تقدم هذه الدراسة نظاماً محاكياً للبيئة الساحلية باستخدام نموذج فأر لتقييم معدل الثبات وفعالية الحماية الضوئية لواقيات الشمس كمياً تحت تأثير ضغوط بيئية معقدة، بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية، والانغماس في مياه البحر، والغسل بفعل الأمواج، والتجفيف بفعل الرياح. وتعمل هذه الدراسة كأداة فحص قبل سريرية ولا تحل محل التجارب السريرية المعيارية.
مقالة منهجية
نظام محاكاة شاطئ البحر للفئران In Vivo لتقييم فعالية واستمرارية واقي الشمس
* These authors contributed equally
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
الإشعاع فوق البنفسجي (UV) هو عامل بيئي رئيسي يؤدي إلى شيخوخة الجلد الضوئية، وحروق الشمس، وإصابة الجلد الحادة الناتجة عن التعرض للإشعاع فوق البنفسجي. يُعد واقي الشمس الطريقة الأكثر شيوعًا للحماية الضوئية؛ ومع ذلك، فإن الطرق الحالية للتقييم تفشل في محاكاة البيئات الساحلية المعقدة بدقة، أو تنطوي على تكاليف عالية وقيود أخلاقية. تقدم هذه الدراسة نظام اختبار جديدًا مُحاكى للبيئة الساحلية، يُدمج مع نموذج فئران حي، لتقييم كمي لفعالية ومتانة واقيات الشمس تحت مؤثرات بيئية معقدة. يتضمن الحجرة المصممة خصيصًا إمكانيات التحكم في الإشعاع فوق البنفسجي، والغمر في مياه البحر مع موجات مُحاكاة، وآليات تجفيف بالرياح. إزالة الشعر بالم/ج عُوملت الفئران بواقي شمس مختلفة وعُرضت لدورة مُعيّنة مُحاكاة للبيئة الساحلية لمدة 120 دقيقة. كُمّت نسبة بقاء واقيات الشمس باستخدام التصوير بالفلورة، في حين قُيّمت الفعالية الوقائية من الأشعة بواسطة صبغة الهيماتوكسيلين والإيوزين (H&هـ) التلوين لقياس سماكة البشرة والانغماس الالتهابي. أظهرت النتائج أن هذا النظام قادر على التمييز بفعالية بين أداء واقيات الشمس المختلفة. وعلى وجه التحديد، أظهر واقي الشمس عالي الحماية المقاوم للماء أعلى معدل احتفاظ، وقدم أفضل حماية ضد الأشعة فوق البنفسجية والأضرار البيئية. يُعد هذا البروتوكول بديلاً مسبقًا للتجارب السريرية على البشر، ويتميز بأنه فعّال من حيث التكلفة، وقابل لإعادة الإنتاج بشكل عالٍ، وملائم من الناحية الأخلاقية، ويُستخدم لاستكشاف منتجات حماية الجلد في بيئات متطرفة مُحاكاة، حيث يمثل جسرًا استكشافيًا وليس بديلاً مُعتمدًا عن اختبارات عامل الحماية من الشمس (SPF) الإلزامية على البشر.
المقدمة
تعد الأشعة فوق البنفسجية (UV)، ولا سيما UVA وUVB، السبب الرئيسي لشيخوخة الجلد الضوئية وحروق الشمس وإصابات الجلد الحادة الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية1,2,3. ويعد استخدام واقي الشمس الاستراتيجية الأكثر اعتماداً للتخفيف من هذه الآثار الضارة4,5. وبناءً على ذلك، فإن التقييم الدقيق لفعالية واقي الشمس يكتسي أهمية بالغة لكل من أبحاث الأمراض الجلدية وصناعة مستحضرات التجميل.
تتضمن الطرق الأساسية الحالية لاختبار فعالية واقيات الشمس التحاليل الآلية in vitro والتجارب السريرية البشرية6,7. وتعد طرق in vitro، مثل القياس الطيفي للأشعة فوق البنفسجية على ألواح الكوارتز أو الجلد الاصطناعي، فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتكرار بدرجة عالية8,9. ومع ذلك، فإنها تخفق في محاكاة الديناميكيات المعقدة لتشكيل غشاء واقي الشمس، ومقاومته للماء، ومقاومته للإزالة عند الغسل على الجلد الحي. وفي المقابل، تُعتبر التجارب السريرية البشرية، التي تقيس جرعة الحمامي الدنيا (MED) على ظهور المتطوعين، هي المعيار الذهبي لتحديد عامل الحماية من الشمس (SPF) وفقاً لإرشادات المنظمة الدولية للمعايير (ISO) (SPF: ISO 24444، ومقاومة الماء: ISO 16217) وإرشادات إدارة الغذاء والدواء (FDA)10,11,12,13,14. ورغم موثوقيتها، فإن التجارب السريرية مكلفة وتستغرق وقتاً طويلاً، وتخضع لتفاوتات فردية كبيرة، كما أنها مقيدة بشدة بالاعتبارات الأخلاقية، خاصة عند الاختبار في ظل ظروف بيئية قاسية أو يحتمل أن تكون ضارة.
يتمثل أحد القصور الكبير في تقنيات التقييم الحالية في عدم القدرة على محاكاة البيئات الساحلية الواقعية بشكل شامل. فخلال الأنشطة الساحلية، تخضع واقيات الشمس لعملية تحلل تآزرية تشمل الغمر في مياه البحر عالية الملوحة والغسيل بفعل الأمواج15,16. وتؤدي هذه العوامل إلى إضعاف استقرار الالتصاق ومدة الحماية للمنتجات المستخدمة بشكل كبير. وللتغلب على هذه المعوقات، تقدم هذه الدراسة نظام اختبار محاكاة ساحلية جديداً باستخدام نموذج فئران BALB/c. يدمج هذا النظام عدة عوامل بيئية رئيسية — بما في ذلك شدة الأشعة فوق البنفسجية (UV)، وملوحة مياه البحر، ودرجة حرارة الماء، وقوة الأمواج، وسرعة الرياح — في منصة واحدة عالية التحكم. ومن خلال دمج هذه الأجهزة مع التصوير الفلوري الكمي والتحليل النسيجي، يتيح هذا البروتوكول تقييماً دقيقاً لكل من معدل بقاء واقي الشمس وفعالية الحماية الفسيولوجية. وتوفر هذه الطريقة حلاً موثوقاً ومنخفض التكلفة وفعالاً لتقييم أداء واقيات الشمس في السيناريوهات البحرية العملية والمعقدة.
البروتوكول
تم تنفيذ جميع الأساليب التي تنطوي على الحيوانات الفقارية وفقًا للإرشادات المؤسسية، وتم اعتمادها من قبل لجنة رعاية الحيوانات المعملية وأخلاقياتها في معهد قوانغدونغ لايدي للبحوث الطبية الحيوية المحدودة، تحت الرقم الموافق عليه LDSW2025050-4.
1. إعداد غرفة الساحل الاصطناعية
- قم بتجميع غرفة الاختبار، والتي تتكون من صندوق معدني شفاف ومعزول هوائيًا (الأبعاد: 40 سم طولًا × عرض 30 سم × بارتفاع 30 سم) مع منافذ دخول للحيوانات).
- دمج وحدة محاكاة الأشعة فوق البنفسجية: قم بتركيب مصابيح الأشعة فوق البنفسجية (6 واط) في أعلى الحجرة، لتوفير شدة تقريبية تبلغ 2 مللي واط/سم²2. هذا يُحاكي متوسط شدة ضوء الشمس في منتصف النهار بالقرب من البحر
تحذير: الإشعاع فوق البنفسجي يشكل خطرًا على العيون والجلد. تأكد من أن الحجرة مغلقة تمامًا، وارتدِ نظارات واقية مناسبة وملابس حماية عند تشغيل وحدة الأشعة فوق البنفسجية. - دمج وحدة البيئة المائية. املأ الخزان المدمج بالمياه بالملح الاصطناعي.
- حضّر ماء البحر بحل ملح بحر تجاري في ماء معالج بنسبـة 1 كغ (± 0.05 كجم) ملح إلى 30 لتر (± 0.5 لتر) ماء. قم بضبط جهاز التحكم في درجة حرارة الماء للحفاظ على درجة حرارة ثابتة مقدارها 25 °C (± 1 °C).
- شغّل جهاز توليد الأمواج بمعدل تدفق يبلغ حوالي 10 لتر/دقيقة لمحاكاة الاحتكاك الميكانيكي الناتج عن أمواج الشاطئ المعتدلة.
- ضع مروحة التهوية بحيث توجه تيار الهواء عبر منطقة احتجاز الحيوان. قم معايرة تدفق الهواء إلى 35 قدم مكعب في الدقيقة (CFM) لمحاكاة نسمة البحر.
- قم بتوصيل جميع المكونات بواجهة تحكم مركزية. قبل الاختبار، أدخل المعايير البيئية المستهدفة إلى نظام التحكم وعايرها باستخدام أدوات القياس المقابلة.
ملاحظة: نفّذ هذه التحقق الأولي باستخدام مقياس أشعة فوق بنفسجية رقمي يدوي خارجي، وثيرمومتر مقاوم للماء، وعداد رياح، مع التأكد من أن شدة الأشعة فوق البنفسجية (2 مللي واط/سم²2)، درجة حرارة الماء (25 °C، وسرعة الرياح (35 قدم مكعب في الدقيقة) تتطابق مع القيم المحددة المقصودة قبل بدء التجارب البيولوجية. - خلال التجربة، قم بتشغيل أو إيقاف مصابيح الأشعة فوق البنفسجية، وجهاز توليد الموجات، وتصريف المياه عبر الواجهة للتنفيذ الدقيق لمراحل الغمر والانكشاف المتناوبة.
2. إعداد نموذج الحيوان
- تربية البالغين بالم/ج الفئران (بوزن يتراوح تقريبًا بين 20 جم و25 جم) في ظروف قياسية، والسماح لها بالتأقلم لمدة أسبوع واحد قبل إجراء التجربة.
- تخدير الفئران بشكل مؤقت باستخدام 1.5% من الآيسوفلورين عبر استنشاق لتقليل التوتر. قم بحلق فرو ظهور الفئران مسبقًا باستخدام جهاز إزالة شعر الحيوانات.
- بعد ذلك، قم بتطبيق كريم مزيل شعري تجاري بشكل متساوٍ على الجلد الظهري للفئران. بعد مرور 3 إلى 5 دقائق، امسح الشعر بلطف باستخدام شاش رطب ودافئ.
تحذير: كريمات إزالة الشعر الكيميائية والبارافورمالدهيد المستخدم في علم النسيج مواد سامة ومُهيّجة. يجب التعامل معها في مكان جيد التهوية مع ارتداء قفازات واقية. التخلص: تخلص من جميع النفايات الكيميائية (البارافورمالدهيد) والنفايات البيولوجية (جثث الحيوانات والأنسجة) في حاويات مخصصة للنفايات البيولوجية الخطرة والنفايات الكيميائية وفقًا بدقة للوائح المؤسسية والمحلية السارية. - أبقِ الفئران المُزالة شعورها في الحظيرة لمدة يومين إضافيين للسماح بالتعافي. قبل التجربة، افحص الجلد الظهري بصريًا للتأكد من عدم وجود احمرار أو تهيج ناتج عن عملية إزالة الشعر تمامًا.
- ارسم صليبًا على الجلد الظهري المكشوف باستخدام قلم أسود لتقسيم المنطقة إلى أربعة أرباع متميزة (الربع الأول إلى الربع الرابع).
3. تطبيق واقي الشمس والعلاج التمهيدي
- جهّز واقيات الشمس المُختبرة. اختر عشوائيًا ثلاث واقيات شمس تجارية: A وB وC.
- ضَع واقي الشمس على المناطق المحددة باستخدام مُوزِّع 20 μL مايكروبيبيت، وافرد التركيبة بالتساوي بإصبع مغطى بقفاز معقم بحركة دائرية لطيفة لمدة 10 ثوانٍ لضمان تكوين طبقة رقيقة متجانسة على النحو التالي:
ملاحظة: تأكد من أن الضغط المطبق بواسطة طرف الإصبع يبقى متسقًا عبر جميع الأرباع. يمكن أن يؤدي الانتشار غير المنتظم أو الضغط المفرط إلى سمك غير منتظم للغشاء، مما يُضعف بشكل مباشر قابلية التكرار في تقييم الاحتفاظ اللاحق. - الربع الأول (أعلى-يسار): طبق 20 مغ/سم²2 لسَكْرِ واقٍ من الشمس أ.
- الربع 2 (الأعلى-الأيمن): طبّق 20 مغ/سم²2 لسُن سكرين ب.
- الربع 3 (الأسفل-الأيسر): طبّق 20 مغ/سم²2 من واقي الشمس C.
- الربع الرابع (أسفل-يمين): اتركه دون علاج (التحكم غير المحمي).
- ضع الفئران في وضعية راحة لمدة 5 دقائق لضمان توزيع متساوٍ ومستقر للواقي الشمسي على الجلد الظهري.
4. تقييم احتفاظ واقي الشمس
- اخلط علامةً مضيئة آمنة (0.01% وزن/وزن من Sulfo Cy7) في واقي الشمس A، وواقي الشمس B، وواقي الشمس C.
- طبق واقيات الشمس الموسومة مضيئًا على الجلد الظهري للفئران كما هو موضح في القسم 3.
- التقط صورة أولية للإضاءة الأساسية (F0) للجلد الظهري باستخدام نظام تصوير مضيء in vivo.
ملاحظة: تحقق من أن معايير التصوير، بما في ذلك زمن التعريض ومستوى البؤرة، تظل ثابتة تمامًا لكل حيوان. إن التقاط غير دقيق للصورة الأساسية (F0) سيُبطل الحساب النهائي لمعدل احتفاظ واقي الشمس. - ضع الفئران داخل غرفة الاختبار. أطفئ مصابيح الأشعة فوق البنفسجية وعيّن درجة حرارة الماء عند 25 °C.
- ارفع مستوى الماء وفعّل جهاز توليد الأمواج بحيث يخضع الفأر لمرحلة غمر لمدة 30 دقيقة (السباحة)، مع التأكد من بقاء رؤوسها فوق سطح الماء بأمان.
- بعد ذلك، أطفئ جهاز توليد الأمواج وخفض مستوى الماء للكشف عن منصة معدنية مدرجة داخل الغرفة، مما يسمح للفئران بالاستراحة بأمان على المنصة لمدة 30 دقيقة (مرحلة الخروج من الماء).
- كرر مرحلة الغمر لمدة 30 دقيقة ومرحلة الخروج من الماء لمدة 30 دقيقة لدورة ثانية (إجمالي 120 دقيقة).
- التقط صورة الإضاءة بعد التعرض (F1) باستخدام نظام التصوير in vivo.
- احسب مستوى الاحتفاظ باستخدام الصيغة التالية:
مستوى الاحتفاظ = (F1 / F0) × 100% (1) - احسب شدة الإضاءة النسبية باستخدام الصيغة التالية:
شدة الإضاءة = (F1(X) / F1(A)) × 100% (2)
حيث F0 هي شدة الإضاءة الأساسية، وF1 هي شدة الإضاءة بعد التجربة، وF1(A) هي شدة الإضاءة بعد التجربة للمنطقة التي طُبّق عليها واقي الشمس A، وF1(X) هي شدة الإضاءة بعد التجربة للمنطقة التي طُبّق عليها واقي الشمس B أو C.
ملاحظة: تأكد من بقاء مصابيح الأشعة فوق البنفسجية مطفأة طوال تجربة مراقبة الإضاءة لمنع إخماد الإضاءة الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية. إجمالي زمن التعرض هو 120 دقيقة، ويجب التأكد من المراقبة المستمرة لمعدل تنفس الحيوانات وحالتها النشاطية طوال مرحلة الغمر للتأكد من عدم وجود علامات على التوتر أو الإرهاق.
5. الكشف عن الفعالية الوقائية من الضوء
- طبق واقيات الشمس القياسية (غير الفلورية) على ظهور الفئران كما هو موضح في القسم 3.
- الصق قطعة من الشريط الأسود المانع للأشعة فوق البنفسجية على منطقة الرقبة العلوية للفأر لتكون بمثابة ضابط داخلي محمي من الأشعة فوق البنفسجية. سجل حالة الجلد الأساسية عبر التصوير الكلي
ملاحظة: اضغط بقوة على حواف الشريط اللاصق لمنع تسرب الماء أو انفصاله بالخطأ أثناء مرحلة غسل الموجة. إذا انفصل الشريط، فسوف يتعرض موضع التحكم الداخلي للأشعة فوق البنفسجية والماء، مما يؤدي إلى إفساد القاعدة النسيجية المرجعية. - تعرض الفئران لنفس برنامج تدوير الماء الموضح في القسم 4، مع تفعيل وحدة محاكاة الأشعة فوق البنفسجية: ارفع مستوى الماء لمدة 30 دقيقة (الغمر)، ثم اخفض مستوى الماء لمدة 30 دقيقة (مرحلة الخروج من الماء)، وكرر الدورة الثانية (المجموع 120 دقيقة).
- أخرج الفئران من الحجرة وسجّل وجود الاحمرار أو التقشّر أو التصلّب على الجلد باستخدام التصوير ماكرسكوبي.
ملاحظة: بالاعتماد على أبعاد الحجرة (40 سم × 30 سم × 30 سم) ومساحة نشاط الحيوانات بالنسبة لمصدر الضوء، يُقدَّر الجرعة التراكمية من الأشعة فوق البنفسجية المُسلَّمة خلال دورة الـ120 دقيقة بحوالي 2.5 جول/سم²2. تُحفِّز الجرعات المحيطة بهذا المستوى سماكة البشرة بشكل قابل للقياس والالتهاب الحاد، مع ضمان سلامة الفئران والحفاظ بدقة على حدود رفاه الحيوان3. - في نهاية التجربة، قم بإعدام الفئران بطريقة إنسانية عن طريق التفكيك العنقي تحت تأثير تخدير عميق بالأيزوفلوران، اتباعًا دقيقًا لإرشادات الجمعية البيطرية الطبية الأمريكية (AVMA) الخاصة بإعدام الحيوانات، وذلك لاستئصال أنسجة الجلد من أجل التقييم النسيجي اللاحق. استأصل أنسجة الجلد الظهري من الأرباع الأربعة ومن المنطقة المحمية بالشريط اللاصق.
- ثبّت الأنسجة في مادة الفورمالدهيد بنسبة 4٪ لمدة 24 ساعة، ثم قم بالتجفيف القياسي، وتضمينها بالبارافين، وتقسيمها.
- صبغ الأقسام بالهيماتوكسيلين والإيوزين (H&؛ هـ). باختصار، قم بإزالة البارافين من الشرائح باستخدام الزايلين، ثم أعد ترطيبها باستخدام تدرجات كحولية، صبغها بالهيماتوكسيلين لمدة 5 دقائق، اشطفها بماء الصنبور الجاري، صبغها تلوينًا معاكسًا بالإيوزين لمدة دقيقة واحدة، ثم جففها، وثبتها باستخدام وسط صمغي للتركيب.
- قم بمراقبة الأقسام الملونة تحت المجهر الضوئي. قم بقياس سماكة البشرة وتقييم مستوى الالتهاب الجلدي عن طريق عد الخلايا الالتهابية المهاجرة.
ملاحظة: الجرعة فوق البنفسجية المُقدَّمة خلال الدورة كافية لتحفيز احمرار حاد لتقييم الفعالية، لكنها تظل ضمن العتبة الآمنة وغير القاتلة، كما يتضح من عدم ظهور أي علامات على تلف جسدي شديد لدى الفئران، واستمرارها في ممارسة النشاط البدني الطبيعي بعد انتهاء دورة الاختبار.
6. التحليل الإحصائي
- قم بإجراء التحليل الإحصائي باستخدام برنامج GraphPad Prism 9.5. عبّر عن المتغيرات الكمية على شكل المتوسط ± الانحراف المعياري. استخدم تحليل التباين الأحادي الاتجاه (One-way ANOVA) متبوعًا باختبار توكي للتحليل اللاحق (Tukey’s post-hoc test) للمقارنات بين المجموعات المتعددة. عُرّف الدلالة الإحصائية بـ *p < 0.05, **p < 0.01، وتشير ns إلى عدم وجود دلالة إحصائية (p > 0.05).
النتائج
التوصيف البيئي لنظام الاختبار
قبل التقييم in vivo، تمت معايرة المعلمات الفيزيائية لغرفة محاكاة الشاطئ لضمان دقة بيئية عالية. استخدمت وحدة محاكاة الأشعة فوق البنفسجية مصباحاً بقدرة 6 W يبعث طيفاً واسعاً يتراوح من 300 إلى 420 nm مع طول موجي ذروي عند 340 nm. يضمن هذا التوزيع الطيفي المحدد انبعاثاً مهيمناً من UVA مصحوباً بجزء ذي صلة بيولوجياً من UVB، مما يعكس بدقة الطيف المعتاد للأشعة فوق البنفسجية لضوء الشمس في منتصف النهار الذي يصل إلى سطح الأرض17. وعمل صانع الأمواج بمعدل تدفق قدره 10 L/min، مما يولد إجهاد قص مائع خفيفاً يضاهي غسل الأمواج الساحلية اللطيفة. بالإضافة إلى ذلك، وفرت وحدة تدفق الهواء سرعة رياح ثابتة قدرها 35 CFM، وهو ما يترجم إلى سرعة رياح تتراوح تقريباً بين 3 إلى 4 m/s فوق منطقة الاختبار. وهذا يتوافق مع النسيم اللطيف (مقياس بوفورت 3) المعتاد في الظروف الجوية الساحلية18. وتعمل هذه المعلمات مجتمعة على محاكاة المجهدات الميكانيكية والبيئية الدورية التي يتم التعرض لها خلال الأنشطة الشاطئية المعتادة بشكل موثوق.
تقييم استبقاء واقي الشمس
أولاً، تم تجميع جهاز محاكاة الشاطئ. وكما هو موضح في الشكل 1A، يتكون النظام أساساً من مروحة نفخ، ونظام تشعيع بالأشعة فوق البنفسجية (UV)، وخزان مياه بحر محاكى، ونظام تحكم، وتُستخدم هذه المكونات على التوالي للتجفيف بالرياح، والتشعيع بالأشعة فوق البنفسجية، والغمر في مياه البحر، والتحكم المركزي. بعد وضع الفئران في الجهاز وتشغيل النظام، تمت محاكاة ظروف مرحلتي الغمر والخروج على الشاطئ بنجاح (الشكل 1B). وبناءً على هذا الإعداد، بحثنا أولاً في استبقاء واقي الشمس تحت هذه الظروف. في البداية، تم تطبيق واقيات الشمس A وB وC المتاحة تجارياً، والموسومة بعلامة فلورية، على الجلد الظهري للفئران. لاحقاً، خضعت هذه الفئران لدورة متبادلة في جهاز المحاكاة، تتكون من 30 min من الغمر (محاكاة للسباحة) و30 min من مرحلة الخروج (محاكاة للاستجمام تحت الشمس على الشاطئ). بعد مرور 2 h، وعقب دورة كاملة من الموج والرياح، تم الكشف عن الفلورية المتبقية على الجلد باستخدام التصوير الحي in vivo. وكما هو موضح في الشكل 2A–B، أظهرت جميع مجموعات واقي الشمس انخفاضاً في شدة الفلورية مقارنة بما كانت عليه قبل المحاكاة، مما يشير إلى أن تأثير الغسل بواسطة أمواج مياه البحر يتسبب في إزالة كمية كبيرة من واقي الشمس. ومن بينها، احتفظ الربع المعالج بواقي الشمس C بكمية عالية نسبياً من الفلورية، وأظهر واقي الشمس B معدل استبقاء متوسطاً، بينما أظهر واقي الشمس A أدنى معدل استبقاء (الشكل 2C). يشير هذا إلى أن واقيي الشمس C وB يمتلكان قدرات استبقاء أقوى نسبياً. وتؤكد هذه البيانات أن جهازنا يمكنه التمييز كمياً بين متانة التركيبات المختلفة تحت تأثير الإجهاد البيئي المعقد.
فعالية الحماية الضوئية
ولمزيد من استقصاء التأثيرات الواقية من الأشعة فوق البنفسجية لهذه الواقيات الشمسية في بيئة ساحلية محاكية، أُجريت ملاحظات عيانية للجلد الظهري لدى الفئران. وكما هو موضح في الشكلان 3أ و3بأظهرت مجموعة الضبط غير المحمية تلفاً ناتجاً عن الأشعة فوق البنفسجية، تميز بحمامى واضحة واحمرار وحروق شمسية. وفي المقابل، أظهرت المناطق المعالجة بمنتجات الوقاية من الشمس تخفيفاً ملحوظاً في أعراض حروق الشمس. علاوة على ذلك، كشف التحليل النسيجي باستخدام H&أُجري صبغ الهيماتوكسيلين والإيوسين (H&E staining) و كان متسقاً مع الملاحظات العيانية المذكورة سابقاً (الشكل 4أ–B). وعندما عُرِّضت المجموعة الضابطة غير المحمية لمحاكي البيئة الساحلية، حدث تثخن ملحوظ في البشرة وتسلل واضح للخلايا الالتهابية (الشكل 4جلُوحظ وجود [النتائج] في الأدمة، مما يثبت أن نظام اختبار الشاطئ المحاكى يكرر بفعالية حروق الشمس الجلدية في بيئة شاطئية واقعية. وقد أدى استخدام الواقيات الشمسية إلى تخفيف هذه التغيرات المرضية بشكل ملحوظ. ومن الجدير بالذكر أن سمك البشرة وتسلل الخلايا الالتهابية في أنسجة الجلد المعالجة بالواقي الشمسي C كانت مشابهة بشكل ملحوظ لتلك الموجودة في المجموعة الضابطة الداخلية المحمية من الأشعة فوق البنفسجية والتي خضعت لنفس الإجهاد البيئي. يشير هذا إلى أن الواقي الشمسي C يوفر التأثير الوقائي الأمثل في البيئة البحرية المحاكة، وهو ما يعزى على الأرجح إلى معدل ثباته العالي وخصائصه الوقائية الضوئية المتأصلة.
الشكل 1: نظرة عامة على نظام اختبار المحاكاة لبيئة الشاطئ. (A) مخطط تخطيطي للجهاز. (B) الفئران داخل غرفة الاختبار. تدمج غرفة الاختبار المخصصة جهاز تشعيع بالأشعة فوق البنفسجية (UV)، وخزان مياه مزود بمولد موجات، ومروحة نفخ، مما يحاكي بفعالية بيئة شاطئية واقعية. لا توجد مخاوف تتعلق بحقوق الطبع والنشر مرتبطة بهذا الشكل حيث تم الحصول عليه من قبل المؤلفين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: تحليل الفلورة لبقاء واقي الشمس. (A) صور فلورية ممثلة لجلد ظهر الفأر قبل وبعد تجربة استمرت 120 دقيقة. (B) التحليل الكمي لبقاء الفلورة. (C) تحليل كثافة الفلورة النسبية. البيانات معروضة كمتوسط ± SD (عدد العينات n = 5). أُجري التحليل الإحصائي باستخدام اختبار ANOVA أحادي الاتجاه متبوعاً باختبار Tukey للمقارنات البعدية. *p < 0.05, **p < 0.01. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: المظهر العياني لجلد الفأر بعد التعرض البيئي. (A) صور عيانية نموذجية لجلد ظهر الفأر بعد التعرض لبيئة ساحلية محاكات لمدة 120 دقيقة. (B) مناظر مكبرة موضعياً تظهر حدوث الحمامي والتقشر في المنطقة الضابطة غير المحمية مقارنة بالمناطق المحمية بواقي الشمس والضابطة الداخلية المحمية من الأشعة فوق البنفسجية (Normal). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 4التقييم النسيجي لفعالية الوقاية الضوئية. (A) تمثيل H&مقاطع مصبغة بصبغة الهيماتوكسيلين والإيوزين (H&E) لجلد ظهري لفأر من مناطق علاجية مختلفة بعد التعرض البيئي. تحدد خطوط المؤشر حدود البشرة المقاسة. شريط المقياس = 250 µm. (B) التحليل الكمي لسُمك البشرة في كل منطقة محددة. (سي) التقييم الكمي لأعداد الخلايا الالتهابية النسبية (%). تم تعيين الضابط الداخلي المحمي من الأشعة فوق البنفسجية (طبيعي) كخط أساس (100%). البيانات معروضة كمتوسط ± الانحراف المعياري (العدد = 5). أُجري التحليل الإحصائي باستخدام تحليل التباين أحادي الاتجاه (one-way ANOVA) متبوعًا باختبار توكي للمقارنات البعدية (Tukey’s post-hoc test). *p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم بنجاح تطوير والتحقق من صحة نظام اختبار محاكي للبيئة الساحلية متعدد العوامل مدمج مع نموذج فئران حي. وبالإضافة إلى توفير جهاز مبتكر، يتيح هذا البروتوكول المتكامل التقييم الديناميكي لمتانة واقي الشمس وفعالية الحماية الضوئية تحت تأثير مجهدات بيئية تآزرية. ومن خلال سد الفجوة بين المقاييس المبسطة in vitro والتجارب السريرية البشرية المعقدة، تضع هذه الطريقة منصة شاملة لما قبل التجارب السريرية لفهم كيفية أداء تركيبات حاجز البشرة في البيئات البحرية العملية.
تكمن الميزة الأساسية لهذا البروتوكول مقارنة بالطرق التقليدية في دقة محاكاته العالية للبيئة. فعادةً ما تتضمن اختبارات مقاومة الماء القياسية غمرًا استاتيكيًا في حوض مخبري19. وفي المقابل، يدمج نظامنا الاحتكاك الميكانيكي الناتج عن حركة الأمواج، والإجهاد الاسموزي لمياه البحر عالية الملوحة، وتأثير التبخير بفعل الرياح، والإشعاع المستمر بالأشعة فوق البنفسجية (UV). وتعمل هذه العوامل بشكل تآزري على تفكيك غشاء الواقي الشمسي، مما يوفر اختبار إجهاد أكثر صرامة وواقعية. وتجدر الإشارة إلى أنه أثناء تقييم استبقاء الفلورة، تم إطفاء مصابيح UV لمنع إخماد الفلوروفور. وبناءً على ذلك، فإن هذا الاختبار المحدد يقيم المتانة الفيزيائية ضد الغسل الميكانيكي والإجهاد الاسموزي، ولكنه يفتقر إلى عامل التحلل الكيميائي الناجم عن UV. ولتعويض ذلك، أُجري التقييم النسيجي اللاحق مع تفعيل وحدة UV، مما وفر تقييمًا شاملاً للفعالية العملية. وقد أظهرت النتائج بوضوح أنه على الرغم من أن جميع الواقيات الشمسية وفرت حماية أساسية، إلا أن معدل الاستبقاء (الشكل 2>) والحماية النسيجية المقابلة (الشكل 4>) تباينت بشكل كبير اعتمادًا على مقاومة التركيبة لهذه القوى الديناميكية المجتمعة.
يوفر استخدام فئران BALB/c منصة ممتازة in vivo تأخذ في الاعتبار المتغيرات البيولوجية مثل إفراز الزهم، وفقدان الماء عبر البشرة، وحركة الجلد الديناميكية، وهي أمور لا يمكن لنماذج الجلد الاصطناعية محاكاتها. تم التحكم بدقة في جرعة الأشعة فوق البنفسجية (UV) المقدمة خلال دورة مدتها 120 دقيقة لتحفيز حروق الشمس الحادة بشكل فعال على منطقة الجلد المكشوفة دون التسبب في أي تسمم جهازي أو تلف شديد، مع إبقائها بدقة ضمن الحدود الأخلاقية لفئران BALB/c. علاوة على ذلك، ومن خلال تقسيم ظهر الفأر الواحد إلى أربعة أرباع، قمنا بإلغاء التباين البيولوجي بين الأفراد، مما سمح بإجراء مقارنات مزدوجة عالية الدقة بين تركيبات مختلفة من واقيات الشمس.
تعد خطوة ضمان التعافي الكامل لجلد الفئران بعد إزالة الشعر خطوة حاسمة في هذا البروتوكول، حيث أن أي تهيج أساسي سيؤدي إلى تضليل القراءات النسيجية. علاوة على ذلك، فإن التطبيق الموحد لطبقة الواقي الشمسي، والمعايرة المستقرة للمعايير البيئية قبل الاختبار، والتوقيت الدقيق لمراحلي الغمر والخروج، كلها عوامل حيوية لضمان إمكانية تكرار النتائج بدقة عالية بين المجموعات. وفيما يتعلق باستكشاف الأخطاء وإصلاحها، فقد تظهر عدة مشكلات متوقعة؛ فإذا لوحظ عدم توزيع الواقي الشمسي بشكل متساوٍ، يجب إعادة معايرة حجم الماصة وضمان التحريك بحركة دائرية لطيفة. أما إذا استمر الاحمرار الناتج عن إزالة الشعر، فيجب تمديد فترة التعافي أو استبعاد الحيوانات المتأثرة. ولمنع إجهاد الحيوانات أثناء الغمر، يجب مراقبة نشاطها بدقة والتأكد من أن منصة الراحة متاحة بالكامل خلال مرحلة الغمر.
تتمثل إحدى محدوديات هذا النموذج في الاختلافات التشريحية والفيزيولوجية بين جلد الفئران وجلد البشر (على سبيل المثال، كثافة البصيلات الشعرية وسُمك البشرة). إذ يتميز جلد الفئران بكثافة أعلى في البصيلات الشعرية وبشرة أكثر رقة، مما قد يؤثر على تكوين غشاء واقي الشمس. وقد تعمل الانغمادات الوفيرة للبصيلات الشعرية كمستودعات دقيقة، مما قد يعزز الاحتفاظ الميكانيكي بواقيات الشمس القائمة على الجسيمات (غير العضوية) مقارنة بالتركيبات العضوية الصرفة. ورغم أن هذا النموذج يعد أداة مقارنة قوية لفحص التركيبات، إلا أن التجارب السريرية البشرية تظل ضرورية لتحديد ملصقات عامل الحماية من الشمس (SPF) النهائية. إن التطبيقات المستقبلية لهذا النظام واسعة؛ فإلى جانب واقيات الشمس، يمكن تطويع هذا الجهاز لتقييم ديمومة مستحضرات تجميل موضعية أخرى، وكريمات الحواجز، وضمادات الجروح، وحتى المنسوجات الواقية من الأشعة فوق البنفسجية تحت الظروف البيئية القاسية. ويؤدي دمج هذا النظام إلى تبسيط عمليات البحث والتطوير (R&D)&عملية D، مما يوفر لخبراء الكيمياء التجميلية وباحثي الأمراض الجلدية طريقة فحص سريعة وفعالة من حيث التكلفة وأخلاقية قبل الانتقال إلى التجارب البشرية.
الإفصاحات
يصرح المؤلفون بعدم وجود أي تضارب في المصالح.
شكر وتقدير
تم دعم هذا العمل بتمويل من مشروع فوشان للابتكار العلمي والتكنولوجي الممول ذاتيًا (رقم 2220001004842).
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| إيوسين | Macklin | 770427 | يُستخدم لصبغ H&E |
| إيثانول | Macklin | E809059 | يُستخدم لصبغ H&E |
| كريم إزالة الشعر | Veet | TMG-001 | يُستخدم لإزالة الشعر الناعم |
| هيماتوكسيلين | Macklin | H810910 | يُستخدم لصبغ H&E |
| Image J | يُستخدم لتحليل الصور | ||
| نظام التصوير الحي | Perkinelmer | IVIS Lumina III | يُستخدم للكشف عن الاحتفاظ بالفلورية |
| إيزوفلوران | RWD Life Science | R510-22-10 | يُستخدم لتخدير الفئران |
| بارافورمالدهيد | Biosharp | BL539A | يُستخدم لتثبيت أنسجة الجلد |
| ماكينة حلاقة | Chemmole | CM700015 | تُستخدم لإزالة معظم الشعر |
| كلوريد الصوديوم | Macklin | S805285 | يُستخدم لتحضير مياه البحر المحاكية |
| Sulfo Cy7 | Ruixibio | R-Z54515 | يُستخدم لوسم الواقي الشمسي |
| مصباح UV | Kanfu Lighting Technology | T5-6W | يُستخدم لتوفير الأشعة فوق البنفسجية |
| زايلين | Macklin | X821391 | يُستخدم لصبغ H&E |
المراجع
- RK Gupta, L Parvadiya, K Dudhat. Advancements in skin cancer prevention and treatment: harnessing technology, natural therapies, and emerging diagnostic approaches. Crit Rev Ther Drug Carrier Syst. 2025; 5: 1-54.
- Q Gao, C Xu, M Tan, et al. Hydrogel-based therapies for photoaging: current advances and future perspectives. J Cosmet Dermatol. 2025; 6: e70295.
- Hong S, Peng Z, Wu M, et al. Human-hair-derived natural particles as multifunctional sunscreen for effective UV protection. ACS nano. 2023; 17(15): 14943-14953.
- S Lautenschlager, HC Wulf, MR Pittelkow. Photoprotection. Lancet. 2007; 9586: 528-37.
- E Biba. Protection: the sunscreen pill. Nature. 2014; 7527: S124-5.
- M Pelizzo, E Zattra, P Nicolosi, et al. In vitro evaluation of sunscreens: an update for the clinicians. ISRN Dermatol. 2012; 352135.
- S Bielfeldt. Performance metrics of sunscreen formulations: in vitro and in vivo techniques. Curr Probl Dermatol. 2021; 124-132.
- J Akrman, L Kubác, H Bendová, et al. Quartz plates for determining sun protection in vitro and testing the photostability of commercial sunscreens. Int J Cosmet Sci. 2009; 2: 119-29.
- DL Lott, J Stanfield, RM Sayre, et al. Uniformity of sunscreen product application: a problem in testing, a problem for consumers. Photodermatol Photoimmunol Photomed. 2003; 1: 17-20.
- SM Tuchayi, Z Wang, J Yan, et al. Sunscreens: misconceptions and misinformation. J Invest Dermatol. 2023; 8: 1406-1411.
- A Breneman, DV Belsito. Sun protection factor testing: a call for an in vitro method. Cutis. 2022; 2: E15-e17.
- U Osterwalder, JC Hubaud, E Perroux-David, et al. Sun-protection factor of zinc-oxide sunscreens: SPF(in vitro) too low compared to SPF(in vivo)-a brief review. Photochem Photobiol Sci. 2024; 10: 1999-2009.
- International Organization for Standardization. ISO 24444:2019 Cosmetics — Sun protection test methods — In vivo determination of the sun protection factor (SPF). Geneva: ISO; 2019.
- International Organization for Standardization. ISO 16217:2020 Cosmetics — Sun protection test methods — Water resistance percentage. Geneva: ISO; 2020.
- G Ruiz-Gutiérrez, A Rodríguez-Romero, A Tovar-Sánchez, et al. Analysis and modeling of sunscreen ingredients’ behavior in an aquatic environment. Oceans. 2022; 3: 340-363.
- JK Saxe, L Mullins, R Jones, et al. Influence of sunscreen formulation on the transfer of mineral and organic ultraviolet filters from skin to seawater in simulated ocean bathing tests. Int J Cosmet Sci. 2023; 84-92.
- D’orazio, J, Jarrett S, Amaro-Ortiz A, et al. UV radiation and the skin. Int J Mol Sci. 2013; 14(6): 12222-12248.
- Met Office. Beaufort wind force scale [Internet]. Exeter: Met Office. Available from: https://weather.metoffice.gov.uk/guides/coast-and-sea/beaufort-scale
- K Geoffrey, A Mwangi, S Maru. Sunscreen products: rationale for use, formulation development and regulatory considerations. Saudi Pharmaceutical Journal. 2019; 7: 1009-1018.
إعادة الطباعة والأذونات
تم نشر هذه المقالة
الفيديو قريباً