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以IPA為基礎的科學護膚方法:理性護膚的關鍵之道

Ingenuity Pathway Analysis (IPA)經過20多年發展,百位博士透過閱讀文獻後,再加上機器學習的方式,去蕪存菁彙編入資料庫,目前收錄了超過1230萬條生物學相關證據和13萬個公共資料集,並且每週更新文獻資料庫。利用科學證據證明療效,近年來成為護膚產品確效的方向。護膚的核心是活化皮膚自然的修復機制,以抗衰老或修復老化皮膚。保養品研發公司運用Ingenuity Pathway Analysis (IPA),分析基因和生物功能數據,揭示護膚產品的分子機制。透過IPA,研究人員辨識特定成分如何影響皮膚修復的關鍵訊息通路,優化保養品配方,提升肌膚健康和年輕度。這種科學方法推動了護膚科學的發展,為設計更精準、個人化的護膚產品提供了更深入的洞察力。

簡介

皮膚老化常見的結構性變化包括膠原蛋白流失、彈性組織減少、真皮-表皮界面變平與表皮層變薄。為了修復這些結構性損傷,必須全面作用於表皮和真皮層。許多美容程序旨在活化皮膚天然的傷口修復過程,涉及表皮和真皮的雙重作用。這些療法包括化學損傷、物理損傷和熱溶解等多種方式,但共同點是需要對皮膚造成損傷以促進傷口癒合反應。近年來,基於熱能的治療方法如高週波(如Thermage™)、超聲波(如Ultherapy™)和雷射(如Fraxel™)因其能量和時間持續性的作用而受到推崇。

局部應用的生物活性材料已被證實能夠活化真皮和表皮傷口癒合相關的修復過程,其中生物活性胜肽是常見材料之一。例如,來自膠原蛋白的胜肽已被證實能促進體外新膠原蛋白的合成。這些胜肽模擬傷害導致膠原蛋白分解,進而刺激合成,而無需實際傷害組織。

本篇假設結合多種皮膚修復胜肽,以作用於表皮和真皮修復過程,並探索這些胜肽的組合是否能產生新的生物反應,並可能以協同作用方式提供更強大的效果。

研究方法

這篇利用下列步驟:微陣列RNA分析,分別利用了細胞處理和人類檢體進行微陣列RNA表現的分析。在細胞處理方面,研究使用了角質細胞和真皮母纖維細胞,對不同胜肽組合物進行處理,包括niacinamide、Ac-PPYL、Pal-KTTKS或其組合物,並進行了持續6小時的處理。除此之外,也利用了人類檢體進行實驗。研究人員收集了14名年齡介於30至55歲之間、皮膚Fitzpatrick分級為I-IV的女性受試者接受了背部的分散雷射治療。在治療前(未處理,第0天)和治療後3天,研究人員取得了全層真皮檢體進行進一步的分析,以研究不同胜肽組合物對基因表達的影響,並探討其對皮膚細胞再生途徑的影響。另外利用qPCR驗證niacinamide + Ac-PPYL + Pal-KTTKS組合物,或Ac-PPYL + Pal-KT組合物對微陣列分析中識別RNA的協同作用。與Keratinocyte ATP under peroxide stress assay對tert-immortalized角質細胞進行ATP測試,並通過比較組合處理效果與單獨處理效果的總和來確定協同作用。

這些方法旨在研究不同胜肽組合物對皮膚細胞再生途徑的影響,以及它們在協同作用方面的效果。

路徑分析

這項研究通過對胜肽組合在角質細胞和纖維母細胞中的基因表達進行微陣列RNA分析,揭示了Niacinamide、Ac-PPYL和Pal-KTTKS的協同效應。結果顯示,這些胜肽組合在細胞中引起了基因表達的協同作用,特別是在NRF2介導的氧化應激反應途徑上。進一步的生物資訊分析使用Ingenuity Pathway Analysis將這些協同基因進行了路徑分析,發現這些胜肽組合活化了NRF2介導的氧化應激反應途徑,這對於細胞修復和再生過程至關重要。具體來說,這些胜肽組合導致了一系列與氧化應激反應相關的基因的協同調節,包括立即反應氧自由基的基因(如SOD1、GPX2和NQO2)、谷胱甘肽合成的基因(如GCLM)以及通過蛋白體酶體進行蛋白損傷修復的基因(如VCP)。此外,另一組合的胜肽(pal-KT和Ac-PPYL)也被發現能協同恢復由於ROS存在而耗盡的細胞ATP,進一步支持了胜肽組合在加速皮膚修復中的作用。這些發現揭示了特定胜肽組合可能通過協同機制活化氧化壓力反應途徑和能量相關途徑,從而促進皮膚細胞的再生能力。

結果

對皮膚細胞進行胜肽組合的微陣列分析顯示,與單獨胜肽控制組相比,基因表達呈現協同變化。對角質細胞中的協同基因進行生物資訊學分析顯示,Ac-PPYL、Pal-KTTKS和Niacinamide的組合活化了NRF2介入傳導的氧化壓力反應。進一步的分析證實NRF2/ARE的直接下游轉錄基因通過這些胜肽組合呈現協同調控,這一結果得到了細胞報告基因分析的證實。NRF2介入傳導的氧化壓力反應途徑也被發現在皮膚再生早期對雷射治療的轉錄組學中被激活,這表明這種生物機制在組織修復的早期階段的重要性。此外,第二種胜肽組合(pal-KT和Ac-PPYL)被發現能協同恢復細胞ATP水準,這些ATP由於ROS的存在而被耗盡,這表明胜肽協同作用可能加速皮膚修復的另一機制。

圖片

圖1:Niacinamide、Ac-PPYL和Pal-KTTKS對角質細胞和纖維母細胞基因表達的協同效應。 (a) 通過平均對照組(未處理角質細胞,6小時)的log2 fold change進行基因的hierarchical clustering 樹狀圖,顯示煙酰胺(Nia)、Ac-PPYL(Syn)和Pal-KTTKS(Pro)三聯合處理(N + S + P)中表現協同的基因(總共857個)。顯示了頂部上調(右上方)和下調(右下方)基因群組(Gene clustering) 。 (b) 顯示N + S + P處理的角質細胞(與未處理角質細胞比較,6小時)的-p值和log2 fold change的火山圖。標記了三個最顯著和三個最大的折疊變化(上調和下調)協同基因。 (c) 通過平均對照組(未處理纖維母細胞,6小時)的log2 fold change進行基因的分hierarchical clustering的樹狀圖,顯示煙酰胺(Nia)、Ac-PPYL(Syn)和Pal-KTTKS(Pro)三聯合處理(N + S + P)中表現協同的基因(總共179個)。顯示了頂部上調(右上方)和下調(右下方)基因群組(gene clustering。

圖片

圖二: (a) 以 tert-KCs 中的協同基因為基礎的前10個標準信號傳導途徑(根據 Fisher's –log10 p-value)。條形顏色反映了這些途徑被預測為活化(越深的橙色表示 z-score 增加)、抑制(越深的藍色表示 z-score 減少)、無變化(白色,z-score = 0),或者對於無法進行活動預測的途徑(灰色,z-score = n/a)。(b) NRF2結合到DNA中的ARE,其直接下游轉錄靶向基因(粉紅色X)在維生素B3(Niacinamide,簡稱Nia)、Ac-PPYL(Syn)、Pal-KTTKS(Pro)(N + S + P)聯合調控下的表現(紅色,上調;藍色,下調)。(c) 以NRF2介導的氧化應激反應標準途徑內的所有基因(n = 53)進行層次聚類,根據協同基因(N + S + P,與6小時未處理的角質形成細胞相比)和皮膚經過雷射表面再生治療3天後(Fraxel Day 3,與基準未處理皮膚在Day 0的比較)的平均 log2 fold change。(d) 來自於(c)中所有53個NRF2基因的 log2 fold change 圖和皮爾森相關性,比較了協同處理(N + S + P,與6小時未處理的角質形成細胞相比)和皮膚經過雷射表面再生治療3天後(Fraxel Day 3,與基準未處理皮膚在Day 0的比較)。

結論

本研究強調了皮膚在面對環境壓力和老化過程中的重要性,並探討了在促進皮膚再生和修復方面的潛在機制。皮膚作為身體的第一道防線,容易受到紫外線和其他外源性壓力的影響,因而更容易受損。隨著皮膚細胞老化或受損,其功能下降,導致皮膚老化的表現。美容再生技術的發展是對抗皮膚老化跡象的重要手段,但也伴隨著負面效應和長時間的恢復期。

研究表明,活性氧(ROS)在細胞老化和皮膚損傷中發揮著重要作用。細胞通過NRF2途徑來應對ROS,並且NRF2在傷口修復過程中的重要性也逐漸受到重視。NRF2的激活不僅在自然傷口癒合中起作用,還在黃金標準的美容再生程序中發揮重要作用,這些程序通過刺激皮膚的修復反應來達到效果。

透過對雷射治療對皮膚的影響進行分析,我們發現NRF2途徑在傷口修復反應的早期階段被活化,並隨著時間推移而降至基線水平。這一發現暗示著NRF2可能是促進皮膚修復的重要調節因子。

此外,本篇進一步確定了多肽組合在活化NRF2途徑和能量相關過程方面的協同作用。這些研究結果揭示了多肽組合可能通過活化皮膚細胞的再生能力來促進皮膚修復和再生。

本篇研究通過微陣列RNA表現量分析,與生物資訊Qiagen Ingenuity pathway analysis( IPA )進行路徑分析為開發新的皮膚再生技術提供了理論基礎,可以模仿傳統的美容再生方法的效果,同時又不必對皮膚造成額外損害。深入研究這些機制將有助於開發更有效、更安全的皮膚再生治療方法,以改善皮膚老化問題。