-5,6二羟基吲哚的成黑素和合成机制及其在养发产品中的研究

　　

5,6‑二羟基吲哚的成黑素机制及其在养发产品中的应用研究

李京¹，陈芳芳¹，李好²，徐彬¹，冯钲凯¹，陆华冠^1*，龚道勇¹

（1.广西科学院大健康产业研究院，广西 南宁，530000；2. 嘉兴大学医学院，浙江 嘉兴，314050）

摘 要： 近年来，随着温和染发、灰白毛发护理及功能性毛发材料需求的不断增加，因5,6-二羟基吲哚（5,6-dihydroxyindole，DHI）能够模拟天然真黑素形成过程而受到广泛关注。本文系统综述DHI的来源、结构及目前的合成机制，并重点总结其在毛发护理与仿生染发领域的研究进展。

关键词：5,6-二羟基吲哚；养发；黑色素；合成

Melanogenesis, Synthetic Strategies, and Applications of 5,6-Dihydroxyindole in Hair Care Products

Li Jing¹, Chen Fangfang¹, Li Hao², Xu Bin², Feng Zhengkai¹, Lu Huaguan^1*，Gong Daoyong¹

(1. Institute of Grand Health, Guangxi Academy of Sciences, Nanning, Guangxi, 530000, China; 2. Jiaxing University School of Medicine, Jiaxing, Zhejiang, 314050, China)

Abstract: In recent years, the growing demand for mild hair coloring, gray hair care, and functional hair materials has attracted increasing attention to 5,6-dihydroxyindole (DHI), owing to its ability to mimic the natural formation of eumelanin. This review systematically summarizes the origin, structure, and current synthetic approaches of DHI, with particular emphasis on recent advances in its applications in hair care and biomimetic hair dyeing.

Keywords:5,6-dihydroxyindole, hair care, melanin, synthesis

引 言

随着人口老龄化及生活压力增加，白发、脱发及毛发老化逐渐成为全球重要的美容及健康问题。据统计，开始出现白发的平均年龄约为30岁，约50%的人在50岁时会出现显著数量的白发^[1]。毛发颜色主要由毛囊黑素细胞（melanocyte）产生的黑色素决定，其中真黑素（eumelanin）赋予毛发黑色或棕色，而褐黑素（pheomelanin）则决定黄色及红色毛发。毛囊黑素细胞功能下降、氧化应激增加及黑素干细胞耗竭均可导致白发形成。

近年来，人们越来越关注能够模拟天然黑色素形成过程的新型活性分子，其中5,6-二羟基吲哚（5,6-dihydroxyindole，DHI）由于是天然黑色素形成过程中重要的终末前体之一。DHI能够在空气、氧气甚至弱碱环境下，无需外加氧化剂即可快速聚合形成与人体天然真黑素高度相似的聚合物，因其独特的仿生特性和良好的生物安全性，逐渐成为功能性护发产品养发领域及天然染发剂领域的重要研究热点^[2]。

本文从DHI的理化性质、生物学功能、染发机理、合成方法和养发应用等方面，系统综述其在养发领域的应用研究进展。

1 DHI的来源及生物学特性

DHI是真黑素生物合成过程中的重要吲哚类前体之一，其高度活泼的氧化还原特性使其成为仿生黑色素材料构建的重要化学基础。在天然黑色素生成过程中，酪氨酸首先经酪氨酸酶催化氧化形成L-3,4-二羟基苯丙氨酸（L-DOPA）和多巴醌，随后经环化、重排及进一步氧化形成多巴色素，并随着不同反应途径生成DHI和5,6-二羟基吲哚-2-羧酸（5,6-dihydroxyindole-2-carboxylic acid，DHICA）。DHI和DHICA及其相应的醌/半醌氧化形式进一步经历氧化偶联、聚集及聚合反应，最终形成具有复杂共轭结构的真黑素^{[3] [4]}。因此，DHI并非单纯意义上的“黑色染料”，而是连接黑色素前体代谢与最终色素形成的重要化学中间体。DHI分子含有邻二酚结构及吲哚环，具有极高的氧化活性。在空气、氧气或轻度碱性条件下即可迅速形成半醌自由基，并进一步发生自由基偶联生成二聚体、三聚体及更高聚体，最终形成天然真黑素。这种聚合过程，无需复杂的酶系统即可进行，因此成为近年来仿生黑色素材料研究的重要基础。

2 DHI形成天然黑色素的机制

目前认为，DHI氧化聚合主要经历三个阶段^[5]：首先，DHI被氧化生成5,6-吲哚醌（indolequinone）；随后形成自由基中间体；最后自由基不断偶联形成高度共轭的黑色素聚合网络。研究发现^[5]，DHI氧化聚合过程中，2位表现出较高的反应活性，经典研究主要观察到2,4′和2,7′连接；此外，3位参与的偶联也已在相关DHI/DHICA氧化体系中得到证实，提示黑色素形成过程中存在多种连接模式，因此DHI黑色素的结构具有的复杂性和异质性。这种结构赋予真黑素光吸收能力、自由基清除能力、紫外吸收能力及金属离子结合能力，是天然头发具有颜色稳定性的重要原因^[6]。

从化学反应机制来看，DHI具有典型的邻二酚结构，在分子氧存在条件下具有较高的自氧化倾向，可形成相应的醌和半醌自由基中间体，并进一步发生自由基偶联、二聚及寡聚反应，最终生成具有黑褐色色泽的DHI-derived eumelanin^{[3] [7]}。该过程并不完全依赖特异性酶催化，因此DHI具有在适宜氧化环境中进行原位色素构建的特点。DHI的这种高反应活性一方面为其仿生着色提供了化学基础，另一方面也构成其制剂开发中的关键挑战，即如何在储存和使用过程中维持前体稳定性，并在接触毛发表面后实现可控的氧化聚合。因此，从材料化学角度而言，DHI更适宜被理解为一种具有“原位成色”能力的黑色素前体，而非传统意义上的预制型染料分子。

3 DHI在养发中的应用

3.1 DHI通过形成仿生黑色素改善毛发颜色

近年来，DHI在养发领域受到广泛关注，并非因为其能够直接刺激毛囊生长，而是其能够模拟人体天然黑色素形成过程，在毛发表面及毛干内部形成具有仿生真黑素特征的色素沉积层，从而改善毛发颜色，降低传统染发带来的化学损伤^[8]。

目前，DHI在毛发护理领域现实应用价值的方向之一，是作为天然真黑素（eumelanin）的关键前体用于仿生染发。与传统永久性染发剂通过小分子芳香胺进入毛皮质并在强氧化条件下原位形成有色分子不同，DHI的着色机制更加接近人体毛囊中的天然黑色素生成过程。研究显示DHI具有较高的氧化反应活性，即使不存在特异性酶催化，在适宜的水相和空气氧化条件下能够发生快速氧化聚合，形成深色的DHI-derived eumelanin。因此，从化学本质上看，DHI染发并不是利用传统意义上的人工合成染料分子对毛发进行简单“染色”，而是利用DHI作为天然黑色素前体，在毛发环境中原位形成与天然真黑素具有相似光学性质的色素层。

传统永久性氧化型染发体系通常包含对苯二胺（PPD）等染料中间体、间苯二酚等偶联剂以及过氧化氢等氧化剂等化学体系，在氧化聚合过程中容易破坏毛鳞片结构，使毛发角蛋白发生氧化断裂，并诱导头皮炎症及接触性过敏反应。而DHI作为天然黑色素前体，其氧化聚合过程更加接近人体自身黑色素生成机制，无需依赖高浓度氧化剂，在温和的空气氧化条件下发生原位聚合，无需依赖传统永久性染发体系中的强氧化剂，因此具有较好的温和染发潜力，从而有望降低传统强氧化染发过程中可能产生的毛发蛋白质和毛鳞片氧化损伤。近年来研究均将DHI视为下一代仿生染发体系的重要代表，其最大特点在于形成的是"天然样黑色素"，而非传统人工色素，因此染后颜色更加自然，具有较好的耐洗性能，同时有较高的生物相容性^[4]。

3.2 DHI及其衍生黑色素具有抗氧化和毛发保护潜力

氧化应激是毛发环境损伤和光老化的重要分子机制之一。DHI氧化形成的黑色素样聚合物可在毛发表面形成色素沉积层，并可能与毛鳞片表面发生界面结合^[2]。这种仿生黑色素层能够减少外界污染物、重金属离子及氧化剂对毛发的侵袭，从而降低毛发老化速度。已有研究显示^[2]，黑色素对Fe、Cu等过渡金属的结合可能改变其氧化还原活性，并在特定条件下限制Fenton型氧化反应；但这一机制能否在DHI染色毛发中实际降低氧化损伤，仍需直接实验验证。此外，其共轭聚合结构能够提高毛发表面的疏水性，减少水分流失，提高毛发柔顺度及光泽度，因此在高端功能性护发产品中具有较大的应用潜力。

有研究表明^[9]，DHI及DHICA能够与羟自由基等活性物质发生反应，其氧化产物进一步参与黑色素形成。然而，黑色素的氧化还原功能并非简单遵循“自由基清除能力越强越好”的线性关系。近年来的研究表明^[2]，黑色素的氧化还原性质受到聚合程度、氧化状态、分子组成、颗粒聚集以及光照条件等多种因素共同影响。在特定光化学环境下，黑色素甚至可能参与光诱导ROS形成，其最终表现出的抗氧化或促氧化效应取决于具体的分子结构和微环境。近期研究进一步表明^[10]，黑色素的氧化状态及降解程度能够改变其自由基特征和电子转移性质，从而影响其氧化还原行为及光化学反应性。因此，未来DHI护发材料的开发不应仅关注DHI的添加量，而应更加重视其氧化聚合动力学以及最终形成黑色素的结构、粒径、聚集状态和氧化还原特征，以增强着色性能与氧化防护能力。

3.3 DHI具有潜在的抗紫外和抗光老化作用

紫外辐射是毛发外源性老化的重要环境因素之一^[11]。DHI氧化形成的真黑素样色素，其复杂的共轭和电子结构能够吸收一定范围的高能光辐射，并能降低部分高能辐射到达毛发结构组分的程度等过程降低光能直接作用于毛发结构组分的概率^[12]。因此，当DHI-derived melanin沉积于毛发表面后，其理论功能不仅限于提供颜色，还可能形成具有一定紫外屏蔽能力的功能性色素层。

Battistella等^[13]人研究发现，合成黑色素能够在人体毛发表面形成稳定的色素涂层，并在紫外照射条件下表现出一定程度的保护作用，提示人工黑色素可以同时承担着色和光保护功能。因此，DHI氧化形成的黑色素具有潜在的光吸收和光保护功能，而其在人体毛发长期抗光老化中的实际功效仍有待进一步验证。

3.4 DHI在白发渐进式护理中的应用潜力

白发形成主要与毛囊黑素细胞功能衰退、黑素干细胞耗竭、氧化应激持续增加及酪氨酸酶活性下降等密切相关^[4]。DHI的另一个重要应用方向是渐进式白发着色。DHI-based formulation不同于传统染发体系追求一次处理获得明显而稳定的颜色，而是利用其持续氧化和色素逐渐沉积的特征，通过多次重复处理使灰白毛发颜色逐步加深。相关研究已经明确报道^[4]，DHI基配方可以实现灰发的step-wise coverage，并形成较为自然的渐进式色泽。

这种渐进式着色模式具有较好的日常护理应用价值。一方面，通过重复、低强度处理可以避免一次性高强度着色所产生的明显颜色突变，这种染色方式更加接近人体黑色素自然积累过程，因此颜色层次更加自然，不易产生明显色差，具有天然黑色素所具备的抗氧化和紫外防护功能，使白发在恢复颜色的同时获得一定程度的毛发保护作用，降低了多次染色所造成的毛发损伤；另一方面，使用者可以通过调节处理频率控制最终颜色深度，从而使毛发颜色逐渐接近自身原有发色。因此，DHI具有进一步开发为日常型灰发护理产品的潜力，包括洗发后着色产品、护发素、发膜、护发精华及免洗型着色产品等，但其作用仍主要属于仿生色素沉积，而非真正意义上的白发治疗。

3.5 DHI的潜在抗菌特性

除光保护和氧化还原调节外，黑色素与微生物之间的相互作用也使其具有潜在的抗菌材料应用价值。天然黑色素能够通过金属离子螯合、表面吸附、氧化还原调节以及与微生物细胞表面组分相互作用等方式改变局部微环境，从而影响部分微生物的生长和代谢^{[14] [15]}。有研究报道^[16]，DHI及其氧化产物可能是黑化反应产生抗微生物作用的重要活性物质。2017年意大利那不勒斯大学和国家研究中心IRC-CNR燃料研究所的Alessandro Pezzella等^[17]人，共同报道DHI和DHICA构建的TiO₂-真黑素杂化纳米结构具有抗菌活性。

4 DHI的合成方法

根据现有文献，5,6-二羟基吲哚（DHI）的合成方法主要可分为化学合成法和生物-化学法两大类，不同方法的产率差异显著。化学合成法通常步骤繁琐，综合产率普遍不高，且部分路线存在原料毒性大、反应条件苛刻等问题。生物-化学法是一种新兴的合成路线，通过将酶促反应与化学反应相结合，能显著提高产率。有研究者^[18]，采用 Saccharomyces cerevisiae BY4741/pYX212-TYR 全细胞催化体系。经过生物氧化条件及供氧策略优化，L-DOPA转化率达到94.75%；随后对多巴色素（DC）进行化学还原，DHI产率达到90.03%，总体转换率估计是85.30%。这是目前文献报道，较高的一种合成方法。

表1 DHI的合成方法

Table 1 The synthesis method of DHI

合成路线	起始原料	关键步骤与收率	总收率	特点与说明
苯甲醛法	胡椒醛	-	-	路线长，反应时间长，需柱层析分离[19]。且未见有统一、权威的总收率文献数据。
	香兰素	-	-	羟基保护步骤收率仅约30%[19]。额外增加转化步骤，总收率进一步下降。
	3,4-二羟基苯甲醛	-	-	原料价格高，步骤繁琐[19]。未见统一总收率，部分资料计算综合收率约48.7%-50.0%。
苯乙腈法[20]	3,4-二甲氧基苯乙腈	1. 去甲基化 (90.2%) 2. 羟基保护 (87.8%) 3. 硝化反应 (86.9%) 4. 还原环合 (85.2%)	58.60%	步骤多，但各步收率较高，是较成熟的化学合成路线[20]。
苯乙胺法[19] [21]	多巴胺衍生物	-	约10%	步骤少，但原料价格高，收率极低，经济性差。
新三步法[22]	2-甲基-4,5-二羟基硝基苯	1. 羟基保护 (86.5%) 2. 缩合反应 (91.1%) 3. 还原环合 (77.3%)	60.9% (估算)	步骤相对精简，综合收率有所提升[22]。
电化学法[19]	4,5-二羟基-2,β-二硝基苯乙烯	-	-	选择性高，产品纯度和收率较高。
生物-化学法[18]	L-DOPA（左旋多巴）	1.酪氨酸酶工程酵母催化L-DOPA氧化生成DC，转化率 94.75%。 2. DC化学还原生成DHI，产率 90.03%	85.30%(估算)	产率高，绿色环保，条件温和。

5 总结展望

DHI近年来逐渐受到仿生色素构建、毛发着色及功能性护发材料研究的关注。本文围绕DHI在仿生毛发着色及养发、护发领域的应用潜力，系统梳理了其来源与理化生物学特性、氧化聚合形成真黑素样色素的分子机制、在仿生染发及毛发保护中的潜在作用，并进一步比较分析了不同DHI合成路线的特点及其应用局限性。通过对现有研究的综合分析结果显示，DHI作为天然真黑素生物合成过程中的重要前体，其核心研究价值在于能够利用自身的氧化聚合特性形成具有真黑素样结构和宽谱光吸收特征的色素体系，为模拟天然黑色素形成过程及开发新型仿生毛发着色材料提供了重要的化学基础，在开发新型仿生色素和替代性毛发着色材料方面具有一定潜力，为温和型仿生染发、灰白毛发着色以及功能性色素材料开发提供新的思路。

此外，本文还对不同DHI合成策略进行了比较，结果显示传统化学合成路线普遍存在步骤较多、保护与脱保护操作复杂、综合收率有限或原料成本较高等问题，而生物-化学合成策略则在反应条件温和及绿色制备方面显示出一定优势。现阶段，DHI的研究重点仍应从“能够着色”进一步向“如何实现稳定、可控、安全和具有功能性的着色”转变。因此，未来DHI的实际应用不仅取决于其着色性能，还需要进一步解决规模化制备、前体储存稳定性、氧化聚合过程可控性以及制剂递送等关键问题，未来有望从实验室层面的仿生色素研究进一步拓展至新型毛发着色材料和功能性护发产品领域。

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