来源：Optical UVA biosensor platform for high-throughput testing of UV blockers（Journal of Investigative Dermatology）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
紫外线辐射是皮肤癌、眼损伤与光老化的主要环境诱因，但防晒产品的金标准评测仍依赖人体志愿者试验，成本高、伦理争议大、重复性差。本研究构建了一种名为AURA的细胞生物传感器：利用UVA诱导PhoCl结构域光裂解，释放TetR–VP16转录因子入核激活报告基因，实现365 nm与395 nm UVA的灵敏检测，诱导倍数最高达100倍。基于该传感器建立的HEKAURA单克隆细胞系，可在5分钟脉冲光照下完成防晒霜、纺织品与隐形眼镜的UVA阻断效能高通量筛查，为替代人体UVA防护因子测试提供了可行路径。
研究背景
太阳辐射中的紫外线是无法回避的环境暴露因素。平流层臭氧损耗使部分地区的UV暴露强度上升，UV相关损伤风险随之增加。UVR按波长分为三类：UVC（100–280 nm）被臭氧层有效吸收，不构成直接健康风险；UVB（280–320 nm）主要作用于表皮，引起晒伤与晒黑，慢性暴露是皮肤癌的重要诱因；UVA（320–400 nm）穿透更深，具有致突变性，与长期健康风险密切相关。因此，多数UV阻断策略同时针对UVB与UVA。
防晒产品的消费选择常以SPF数值为唯一依据，但高SPF并不等同于广谱UVA防护能力。现行标签体系仍以1946年确立的SPF标尺为基础，依赖志愿者人体试验——让受试者接受 deliberately 的UV照射，结果受肤色、年龄、性别、体重指数等个体因素影响，重复性与伦理问题突出。体外替代方法虽有探索，但人体测试仍是金标准。合成生物学在医学研究中已积累大量工具，能否将其引入UV防护评测，构建可定量、可重复、无需人体的UVA传感平台，是本研究要回答的问题。
研究方法
质粒设计。 详细克隆策略见补充表S2。简言之，亲本质粒用高保真限制性内切酶（New England Biolabs）消化，使用T4 DNA连接酶（New England Biolabs，货号M0202S）连接，连接时加或不加PCR扩增。PCR使用定制寡核苷酸（Merck Life Science）与Q5高保真DNA聚合酶（New England Biolabs，货号M0491S）进行。为防止骨架片段自连，消化时加入快速小牛肠碱性磷酸酶（New England Biolabs，货号M0525S）。新构建的载体转化入XL10-Gold超感受态细胞（New England Biolabs，货号C3040H），用质粒小提试剂盒（Zymo Research，货号D4054）纯化，并经Sanger测序（Microsynth AG）验证序列。
【数据】酶：高保真限制性内切酶、T4 DNA连接酶（M0202S）、Q5高保真DNA聚合酶（M0491S）、快速小牛肠碱性磷酸酶（M0525S）；菌株：XL10-Gold超感受态细胞（C3040H）；试剂盒：质粒小提试剂盒（D4054）；测序：Sanger测序；其余参数：原文未详述
细胞培养与转染。 贴壁HEK-293T细胞（ATCC：CRL-3216）维持于完全培养基中，成分为DMEM（高糖，含GlutaMAX添加剂；Gibco，货号10566016）、10%热灭活胎牛血清（56 °C灭活30分钟；Sigma-Aldrich，货号F7524）和1%青霉素–链霉素（50 U·ml⁻¹青霉素、50 μg·ml⁻¹链霉素；Gibco，货号15070063）。培养于37 °C、5%二氧化碳的加湿培养箱中。细胞在90–95%汇合度时用0.05%胰蛋白酶–EDTA（Life Technologies，货号25300-054）室温消化2分钟，以完全培养基1:5稀释，250g离心2分钟。吸去上清，沉淀重悬于完全培养基。细胞计数用CellDrop明场细胞计数仪（DeNovix）完成。传代时按15,000 cells·cm⁻²接种。转染时，细胞以每孔75,000个细胞/500 μl接种于24孔板，培养过夜。次日，贴壁细胞单层用550 ng总质粒DNA与2200 ng聚乙烯亚胺（Polysciences）在250 μl无血清无抗生素培养基中转染16小时。
【数据】细胞：HEK-293T（ATCC CRL-3216）；培养基：DMEM高糖+GlutaMAX、10%热灭活FBS、1%青霉素–链霉素（50 U·ml⁻¹/50 μg·ml⁻¹）；温度：37 °C；CO₂：5%；消化：0.05%胰蛋白酶–EDTA，室温2分钟；离心：250g，2分钟；传代密度：15,000 cells·cm⁻²；转染：75,000 cells/500 μl/孔，550 ng质粒DNA+2200 ng PEI，250 μl，16小时
荧光显微镜。 荧光成像时，表达荧光融合蛋白的细胞接种于黑色透明平底96孔板（Greiner Bio-One，货号655096）。PhoCl荧光用GFP通道采集，激发395 nm、发射509 nm，仪器为Nikon WF3 + X-light SD共聚焦显微镜。
【数据】板型：黑色透明平底96孔板（655096）；激发波长：395 nm；发射波长：509 nm；仪器：Nikon WF3 + X-light SD共聚焦显微镜
单克隆细胞系构建。 为构建稳定HEKAURA细胞系，HEK-293T细胞以每孔300,000个细胞/2 ml接种于6孔板，培养过夜。次日，细胞用含2500 ng总质粒DNA（50 ng pGU268 + 2450 ng pGU269）、250 ng Sleeping Beauty转座酶载体（pSB100X）和12,000 ng聚乙烯亚胺的1 ml无血清无抗生素培养基转染16小时。稳定克隆用杀稻瘟菌素（5 μg·ml⁻¹；Invitrogen）和嘌呤霉素（2.5 μg·ml⁻¹；Invitrogen）筛选10天。所得双抗生素抗性多克隆群体经FACS分选，挑选Ypet与mRuby双荧光单细胞。存活克隆扩增后筛选UV敏感性与报告基因表达。表现最佳的克隆命名为HEKAURA，用于后续实验。
【数据】细胞：HEK-293T；接种：300,000 cells/2 ml/孔（6孔板）；转染：2500 ng总DNA（50 ng pGU268+2450 ng pGU269）、250 ng pSB100X、12,000 ng PEI，1 ml，16小时；筛选：杀稻瘟菌素5 μg·ml⁻¹+嘌呤霉素2.5 μg·ml⁻¹，10天；分选：FACS双荧光（Ypet、mRuby）
报告基因检测。 防晒霜测试时，将单层半透明Parafilm固定于optoWELL装置（Opto Biolabs）上方用于可控光照实验，或固定于细胞板盖上方用于直射阳光实验。optoWELL24-Glass-CellVis/Corning版本配有Corning品牌24孔板的固定座。每孔光照面积对应孔接种表面积1.9 cm²。接种细胞与optoWELL装置间距测得为1.38 mm（1.25 mm孔板底部厚度 + 0.13 mm Parafilm厚度）。为保证重复性与可比性，将25 μl防晒霜滴加于横跨24孔板3个孔的规定矩形区域（12 cm²），用T形刮刀均匀涂布，形成近似FDA/ISO 2 mg·cm⁻²涂布标准的均匀薄膜。实验组与对照组（含阳性对照及纺织品、隐形眼镜筛查实验）均一致使用Parafilm，以校正实验材料对UV的衰减（补充图S1与S2）。光照采用25秒光照后5秒黑暗的脉冲模式（脉冲设置1）（图2e和f），总暴露时间5分钟，辐照度10 mW·cm⁻²，波长365 nm或395 nm，除非另有说明。UV诱导后立即更换新鲜培养基，细胞在标准培养条件下孵育24小时。光照后24小时用0.4%台盼蓝溶液（Gibco；货号15250061）和CellDrop自动细胞计数仪（DeNovix）按厂商说明评估细胞活力（补充图S3）。随后用Nano-Glo荧光素酶检测系统（Promega；货号N1110）按厂商说明定量发光报告基因活性。
【数据】材料：Parafilm单层；装置：optoWELL24-Glass-CellVis/Corning；光照面积：1.9 cm²/孔；距离：1.38 mm（1.25 mm板底+0.13 mm Parafilm）；防晒霜：25 μl涂布12 cm²，约2 mg·cm⁻²；脉冲：25秒光照/5秒黑暗；总时长：5分钟；辐照度：10 mW·cm⁻²；波长：365 nm或395 nm；孵育：24小时；活力检测：0.4%台盼蓝+CellDrop；报告基因：Nano-Glo荧光素酶（N1110）
阳光测量。 太阳UV强度用手持UV计（Extech Instruments；货号UV505）测量。
【数据】仪器：手持UV计（Extech UV505）；其余参数：原文未详述
统计分析。 统计比较采用非配对单尾Welch t检验，95%置信区间，每样本至少3个重复（Prism软件；GraphPad）。体外测量数据以mean ± SD表示。显著性定义为∗P < .05、∗∗P < .01、∗∗∗P < .001、∗∗∗∗P < .0001。
【数据】检验：非配对单尾Welch t检验；置信区间：95%；重复数：≥3；软件：GraphPad Prism；显著性阈值：P<.05/.01/.001/.0001
研究结果
光遗传学回路的设计与验证。 为构建AURA，研究者设计了一种组成型表达的融合蛋白，通过N端肉豆蔻酰化结构域和核输出信号锚定于质膜。暴露于低能UVA辐射时，可光裂解的PhoCl结构域解离，释放与合成转录因子TetR–VP16融合的短C端肽段。释放的转录因子转位入核，激活四环素响应报告基因的转基因表达，形成UV可诱导的遗传开关（图1a）。
共聚焦成像证实，由载体pGU86（PhCMV-Anchor-3xNES-PhoCl-TetR-VP16-pA）表达的融合蛋白专一性定位于质膜，并具有内在绿色荧光（图1b）。与报告构建体pGU184（PhCMV∗-1-SS-nLuc-Fc-pA）共转染后，在人胚胎肾（HEK）-293T细胞中产生强烈的UV可诱导报告基因表达（图1c）。为提高灵敏度，研究者系统改变了传感器（pGU86）与效应器（pGU184）质粒的比例。瞬时实验中最高性能在1:15比例下获得，此时AURA开关诱导性最佳（图1c）。
【数据】载体：pGU86（PhCMV-Anchor-3xNES-PhoCl-TetR-VP16-pA）、pGU184（PhCMV∗-1-SS-nLuc-Fc-pA）；细胞：HEK-293T；最佳质粒比例：传感器:效应器=1:15；诱导倍数：4倍（瞬时实验，见下段）；定位：质膜；荧光：绿色
AURA转基因单克隆人源细胞的构建（HEKAURA）。 AURA组分的瞬时共转染未能提供足够的批间精密度，难以在准工业环境中对商业产品进行高通量筛查。为克服这一局限，研究者用Sleeping Beauty转座子系统构建了携带开关元件（pGU268、pGU269）的稳定HEK-293T细胞系，并共顺反子抗生素抗性标记用于筛选。单克隆群体筛选鉴定出克隆4，其诱导性（100倍）较瞬时实验（4倍）显著提高（图2a）。重要的是，该性能在多次传代中保持稳定，提供了高通量测试所需的重复性（图2b）。克隆4因此被命名为HEKAURA。
研究者随后优化了测试参数。既往光遗传学研究使用高强度UVA激光（395 nm，2 mW·mm⁻²）短脉冲光照（每15秒10秒，共6分钟），该条件比太阳UVA水平（1–6 mW·cm⁻²）高2个数量级（Caruso et al, 2017）。为确保对UV阻断剂的真实评价，研究者确认HEKAURA在环境相关强度下、于365 nm与395 nm均保持功能（图2c和d）。即使在降低暴露的条件下，AURA仅需5分钟脉冲光照即可被诱导（图2e和f）。
【数据】细胞系：HEKAURA（克隆4）；转座子系统：Sleeping Beauty（pGU268、pGU269）；诱导倍数：100倍（稳定系）vs 4倍（瞬时）；传代稳定性：多次传代保持；波长：365 nm、395 nm；光照：5分钟脉冲；环境UVA强度：1–6 mW·cm⁻²；既往激光条件：395 nm、2 mW·mm⁻²、每15秒10秒共6分钟
商业UV防护产品的筛查。 研究者随后用HEKAURA检测评估了具有代表性的市售防晒霜子集（图3a）。选择标准包括产品来源地（北美、欧洲、亚洲）、价格、市场需求、广谱标识、UVA防护因子和SPF（补充表S1）。多数声称具有UV防护的配方在365 nm下显著降低AURA发光，表明部分或完全阻断了UVA暴露（图3b）。相反，产品A——一种无UV防护声明的晒后乳液——未改变发光，证实其他配方信号降低反映的是真实UV阻断而非非特异性物理屏蔽。多数防晒霜在395 nm的阻断效能一致低于365 nm（图3c）。这虽在预期之内（395 nm接近可见光谱），但提示UVA全波段覆盖不完整。受试配方中，仅产品D与E提供优越防护（两个波长下阻断均>98%），而产品I对UVA衰减甚微。
研究者随后将检测扩展至纺织品与隐形眼镜，二者均有UV防护宣称。一件无品牌100%棉衬衫在365与395 nm下提供>90%防护，专用"UV衬衫"（82%聚酯/18%氨纶）表现略优（图3d和e）。然而，两种纺织品均未达到防晒配方D与E的高效能。相比之下，隐形眼镜效果差得多：多数在365 nm下仅有限阻断，在395 nm下几乎无阻断（图3f和g）。
【数据】波长：365 nm、395 nm；产品A（无UV声明）：无信号改变；产品D、E：两波长阻断>98%；产品I：UVA衰减甚微；棉衬衫：>90%防护（365与395 nm）；UV衬衫：82%聚酯/18%氨纶，略优于棉；隐形眼镜：365 nm有限阻断、395 nm几乎无阻断
直射太阳辐射下UV防护产品的评估。 尽管在单一波长下评估防晒产品对精确标签是必要的，但最终目标是成功阻断广谱太阳辐射。因此，研究者用HEKAURA在直射阳光下筛查了同一子集的市售配方（图4a）。总体结果与365 nm和395 nm测试相似，声称UV防护的产品使AURA发光显著降低（图4b）。值得注意的是，产品I在直射阳光下表现更好，这可能是因为太阳辐射强度（4.2 mW·cm⁻²）低于全功率UVA LED光照（10 mW·cm⁻²）。无品牌棉衬衫与专用"UV衬衫"均实现太阳UVR的近完全阻断（图4c）。有趣的是，在365 nm有防护而395 nm无防护的隐形眼镜，在直射阳光下表现居中（图4d）。
【数据】光照：直射阳光，10分钟，直角照射；太阳UVR强度：4.2 mW·cm⁻²；UVA LED全功率：10 mW·cm⁻²；产品I：直射阳光下表现改善；棉衬衫与UV衬衫：太阳UVR近完全阻断；隐形眼镜：直射阳光下表现居中
研究者在光路中测定了实验材料对UVA辐照度的影响：在固定发射器输出与恒定探测器距离下，测量4种检测配置中365 nm归一化UVA辐照度。单层Parafilm相对于基线降低辐照度，表明该材料存在衰减作用（图5）。
【数据】波长：365 nm；配置数：4种；材料：单层Parafilm；效应：相对基线降低辐照度；其余参数：原文未详述
隐形眼镜与纺织品筛查的检测示意如图6所示：标准直径（14.2 mm）隐形眼镜以扁平构型置于optoWELL装置与24孔培养板之间，确保均匀光路与材料整体均匀照射（图6a）；纺织品则按相应配置检测（图6b）。
【数据】隐形眼镜直径：14.2 mm；装置：optoWELL+24孔板；其余参数：原文未详述
光照后24小时细胞活力检测显示，5分钟脉冲UV光照对细胞活力无明显影响（mean ± SD，n = 4；ns，不显著）（图7）。
【数据】时间点：光照后24小时；光照：5分钟脉冲UV；活力影响：无显著差异；统计：mean ± SD，n=4，ns
【数据】原文未详述
讨论与解读
UV暴露失控是皮肤老化、免疫抑制、眼损伤与皮肤癌的主要驱动因素。过去半个世纪，防晒产业规模已超150亿美元，产品从乳液延伸至纺织品与隐形眼镜。然而，UV防护评测仍锚定于1946年Franz Greiter引入SPF标尺时确立的旧方法学，标签依赖经验性、蛮力式临床试验——志愿者被刻意暴露于UVR，重复性与伦理问题并存。肤色、年龄、性别、体重指数等受试者依赖因素影响皮肤特性，构成传统标签方法的固有偏倚。尽管已有更精巧的标准化体外方法探索，人体测试仍是金标准，稳健替代方案的需求十分迫切。
本研究将合成生物学工具引入这一空白：AURA回路以膜锚定PhoCl为光开关，暗态下核输出信号压制基础活性，UVA裂解后释放TetR–VP16入核，实现最高100倍诱导；稳定单克隆HEKAURA在环境相关强度下5分钟脉冲即可响应，批间精密度满足高通量筛查。对防晒霜、纺织品、隐形眼镜的测试揭示了若干与标签宣称不完全一致的现象——多数产品395 nm阻断弱于365 nm，隐形眼镜几乎不阻隔395 nm，提示广谱防护宣称需更细颗粒度的验证。直射阳光实验进一步表明，光源强度差异会影响产品排序，说明检测条件标准化的重要性。
编译者解读。 该工作的核心价值在于把"光控转录因子"这一合成生物学经典模块转化为可落地的检测器件：PhoCl光裂解无需外源化学诱导，细胞本身即为读出单元，绕开了人体试验的伦理与个体差异。局限同样明显——HEK-293T人源细胞系对终端消费品检测的接受度、24小时孵育带来的通量瓶颈、以及单波长LED与真实太阳光谱之间的差距，都限制了其短期替代SPF/UVA-PF金标准的可能。更现实的路径是作为配方研发阶段的快速筛排工具，与ISO体外法互补，而非直接对标人体标签测试。
参考来源
期刊：Journal of Investigative Dermatology（2026）
DOI：10.1016/j.jid.2026.05.021
DOI: 10.1016/j.jid.2026.05.021