本研究では、紫外線照射、海水への浸漬、波による洗い流し、および風による乾燥といった複雑な環境ストレス因子下における日焼け止めの保持率と光防御能を定量的に評価するため、マウスモデルを用いた模擬海辺システムを提示します。これは前臨床スクリーニングツールとして機能するものであり、標準化された臨床試験に代わるものではありません。
方法論記事
* These authors contributed equally
本研究では、紫外線照射、海水への浸漬、波による洗い流し、および風による乾燥といった複雑な環境ストレス因子下における日焼け止めの保持率と光防御能を定量的に評価するため、マウスモデルを用いた模擬海辺システムを提示します。これは前臨床スクリーニングツールとして機能するものであり、標準化された臨床試験に代わるものではありません。
紫外線(UV)放射は、皮膚の光老化、日焼け、および急性のUV誘発性皮膚損傷を引き起こす主要な環境因子である。日焼け止めは光保護の最も一般的な手段であるが、現在の評価法では複雑な海辺環境を正確に模倣できない、あるいは高コストや倫理的制約を伴うという課題がある。本研究では、複雑な環境ストレス下における日焼け止めの効果および持続性を定量的に評価するため、独自の生体マウスモデルと組み合わせた新規の模擬海辺試験システムを提案する。独自設計の試験装置は、制御可能な紫外線照射、模擬波を伴う海水浸漬、および風乾燥機構を統合している。脱毛済み BALB/c マウスに異なる日焼け止めを塗布し、標準化された120分間の模擬海岸環境サイクルに曝露した。日焼け止めの保持率は蛍光イメージングにより定量し、光保護効果はヘマトキシリン・エオシン(H&E)染色によって評価した。&E) 表皮の厚さおよび炎症性浸潤の染色。その結果、本システムは各種サンスクリーンの性能を効果的に区別できることが示された。具体的には、高保護・耐水性サンスクリーンが最も高い保持率を示し、紫外線および環境要因による損傷に対して最も優れた保護効果を示した。本プロトコルは、極端な環境を模擬した条件下でスキンプロテクション製品を探索するための、費用対効果が高く、再現性に優れ、倫理的配慮のされた前臨床スクリーニング法を提供するものであり、必須とされるヒトSPF試験の検証済み代替法というよりは、探索的橋渡しとしての役割を果たす。
紫外線(UV)照射、特にUVAおよびUVBは、皮膚光老化、日焼け、および急性のUV誘発性皮膚損傷の主な原因となります1,2,3。これらの悪影響を軽減するために、日焼け止め剤の使用が最も広く採用されている戦略です4,5。したがって、日焼け止め剤の有効性を正確に評価することは、皮膚科学研究および化粧品業界の両方にとって極めて重要です。
現在、日焼け止めの有効性を試験する主な方法には、in vitroでの機器分析とヒト臨床試験があります6,7。石英プレートや人工皮膚を用いたUV分光光度法などのin vitro法は、コスト効率が高く、再現性に優れています8,9。しかし、生きた皮膚上での日焼け止め膜の形成、耐水性、および洗い流しに対する耐性といった複雑な動態をシミュレートすることはできません。対照的に、ボランティアの背中で最小紅斑量(MED)を測定するヒト臨床試験は、国際標準化機構(ISO)(SPF:ISO 24444、耐水性:ISO 16217)およびFDAのガイドラインに従った sunscreen protection factor (SPF) を決定するためのゴールドスタンダードと見なされています10,11,12,13,14。信頼性は高いものの、臨床試験は費用と時間がかかり、個体差の影響を大きく受け、さらに倫理的な制約が厳しいため、特に過酷な環境や潜在的に有害な環境条件下での試験においては困難が伴います。
既存の評価手法における大きな制限は、実際の海辺の環境を包括的にシミュレートできないことです。海辺での活動中、日焼け止めは高塩分濃度の海水への浸漬と波による洗い流しという相乗的な分解プロセスにさらされます15,16。これらの要因は、塗布した製品の密着安定性と保護持続時間を著しく低下させます。これらの制限を克服するため、本研究ではBALB/cマウスモデルを用いた新しい擬似海辺試験システムを導入します。このシステムは、UV強度、海水の塩分濃度、水温、波力、風速を含む複数の主要な環境パラメータを、単一の高度に制御可能なプラットフォームに統合したものです。このハードウェアに定量的蛍光イメージングと組織学的解析を組み合わせることで、本プロトコルにより、日焼け止めの保持率と生理学的保護効果の両方を精密に評価することが可能になります。この手法は、複雑で実用的な海洋シナリオにおける日焼け止めの性能を評価するための、信頼性が高く、低コストで効率的なソリューションを提供します。
脊椎動物を用いるすべての実験は、広東ライディ生物医学研究センター株式会社の実験動物管理および倫理委員会の承認(承認番号:LDSW2025050-4)のもと、機関のガイドラインに準拠して実施された。
1. 模擬海水環境室の設置
2. 動物モデルの調製
3. 日焼け止めの塗布および前処理
4. 日焼け止めの残留評価
5. 光保護効果の検出
6. 統計解析
試験システムの環境特性評価
~の前に in vivo 評価のため、シミュレーション海辺チャンバーの物理的パラメータを校正し、高い環境再現性を確保した。UVシミュレーションユニットには、340 nmにピーク波長を持ち、300から420 nmの広帯域スペクトルを放出する6 Wランプを使用した。この特定の分光分布により、主たるUVA放出に加え、生物学的に重要な UVB の一部が伴い、地表に到達する自然な正午の太陽光の典型的な紫外線スペクトルを効果的に模倣している。17造波機は10 L/minの流量で動作させ、緩やかな海岸の波による洗い出しに相当する、軽微な流体せん断応力を発生させた。さらに、送風ユニットにより35 CFMの一定の風量を提供し、これは試験領域上の風速で約3~4 m/sに相当する。これは、海岸沿いの気象条件に典型的な軽風(ビューフォート風力階級3)と相関している。18これらの複合的なパラメータにより、一般的な海辺のアクティビティ中に経験する周期的な機械的および環境的なストレス要因を確実に再現しています。
日焼け止め保持能の評価
まず、擬似海岸装置を組み立てた。図1Aに示すように、本システムは主に、風による乾燥、UV照射、海水への浸漬、および集中制御にそれぞれ使用されるブロワーファン、UV照射システム、擬似海水タンク、および制御システムで構成されている。マウスを装置内に配置しシステムを始動させることで、海岸における浸漬相と露出相の条件を正常に再現することができた(図1B)。このセットアップに基づき、まずこれらの条件下での日焼け止めの保持能を調査した。最初に、蛍光マーカーで標識した市販の日焼け止めA、B、およびCをマウスの背部皮膚に塗布した。続いて、これらのマウスをシミュレーション装置内で、30分間の浸漬(水泳を模倣)と30分間の露出相(海岸での日光浴を模倣)からなる交互サイクルに供した。波と風の完全なサイクルを経て2時間後、皮膚に保持された蛍光をin vivoイメージングを用いて検出した。図2A–Bに示すように、シミュレーション前と比較して、すべての日焼け止め群で蛍光強度の低下が認められ、海水の波による洗い流し効果によって相当量の日焼け止めが除去されることが示された。その中で、日焼け止めCを塗布した領域は比較的高い蛍光量を保持し、日焼け止めBは中程度の保持率を示し、日焼け止めAは最も低い保持率を示した(図2C)。これは、日焼け止めCおよびBが比較的強い保持能を有していることを示している。これらのデータは、本装置が複雑な環境ストレス下において、異なる処方の耐久性を定量的に区別できることを裏付けている。
光保護効能
これらの日焼け止めのUV防御効果を擬似的な海辺の環境でさらに調査するため、マウスの背部皮膚の肉眼観察を行った。以下に示すように、 図3Aおよび3B未保護の対照群では、顕著な紅斑、赤み、および日光皮膚炎(サンバーン)を特徴とするUV誘導性損傷が認められた。対照的に、日焼け止めを塗布した部位では、日光皮膚炎の症状が有意に軽減していた。さらに、組織学的解析により Hを使用して&E染色を行い、 は、前述のマクロレベルでの観察結果と一致していた(図4A–B)。無保護の対照群を海辺シミュレーターに曝露させたところ、表皮の顕著な肥厚と炎症細胞の著明な浸潤が(図4C真皮において観察され、この模擬海辺試験システムが、実際の海辺の環境における皮膚の日焼けを効果的に再現できることが示された。日焼け止めの塗布により、これらの病理学的変化は有意に軽減された。特に、日焼け止めCを塗布した皮膚組織の表皮厚と炎症細胞浸潤は、同様の環境ストレスを受けたUV遮断内部コントロールと極めて類似していた。これは、日焼け止めCが高い保持率と固有の光保護特性を持つため、模擬海洋環境において最適な保護効果を発揮することを示唆している。

図1擬似海辺試験システムの概要。 (A装置の概略図。B)試験チャンバー内のマウス。このカスタムメイドの試験チャンバーは、UV照射装置、波発生器付きの水槽、およびブロワーファンを統合しており、実際の海辺の環境を効果的にシミュレートしている。本図は著者らによって作成されたものであるため、著作権上の問題はない。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2日焼け止め残留量の蛍光分析 (A) 120分間の実験前後のマウス背部皮膚の代表的な蛍光画像。 (B) 蛍光保持能の定量分析 (C)相対蛍光強度分析。データは平均値として提示する。 ± SD(n = 5)。統計解析は、一元配置分散分析(one-way ANOVA)およびそれに続くTukeyのポストホック検定を用いて行った。*p < 0.05, **p < 0.01. こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3環境曝露後におけるマウス皮膚の肉眼的外観。 (A) 擬似海辺環境に120分間曝露させた後のマウス背部皮膚の代表的な肉眼像。(B)日焼け止めで保護していない対照領域と、日焼け止めで保護した領域およびUV遮蔽した内部対照(正常)領域を比較し、紅斑と剥離の発生を示した局所拡大図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4光防御能の組織学的評価 (A) 代表的なH&環境曝露後のマウス背部皮膚の異なる処置部位におけるH&E染色切片。インジケーター線は測定した表皮の境界を示す。スケールバー = 250 µm. (B) 各指定領域における表皮厚の定量分析。 (C炎症細胞相対数の定量的評価(%)。UV遮断内部コントロール(Normal)をベースライン(100%)とした。データは平均値として提示している。 ± SD (n = 5)。統計解析は、一元配置分散分析(one-way ANOVA)およびそれに続くTukeyのポストホック検定を用いて行った。*p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001. こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
本研究では、生きたマウスモデルと組み合わせた多因子模擬海岸環境試験システムを新たに開発し、その有効性を確認した。本統合プロトコルは革新的な装置を提供するにとどまらず、複数の環境ストレス要因が相互作用する条件下において、日焼け止めの持続性および光保護効果を動的に評価することを可能にする。これにより、単純化された in vitro アッセイおよび複雑な人間の臨床試験と同様に、本手法は皮膚バリア製剤が実際の海洋環境下でどのように機能するかを理解するための包括的な前臨床プラットフォームを確立する。
本プロトコルが従来法に比べて有する主な利点は、高い環境再現性にある。標準的な耐水性試験では、通常、実験室の水槽を用いた静的水中浸漬が行われる19。対照的に、本システムは波動による機械的摩擦、高塩分海水による浸透圧ストレス、風による蒸発作用、および持続的な紫外線照射を統合している。これらの要因は相乗的に作用して日焼け止め膜を分解し、はるかに厳しく現実的なストレス試験を提供する。蛍光保持能の評価中は、蛍光体の消光を防ぐために紫外線ランプをオフにしたことに注意すべきである。したがって、この特定の試験は機械的洗脱および浸透圧ストレスに対する物理的耐久性を評価するものであるが、紫外線誘導的な化学的劣化要因は含まれない。これを補うため、その後の組織学的評価では紫外線モジュールをオンにして実施し、実用効果について包括的な評価を行った。その結果、すべての日焼け止めが一定の基礎的保護効果を示したものの、保持率(図2)およびそれに対応する組織学的保護(図4)は、製剤によって有意に異なった'これらの複合的な動的力に対する耐性。
使用 BALB/c マウスは優れたモデルを提供する 生体内 皮脂分泌、経表皮水分損失、動的な皮膚運動といった、人工皮膚モデルでは再現できない生物学的変数を考慮したプラットフォーム。120分間のサイクル中に照射される紫外線量は厳密に制御され、被曝した皮膚領域に急性の日焼けを効果的に誘導する一方で、全身性の毒性や重度の損傷を引き起こさず、BALB/cマウスにおける倫理的許容範囲内に厳密に保たれた。さらに、1匹のマウスを複数に分割することにより'個体間の生物学的変動を排除するためにサンプルを4象限に再分割したことで、異なる日焼け止め製品間の高精度な対応比較が可能となった。
このプロトコールにおける重要なステップは、脱毛後のマウス皮膚が完全に回復していることを確認することです。基礎的な刺激が残っていると、組織学的評価結果が混濁するためです。さらに、日焼け止め膜の均一な塗布、試験前の環境パラメータの安定した較正、および浸水および露出段階の正確な時間管理は、ロット間の高い再現性を確保するために不可欠です。トラブルシューティングに関しては、いくつか予測可能な問題が生じる可能性があります。日焼け止めの塗布が不均一である場合、ピペットの吐出量を再較正し、穏やかな円運動で塗布を行ってください。脱毛による紅斑が持続する場合は、回復期間を延長するか、該当する動物を除外してください。浸水中の動物の疲労を防ぐため、活動状態を厳密にモニタリングし、浸水段階中は休憩用の台が常に利用可能であることを確認してください。
このモデルの限界は、マウスの皮膚と人間の皮膚との間にある解剖学的および生理学的な差異(例えば、毛包密度および表皮の厚さ)にある。マウスの皮膚は毛包密度が高く、表皮がより薄いため、日焼け止め膜の形成に影響を与える可能性がある。多数存在する毛包の陥入部はマイクロレザーバーとして機能し、有機性製剤に比べて粒子状(無機性)日焼け止めの機械的保持を促進する可能性がある。このモデルは製剤のスクリーニングにおいて信頼性の高い比較ツールであるが、最終的なSPF表示のためにはヒトを対象とした臨床試験が依然として必要である。本システムの将来の応用範囲は広い。日焼け止めにとどまらず、本装置は厳しい環境条件下において、他の外用化粧品、バリアクリーム、創傷被覆材、さらには紫外線保護繊維の耐久性を評価するためにも応用可能である。本システムの導入により、R&Dプロセスは、ヒト試験に進む前に化粧品化学者および皮膚科学研究者に対して、迅速かつ費用対効果が高く、倫理的なスクリーニング手法を提供する。
著者に開示すべき利益相反はありません。
本研究は、仏山市自籌科学技術創新プロジェクト(No. 2220001004842)の助成を受けて実施されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| エオシン | Macklin | 770427 | H&E染色のために使用 |
| エタノール | Macklin | E809059 | H&E染色のために使用 |
| 除毛クリーム | Veet | TMG-001 | 産毛の除去に使用 |
| ヘマトキシリン | Macklin | H810910 | H&E染色のために使用 |
| Image J | 画像解析に使用 | ||
| 生体イメージングシステム | Perkinelmer | IVIS Lumina III | 蛍光保持の検出に使用 |
| イソフルラン | RWD Life Science | R510-22-10 | マウスの麻酔に使用 |
| パラホルムアルデヒド | Biosharp | BL539A | 皮膚組織の固定に使用 |
| シェーバー | Chemmole | CM700015 | 大部分の除毛に使用 |
| 塩化ナトリウム | Macklin | S805285 | 模擬海水の作製に使用 |
| Sulfo Cy7 | Ruixibio | R-Z54515 | 日焼け止めの標識に使用 |
| UVランプ | Kanfu Lighting Technology | T5-6W | 紫外線の照射に使用 |
| キシレン | Macklin | X821391 | H&E染色のために使用 |
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