黑色素與美白之史上最強美白成分——肽安密多

2018 ~2021年，拜爾斯道夫發(fā)了三篇重量級的文章，他們利用重組人酪氨酸酶從50000種化合物的庫中篩選出了迄今為止最強抑制人酪氨酸酶活性的成分—— 異丁基酰胺基噻唑基間苯二酚（簡稱肽胺密多，Thiamidol），并申請了專利（國內專利號是CN105007991A），號稱史上最強美白成分。

圖1. 肽胺密多（Thiamidol）的結構：它是含有一個噻唑基的間苯二酚衍生物，不溶于水和油，可溶于醇類。

和所有的間苯二酚類（見圖2）的美白劑一樣，肽胺密多也是酪氨酸酶的抑制劑。為什么我們一直執(zhí)著于酪氨酸酶呢？

圖2.各種抑制酪氨酸酶活性的美白劑結構 （1） 肽胺密多（異丁基酰胺基噻唑基間苯二酚）；(2) 4-丁基間苯二酚；(3) 4-己基間苯二酚；(4) 4-苯乙基間苯二酚；(5)曲酸；(6) 氫醌；(7) 熊果苷；(8)二甲氧基甲苯基丙基間苯二酚；(9) 杜鵑花醇。 目前已知人體中的黑色素有真黑素、褐黑素、神經(jīng)黑素三種，神經(jīng)黑素與皮膚無關，所以我們一般只討論真黑素和褐黑素。黑色素是生命進化中為了避免陽光、炎癥等對機體的損傷而產(chǎn)生的防御機制。主要作用有抗氧化、清除自由基（黑色素含有很多共軛基團以及多酚結構，具有很好的湮滅自由基的能力）、輻射防護（黑色素可以增加X射線、核輻射下存活率以及修復能力）、熱調節(jié)等。黑色素的結構極其復雜，至今人們還沒有完全弄懂，只是通過拆解知道了黑色素所含有的一些基團。目前黑色素的生成途徑比較主流的認知是Raper-Mason 途徑：

黑色素（真黑素）的生物合成始于酪氨酸（Tyrosine），酪氨酸被氧氣氧化或酪氨酸酶催化形成左旋多巴（L-DOPA），再到多巴醌。胺與醌的分子內親核加成生成 5,6-二羥基吲哚-2-羧酸（DHICA），然后自發(fā)脫羧生成5,6-二羥基吲哚（DHI）。這些亞基相互作用，可能組裝成多聚體和平面四聚體、五聚體或六聚體的堆疊，這些二級結構又聚集形成更大的無定形結構（見圖2）。褐黑素則是在半胱氨酸或者谷胱甘肽的存在下與左旋多巴在酪氨酸酶的作用下合成（見圖3）。

圖 3. 真黑色素的前體和潛在結構。(A) 真黑素單體的化學結構：酪氨酸、L-多巴、多巴胺、DHI、DHICA 和酪胺。(B) DHI 真黑素和 (C) DHICA 真黑素的代表性提議結構

圖4. 褐黑素的亞基和潛在結構。(A) 褐黑素的苯并噻嗪亞基化學結構。(B)可能的褐黑素結構

當然黑色素的研究是不是只能去拆解呢？

當然不是，事情的轉機居然是貽貝。

貽貝能分泌一種蛋白絲吸附在各種物體表面以固定自己，科學家發(fā)現(xiàn)它分泌的蛋白非常有意思，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一具有高含量多巴基團的蛋白質，幾乎可以吸附在任何材料表面，由此貽貝提取物進入了醫(yī)學領域，用于創(chuàng)傷修復、細胞培養(yǎng)等，這些文章都發(fā)表在了《Science》等權威雜志上（后面將會有文章再詳細介紹這個原料），后來根據(jù)貽貝粘蛋白的特性開發(fā)出了聚多巴胺（PDA）這個材料，其特征和性質與天然真黑素相似。這一發(fā)現(xiàn)為體外研究黑色素化學、生物合成和功能打開了大門。

2021年，美國西北大學科研團隊在《JACS》發(fā)表了文章，通過體外化學合成來揭秘黑色素的結構和性質。文章依次探討了人造真黑素（除聚多巴胺），人造褐黑素，人造神經(jīng)黑素以及不含氮黑色素（異黑素和派黑素）的合成，通過電子自旋共振(EPR)和固態(tài)核磁共振(ssNMR)來表征每步合成的產(chǎn)物結構與性質。重點探討和總結了不同黑色素的結構對其光保護和電離輻射保護等性質的影響，為未來設計更優(yōu)的具有良好生物相容性和生物可降解性的電離輻射保護材料提供指導。

文章的最后，作者總結并展望了四點未來可能的研究機遇與挑戰(zhàn)：1. 通過不破壞樣品的方法對黑色素的多級結構進行定量表征仍然存在巨大困難；2. 調節(jié)黑色素內部，黑色素之間以及與其他材料的超分子作用；3. 實現(xiàn)具有不同形貌和內部結構的人造黑色素；4. 研究除傳統(tǒng)生物合成路徑之外的新型黑色素。

雖然黑色素真正的結構以及在機體內的合成過程還未完全明了，但酪氨酸酶在黑色素的生成過程中的作用是毋庸置疑的，科學家在體外合成的過程中，也是采用酪氨酸酶來催化，所以抑制酪氨酸酶的活性是一個真正有效的途徑。

拜爾斯道夫為了更真實的體現(xiàn)在人皮膚上的效果，首次使用了人酪氨酸酶模型（hTyr）而非蘑菇酪氨酸酶（mTyr）,由于商業(yè)化的hTyr極其難得，目前市面上測試酪氨酸酶活性抑制的實驗均采用mTyr，但mTyr在活性位點區(qū)域具有與 hTyr 有著不同的氨基酸序列，結構不同，參考的意義不是很大。拜爾斯道夫采用重組技術獲取了人酪氨酸酶，并對比了市面上常用的美白成分比如4-丁基間苯二酚、377、熊果苷、氫醌等的效果。肽胺密多對hTyr的IC50值（抑制一半酶活性的濃度）是1.1uM（uM是摩爾濃度單位，代表umol/L），顯示可以強烈抑制hTyr的活性，而僅僅能微弱的抑制mTyr（IC50值為108uM），就單從抑制hTyr的數(shù)據(jù)來看，肽胺密多的活性是4-丁基間苯二酚的20倍，377的120倍。當然拜爾斯道夫也做了皮膚模型測試，顯示肽胺密多是4-丁基間苯二酚的15倍，曲酸的450倍（結果見表1）。

表 1. hTyr 和mTyr 抑制黑色素生成的動力學數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)只是在模型層面，2019年，拜爾斯道夫又發(fā)表了一篇關于肽胺密多對黃褐斑的作用。用0.2%的的肽胺密多與2%氫醌（氫醌是治療黃褐斑的金標準）對比，肽胺密多的效果非常明顯，且不論在低紫外還是高紫外環(huán)境中都有相同的表現(xiàn)，效果要好于氫醌（見圖5）。經(jīng)過12周的涂抹，黃褐斑有非常明顯的減淡，而且皮膚亮度和白度提升明顯（見圖6）

圖5. 肽胺密多對黃褐斑的清除效果（左圖與空白對比，右圖和氫醌對比）

圖6. 肽胺密多對黃褐斑的清除效果實例

2021年，狂奔的拜爾斯道夫又發(fā)了第三篇文章，肽胺密多對于炎癥后色沉（PIH）的治療效果。PIH是在皮膚受到創(chuàng)傷或者炎癥之后，會在皮膚上留下深色的印子，非常影響美觀。目前PIH的具體原因還未知，單純使用抗炎的成分并不能阻擋色沉的發(fā)生。肽胺密多能非常高效抑制人酪氨酸酶活性，也被拜爾斯道夫用來治療炎癥后色沉。在文章的結果中，同樣使用0.2%的肽胺密多能有效的改善痤瘡引起的色沉，并且在第二周就能看到明顯效果（見圖7，圖8）。另外在臨床上用0.1%濃度的肽胺密多，可減少老年斑的出現(xiàn)。

圖7. 肽胺密多對水泡誘導的PIH的治療圖像

圖 8 使用三種含肽胺密多產(chǎn)品的護膚方案進行治療。(a) 受試者使用含肽胺密多護膚方案（日霜、晚霜和雙重血清）治療 4、8 和 12 周后的代表性圖像。(b) 治療 4、8 和 12 周后病灶和病灶周圍皮膚的黑色素指數(shù)評分。數(shù)據(jù)表示為平均值 ± SD。與基線相比有顯著差異 (???p < 0.001)

拜爾斯道夫也通過臨床驗證了肽胺密多的安全性。在與氫醌的作用對比中，肽胺密多能迅速減少黑色素細胞的黑色素生成，然后移除作用，黑色素的生成會快速恢復，但是氫醌作用的細胞卻不能恢復到原始活性狀態(tài)，也證實氫醌對于黑色素細胞具有一定的毒殺作用。

圖9. 來自白種人供體的黑色素細胞用 1 μM 氫醌或 1 μM肽胺密多培養(yǎng) 2 周以減少黑色素生成，然后在沒有這些活性化合物的情況下再培養(yǎng) 2 周以監(jiān)測黑色素生成的恢復。在記錄的時間使用酶標儀測量黑色素含量，縱坐標為百分比（平均值 ± SEM，n = 5）。 □1 μM 硫胺醇；■1 μM 氫醌。

最后，拜爾斯道夫非常厚道的在文章中標示了肽胺密多與酪氨酸酶的作用位點模型（見圖10、11、12），讓我們更好的理解這個原料為什么具有如此強悍的hTyr抑制能力（肽胺密多能與酪氨酸競爭性爭奪酪氨酸酶，且其與酪氨酸酶結合的位點很多，十分緊密，這也是其抑制酪氨酸酶的活性強于其它美白劑的原因）。

圖10. (a) 肽胺密多與文中詳述的 hTyr 同源模型對接。 底物結合口袋的內表面根據(jù)疏水性著色。棕色：疏水性，藍色：親水性。

圖中的英文單詞代表氨基酸，數(shù)字代表這個氨基酸在酪氨酸酶中的位置。Ser：絲氨酸，Ile：異亮氨酸，His：組氨酸，Phe:苯丙氨酸，Val：纈氨酸，Thr：蘇氨酸

圖11穩(wěn)定建模酶-配體復合物的相互作用的示意圖。 疏水相互作用用黃色弧線表示，氫鍵相互作用用紅色和綠色箭頭表示， π-π 鍵用藍色箭頭表示。

現(xiàn)在該原料由拜爾斯道夫授權給妮維雅和優(yōu)色林使用，目前國內還未批準該原料，想嘗試的小朋友只能通過代購啦。

參考文獻

Mann T , Gerwat W , Batzer J , et al. Inhibition of Human Tyrosinase Requires Molecular Motifs Distinctively Different from Mushroom Tyrosinase[J]. Journal of Investigative Dermatology, 2018:S0022202X18301003.
Craig, Arrowitz, Andrea M , et al. Effective Tyrosinase Inhibition by Thiamidol Results in Significant Improvement of Mild to Moderate Melasma.[J]. The Journal of investigative dermatology, 2019.
Roggenkamp D , Dlova N , Mann T , et al. Effective reduction of post-inflammatory hyperpigmentation with the tyrosinase inhibitor isobutylamido-thiazolyl-resorcinol (Thiamidol)[J]. International Journal of Cosmetic Science, 2021.
Cao W , Zhou X , Mccallum N C , et al. Unraveling the Structure and Function of Melanin through Synthesis[J]. Journal of the American Chemical Society, 2021(1).
Waite J H , Tanzer M L . Polyphenolic Substance of Mytilus edulis: Novel Adhesive Containing L-Dopa and Hydroxyproline[J]. Science, 1981, 212(4498):1038-1040.

托比亞斯·曼, 卡特琳·舍納, 路哲爾·科爾比,等. 由烷基酰胺基噻唑以及芳香物質組成的組合:, CN105007991A[P].

2018 ~2021年，拜爾斯道夫發(fā)了三篇重量級的文章，他們利用重組人酪氨酸酶從50000種化合物的庫中篩選出了迄今為止最強抑制人酪氨酸酶活性的成分—— 異丁基酰胺基噻唑基間苯二酚（簡稱肽胺密多，Thiamidol），并申請了專利（國內專利號是CN105007991A），號稱史上最強美白成分。

圖1. 肽胺密多（Thiamidol）的結構：它是含有一個噻唑基的間苯二酚衍生物，不溶于水和油，可溶于醇類。

和所有的間苯二酚類（見圖2）的美白劑一樣，肽胺密多也是酪氨酸酶的抑制劑。為什么我們一直執(zhí)著于酪氨酸酶呢？

圖2.各種抑制酪氨酸酶活性的美白劑結構 （1） 肽胺密多（異丁基酰胺基噻唑基間苯二酚）；(2) 4-丁基間苯二酚；(3) 4-己基間苯二酚；(4) 4-苯乙基間苯二酚；(5)曲酸；(6) 氫醌；(7) 熊果苷；(8)二甲氧基甲苯基丙基間苯二酚；(9) 杜鵑花醇。 目前已知人體中的黑色素有真黑素、褐黑素、神經(jīng)黑素三種，神經(jīng)黑素與皮膚無關，所以我們一般只討論真黑素和褐黑素。黑色素是生命進化中為了避免陽光、炎癥等對機體的損傷而產(chǎn)生的防御機制。主要作用有抗氧化、清除自由基（黑色素含有很多共軛基團以及多酚結構，具有很好的湮滅自由基的能力）、輻射防護（黑色素可以增加X射線、核輻射下存活率以及修復能力）、熱調節(jié)等。黑色素的結構極其復雜，至今人們還沒有完全弄懂，只是通過拆解知道了黑色素所含有的一些基團。目前黑色素的生成途徑比較主流的認知是Raper-Mason 途徑：

黑色素（真黑素）的生物合成始于酪氨酸（Tyrosine），酪氨酸被氧氣氧化或酪氨酸酶催化形成左旋多巴（L-DOPA），再到多巴醌。胺與醌的分子內親核加成生成 5,6-二羥基吲哚-2-羧酸（DHICA），然后自發(fā)脫羧生成5,6-二羥基吲哚（DHI）。這些亞基相互作用，可能組裝成多聚體和平面四聚體、五聚體或六聚體的堆疊，這些二級結構又聚集形成更大的無定形結構（見圖2）。褐黑素則是在半胱氨酸或者谷胱甘肽的存在下與左旋多巴在酪氨酸酶的作用下合成（見圖3）。

圖 3. 真黑色素的前體和潛在結構。(A) 真黑素單體的化學結構：酪氨酸、L-多巴、多巴胺、DHI、DHICA 和酪胺。(B) DHI 真黑素和 (C) DHICA 真黑素的代表性提議結構

圖4. 褐黑素的亞基和潛在結構。(A) 褐黑素的苯并噻嗪亞基化學結構。(B)可能的褐黑素結構

當然黑色素的研究是不是只能去拆解呢？

當然不是，事情的轉機居然是貽貝。

貽貝能分泌一種蛋白絲吸附在各種物體表面以固定自己，科學家發(fā)現(xiàn)它分泌的蛋白非常有意思，也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一具有高含量多巴基團的蛋白質，幾乎可以吸附在任何材料表面，由此貽貝提取物進入了醫(yī)學領域，用于創(chuàng)傷修復、細胞培養(yǎng)等，這些文章都發(fā)表在了《Science》等權威雜志上（后面將會有文章再詳細介紹這個原料），后來根據(jù)貽貝粘蛋白的特性開發(fā)出了聚多巴胺（PDA）這個材料，其特征和性質與天然真黑素相似。這一發(fā)現(xiàn)為體外研究黑色素化學、生物合成和功能打開了大門。

2021年，美國西北大學科研團隊在《JACS》發(fā)表了文章，通過體外化學合成來揭秘黑色素的結構和性質。文章依次探討了人造真黑素（除聚多巴胺），人造褐黑素，人造神經(jīng)黑素以及不含氮黑色素（異黑素和派黑素）的合成，通過電子自旋共振(EPR)和固態(tài)核磁共振(ssNMR)來表征每步合成的產(chǎn)物結構與性質。重點探討和總結了不同黑色素的結構對其光保護和電離輻射保護等性質的影響，為未來設計更優(yōu)的具有良好生物相容性和生物可降解性的電離輻射保護材料提供指導。

文章的最后，作者總結并展望了四點未來可能的研究機遇與挑戰(zhàn)：1. 通過不破壞樣品的方法對黑色素的多級結構進行定量表征仍然存在巨大困難；2. 調節(jié)黑色素內部，黑色素之間以及與其他材料的超分子作用；3. 實現(xiàn)具有不同形貌和內部結構的人造黑色素；4. 研究除傳統(tǒng)生物合成路徑之外的新型黑色素。

雖然黑色素真正的結構以及在機體內的合成過程還未完全明了，但酪氨酸酶在黑色素的生成過程中的作用是毋庸置疑的，科學家在體外合成的過程中，也是采用酪氨酸酶來催化，所以抑制酪氨酸酶的活性是一個真正有效的途徑。

拜爾斯道夫為了更真實的體現(xiàn)在人皮膚上的效果，首次使用了人酪氨酸酶模型（hTyr）而非蘑菇酪氨酸酶（mTyr）,由于商業(yè)化的hTyr極其難得，目前市面上測試酪氨酸酶活性抑制的實驗均采用mTyr，但mTyr在活性位點區(qū)域具有與 hTyr 有著不同的氨基酸序列，結構不同，參考的意義不是很大。拜爾斯道夫采用重組技術獲取了人酪氨酸酶，并對比了市面上常用的美白成分比如4-丁基間苯二酚、377、熊果苷、氫醌等的效果。肽胺密多對hTyr的IC50值（抑制一半酶活性的濃度）是1.1uM（uM是摩爾濃度單位，代表umol/L），顯示可以強烈抑制hTyr的活性，而僅僅能微弱的抑制mTyr（IC50值為108uM），就單從抑制hTyr的數(shù)據(jù)來看，肽胺密多的活性是4-丁基間苯二酚的20倍，377的120倍。當然拜爾斯道夫也做了皮膚模型測試，顯示肽胺密多是4-丁基間苯二酚的15倍，曲酸的450倍（結果見表1）。

表 1. hTyr 和mTyr 抑制黑色素生成的動力學數(shù)據(jù)

以上數(shù)據(jù)只是在模型層面，2019年，拜爾斯道夫又發(fā)表了一篇關于肽胺密多對黃褐斑的作用。用0.2%的的肽胺密多與2%氫醌（氫醌是治療黃褐斑的金標準）對比，肽胺密多的效果非常明顯，且不論在低紫外還是高紫外環(huán)境中都有相同的表現(xiàn)，效果要好于氫醌（見圖5）。經(jīng)過12周的涂抹，黃褐斑有非常明顯的減淡，而且皮膚亮度和白度提升明顯（見圖6）

圖5. 肽胺密多對黃褐斑的清除效果（左圖與空白對比，右圖和氫醌對比）

圖6. 肽胺密多對黃褐斑的清除效果實例

2021年，狂奔的拜爾斯道夫又發(fā)了第三篇文章，肽胺密多對于炎癥后色沉（PIH）的治療效果。PIH是在皮膚受到創(chuàng)傷或者炎癥之后，會在皮膚上留下深色的印子，非常影響美觀。目前PIH的具體原因還未知，單純使用抗炎的成分并不能阻擋色沉的發(fā)生。肽胺密多能非常高效抑制人酪氨酸酶活性，也被拜爾斯道夫用來治療炎癥后色沉。在文章的結果中，同樣使用0.2%的肽胺密多能有效的改善痤瘡引起的色沉，并且在第二周就能看到明顯效果（見圖7，圖8）。另外在臨床上用0.1%濃度的肽胺密多，可減少老年斑的出現(xiàn)。

圖7. 肽胺密多對水泡誘導的PIH的治療圖像