如疯牛病和口蹄疫，陆生动物也有潜在的危险。因此，海洋胶原蛋白是近年来研究的热点。从海洋动物副产品中提取海洋胶原蛋白，对减少原料浪费、保护环境具有重要的现实意义。然而，海洋生物来源的胶原蛋白由于其亚氨基酸（Pro和Hyp）含量较低，可能与哺乳动物有一定的差异，从而影响胶原多肽的消化率和生物活性。并且，胶原多肽的光保护作用因胶原来源、种类和提取方法的不同而有显著差异。最后，虽然胶原蛋白多肽的抗光老化机制研究取得了很大进展，但仍有许多问题有待解决。目前，胶原肽的抗光老化研究主要集中在TGF-β/Smad、MAPK和NF-κB信号通路；但其分子机制尚未完全阐明。最后，胶原肽的光保护作用仍在探索中，其临床疗效有待进一步研究。

通信作者简介

张宇昊，男，西南大学教授，博士生导师，院长。丹麦哥本哈根大学访问学者，重庆市高等学校优秀人才计划入选者，重庆市科学技术带头人（后备人选），重庆市生态渔产业体系岗位科学家，中国食品科学技术学会青年工作委员会委员，中国畜产品加工研究会理事，重庆市食品工业协会副理事长，重庆市特色食品工程技术研究中心主任，重庆市农产品加工重点实验室主任，重庆市科青联理事《食品工业科技》、《食品研究与开发》等期刊编委，《食品科学》期刊青年编委， Food Chemistry、 Food Hydrocolloids等国际期刊审稿人。发表相关学术论文100余篇，其中SCI收录40余篇。获得国家发明专利9项，国家实用新型专利2项，中华农业科技奖科学研究成果一等奖1项，中国粮油学会科学技术一等奖1项，中国食品产学研创新发展高峰论坛优秀科研成果奖2项，中国农业科学院科技成果二等奖1项。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，国家重点研发计划子课题，重庆市新冠肺炎疫情应急科技攻关专项，重庆市基础科学与前沿技术研究重点项目，中国博士后基金面上项目、特别资助项目等项目20余项。

付余，博士，教授，西南大学食品科学学院院长助理。丹麦奥胡斯大学博士，哥本哈根大学博士后，加拿大曼尼托巴大学访问学者。重庆市高层次人才（第四类），重庆市国家“三区”科技人才，重庆市农产品加工业协会专家，SCI期刊 Journal of Food Biochemistry编委。主要从事食品蛋白质（肽）的风味与营养研究，主持各类科研项目6项，以第一/通讯作者发表SCI论文20余篇，参编英文著作5部，授权国家发明专利1项。

第一作者简介

黎重阳，女，西南大学食品科学学院2019级硕士研究生，研究方向食品化学与营养学。

Recent progress in preventive effect of collagen peptides on photoaging skin and action mechanism

Chongyang Lia,b, Yu Fua,b,*, Hongjie Daia,b, Qiang Wangc, Ruichang Gaod, Yuhao Zhanga,b,*

a Key Laboratory of Luminescent and Real-Time Analytical Chemistry, Ministry of Education, College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China

b Biological Science Research Center, Southwest University, Chongqing 400715, China

c Institute of Food Science and Technology, Chinese Academy of Agriculture Sciences/Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100193, China

d School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China

*Corresponding authors E-mail address

fuy987@hotmail.com

zhy1203@163.com

Abstract

Ultraviolet (UV)-induced photoaging skin has become an urgent issue. The functional foods and cosmetics aiming to improve skin photoaging are developing rapidly, and the demand is gradually increasing year by year. Collagen peptides have been proven to display diverse physiological activities, such as excellent moisture retention activity, hygroscopicity, tyrosinase inhibitory activity and antioxidant activity, which indicates that they have great potential in amelioration of UV-induced photoaging. The main objective of this article is to recap the main mechanisms to improve photoaging skin by collagen peptides and their physiological activities in photo-protection. Furthermore, the extraction and structural characteristics of collagen peptides are overviewed. More importantly, some clinical trials on the beneficial effect on skin of collagen peptides are also discussed. In addition, prospects and challenges of collagen peptides are emphatically elucidated in this review. This article implies that collagen peptides have great potential as an effective ingredient in food and cosmetics industry with a wide application prospect.

Reference:

LI C Y, FU Y, DAI H J, et al. Recent progress in preventive effect of collagen peptides on photoaging skin and action mechanism[J]. Food Science and Human Wellness, 2022, 11(2): 218-229. DOI:10.1016/j.fshw.2021.11.003.

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活品质，北京食品科学研究院和中国食品杂志社在宁波和西宁成功召开前两届“动物源食品科学与人类健康国际研讨会”的基础上，将与郑州轻工业大学、河南农业大学、河南工业大学、河南科技学院、许昌学院于2022年5月7-8日在河南郑州共同举办“2022年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”。欢迎相关专家、学者、企业家参加此次国际研讨会。