抓挠表面:工程师检查紫外线对皮肤力学的影响
斯bob游戏坦福大学材料科学与工程系的研究人员正在使用机械实验室中推导出的模型来更仔细地研究紫外线辐射是如何改变人类皮肤的保护功能的。
斯坦福大学的Reinhold Dauskardt博士材料科学与工程一直在研究皮肤好多年了。但当他派学生去寻找皮肤机械特性的数据时，他们却空手而归。人们对皮肤结构和疾病有很多了解，但很少有论文真正讨论它的机械功能——它在不撕裂的情况下拉伸和抗张力的能力。“这促使我们对皮肤本身更感兴趣，”Dauskardt说。
他和他的团队，包括博士生Krysta Biniek和博士后研究员Kemal Levi，专注于皮肤的最外层:角质层。它保护深层皮肤免受干燥或感染，也是我们抵御紫外线辐射的第一道防线。他们的研究发表在10月1日的美国国家科学院院刊（PNAS）.
他们发现，除了记录良好的DNA损伤而且癌症的风险，紫外线也改变了最外层的方式皮肤细胞紧紧抱在一起，对紧张做出反应。
创新的方法
讽刺的是，这些关于皮肤的发现背后的方法论起源于光伏领域。一笔来自美国能源部支持了道斯卡尔特关于恶劣环境和长时间紫外线照射对材料的影响的研究，尤其是组成太阳能电池板的材料。
“我们正在看这里太阳能电池然后突然想到，‘嘿，我们应该把这些技术应用到皮肤上，’”Dauskardt说。
研究人员对人体组织不同剂量的UVB辐射．(UVB是的范围紫外线的波长它们大部分被表皮吸收，不会渗透到更深的层。)然后，他们测试了样品的机械极限，将它们置于不同的压力下，直到它们撕裂。
我们都经历过用刺激性肥皂洗手后感到干燥、僵硬或皲裂的感觉，坐在暖气片旁或空调通风口下，或在阳光下暴晒太久。现在我们可以开始理解这些感觉背后的机械特性了。这是第一次将这种方法应用于皮肤研究。
人类堡垒
我们身体最外层的角质层防御层有一个“砖瓦结构”。这个模型中的“砖块”是被称为角细胞的死亡细胞，其中充满了角蛋白丝基质。我们皮肤的硬度——它在压力下抵抗变形的能力——很大程度上是由于这些蛋白质链之间的结合。研究人员惊讶地发现，虽然角蛋白的结构被UVB暴露改变了，但组织的硬度没有受到影响。当把皮肤样本放在相反的手柄上并拉开时，暴露在UVB下的皮肤样本具有同样的抵抗力。
另一方面，皮肤防御的“迫击炮”受到了紫外线的打击。在角质细胞之间是一层脂质，这是一种脂质、蜡质物质，它将皮肤细胞连接在一起，防止水分通过。在一种叫做“膨胀试验”的过程中，将薄薄的皮肤条安装在一个充满加压水的腔的开口上，使它们向外膨胀。研究小组发现，紫外线暴露增加了组织吸收水分的倾向，并使脂质之间的联系松动，使其更容易在压力下撕裂。这意味着晒伤的皮肤更容易破裂和皲裂，更深层的皮肤更容易受到感染。
在另一项借鉴材料科学的技术中，研究人员使用了双悬臂梁模型来测试皮肤的粘合性能。想象一下，将融合在一起的餐厅筷子撬开，但在被撕开的区域粘上组织样本。紫外线损伤使单个角质层细胞更容易分离，尤其是在角质层较深层。
这一结果表明，“灰浆”的另一个组成部分，称为角状桥粒的蛋白质，也受到了破坏。这些蛋白质对脱皮至关重要，脱皮是去除死皮细胞的过程，这使我们每两到四周就可以更换整个角质层。虽然紫外线照射对脱屑机制的长期影响尚未得到研究，但对角质桥粒的损伤可能意味着对皮肤保护能力的更深、更持久的损伤。
伤害加倍
所有这些严格的压力测试揭示了一个严峻的事实:太阳对我们的机械屏障功能造成了巨大的损害。
＂紫外线照射不仅会使角质层变弱，”Dauskardt说，“它还会增加导致角质层失效的实际压力。所以这是我们没有预料到的双重打击。”换句话说，紫外线辐射引入更多的力量将皮肤细胞分开，同时使细胞更无力抵抗。
这种双重威胁与公共卫生尤其相关，因为全球气候变化将逐渐改变人们与太阳互动的方式。穿透地球表面的阳光光谱正在增加，而温度升高导致人们穿得更少，使他们更容易受到伤害。
机械测试也证实了涂防晒霜对保护皮肤完整性的重要性。“这太酷了，”道斯卡尔特说，“你在样本上涂上防晒霜，它会导致皮肤受到影响的方式发生巨大变化。”这一研究方向为寻找最佳保护提供了一个直接的策略。这些方法不是试图建立癌症或基因损伤的风险，而是可以快速、准确地模拟不同防晒产品如何影响皮肤机制。Dauskardt已经开始对防晒霜进行比较测试，他认为这项工作可能有助于解决目前关于哪种防晒霜最有效的激烈争论。
Dauskardt说，该项目是一个从不太可能的合作中产生突破性成果的例子。“今天生物工程研究的最酷之处在于，我们正在接受医学挑战，并用现有的工程和科学方法来看待它们。这种跨学科的方法非常强大，你永远不知道它会揭示什么。”
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