透明质酸在化妆品、健康食品和软组织填充剂中的应用

郭学平,刘爱华,凌沛学
(山东省生物药物研究院,山东济南250014)
　　透明质酸(hyaluronic acid) 是一种直链高分子多糖,由葡糖醛酸和乙酰氨基葡糖组成的双糖单位以糖苷键重复连接而成,其结构如图1 所示。HA 广泛存在于人和脊椎动物体内是组成细胞外基质的几种糖胺聚糖之一。在人的皮肤真皮层和关节滑液中含量最多,具有保水、润滑等重要的生理作用。由于其独特的保水、润滑等高分子多糖的性质,其天然性、无过敏性和与人体组织良好的生物相容性,在化妆品、保健食品、美容手术和医药领域具有广泛的应用。
图1 　HA 的化学结构　A:一级结构和双糖
重复单位;B :二级结构
(无规则线团状分子链)
1 　皮肤中HA 的分布和生理功能[124 ]
皮肤中HA 存在于细胞间的胞外基质中, 是细胞间的填充物,表皮和真皮中均含有HA。真皮层较厚,细胞间的胞外空间大、基质多,含HA 的量较多。真皮层中的纤维母细胞分泌HA 和硫酸化黏多糖,如硫酸软骨素和硫酸皮肤素等。在真皮层发现HA 的存在已有50 多年的历史,但表皮中HA 的发现较晚。这可能是因为表皮层较薄,细胞的排列较紧密,细胞间的空间很小,含HA
的量比真皮少,但在胞外基质中的相对含量(或浓度) 并不低,约为2. 5mg/ ml 。皮肤中HA 的生理作用如下所述。
1. 1 　保水作用
HA 在皮肤组织中的保水作用是其最重要的生理功能之一,其理论保水值高达500ml/ g 以上,在结缔组织中的实际保水值约为80ml/ g。HA 在较高浓度时,其长的分子链相互交织成网状,加之与水的氢键结合,从而起到很强的保水作用。HA 在细胞间质(基质) 中的主要作用是保持水分,与其它硫酸化黏多糖和胶原蛋白、弹性蛋白等纤维状蛋白质,共同组成含大量水分的胞外胶状基质,成为细胞代谢的物质交换介质。这种含水的胶状基质, 使皮肤柔韧、富有弹性,充足的水分使肌肤光滑细嫩。当皮肤的湿润感消失, 出现皱纹时,有人认为就是由于HA
的减少而引起的。随着年龄的增长,皮肤中HA 的含量降低,皮肤组织细胞和细胞间的水分含量减少,细胞间的以HA 为主组成的胶状基质所填充的空间减小,导致细胞排列紧密,胶原蛋白失水硬化,使皮肤粗糙,失去弹性。因此水分对于皮肤健康是至关重要的。保水保湿一直是护肤化妆品( skin care cos2metics) 最主要的研究课题之一,也是护肤品的主要的功能之一。
1. 2 　组成胞外基质,维持细胞外的空间
HA 与硫酸软骨素、硫酸皮肤素、胶原等成分及其所包含的大量水分,共同组成胞外基质---细胞的生存空间。有利于营养物质的供应和代谢废物的排放,表皮细胞的迁移。
1. 3 　清除自由基作用
HA 在表皮中可清除阳光中的紫外线照射所产生的活性氧自由基, 保护皮肤免受其害,被称为高效的自由基"清道夫"。氧自由基可导致脂质过氧化,破坏细胞膜,杀伤细胞,并与皮肤的色素沉着有关。HA 与氧自由基发生反应,自由基被清除,HA20 食品与药品被降解。因此HA 还具有防晒作用。
2 　HA 在化妆品中的作用[5 ]
由于HA 具有良好的保湿作用,又是皮肤和其它组织中广泛存在的天然生物分子,从八十年代开始用于化妆品中,被誉为理想的天然保湿因子(natu2ral moisturizing factor ,NMF) 。目前国际上添加HA 的化妆品种类已从最初的膏霜、乳液、化妆水、精华素胶囊、膜贴扩展到浴液、粉饼、口红、洗发护发剂、摩丝等,应用日趋广泛。
2. 1 　保湿作用
保湿作用是HA 在化妆品中最重要的作用,与其它保湿剂相比,其特点是周围环境的相对湿度对其保湿性的影响较小[6 ] 。化妆品常用的保湿剂有甘油、丙二醇、山梨醇、聚乙二醇、乳酸钠、吡咯烷酮羧酸钠等。实验表明,与这些保湿剂相比,HA 在低相对湿度(33 %) 下的吸湿量最高,而在高相对湿度(75 %) 下的吸湿量最低,见图2。这种独特的性质,正适应皮肤在不同季节,不同环境湿度下,如干燥的冬季和潮湿的夏季,对化妆品保湿作用的要求。HA
的保湿性与其Mr 有关,Mr 越高,保湿性能越好[7 ] 。HA 作为保湿剂较少单独使用, 常与其它保湿剂配合使用。
图2 　HA 与其它保湿剂的保湿性比较
2. 2 　营养作用
HA 是皮肤固有的生物物质,外源性的HA 是对皮肤内源性HA 的补充。Mr 较小的HA 可渗入皮肤表皮层,促进皮肤营养的供给和废物的排泄。从而防止皮肤老化,起到美容和养颜作用。皮肤的保养重于其它化妆,已成为现代人的养颜意识。
2. 3 　皮肤损伤的修复和预防作用
皮肤受到阳光暴晒所引起的光灼伤或日灸,如皮肤变红、变黑、脱皮等,主要是阳光中的紫外线的作用。HA 通过促进表皮细胞的增殖和分化,以及清除氧自由基的作用,促进受伤部位皮肤的再生。事先使用也有一定预防作用。其作用机理与防晒霜中常用的紫外线吸收剂不同,因此,在_________防晒护肤品中HA 与紫外线吸收剂混合使用,具有协同作用:减少紫外线的透过和对透过的少量紫外线所造成的皮肤损伤进行修复,起到双重保护作用。将HA 与EGF 和肝素(heparin ,一种具有抗凝血作用的硫酸化黏多糖) 配合使用,可加速表皮细胞的再生,使皮肤细嫩光滑,富有弹性。皮肤遭受轻度的烧烫伤时,表面涂抹含HA 的水剂化妆品可减轻疼
痛,加速受伤部位的皮肤的愈合。
2. 4 　润滑性和成膜性
HA 属于高分子聚合物,具有很强的润滑感和成膜性。含HA 的护肤品涂抹时润滑感明显,手感
良好。涂于皮肤后,可在皮肤表面形成一层薄膜,使皮肤产生良好的平滑感和湿润感,对皮肤起到保护作用。含HA 的护发品,可在头发表面形成一层薄膜,起到保湿、润滑、护发、消除静电等作用,使头发易于梳理、飘逸自然。
2. 5 　增稠性
HA 在水溶液中具有很高的黏度,其1 %的水溶液呈凝胶状,添加在化妆品中可起增稠和稳定作用。
3 　HA 在健康食品中的应用[8 ]
透明质酸美容保健食品最早起源于日本,可能与ABC 的一篇"长寿村"的新闻报道有关。日本的Yuzuri Hara ,是一个长寿村,85 岁以上高龄的老人占当地人口10 %以上,是美国的10 倍。这些老人不但长寿,而且健康,更令人吃惊的是皮肤光滑细腻,有弹性, 没有老年斑, 也从没有人得过皮肤癌。Toyosuke Komori 博士研究揭开了这一迷底,当地人主要以几种薯类为主食,这些薯类中含有的多糖食用后可促进人体皮肤和其他组织中HA 的生成,HA在体内保持水分、活化细胞、润滑关节、保护视网膜、使皮肤光滑有弹性,减缓了衰老的进程。日本的一家制药公司首先开发了一种含HA 的营养补充片,在1000 人食用后,大约一半人感觉皮
肤光滑,疲劳感降低。人在胚胎时期体内的HA 含量最高,出生后逐渐减少。如果把20 岁的人体内的HA 相对含量定为100 % , 30、50 、60 岁时分别下降为65 %、45 %、25 %。相同年龄的人群所含HA 的量也不同,早老症患者的HA 含量明显减少,显示衰老的诸多症状。婴儿的皮肤柔嫩光滑,含有比成人高20 倍的HA ,在此显示出HA 与皮肤滑嫩的关系。口服HA 美容保
健食品可补充体内的HA ,具有活化皮肤细胞,保持食品与药品　　Food and Drug 　　2005 年第7 卷第1A 期21
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表皮湿润,改善皮肤等功效。表现为由体内至体外的全身美容和保健,受到越来越多的人的重视和接受。对皮肤而言,HA 化妆品仅作用于涂抹部位的皮肤表层,增加皮肤表面的HA 含量,起到滋润、保湿作用,是局部性的。而口服HA 美容保健品是全身性作用,是由真皮至表皮增加内源性HA 的含量,使细胞活化,发挥全身作用,与化妆品局部使用具有明显的不同。表面美容主要考虑对局部表皮的护理,而对作为皮肤的主要组成部分的真皮无作用。真皮基质主要由胶原蛋白和HA 等黏多糖组成,随年龄的增长,皮肤的老化是由于胶原蛋白产生变化
所引起,而胶原蛋白的改变是由于具有保水作用的HA 的减少所致。因此,维持胶原蛋白的功能就必须补充HA。除皮肤之外,HA 在其他组织和器官中也同样起到保水和润滑等重要的生理作用,如关节腔、血管、心脏、眼、脑以及皮肤等。以上组织若出现HA减少可导致关节炎、动脉硬化、脉搏不齐、眼老花、脑萎缩以及皮肤出现皱纹。口服给予HA 可补充脏器
和组织内的HA 不足、预防老化,对维持老龄化社会人群的健康具有重要意义[9 ] 。
综上所述,口服HA 保健品具有以下作用:
(1)增强皮肤的保水功能,使皮肤光滑细腻,富有弹性,延缓皮肤衰老;
(2) 改善关节润滑机能,减轻关节疼痛;
(3) 延缓其他组织器官因HA 减少而导致的衰老和功能减退。
在日本上市的产品有:润丽EX (每片300mg ,含HA、硫酸皮肤素等复合黏多糖120mg、胶原70mg、维生素C 40mg、结晶纤维素48mg、玉米蛋白等11mg、氨基葡糖10mg、弹性蛋白1mg) 、Hyaron ECM·E(每片300mg ,主要成分有ECM·E、维生素B12 、胡萝卜素、糊精) 、. . · ì - óG (每片300mg ,主要成分有复合黏多糖、蜂胶、壳多糖来源的寡糖、胡萝卜素、维生素C、E、B1 、B2 、B6 、B12 、钙质) 。我国台湾也有此类美容保健食品。目前国内大陆也有此类保健品在研究,不久后可望上市。美国近几年HA 健康美容食品的发展迅猛,已有十几个品牌的产品上市, 如Source NaturalsHyaluronic Acid(胶丸和片剂) 、Purity's Ultimate H. A.
Formula (胶囊) 、Synthovial Seven Hyaluronic Acid(溶液剂) 、Solary Hyaluronic Acid ( 胶囊) 、Now FoodsHyaluronic Acid (胶囊) 、Derma Beauty HA (Health Log2ics , 胶囊) ,Calofornia Natural HA Formula (胶囊) 、Nat2uralMax Beauty Fast Hyaluronic Acid (胶囊) 、Life TimeNatural Hyaluronic Acid (胶囊) 。下面介绍几种美国市场上的产品及其配方。Purity's Ultimate H. A. Formula (胶囊) 。每日一次服用3 粒,其中含有:HA 150 mg、硫酸软骨素300mg、胶原( II 型) 1500 mg、六磷酸肌醇钙镁75 mg、栎精150 mg、维生素C 120 mg、镁10 mg。
Source Naturals Hyaluronic Acid (片剂) 。每日一次服用2 片,其中含有:HA 100 mg、硫酸软骨素200mg、II 型胶原600 mg、蛋白质1 g、钙140 mg。美国和欧洲在二十世纪末成功地开发了以硫酸软骨素为主要成分的保健食品,该类产品主要含有硫酸软骨素、氨基葡萄糖、胶原和维生素等,通过配方比较,推测现在的HA 保健食品的配方是从软骨素类保健食品的基础上发展而来,添加了具有美容和保健作用的HA。
4 　HA 软组织填充剂在面部美容方面的应用[10 ]
　　皮下注射填充剂用于即时消除皱纹、隆唇等美容手术已有多年历史,以往采用胶原溶液作为填充剂。胶原和HA 都是皮肤结缔组织细胞外基质(ECM) 的主要成分。商品胶原是从动物骨胳和皮肤中提取的蛋白质,其氨基酸组成和结构与人的胶原不完全相同,因此具有一定的抗原性,注射到皮下或其他组织,可能引起过敏反应。胶原填充剂在注射前必须作过敏试验。胶原填充剂诸如皮下组织后,其生物降解和吸收的速度较快,填充效果维持时间较短,一般为2～3 个月。动物和细菌来源的HA 和人体内的HA 在结构上完全一致,无抗原性,无过敏反应,具有良好的生物相容性,是一种理想的生物医学工程材料。但作为填充剂,其缺点是生物降解和吸收速度比胶原更快。为了克服这一缺点,化学家将线性的HA 分子链之间进行交联(cross2linking) ,形成一种网状大分子,即交联HA。交联HA 的生物降解速度非常缓慢,用其做成的填充剂,填充效果维持时间比胶原长,而且无过敏性,无需作过敏试验。对于较深的皱
褶,如鼻唇褶(nasolabial folds) ,交联HA 的填充去皱效果比胶原好。交联HA 软组织填充剂的主要应用: (1) 消除面部的皱纹、皱褶,如眼角鱼尾纹、鼻唇纹(褶) 、额部两眼之间的竖向皱褶等; (2) 隆唇; (3) 填充面部萎缩造成的局部塌陷; (4) 某些面部疤痕,如痤疮愈合后留下的疤痕。注意交联HA 填充剂不能用于隆乳。交联HA 填充剂的植入是非永久性的,几个月后会被组织降解吸收。根据不同的植入部位,其充填效果可维持3～9 个月,一般每年注射植入2～3次即可。
瑞典Q2MED 公司在国际上最早开发交联HA美容填充剂,其产品品牌为Restylane 。目前已上市的品牌还有美国的Hylaform ,加拿大的Juvederm ,英国的Hyalite 等,并获得美国FDA、加拿大、欧洲和澳大利亚有关当局的批准。
5 　中国HA 相关产业的现状及展望
中国从上世纪八十年代开始HA 的研制及其在医学和化妆品方面的应用研究。HA 的生产同国外的发展情况类似,早期化妆品用HA 主要从鸡冠分离提取,纯度较低,含有硫酸软骨素等其它黏多糖和较多的蛋白、核酸等,生产成本高,限制了其广泛使用。目前化妆品工业所用的HA ,主要是用微生物发酵法生产的。发酵法生产的HA ,产量不受动物原料的限制,成本较低,易于大规模工业化生产,产品纯度高。无论是鸡冠提取的还是微生物发酵的,以及人体皮肤中固有的HA ,其化学结构是完全一致的,无种属差异性。我国发酵生产HA 的研究起步于1990 年,国家科委对此项目非常重视,先后将其列入国家"八五"和"九五"重点科技攻关项目计划。经过十几年的发展,我国HA 的发酵技术水平以及产量和质量,已达到国际先进行列。2000 年之后,我国HA 生产进入快速发展时期,每年增长30～50 % ,目前年产量已达到7000kg ,除满足国内需求外,还出口到美国、日本、韩国、欧洲等国家和地区。预计2006 年可超过12000 kg。国内HA 的应用主要集中在医药和化妆品行业,占国内HA 总用量的98 %以上。HA 保健美容食品的开发刚刚起步,已有一种口服液上市,根据该类产品在日本和美国的良好的市场表现,在中国的发展前景看好。现在国内一些美容机构已开始使用交联HA 填充剂进行注射美容,但所用填充剂均为进口,国内尚无交联HA 填充剂生产。在中国市场HA保健品和软组织填充剂领域孕育着巨大的商机,希望能引起美容产品厂商的注意。