碳水化合物能够通过非酶糖化、糖与蛋白质的共价连接以及随后产生晚期糖基化终产物 (AGEs，advanced glycation end products) 来破坏皮肤的主要结构分子弹性蛋白和胶原蛋白。
碳水化合物引起氧化应激的已知机制是激活葡萄糖的线粒体氧化代谢，从而导致活性氧 (ROS) 的产生。在这种情况下，ROS是通过各种线粒体呼吸链的酶产生：黄嘌呤氧化酶，脂肪氧合酶，环氧合酶，一氧化氮合酶和过氧化物酶。
已知葡萄糖水平升高会导致皮肤真皮结缔组织断裂，但是目前对半乳糖的关注较少。半乳糖（特别是 D-半乳糖或 D-gal）是一种比葡萄糖更强大的糖化剂并且能够诱导氧化应激。
虽然皮肤异常尚未被确定为半乳糖血症的临床表现，但在半乳糖血症患者的骨骼中检测到胶原蛋白的不规则糖基化，高 D-gal 浓度可以诱导皮肤细胞毒性和类似衰老的皮肤变化。
01.D-半乳糖的毒性和代谢途径
D-半乳糖细胞毒性示意图
半乳糖代谢的主要途径是 Leloir 途径
02.D-半乳糖诱导衰老的动物模型
本文综述了21 篇研究 D-半乳糖诱导啮齿动物皮肤老化的文献，其中大部分主要使用小鼠（16 项研究），只有 24% 使用大鼠（5 项研究）[1]。D-gal 剂量范围为 50 mg/kg - 1000 mg/kg，其中 1000 mg/kg D-gal 是实验中最常用的（9 项研究）。动物的年龄从 4-6 周到 22 个月不等。暴露时间在 30 天到 12 周的范围内。
他们观察到了皮肤变薄、头发颜色变化、皱纹形成、明显的皮下脂肪积累和细胞数量减少、皮肤水分含量降低、皮肤组织血管生成减少，总皮肤胶原蛋白减少、真皮胶原纤维和弹性纤维稀疏、细长或断裂，皮肤老化的分子生物标志物如 p16 和 p21 蛋白表达增加、而Sirtuin 1 (Sirt1) 和细胞周期蛋白 D1 表达降低。
小鼠皮肤的形态学变化，胶原减少、脂肪积累[2]。(a) 对照组；(b) 模型组
D-半乳糖诱导小鼠皮肤衰老模型，毛发减少[3]。(a)对照组；(b) D-gal 组
D-半乳糖诱导小鼠皮肤衰老模型的皮肤Masson染色[4]。(a)对照组；(b) D-gal 组
03.D-gal 诱导皮肤老化的分子机制
3.1 D-gal 具有细胞毒性潜力，并能够在体外诱导真皮成纤维细胞衰老:
Gal-1-P 是半乳糖的代谢产物，Gal-1-P 下调胰岛素样生长因子 1 (IGF-1) 的表达，能显着提高成纤维细胞培养基中的NO 和诱导型一氧化氮 (iNOS) 的水平，以及通过限制肌醇磷酸转换和降低组织中肌醇水平来破坏 GALT 缺陷组织中的磷脂酰肌醇二磷酸 (PI(P)2-) 依赖性信号通路。用 D-gal (10 mg/mL) 处理人皮肤成纤维细胞两天会产生 50% SA- β-gal 阳性细胞染色，这与细胞生长减少和 G0/G1 期停滞有关[4]。
3.2 D-gal 诱导衰老的最可行机制是氧化应激和抗氧化系统的抑制:
D-gal 处理后小鼠皮肤中 H 2 O 2 的产生显着增加[5] 。
在病理性高浓度（大于 5.0 mM）下，D-gal 会增加脂质过氧化，降低总巯基含量，并改变大鼠血浆和红细胞中的抗氧化防御[6]。
3.3 D-gal 诱导的氧化性 DNA 损伤可能对皮肤老化的发展至关重要：
氧化性 DNA 损伤会激活下游丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK)，包括细胞外信号调节激酶 (ERK)、p38 和 c-Jun NH2 末端激酶 (JNK)。这些激酶充当核因子的上游激活因子NF- κB和转录因子激活蛋白-1 (AP-1)。在它们的活性状态下，这两种转录因子都作为成纤维细胞中胶原蛋白生成的抑制因子和基质金属蛋白酶 (MMP) 的激活因子发挥作用。在真皮成纤维细胞中，AP-1 转录因子还充当转化生长因子β（TGF- β）信号通路的阻遏物。
3.4 ROS 的形成还会诱导轻度炎症，称为炎症性老化inflamm-aging：
氧化应激会导致氧化脂质的积累和表皮细胞受损，继而触发补体系统激活和炎症，进而诱导巨噬细胞渗入皮肤。巨噬细胞可以释放 MMP，但当氧化脂质和其他有毒化合物负担过重时，它们往往会释放 ROS 和促炎细胞因子[7]。
紫外线引起的皮肤炎症中的补体和巨噬细胞
已知的关键炎症因素及其在皮肤老化中的作用。
（注：补充系统应为补体系统）
3.5 半乳糖醇积累引起NADPH 耗尽导致衰老：
大量的半乳糖醇会导致醛糖还原酶的激活，从而导致 NADPH 耗尽，并抑制谷胱甘肽还原酶的活性。此外，它还可以促进细胞氧化状态的变化。
04.如何抵抗D-gal 所致衰老
近期的研究表明，白藜芦醇和热量限制的联合治疗、柿子浓缩单宁、来自葡萄籽的原花青素、芹菜素（4,5,7-三羟基黄酮）、没食子酸酯 (EGCG)/茶儿茶素、朝鲜蓟植物提取物、源自黄鹅鱼 ( Lophius litulon) 皮肤的海洋胃蛋白酶可溶性胶原蛋白 (PSC)、从波状巴非虫中提取的低分子量肽 (LMWP) 、脂肪干细胞 (ADSCs) 和富勒烯醇（作为抗氧化剂）、人胚胎干细胞衍生的外泌体 (ESC-Exos) 等，也许可以恢复由D-gal 诱发的各类皮肤老化特征。
参考文献：
[1] Bauyrzhan Umbayev, Sholpan Askarova, Aigul Almabayeva, et al. Galactose-Induced Skin Aging: The Role of Oxidative Stress.Oxid Med Cell Longev. 2020 Jun 17;2020:7145656.
[2] Ye Y., Jia R.-r., Tang L., Chen F. In Vivo Antioxidant and Anti-Skin-Aging Activities of Ethyl Acetate Extraction from Idesia polycarpa Defatted Fruit Residue in Aging Mice Induced by D-Galactose. Evidence-Based Complementary and Alternative Medicine. 2014;2014:12.
[3] Wang H., Wei S., Xue X., You Y., Ma Q. Adipose stem cells' antagonism in glycosylation of D-galactose-induced skin aging of nude mice and its skin recovery function. International Journal of Immunopathology and Pharmacology. 2016;29(3):376–385.
[4] Meng C., Wu S., Xing D. Efficacy of low-power laser irradiation in the prevention of D-galactose induced senescence in human dermal fibroblasts. Conference Mechanisms for Low-Light Therapy VI, the Moscone Center; in Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE; February 2011; San Francisco, California, United States. p. p. 15.
[5] Chen J., Li Y., Zhu Q., et al. Anti-skin-aging effect of epigallocatechin gallate by regulating epidermal growth factor receptor pathway on aging mouse model induced by d-galactose. Mechanisms of Ageing and Development. 2017;164:1–7.
[6] Delwing-de Lima D., Hennrich S. B., Delwing-Dal Magro D., et al. The effect of d-galactose induced oxidative stress on in vitro redox homeostasis in rat plasma and erythrocytes. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2017;86:686–693.
[7] Zhuang Y., Lyga J. Inflammaging in skin and other tissues - the roles of complement system and macrophage. Inflammation & Allergy Drug Targets. 2014;13(3):153–161.