紫外线B发光二极管在人体皮肤中更有效地产生维生素D3(2017)

维生素D，阳光维生素对健康很重要。那些有脂肪吸收障碍的人吸收维生素D不良，因此必须依赖皮肤产生维生素D3。维生素D3是暴露在紫外线B(UVB)辐射(无论是来自太阳还是来自人工来源)下产生的。发光二极管(LED)已经被开发用来发射紫外线辐射。关于UVB发光二极管调谐到不同波长在人体皮肤中产生维生素D3的效率，人们知之甚少。将含有7-脱氢胆固醇的安瓶暴露于峰值波长为2 93、2 95、2 98或30 5 nm的发光二极管，以测定它们产生维生素D3的效率。由于暴露时间较短，2 93 nm发光二极管最适合于评价其在人体皮肤中产生维生素D的效果。研究发现，这种发光二极管在人体皮肤中产生维生素D3的效率是太阳的2.4倍，时间不到1/60。这对未来医疗设备的开发具有重要的健康意义，可以用来为脂肪吸收不良综合征患者以及包括慢性肾脏疾病患者在内的其他代谢异常患者提供维生素D补充。

紫外线对骨骼健康的有益作用始于1919年，当时Huldschinsky报告说，几个月后，暴露在汞弧灯下的儿童佝偻病出现了显着的放射学改善。他指出，暴露在佝偻病儿童的一只前臂上，另一只没有暴露在汞弧灯1下的手臂显示出同样的放射学改善。他得出结论，皮肤中产生了某种进入血液循环的东西，导致佝偻病儿童的骨矿化得到广泛改善。与阳光的联系是在Hess等人。在纽约市将佝偻病儿童暴露在阳光下半个小时到几个小时，并报告说他们的佝偻病有了显著的改善。

现已认识到，在阳光照射下，2 90-315 nm之间的紫外线B(UVB)辐射穿透皮肤，被7-脱氢胆固醇(7-DHC)3、4、5吸收。这导致C9和C10之间的键断裂，形成顺式维生素D3。产生维生素D3的作用光谱显示，最有效的波长是2 98 ± 2 nM4。一旦形成，维生素D3在热力学上是不稳定的，三烯体系重新排列成热力学上更稳定的形式，维生素D3 1，6，7，8，9，9。10.人皮肤角质形成细胞膜的磷脂双层在这一过程中起主要作用，它使维他命D_3前体保持在热力学不稳定的构象中，使其迅速异构化为维生素D_(37)。

人体皮肤中维生素D3的产生取决于几个因素。暴露在紫外线辐射下的区域的大小与产生的维生素D3的量成正比；暴露的区域越大，产生的维生素D3就越多。例如，穿着泳衣晒日光浴产生的维生素D3的量与摄入约20000国际单位的维生素D1，11相似。衰老、皮肤色素沉着、防晒霜的使用、一天中的时间、纬度、季节和海拔都会影响这一重要的皮肤过程1、6、8、10、11。

自从第一次观察表明暴露在紫外线辐射下对治疗佝偻病有效以来，各种发射紫外线辐射的设备已经被开发出来，并用于治疗和预防维生素D3缺乏症。Sperti灯在20世纪40年代在美国的药店中用于治疗和预防佝偻病1，它是一种高强度的汞弧灯，与Huldschinsky使用的类似。一种含有发射紫外线的荧光灯管的现代版本可以有效地提高健康成年人和与囊性纤维化相关的脂肪吸收不良综合征患者的血液中25-羟基维生素D[25(OH)D]的水平12、13。发射UVB辐射的日光浴床产生维生素D314。暴露在日光浴床辐射下的克罗恩病患者，如果无法吸收饮食或补充维生素D315，血液中25(OH)D的水平就会升高。患有脂肪吸收不良综合征的患者，包括炎症性肠病患者，囊性纤维化和胃旁路手术是维生素D3缺乏症的高危人群，需要一种用户友好的设备来促进皮肤产生维生素D38、16。

人们发现，在2 90-30 0 nm之间的紫外线波长对人体皮肤和人体皮肤等效模型4、5产生维生素D3的效率最高。随着发射紫外线辐射的氮化镓发光二极管(Light Emitting Diode)技术的进步，现在有可能制造出高效的、适用于广泛商业用途的LED，包括杀菌17、18。

在本研究中使用了四个不同峰值波长的LED，293、295、298和305 nm，293 nm来自RayVIO(美国海沃德，CA)，295 nm和305 nm来自传感器电子技术公司(SETI，哥伦比亚，SC，美国)，298 nm来自道瓦电子材料有限公司(千代田区，日本东京)。在所有实验中，LED的电源(由RayVio提供)设置为50 V和10 mA。每个LED的能量输出使用UVB计(Solareter，Solareter(Solar Light Company，Inc，Glenside，PA))测量。该仪器以每小时最小红斑剂量(MED)估算输出，相当于15.6MJ/cm2/小时。

人体皮肤产生维生素D3的作用谱(A)和被评估的各种LED的光谱输出(B-E)。虚线表示峰值波长为297.5 nm。

本实验中使用的安瓶为惠顿公司生产的硼硅酸盐安瓶。使用的皮肤样本来自波士顿医疗中心整形外科，其中含有50 µg/mL的7-二氢呋喃(美国新泽西州米尔维尔)，其中含有50 µg/mL的7-DHC，溶于1 mmol mL的乙醇中，如上所述。12.使用的皮肤样本来自波士顿医疗中心整形外科。每个皮肤样本都被切割成大约4 cm2的表面积。这项研究被波士顿大学医学院机构审查委员会(BUMCIRB)归类为批准的免试研究。本研究中的所有方法均按照我们IRB发布的指南和规定进行。由于这项研究的豁免性质，所有被丢弃的样本都是不确定的，因此提供皮肤样本的人不需要知情同意。

紫外光照射时，样品(安瓶或皮肤)放置在塑料仪器顶部的石英盘中，中心开口1 cm2，聚焦在发光二极管顶部上方10.0 mm ± 1.0 mm处。将安瓶或~4 cm2皮片置于1 cm2开口上。为了确保整块皮肤的辐射，对未暴露的区域重复这一过程，使整个皮肤样本暴露在等量的UVB辐射下。

为了确定哪种LED转化为维生素D3的效率最高，使用太阳能计测量每个LED的能量输出，以计算每个LED达到46.8mJ/cm2(相当于3med)所需的曝光时间。每个计算时间分别曝光3个安瓶，以确定每个LED将7-DHC转化为维生素D3的效率。选择转化率最高、曝光时间最短/最短的LED进行附加实验，利用人体皮肤样本进行LED与阳光照射的对比分析。来自一名患者的每个皮肤样本都被切成两半，一半暴露在LED下，另一半暴露在10月份中午波士顿的阳光下，进行同样的能量暴露。

在规定的暴露时间后，立即从每个安瓶中回收200µl ，并转移到试管中，在氮气中干燥。干燥样品重新溶解在1 mL 0.8%异丙醇正己烷中，以直相高压液相色谱(HPL C)分析，流速为1.5min mL/ 。

皮肤照射后，在60 °C的水中浸泡1 分12分钟，用手术刀刮去表皮和真皮。去掉真皮，将表皮置于2.5 mL 8%乙酸乙酯正己烷溶液中超声10 s。然后将样品在50 °C下孵育一夜，以便将维生素D3前体转化为维生素D3。这一过程有助于分离迁移到维生素D3前体洗脱位置附近的脂质污染物，从而允许维生素D3的定量。因此，维生素D3的含量被认为是在安瓶中观察到的维生素D3前体。过夜培养后，细胞颗粒留在底部，溶液倒入试管，在氮气下干燥。样品重新悬浮在1 mL 0.8%异丙醇正己烷中，离心除去残留颗粒，上清液在氮气中干燥，再悬浮在1 4 0 µl 0.8%异丙醇胺正己烷中，以1.5min mL/ 的流速进行分析。

描述性统计用于呈现数据、平均值和标准差。293、295和298 nm发光二极管之间的平均维生素D3%转化率没有显著差异，因此没有进行正式的统计测试来比较它们。然而，根据已公布的维生素D3作用谱4，预计305 nm发光二极管的转化率与其他发光二极管相比会有很大的不同。

用4个含有7-DHC的安瓶照射相当于46.8mJ/cm2的时间(表1)。在2 93、2 95和2 98 nm发光二极管中，7-二羟丙基己烷转化为维生素D3的平均百分比相似。然而，与其他 相比，305nmLED的转换百分比要低90%以上(P-Value <； 0.001；表1)。与其他发光二极管相比，293 nm发光二极管能够在不到一半的时间内产生等量的维生素D3。这一点在评估每个LED在2.55 分钟的相同时间段内7-二氯乙烷转化为维生素D3前体物的百分比时也很明显。例如，在305 nm发光二极管中，只有0.47%的7-二氯乙烷将被转化为维生素D3前体，而在293 nm发光二极管中，这一比例为11.2%。因此，选择2 93 nm发光二极管与自然光比较维生素D3的生产效率。

取不同供体的FitzpatrickⅡ型皮肤标本，于10月中旬12 pm，分别在不同的日照时间(11.7mJ/cm2；0.75MED)和1 小时(37.4mJ/cm2)下进行32.15MED和37.4MJ/cm2的太阳照射。另一半皮肤样品在同一天用2 93 nm发光二极管照射1 36mJ/cm2和2 73mJ/cm2，分别获得相同能量的30 min(11.7mJ/cm2)和1h日照(37.4mJ/cm2)。图2展示了代表性的色谱图，图3展示的紫外吸收光谱证实了暴露在紫外线辐射下的安瓶的峰的识别，显示了7-DHC和前维他命D3(A)以及预维他命D3到维生素D3的热转化(B)。图2C和D是人体皮肤分别暴露在293 nm发光二极管和阳光下的代表性色谱图，显示了维生素D3之前迁移的地方附近迁移的脂质污染物。该污染物的紫外吸收光谱与普维他明D3不同。

含有7-DHC并暴露于紫外线辐射下的安瓶的色谱图(A)以及维生素D3和维生素D3的标准(B)。2 C和2D是人体皮肤在293 nm发光二极管(C)和日光(D)下孵育过夜后的脂质提取物的色谱图。

维生素D3、维生素D3和7-DHC在293 nm发光二极管(C)和阳光(D)照射后从安瓶(A和B)和人体皮肤获得的紫外吸收光谱。

一项对293 nm发光二极管在II型皮肤中产生维生素D3的效率的评估显示，与阳光相比，发光二极管的效率提高了2倍以上(表2)。2 93 nm发光二极管发出11.7mJ/cm2的光仅需0.5 2mJ/cm2，其中1.2%的7- 转化为维生素D3。同样能量的太阳照射3 2.5 分钟，只有0.5%的7-DHC转化为维生素D3。当另一种II型样品在不同的日期暴露于37.4mJ/cm2时，也得到了类似的结果。1.9%的7-DHC转化为维生素D3仅需2.73min，而将1.3%的7-DHC转化为维生素D3需要6 0 min。为了确定皮肤色素沉着增加对皮肤合成维生素D的影响，2名受试者的皮肤III型皮肤在2 93LED和阳光下暴露于31.2mJ/cm2的太阳光中，以确定皮肤色素沉着增加对皮肤产生维生素D的影响(P<0.0 5)，2名受试者的皮肤III型皮肤暴露于2 93LED和太阳光的31.2 mJ/cm2。在太阳照射下，0.6%的7-DHC转化为维生素Ds需要92.2min，相比之下，III型皮肤样本中，将1.3%和1.7%的7-脱氢胆固醇转化为维生素D3只需要2.47min，而在III型皮肤样本中，将0.6%的7-脱氢胆固醇转化为维生素D3只需要2.47min。

我们评估了几种不同波长的LED，以确定哪一种最适合开发用于人体试验。我们发现，由RayVio公司提供的293 nm发光二极管最适合人体试验，因为与其他LED相比，曝光时间缩短了50%以上，从而产生了等量的维生素D3。研究还发现，这种LED在II型和III型人类皮肤中产生维生素D3的效率分别是暴露在相同能量的太阳下的时间短得多的情况下的2.4倍和2.5倍。例如，II型皮肤从293LED亚热暴露在0.75MED下，在半分钟内产生2.3Ius cm2(5.63 ng/cm2)，而当同一皮肤样本暴露在阳光下超过60倍的时间(32.15Iu/ min)时，产生的维生素D3不到一半(0.9Ius；2.35ng/cm2)。假设成人平均身体表面积为1.7MED m 2LED 21，则全身暴露在2 93 nm 的0.75MED将产生39,100个单位。医学研究所建议，对于大多数儿童和成人，他们每天的维生素D需求量是600国际单位。这将转化为将260cm2(40.3in2)的皮肤表面暴露在293 nm发光二极管下约半分钟。这与产生15,300个单位暴露在0.75 M ED的阳光下形成了对比。要产生600IU的维生素D3，需要666Iucm2(103Icm2)的皮肤表面暴露在大约30 分钟的阳光下。

日照后人体皮肤中维生素D的产生

LED可以用具有窄范围的任何所需波长制造。有可能拥有一种波长比阳光更有效地最大限度地产生维生素D3的LED。这些LED可以用于不同的功能，包括为吸收不良综合征患者生产维生素D3。LED还可以集成到可穿戴设备中，为个人提供日常所需的维生素D3。此外，LED还可用于慢性肾脏疾病(CKD)患者的维生素D3.。研究表明，在提高CKD 26患者血清25(OH)D水平方面，UVB暴露优于口服补充剂。

为生产维生素D而发射UVB辐射的LED的最佳范围被发现在。

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