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摘要

紫外线灯在光疗中应用广泛，紫外线辐射的积极作用主要与人体皮肤中维生素D的合成有关。尽管如此，为了避免有害的影响，紫外线灯的生物功效仍然是基于红斑作用谱的评估，使用输出为红斑单位的紫外线检测器。由于红斑与维生素D合成作用谱的差异，在此基础上对维生素D合成的评价是不充分的。因此，直接测量维生素d合成活性是用于医疗和/或美容目的的紫外线灯计量中缺失的一环。本文在相同光反应的基础上提出了独创的方法在体外通过光和热诱导7-脱氢胆固醇(维生素D原)的转化，维生素D在人的皮肤中合成_3.)．紫外线光子被溶液中的维生素D原分子吸收，或嵌入特别设计的紫外线透明和稳定的模拟生物样品的基质中。开发了三种不同复杂程度的操作模式来实时跟踪光反应过程，并给出了测量几种紫外线灯的维生素D合成活性的结果，以及首次对直接测量血液和溶液中的维生素D水平进行了比较研究

关键字

紫外线辐射，紫外线生物剂量计，维生素D合成，抗疲劳紫外线剂量

介绍

紫外线辐射的发现在19^th世纪以来，紫外线的特性及其与人类生理和病理变化的联系，使我们得出结论，紫外线辐射既有有益的影响，也有有害的影响，这取决于生物体的类型、波长区域和辐射剂量。

这种不同的影响部分源于UV- a (320-400 nm)、UV- b (280-320 nm)和UV- c (100-280 nm)光子能量的差异，也源于生物体内能够吸收UV光子的不同结构。紫外线光子被皮肤中的紫外线敏感分子吸收，并引发各种光化学反应，导致结构变化，根据所接受的紫外线剂量，可能导致积极或消极的生物效应。

脱氧核糖核酸(DNA)是光生物效应最重要的靶分子之一。大量不同类型的紫外线诱导光反应在DNA分子中产生，可导致突变，甚至细胞的杀伤力。DNA中环丁基嘧啶二聚体的形成有助于红斑和晒伤的形成机制[1]。幸运的是，一个细胞有巨大的能力修复所有类型的DNA损伤。

表皮的另一个发色团是7-脱氢胆固醇(7-DHC，维生素D原_3.)，而穿透人体皮肤的UVB光子则负责将其转化为活性形式的维生素D_3.这是人体正常钙吸收和代谢所必需的。近年来，鉴于维生素D在降低癌症、多发性硬化症和1型糖尿病风险方面的重要作用的新数据，人们对维生素D的兴趣大大增加。维生素D活性代谢物1,25(OH)₂D_3.被认为是调节细胞生长和调节免疫系统的关键激素[3]。

鉴于维生素D在维持健康方面的重要作用，并考虑到已观察到的维生素D缺乏在世界人口中普遍存在[2]，测量医疗和(或)化妆品用紫外线灯合成维生素D的能力尤为重要。

本文主要介绍了用原始方法计算和测量UV源的维生素D有效辐照度在体外维生素D合成模型

作用光谱和生物有效辐照度

紫外线辐射的每一种特定生物效应都有其各自的作用谱(AS)来表征，作用谱定义为同一剂量下不同波长的单色辐射所引起的生物效应值的光谱依赖性。一种生物上有效的辐射E_eff可以通过适当的作用谱加权其光谱辐照度，并在作用谱非零的波长区间上积分来计算UV光源的强度。

在这里E_λ（λ）-用光谱辐射计测得的紫外线灯的光谱辐照度[Wm^－2纳米^－1),年代_λ（λ）-作用光谱[相对单位]，λ -波长[nm]。

通过数学计算，CIE红斑作用谱被广泛用于估计阳光和人工紫外线源[5]的红斑活性辐照度。

维生素d合成作用谱的情况更加困难和模糊。2006年CIE提出了生产维生素D前的行动范围_3.在发现紫外线可调谐激光引发[8]的重要波长效应之前进行的单次测量[7]。这种鲜为人知的波长效应在[9]中有详细描述。

众所周知，维生素D的合成需要两个步骤。首先，紫外线光子吸收导致7-DHC转化为维生素D前，随后经过热诱导转化为维生素D。因此，紫外线照射期间积累的维生素D前的量是生物有效(“抗疲劳”)紫外线剂量的衡量标准。

由于UV照射初期维生素D前的积累速率主要取决于7-DHC分子对光子的吸收效率，因此维生素D合成的作用光谱必须与7-DHC的吸收光谱相关。然而，这种7-DHC吸收光谱与在活的有机体内虽然与维生素D前的形成密切一致，但[7]中检测到的AS是缺失的_3.在同样的研究中，我们发现了7-DHC在人体表皮和溶液中的作用。

[10]详细分析了产生这种差异的原因。对于CIE作用谱是否正确的一些质疑也在[11,12]中进行了讨论。维生素D作用谱的这种不确定性可以显著改变紫外线源维生素D合成能力的解释。

因此，考虑到光生物效应是由光化学引发的，在“加权光谱辐射法”中使用7-DHC的吸收光谱，而不是人体表皮的CIE维生素D作用光谱，以避免在预测紫外线灯维生素D有效辐照度时产生误导的结果。应该强调的是，这种方法完全符合光化学第一定律——“光必须被吸收才能发生光化学”。还应该提到的是维生素D作用谱的测量在体外发现其与7-DHC[13]的吸收光谱密切对应。

重要的是要认识到红斑AS不适合计算“抗炎”辐照度[14]，如图1所示，其中两个作用光谱(红斑和维生素D)与紫外灯光谱(图1a)一起显示，相应的计算生物有效辐照度如图1b所示。很明显，抗痉挛的辐照度是这个紫外线灯红斑辐照度的一小部分。换句话说，引发维生素D原合成的紫外线光子的数量明显少于导致烧伤的紫外线光子的数量。

还应该强调的是，红斑和抗痉挛的辐照度的比例不是恒定的，它取决于特定紫外线灯的发射光谱。

另一种直接测量紫外线辐射生物有效性的方法是使用光谱灵敏度与特定生物效应作用光谱相关的特殊仪器。大多数宽带紫外线探测器的光谱灵敏度通常被设计成与CIE红斑作用光谱非常接近。如图1所示，这种仪器不能充分测量紫外线源合成的维生素d(“抗疲劳”)活性．这一问题可以借助专门的生物剂量计来解决，它直接测量综合的生物效应，但结果是以特定的生物单位表示的。

图1所示。7-脱氢胆固醇的吸收光谱(相对单位)和CIE红斑作用光谱与UV灯照射光谱的关系cleperformance 100W-R (a)和计算的红斑(浅灰色)和“抗疲劳”(深灰色)生物活性辐照度(右)

为了直接检测紫外线源合成维生素D的能力，已开发出生物等效紫外线剂量计，该计基于人类皮肤中维生素D的光合合成所依赖的同一分子光化学，使维生素D合成的仪器[15-18]和视觉指示成为可能[19-21]。

维生素D合成的主要特征

如上所述，维生素D的生产是一个两个阶段的过程。第一步是由吸收紫外线光子的维生素D原在光诱导下形成维生素D原。第二步是热诱导维生素D前体转化为维生素D(图2)。因此，要确定抗疲劳紫外线剂量，就需要测量紫外线照射过程中积累的维生素D前体的量，但由于维生素D前体本身对紫外线辐射不稳定，并经历了许多侧光转换，因此这项任务很复杂。

图2。维生素D合成示意图:紫外线照射维生素D原产生维生素D前，在体温下进一步转化为维生素D，但在紫外线照射下，新形成的维生素D前受到侧光转换

因此，最初维生素D原的紫外线照射会导致多组分光异构体混合物的形成，其中累积的维生素D原的最大量显著取决于紫外线照射的波长(或紫外线灯辐射的光谱组成)(图3)。

图3。在(a)低压汞灯(254 nm)和(b) XeCl准分子灯(308 nm)的紫外照射下，7-DHC形成维生素D前的光反应过程。开放符号表示侧光产物

光反应的另一个重要特征是维生素D前的积累与紫外线剂量的非线性依赖关系，也就是说，认为紫外线照射时间越长，维生素D前形成的越多是不正确的。

因此，任何具有线性响应的测量装置(光电或光敏聚合物膜)都不能充分测量维生素D合成活性，即使其光谱灵敏度与维生素D合成的作用光谱相对应。一个合适的测量装置也应该对紫外线辐射剂量有同样的非线性响应。显然，这种度量的最佳工具是在体外维生素D合成模型

方法

这是第一次在体外利用柱形安瓿与7-脱氢胆固醇乙醇溶液合成维生素D模型，阐明了太阳UVB辐射的季节和纬度变化对维生素D的影响_3.合成[22]。本研究采用不适合紫外测量的高效液相色谱法(HPLC)测定累积的维生素D前的浓度原位．

向广泛的实际应用迈出了重要的一步在体外现场测量的模型是将7-DHC的乙醇溶液暴露在标准矩形分光光度管中，并对在7-脱氢胆固醇[17]的紫外照射下形成的光异构体混合物进行原始分光光度分析。

此外，通过对可调谐染料激光器[8]光反应的详细研究，建立了适当的数学模型，可以计算任何UV辐射源的光反应动力学。在EC BIODOS项目[16]框架内使用光谱辐射计同时进行紫外测量，证实了光谱分析和数学模型的有效性。

到目前为止，有三种可能的测量方法基于在体外在该模型中，紫外线光子的目标是溶液中的7-DHC分子，或嵌入在特别设计的紫外线透明和稳定的基质中。

1.分光光度法测定维生素D前期浓度:用紫外光源照射含有7-DHC乙醇溶液的比色皿，记录照射前和多次照射后的吸收光谱，然后用原始软件对光谱进行计算机处理，进行浓度分析[15-17]。

2.用定标图测量维生素D前浓度:用分光光度计或特别研制的便携式光电装置“VitaD”在特定波长下测量含有7-DHC分子的薄膜(聚合物或水凝胶)在紫外线照射前后的透明度变化，并与定标图[18]比较确定维生素D前浓度。

3.液晶溶解7- DHC视觉检测抗痉挛剂量首先通过改变楔形LC单元[19]中的Cano-Grangean带的数量，然后通过改变平面平行LC单元[20]中的LC混合物的颜色(添加扭转添加剂)，最后通过转动LC theta-cell[21]中的分隔线。

这里我们不会给出更多细节，因为这三个方法及其所有引用都在最近的出版物[23]中有详细描述。

结果与讨论

利用各种紫外线源进行了若干实验室测试，每一种紫外线源的辐射都用分光辐射计测量。在这里，我们提出了与医疗应用有关的紫外线灯的测量结果以及生物医学研究的结果，建立了测量之间的联系在体外而且在活的有机体内．

用标准灯BBH4 (1000W FEL，欧司朗Sylvania有限公司)对7-DHC乙醇溶液照射试管，验证了互易定律。该标准灯通常用于光谱辐射计校准[24]。根据点光源的规则，发现当灯与试管之间的距离增加一倍时，要获得相同浓度的维生素D原，暴露时间就会增加四倍。

在许多UV照射家电[25]中使用的高压UV弧放电汞灯(DRT-125-1)也得到了类似的结果。维生素D原的积累在体外在两个距离(90和180 cm)处进行了测量，对应的浓度依赖性如图4所示。需要注意的是，在第1种情况下，到第10分钟和第2种情况下，到第40分钟，维生素D前的累积量大致相等。

从图4b中可以看出，只有在短时间的暴露(最多10分钟)下，维生素D前的积累才可以近似为线性相关。随着辐照的深入，曲线主要由于侧面的作用而趋于饱和顺反维生素D原的光异构化。

图4。在DRT-125-1灯180 (a)和90 cm (b)距离的照射下，初始7-DHC(方形)和形成的维生素D前(圆形)浓度的变化。

此外，我们还比较了两种灯(Tetiana Orlova博士提供了这两种灯的测量结果)(Philips TL 20W / 01 RS SLV和Philips TL 20W / 12 RS SLV)在治疗银屑病时的维生素d合成能力。用分光辐射计测得的光谱如图5所示，图6为测得的光反应动力学在体外．

图5。紫外光谱的两种紫外光灯治疗银屑病

图6。浓度依赖于TL01 (a)和TL12 (b)两种紫外灯对7-DHC的体外照射

对比三种灯的维生素D合成活性如图7所示，图中显示了维生素D前的形成与转化后的维生素D原的关系。可以得出结论，Philips TL灯比高压汞灯更有利于维生素D前的合成，宽带灯Philips TL12比窄带TL01好得多，因为60%的维生素D前是在初始维生素D前90%的转化率下产生的。

图7。比较三种灯:1 - DRT-125-1, 2 - Philips TL 20W / 01 RS SLV, 3 - Philips TL 20W / 12 RS SLV的维生素D前光合作用与转化维生素D前的依赖性

最后，我们将涉及一个单一的研究，该研究旨在提供缺失的一环在活的有机体内而且在体外将暴露于人工紫外线源的健康志愿者血液中的25(OH)D水平(在皮肤维生素D3中形成后代谢为25-羟基维生素D(在肝脏[3]中25(OH)D))与[26]溶液中维生素D前的积累进行比较。紫外线源是一种商业化的、经过批准的Wolff Suveren 53IG (Wolff System, Basel, Switzerland)日光浴床。

根据调查开始时25(OH)D的测量结果，志愿者被分为三组:血液中25(OH)D水平不足(25 - 50 nmol/L)、边缘(50-75 nmol/L)和充足(75-150 nmol/L)。该研究持续了10周。在全身暴露条件下，每个参与者每周暴露2次，照射时间为10分钟，对应的红斑剂量为0.74 MED(或185 J/m2，或1.85 SED)。

测量形成的前脑的浓度在体外7DHC在乙醇中的溶液(C =(2.5±0.3)•10^-5mol/L)在矩形石英试管(d = 1 cm)中以相同的总暴露量暴露在日光浴床内。

结果表明，25(OH)D浓度的增加既与初始25(OH)D水平有关，也与累积日光浴床暴露时间有关。值得注意的是，25(OH)D的形成具有非线性特征在活的有机体内，即所有组的25(OH)D水平都是在15次日光浴床后达到的，进一步的紫外线辐射达到20次几乎没有增加25(OH)D水平，因此对维生素D状态没有影响。

因为这种行为类似于非线性的维生素D前期积累在体外,在高相关系数R的线性相关已被揭示在活的有机体内而且在体外初始25(OH)D水平不同的三组志愿者的数据(图8)。

图8．之间的线性相关性在活的有机体内25(OH)D分布中位数在三个志愿者组的变化在体外前维生素D的光合作用

重要的是要注意观察到的线性相关之间在活的有机体内而且在体外数据允许预测紫外线照射后维生素D状态的变化，只需使用一次暴露前血样分析，结合进一步测量维生素D前积累在体外．当然，在本研究中得到的相关性应该重新测量每个配有其他荧光灯的日光浴床。

结论

在医学上广泛使用紫外线辐射需要可靠的控制，因为高能紫外线光子会引发各种光化学反应，这些反应既有消极的后果，也有积极的后果。

对于通过维持人体血液中25-羟基维生素D的最佳水平来克服维生素D缺乏症极为必要的最低健康紫外线剂量的确定，仍然很少受到关注。鉴于其在对抗多种癌症、调节细胞生长和调节免疫系统[3]方面的作用，这一点尤其重要。

由于维生素D合成的波长依赖性强，如果不考虑光谱含量，辐射单位的人工紫外线辐射规格的价值是有限的。大多数用于测定紫外光灯红斑活度的宽带紫外检测器不适合测定特定的抗痉挛紫外线照射。

据信，本文给出的结果证实了所提出的方法能够为紫外线源的抗疲劳辐射提供可靠的测量方法，并将为将来强制计量医疗和美容用紫外线灯的维生素D合成活性奠定基础。

致谢

这项工作得到了欧盟的支持（批准号ic20 - ct96 - 0026）乌克兰科学和技术中心(项目Gr-50和P344)。奥斯陆大学医院Tetiana Orlova医生的工作得到了挪威研究理事会Yggdrasyl方案202615个人流动性赠款的支持。

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