太陽光紫外線に暴露された毛髪の酸化度のX 線イメージングによる画像化
東海大学工学部原子力工学科

伊藤敦

Oxidative damage in human hair induced by the exposure of external oxidants and its protection is one of the important
issues in the health care against ageing of hair. Although many studies on the UV damage to hair have been reported including
structural changes of the outermost part of hair, cuticle area, there are few studies to detect the area of oxidation from cuticle
to the inside areas called cortex and medulla, depending on the kinds of solar UV radiation.
We have developed an imaging method of oxidative damage in human hair by X-ray spectromicroscopy with submicron
resolution at the K absorption edge of sulfur. The method enabled us to obtain the distribution of cysteic acid, one of theoxidation products of cystine, a major amino acid in human hair. In addition, such X-ray imaging method has an advantage inthe detection of oxidative damage deep inside the hair with a thickness of about 0.1 mm. The X-ray spectromicroscopy system
was installed at the synchrotron radiation facilities, Photon Factory at Tsukuba.
The oxidative damage by the black light UVA lamp with an emission peak around 365nm was observed at only the surfaceof the hair at a short exposure, but with prolonged exposure, the damage was extended over the whole area of the hair. Since
the UVA exposure of the short exposure case by the UVA lamp corresponds to about 2 hr exposure of solar UV at noon on theclear day of May at the location of Tokai university Shonan campus, our data strongly suggest that even one day exposure tosolar-UV induces significant oxidative damage to hair. In contrast to UVA, UVB damage by the UVB lamp with an emission
peak around 315nm seems to be limited in the cuticle region, probably because of its low permeability.

１．緒する X 線顕微鏡による手法を、UVA 及び UVB 照射毛髪に言適用することによって、表面から内部に至る酸化ダメージ

我々が日常的に浴びている太陽光 UV（290 - 400 nm）は、の全容を紫外線の種類に応じて明らかにする。これによっ長波長領域の UVA（320 - 400 nm）と短波長領域の UVBて将来的な酸化ダメージ防護剤の開発のための基礎的情報（290 - 320 nm）に分類される。これらの UV が毛髪にダメを提供することを目的とする。

ージを引き起こすことはよく知られており、総説にもまと２．方められている 1 , 2）。特に酸化ダメージについては、UV 暴露による損傷ばかりでなく、oxidative dye による染色のメ法

２．
１．X 線分光顕微法

カニズム、脱染色の防止などの観点からの研究も多い 3 - 5）。

X 線顕微鏡は X 線によって物質の内部を可視光顕微鏡よ毛髪損傷を検出する手段としては、化学的な分析や構造変り高分解能で観察する手段である。波長が可視光より短い6）化によるものがほとんどであり 、最近の研究では表面のため、原理的に高分解能が達成されること、電子顕微鏡にキューティクル構造の変化を原子間力顕微鏡、走査型電子比べて物質への透過率が高いため、厚い試料でも観察可能

顕微鏡などで損傷を画像化（可視化）したものが報告されてなこと、などが利点としてあげられる。特に本研究で用いいるが、いずれも高分解能ではあるが表面構造を検出する

た X 線分光顕微法は、分子を識別して画像化する X 線顕微

7）

鏡特有の手法である。我々はこれまでに X 線分光顕微法をのみで、毛髪内部を観察するには至っていない 。
しかしながら、特に UVA は毛髪表面だけでなく、深部毛髪を構成するイオウ含有アミノ酸（シスチンとその酸化にも到達するにもかかわらず、毛髪表面のキューティクル物システイン酸；図 1 に化学構造式を示す）に適用できるから内部のコルテックス、さらに中心部のメデュラに至る毛髪全体の酸化ダメージの分布を非侵襲的に観察する手段がこれまでになかった。本研究では、我々がこれまでに開発してきたブリーチ処理毛髪の酸化ダメージの分布を検出

X-ray imaging of oxidative damage ofhuman hair exposed to solar ultraviolet
radiation
Atsushi Ito
Department of Nuclear Engineering,
School of Engineering, Tokai University

図1 シスチンとシステイン酸の化学構造式
シスチン ⒜ とシステイン酸 ⒝ の化学結合の違いが吸収端微細構造に反映する。

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太陽光紫外線に暴露された毛髪の酸化度の X 線イメージングによる画像化ことを報告してきた 8 , 9）。概要を以下に示す。

ーミングが可能な生体試料に適した顕微鏡装置である 10）。

物質の X 線吸収スペクトルを測定すると、含有元素特有放射光施設は茨城県つくば市のPhoton Factoryを利用した。の鋭い吸収が観察される（吸収端と呼ばれる）。さらにその吸収端近傍の X 線エネルギー（波長）を細かく測定すると、２．２．UV 照射

当該元素を含む分子種に特有の吸収微細構造が観察される

UVA 照射にはブラックライト（FL 15 BLB、ニッポ電機）、（Near Edge X-ray Absorption Fine Structure; NEXAFSUVB 照射には UVB ランプ（FGL- 15 E、ニッポ電機）を用と呼ばれる）。毛髪を構成する主なアミノ酸であるシスチいた。それぞれ、UVA 領域に 365 nm をピークとしたブロンのイオウ吸収端における NEXAFS とその酸化物システードな発光スペクトル、UVB 領域に 315 nm をピークとしイン酸の NEXAFS を図 2 に示す。シスチン画像は図の⒜たブロードな発光スペクトルをもつ。UV 強度はそれぞれと ⒝ の X 線エネルギーで撮影した画像の差分により、シ

1 . 40 mW/cm 2 及び 2 . 34 mW/cm 2 であった（UVX Digital

ステイン酸画像は図の ⒞ と ⒟ で撮影した画像の差分によRadiometer, UVP Inc., CA, USA による測定）。さらに、り求められる。一例として、図 3 に女性毛髪における両分実際の屋外の太陽光 UV の作用を調べるために、東海大学

子の分布を示す。シスチンは毛髪の主成分であることから湘南校舎にて 2019 年 5 月（晴天）の日中での照射も行った。

全体に分布する（メデュラは密度が低いためシスチンが少UV 強度は時刻と天候状況によって変化したが、平均してない）。一方、システイン酸はキューティクルに多く分布し、UVA が 1 mW/cm 2、UVB が 0 . 5 mW/cm 2 であった。照射

毛髪表面の酸化が大きいことがわかる。

時間は、人が日中現実的に屋外に滞在する場合を考慮して、この手法を我々は X 線光源として放射光と組み合わせた

2 時間、4 時間、6 時間とした。一方、ランプ照射時間にX 線密着顕微鏡（検出器は X 線ズーミング管）を用いて実現

ついては、屋外での UV 光量とほぼ同程度となるように調した。放射光は強度の高い単色 X 線を得るのに必須であり、節した。表 1 に太陽光 UV の光量をまとめた。

X 線密着顕微鏡は 0 . 5 ミクロンの分解能をもち、視野のズ

図2 シスチンとシステイン酸のイオウK吸収端近傍微細構造（NEXAFS）⒜と⒝ のエネルギーで取得された画像の差分がシスチン画像、⒞と⒟ のエネ
ルギーで取得された画像の差分がシステイン酸画像を与える。

⒜

⒝

表1

図3 人毛髪断面のシスチン及びシステイン酸の分布⒜シスチン画像、⒝システイン画像。白い部分が分子が多い領域を示す。

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太陽光UVの照射時間とUVA、UVB光量コスメトロジー研究報告 Vol. 28, 2020

２．３．毛髪試料
毛髪は市販の日本人女性由来のものを用いた。X 線顕微
鏡観察のために、照射後の毛髪に対して垂直スライサー（HS- 1、ジャスコエンジニアリング）を用いて約 20 ミクロン厚の切片試料を作製し、エタノールに懸濁後、シリコンフレームに支持された窒化シリコン膜（100 nm 厚、Silson,UK）上に滴下し風乾させた（図 4）。

３．結果

図 5 に UV 照射を行った毛髪におけるシステイン酸の分布画像を疑似カラーを用いて示した。3 種類のどの UV に

図4 窒化シリコン膜上の毛髪切片1mm角の窒化シリコン膜（100nm厚）に載せられたX
線顕微鏡観察用の毛髪切片の光学顕微鏡画像。周囲の黒い領域はシリコンフレーム（0.38mm厚）。

図5 X線顕微鏡によるシステイン酸の分布画像（疑似カラー表示）⒜：未照射、⒝：太陽光UV照射（光量108kJ/m2）、⒞, ⒟：UVA照射（光量はそれぞれ201.6kJ/m 2と302.4kJ/m 2）、⒠, ⒡：UVB照射（光量はそれぞれ168.5kJ/m 2と252.7kJ/m 2）。矢印はUVの照射方向。

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太陽光紫外線に暴露された毛髪の酸化度の X 線イメージングによる画像化

おいても照射方向部位が最も酸化度が高く、内部に行くにる（図 5 b、図 6 c）
。2 時間の屋外活動は一般的であり、帽つれて低くなった。⒞ , ⒟ の UVA 照射試料ではかなり内子の着用、さらに加えて、皮膚を防護するためのサンスク部まで酸化が進んでいる。特に光量の大きい ⒟ ではほぼリーン剤のような毛髪酸化防止の防護剤の開発が望まれる。

均一に酸化しているように見える。一方、⒠ , ⒡ の UVB照射試料では表面と内部の酸化の差が大きい。これらの結果は、UVA に比べて UVB は透過率が低いことによるもの（a）と考えられる。
これらの画像をもとにキューティクル、コルテックス、メデュラの 3 領域の酸化度の定量化を試みた。縦軸はシステイン酸の吸収の程度（OD; Optical Density）
をシスチンとシステイン酸を合計した全量で規格化したものとした。測定面積は、キューティクルで 1 . 3 ミクロン角、コルテック
スは 5 . 4 ミクロン角、メデュラは 1 . 9 ミクロン角の平均値を求めた。なお、試料周囲のバックグラウンドの数値の補正も行った。キューティクルの酸化度はいずれの UV も光量とともに増加した。興味深いのは UVA ではコルテック
ス、メデュラの内部領域での酸化が光量とともに進行したのに対して（パネル a の赤丸印）、UVB では増加がほとんど見られないことである（パネル b）。また、太陽光 UV の場合、 （b）
最も光量の大きい試料（324 kJ/m 2）の酸化度が他より小さいのは説明し難く再現性を確認する必要があるが、他の 3点を見ると毛髪内部の酸化度が有意に上昇する結果とはならなかった。これらの結果は、実際の太陽光では UVA より UVB の作用が重要と解釈できる。

４．考察

X 線顕微鏡による酸化度分布測定法によって、UVA、UVB、太陽光の 3 種による酸化度分布の違いを求めることができた。また、X 線顕微鏡の高分解能の特徴生かして、キューティクル、コルテックス、メデュラの 3 領域における酸化度の違いを明らかにすることができた。結果は以下のようにまとめられる。
1） いずれの UV でもキューティクルの酸化が顕著であっ（c）た。またそれは光量に依存して増加した。
2） UVA は毛髪内部のコルテックス、メデュラでも有意に酸化を誘発した。一方、UVB では酸化はキューティクルに限られているように見える。これは UVB の透過度が低いためと考えられる。
3） 太陽光 UV は UVB の光量依存性に近く、内部の酸化は顕著ではなかった。しかし、放射光施設を利用する本実験では、1 年間の限られたビームタイムの関係から多くの試料測定に制限があり、今後、より明確な結論を出すために、再現性向上に向けてさらに測定数を増やすことが必要である。
太陽光 UV の最も低い照射光量試料は、2 時間照射であった。この試料でもキューティクルからコルテックス表層部にかけて有意な酸化が観察されたことは確かな結果であ

図6 キューティクル、コルテックス、メデュラにおけるUVによる酸化度⒜ UVA、⒝ UVB、⒞ 太陽光UV− 71 −

コスメトロジー研究報告 Vol. 28, 2020

なお、本成果については以下の学会で英語発表を行った。

5） T. Kojima et al., Dyeing regions of oxidative

M. Torigata and A. Ito, Imaging of oxidative damage

hair dyes in human hair investigated by nanoscalein human hair exposed to solar-UV radiation by X-ray

secondary ion mass spectrometry, Colloids Surf B:

spectromicroscopy at the S-K absorption edge, The 15 th

Biointerfaces, 106, 140-144（2013）．

Symposium of Japanese Research Community on X-ray6） M.N. Chandrashekara and C. Raganathaiah, Chemical

Imaging Optics（第 15 回 X 線結像光学シンポジウム）,and photochemical degradation of human hair: a free-Sendai, 2019 年 10 月 25 日

volume microprobe study, J. Photochem. Photobiol. B:Biology, 101, 286-294（2010）．

（引用文献）

7） M. Richena and C.A. Rezende, Effect of photodamage

1） V. Signori, Review of the current understanding ofon the outermost cuticle layer of human hair, J.

the effect of ultraviolet and visible radiation on hairPhotochem. Photobiol. B: Biology, 153, 296 -304（2015）．

structure and options for photoprotection, J. Cosmet.

8） A. Ito et al., Application of XANES profiles to X-ray
spectromicroscopy for biomedical specimens: Part I.

Sci., 55, 95-113（2004）．

Discrimination of macromolecules with sulfur atoms, J.

2） A.C. Nogueira et al., About photo-damage of human

X-Ray Sci. Technol., 19, 249 - 260（2011）．

hair, Photochem. Photobiol. Sci., 5, 165-169（2006）．
3） Y. Zhou et al., Protection of oxidative hair color

9） T. Inoue et al., Application of XANES profiles tofading from shampoo washing by hydrophobically

X-ray spectromicroscopy for biomedical specimens:

modified cationic polymers, J. Cosmet Sci., 60, 217-238

Part II. Mapping oxidation state of cysteine in human
hair, J. X-Ray Sci. Technol., 19, 313 - 320（2011）．

（2009）．
4） T. Kojima et al., Investigation of dyeing behavior

10）A. Ito et al., X-ray contact microscopy systemof oxidative dye in fine structures of the human hairfor spectromicroscopy of biological specimens, J.

cuticle by nanoscale secondary ion mass spectrometry,

Synchrotron Radiat., 5 , 1099 - 1101（1998）．

Skin Res. Technol., 21, 295-301（2015）．

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