Вторичните метаболити на цианобактериите като биотехнологични съставки в естествената козметика против стареене
Aug 24, 2022
Моля свържете сеoscar.xiao@wecistanche.comза повече информация
Резюме:Загубата на плътност и еластичност, появата на бръчки и хиперпигментация са сред първите забележими признаци на стареене на кожата. Отвъд ултравиолетовата радиация и оксидативния стрес, матричните металопротеинази (ММР) играят преобладаваща роля в процеса, тъй като тяхната дерегулация води до разграждане на повечето екстрацелуларни матрични компоненти. В това проучване бяха изследвани четири щама на цианобактерии за способността им да произвеждат вторични метаболити с биотехнологичен потенциал за използване във формули против стареене. Leptolyngbya boryana LEGE 15486 и Cephalothrix lacustris LEGE 15493 от сладководни екосистеми и Leptolynglya cf.ectocarpi LEGE 11479 и Nodosilinea nodulosa LEGE 06104 от морски местообитания бяха последователно екстрахирани с ацетон и вода и екстрактите бяха анализирани за тяхната токсичност в ключови клетъчни линии с контекста на кожата (HaCAT, 3T3L1 и hCMEC). Нетоксичните екстракти са химически охарактеризирани по отношение на протеини, каротеноиди, феноли и хлорофил а и техният потенциал против стареене е изследван чрез способността им да пречистват физиологичния свободен радикал супероксиден анионен радикал (O2*-), за да намалят активност на MMPs еластаза и хиалуронидаза, за инхибиране на тирозиназата и по този начин за избягване на производството на меланин, и за блокиране на UV-B радиацията (слънцезащитен фактор, SSPF). Видовете Leptolyngbya се откроиха за цели против стареене∶ L. boryana LEGE 15486 представи забележителен SPF от 19（при 200 ug/mL）, като беше сред най-добрите видове по отношение на ~почистване на O2 степен,（IC50=99..50 ug/mL）и също способността да инхибира тирозиназата (IC25=784 ug/mL）, което се оказва обещаващо средство срещу индуцираното от UV лъчи стареене на кожата; L.ectocarpi LEGE 11479 е по-ефективен при инхибирането на MMPs （hyaluronic.ase , IC50=863ug/mL;еластаза, IC50=391ug/mL）, като по този начин е изборът за забавяне на загубата на плътност на кожата. Анализът на основните компоненти (PCA) на данните позволи групирането на екстрактите в три групи, според техния химичен състав; корелацията на каротеноидите и хлорофила а с активността на ММР (стр<0.01), o2*-scavenging="" with="" phenolic="" compounds=""><0.01),and phycocyanin="" and="" allophycocyanin="" with="" spf,pointing="" to="" these="" compounds="" in="" particular="" as="" responsible="" for="" uv-i3="" blockage.="" this="" original="" survey="" explores,="" for="" the="" first="" time,="" the="" biotechnological="" potential="" of="" these="" cyanobacteria="" strains="" in="" the="" field="" of="" skin="" aging,="" demonstrating="" the="" promising,="" innovative,="" and="" multifactorial="" nature="" of="" these="">
Моля, щракнете тук, за да научите повече
Ключови думи:меланин; UV-блокер; еластаза; хиалуронидаза; тирозиназа; оксидативен стрес; бета-каротин; фикоцианин; фикоеритрин; алофикоцианин
1. Въведение
Кожата е голям и изненадващо сложен човешки орган с първична бариерна функция за защита на вътрешните органи от вредни стресори, като химикали, патогени, студ, топлина и ултравиолетова радиация (UVR). Значението на кожата обаче отива много по-далеч, включвайки неоспорима социално-културна роля.цистанчен холестерол,Всъщност видът и формата на кожата са от решаващо значение за самочувствието на индивида, грижата и разкрасяването й са част от ежедневието от древни времена [1].
Забавянето на процеса на стареене на кожата е основно искане на обществото.Cistanche deserticola странични ефектиТози бавен и сложен процес се предизвиква от ендогенни и екзогенни фактори, които предразполагат кожата към прогресивна структурна и функционална дегенерация, която, освен че засяга естетическия й вид, я прави податлива на развитието на голямо разнообразие от заболявания. Сред екзогенните фактори UVR е може би най-вредният агент, на който кожата е най-изложена. Прекомерното излагане на UVR увеличава генерирането на свободни радикали, задействайки каскада от събития, които засягат голямо разнообразие от клетъчни структури и ензими, което води до незабавен възпалителен отговор и накрая завършва с преждевременно стареене на кожата[2]. Особено засегната цел в тази тема е извънклетъчната матрица (ECM), триизмерна мрежа от еластинови и колагенови влакна, заобиколени от основни вещества, като хиалуронова киселина (HA), които действат заедно, за да поддържат запълването на кожата, еластичността и гъвкавост [3]. В рамките на оксидативен стрес еластиновите и колагенови влакна, отговорни за еластичността и устойчивостта на кожата, могат да загубят своята структура[4]. Това явление, отчасти дължащо се на дерегулираната активност на матричните металопротеинази (ММР), като еластаза, колагеназа и хиалуронидаза, е в основата на преждевременното стареене на кожата, свързано с външни фактори [1] Тези промени засягат епидермалната дебелина, структура, и външен вид, което води до сухота, разширени пори, фини линии и бръчки [5,6]. Ето защо, търсенето на нови, ефективни, многоцелеви и иновативни съставки за козметични формули, способни да достигнат най-голям брой ключови цели в процеса на стареене на кожата, е във фокуса на козметичната индустрия през последните десетилетия.
Cistanche може да спре стареенето
Нарастващите изследвания върху естествени източници, по-специално тези от морски произход, предоставиха безброй нови молекули с обещаващи биоактивности, заслужаващи по-нататъшна експлоатация в областта на стареенето на кожата [1]. Сред тях цианобактериите се открояват поради способността си да произвеждат биоактивни вторични метаболити с уникални структури и механизми на действие. Освен че представляват единствената група прокариоти, които могат да извършват кислородна фотосинтеза, подобно на растенията, цианобактериите са самовъзобновяеми, имат основни хранителни изисквания, изискват минимално пространство за култивиране и имат слабо въздействие върху околната среда, като са устойчив избор като зелен източник на козметика съставки [7].
Фокусирайки се върху съставите за кожата, цианобактериите произвеждат широк спектър от биоактивни метаболити, включително фенолни съединения, протеини, пигменти и MMPs инхибитори, които покриват основните процеси, съставляващи основата на стареенето на кожата, а именно антиоксидантна защита, фотозащита и способността да се инхибират важни ензими на ECM [8-12], както наскоро беше преразгледан [1,9]. По отношение на антиоксидантната активност се съобщава, че множество щамове притежават представително количество метаболити с капацитет за извличане на радикали, като каротеноиди, например тези от родовете Leptolyngbya, Syneclocystis и Wollea [9,13], фикобилипротеини (PBP), като Arthospira spp. и Spirulina spp. [13,14] и фенолни съединения, като Nostoc commune [15]. В областта на фотозащитата цианобактериите също се открояват чрез производството на добре известните UVR-абсорбиращи съединения микоспорин-подобни аминокиселини (MAA) и сцитонемин (SCY) [16]. Относно потенциала за инхибиране на колагенази, еластаза, хиалуронидази и тирозиназа, няколко примера са докладвани в литературата, като микоспорин-2-глицин (M2G), изолиран от цианобактерията Aphan-othece halophytica [17], циклични депсипептиди тутуиламиди AC, от Schizothrix spp. и Coleofasciculus spp.[18], полизахарид от Nostochopsis lobatus MAC0804NAN [19] и екстрактът Phormiskin Bioprotech G, съответно от Phormidium persicinum [20].
Въпреки представените по-горе проучвания, броят на щамовете на цианобактериите, изследвани в областта на козметиката, все още е много малък, като се имат предвид потенциалните възможности на този ресурс. Имайки това предвид, това проучване изследва за първи път биотехнологичния потенциал на последователни екстракти с различни полярности, получени от четири щама цианобактерии, в областта на стареенето на кожата, демонстрирайки обещаващата, иновативна и многофакторна природа на тези микроорганизми. 2.Резултати и
Дискусия
В настоящото изследване два сладководни и два морски щама цианобактерии бяха култивирани, събрани и подложени на последователна екстракция с ацетон и вода, с оглед на тяхното използване за козметични цели. Последователната екстракция с ацетон, последвана от вода, е предназначена да монетизира биомасата в по-устойчив, екологичен и икономически привлекателен процес. В таблица 1 са показани добивите на екстракция. Добивът на екстракция е значително по-висок с вода, отколкото с ацетон (стр<0.05), which="" has="" a="" direct="" correlation="" with="" the="" affinity="" of="" the="" different="" compounds="" to="" each="" solvent,="" their="" molecular="" weight,="" and="" polarity,="" as="" later="" cdiscussed="" in="" this="" study.="" it="" should="" be="" noted="" that="" leptolyngbya="" boryana="" lege="" 15486="" was="" the="" strain="" that="" showed="" higher="" extraction="" yields,="" which="" could="" be="" economically="" interesting="" when="" considering="" possible="" industrial="">
2.1.Цитотоксичност на екстрактите
За да се изберат екстрактите, за да се пристъпи към оценка на биологичната активност, беше извършен in vitro анализ на цитотоксичност, използвайки различни клетъчни линии. Тестовете за цитотоксичност са от съществено значение по време на производството на козметика, тъй като те могат да предскажат рискове за здравето, свързани с използването на екстрактите като биоактивни съставки. По този начин цитотоксичността на екстрактите беше оценена в три различни клетъчни линии от ключово значение по отношение на продуктите за кожно приложение: кератиноцити (HaCat), фибробласти (3T3L1) и ендотелни клетки (hCMEC). Фибробластите са сред най-важните клетки за стареенето на кожата, като са отговорни за производството на компонентите на дермалната матрица, които са от съществено значение за поддържането на формата и структурата на кожата, като колаген и хиалуронова киселина [9,21]. Ендотелните клетки образуват бариера между съдовите стени и кръвта и са избрани, за да отчетат присъствието си в дермата, която, за разлика от епидермиса, е напоен слой на кожата [22]. Що се отнася до кератиноцитите, те са ключовите клетки на епидермис, съставляващ около 95 процента от този слой, но присъства във всичките четири слоя и осигурява структура и защита на кожата [23,24]. Нито един от екстрактите не показва токсичност за избраните клетъчни линии при тестваните концентрации （12.5-200ug сух екстракт/mL） (Фигури S1-S3).cistanche дозировка redditВ тази връзка, всички екстракти последваха следващата стъпка, където бяха подложени на химическа характеристика и оценка на тяхната биологична активност. 2.2.Химичен профил
Ацетоновите и водните екстракти бяха химически характеризирани по отношение на феноли, общи протеини, PBP, общи каротеноиди и хлорофил а, за да се сравнят химичните профили, получени с различните екстракционни разтворители, и да се установи връзка между химичния състав и оценени биологични активности.
2.2.1. Общо фенолно съдържание (TPC)
Общото фенолно съдържание (TPC) на двата екстракта се измерва чрез колориметричния анализ на Folin-Ciocalteu. Дори като се вземат предвид присъщите ограничения на метода, това е стандартен анализ, широко използван за бързо определяне на общите феноли, позволяващ сравнение на различни проби и следователно прогнозиране на техния антиоксидантен потенциал. Таблица 2 показва данните (изразени в GAE) за общото фенолно съдържание на осемте екстракта, изследвани в настоящото изследване. Най-високият TPC е открит в ацетоновия екстракт от Leptolyngbya cf.ectopic LEGE 11479, със 17,59 ug GAE/mg екстракт, следван от водните екстракти от Leptolyngbya boryana LEGE 15486 и Cephalothrix lacustris LEGE 15493 (Таблица 2). Като се има предвид добивът от комбинираната екстракция, Leptolyngbya cf.exocarp LEGE 11479 е най-богатият вид, общо около 26 ug GAE/mg сух екстракт, когато се вземат предвид и двата екстракционни разтворителя.
Като цяло водните екстракти на сладководните щамове показват по-високо фенолно съдържание от тези от морската среда, докато обратното поведение се наблюдава по отношение на ацетоновите екстракти. Това наблюдение беше отбелязано и за двата щама от едни и същи родове, което води до предположението, че освен специфичните за вида характеристики, морските щамове са по-склонни да произвеждат фенолни съединения с по-ниска полярност, като се има предвид тяхното по-голямо разпространение в по-малко полярни разтворители. Фенолите имат полярен и неполярен компонент в своите молекули, като имат предпочитание към разтворимост спрямо разтворители с междинна полярност като алкохоли и ацетон, а не вода. Въпреки това, разтворимостта на фенолите в различни разтворители не може да се основава само на техните полярности, тъй като други параметри като температура и рН могат да имат голямо влияние върху тяхната разтворимост и по този начин да оправдаят изразителното им присъствие във водните екстракти [25].
Предишна работа от нашата изследователска група също изследва TPC в различни екстракти от цианобактерии. Morone и сътрудници [26] използваха същата методология за количествено определяне на TPC и установиха, че Nodosilinea nodulosa LEGE 06102 има стойност от 1,23 mg GAE/g суха биомаса, което е над стойностите, получени тук (0,59 mg GAE/ g суха биомаса, преобразувана според добива на екстракция). Въпреки това, авторите са използвали 70 процента етанол като екстракционен разтворител, което със сигурност е довело до наблюдаваните разлики. За всички щамове, анализирани от авторите, най-високата стойност е установена в Synechocystis salina LEGE 099 (2,45 mg GAE/g). В друго проучване, с Nodosilinea Antarctica LEGE13457, съдържанието на TPC е 19,23 ug GAE/mg (ацетонов екстракт) и не са открити феноли в Leptolyngbya-like sp.ползи от екстракта от цистанчеLEGE 13412, демонстрира най-висока променливост сред подобни видове. Те също съобщават данни за други щамове, като Cyanobium gracile LEGE12431 представя най-високото съдържание на фенол, с 22,01 ug GAE/mg ацетонов екстракт [27]. Trabelsi и неговият екип [28] съобщават, че термофилната цианобактерия Leptolyngbya sp. притежава 139 mg GAE/g, което е сред най-високите стойности, докладвани в литературата и приписвани от авторите на високата температура на местообитанието на цианобактериите: за да избегнат оксидативния стрес, предизвикан от високите температури, цианобактериите произвеждат по-големи количества антиоксидантни съединения като феноли и флавоноиди. Друга изследователска група [29] също съобщава за TPC от 6,24 mg GAE/g за Leptolyngbya sp. KC45, взета проба от място с температури от приблизително 40-45 градуса.
Въпреки разликите, присъщи на ефектите на екстракционните разтворители и на условията на култивиране на цианобактерии, като светлинни условия, хранителна среда за култура и клетъчна плътност, между другото, получените тук стойности на TPC са в същия порядък като тези, описани в литературата. Освен това Leptolyngbya boryana LEGE 15486 може да се посочи като интересен вид по отношение на фенолните съединения (3,08 mg GAE/g суха биомаса), в сравнение с широко известния Spirulina spp. (1,78 mg GAE/g)[30].
2.2.2.Белтъчини
Въпреки че протеините обикновено се подценяват, те съставляват голяма част от цианобактериалната биомаса [31], с докладвани антиоксидантни и имуностимулиращи свойства, както и способността да задържат влагата в кожата, което е от съществено значение за предотвратяване на стареенето на кожата [32]. Като се има предвид това, екстрактите, изследвани в настоящото проучване, бяха характеризирани с тяхното протеиново съдържание чрез общ подход, фокусиран върху общите протеини (ацетон и водни екстракти) (Таблица 3), и целеви подход, фокусиран върху PBP (водни екстракти) ( Таблица 4).
По отношение на общите протеини може да се заключи, че водната екстракция е довела до по-високи стойности от екстракцията с ацетон и също така, че морските щамове са по-бедни от тези от сладководни среди. По отношение на сухата биомаса, Leptolyngbya boryana LEGE 15486 представя най-високото съдържание (69,22 mg BSA/g суха биомаса), а Nodosilinea nodulosa LEGE 06104 с най-ниското (15,23 BSA/g суха биомаса). Наред с други фактори, тези разлики може да се дължат на различните количества структурни протеини, представени от различни щамове на цианобактерии [32].
Практически пример за използването на протеини в козметиката се отнася до PBS, които естествено присъстват в цианобактериите. Един от защитните механизми на цианобактериите е способността на тези макромолекули да абсорбират светлинна енергия, без да произвеждат реактивни кислородни видове (ROS), което е възможно поради промените в тяхното съдържание и съотношение във фикобилизоми [33]. PBP са водоразтворими протеини, които са свързани с фикобилини и са разделени на три групи според тяхната структура и спектри на абсорбция на светлина: фикоцианин (PC, 610-625 nm), фикоеритрин (PE, 490-570 nm), и алофикоцианин (APC, 650-660 nm). Както беше посочено по-рано, техният интерес като козметични съставки се дължи главно на признатия им антиоксидантен потенциал, благодарение на структурната им прилика с билирубина, който елиминира производните на кислорода. PC е най-често срещаният PBP в цианобактериите, с интересни антиоксидантни и радикални свойства, както и способността да инхибира клетъчната пролиферация [13,14].
По отношение на PC, Leptolyngbya boryana LEGE 15486 притежава най-високо съдържание （154,07 ug/mg екстракт от ayy）, следван от Cephalothrix lacustris LEGE 15493（115,03 ug/mg сух екстракт）, което е в съответствие със силния син цвят, наблюдаван във водните екстракти от тях вид.цистанче чингис ханОт друга страна, Leptolymgbya вж. ectocarpi LEGE 11479, с интензивно розово/лилаво оцветяване в биомасата и във водния екстракт, е най-богат на PE （138,73 ug/mg сух екстракт）. Nodosilinea nodulosa LEGE 06104, с най-светлия син екстракт, показва видимо по-ниски стойности и на двата PBP (Таблица 4).
Когато се сравняват щамове по отношение на PBP, е изключително важно да се вземат предвид условията на култивиране, тъй като разликите в светлината, азота, температурата, pH, въглерода и солеността могат драстично да повлияят на тяхното производство [14]. Pumas и сътрудници [29] оцениха съдържанието на PBP на термотолерантните цианобактерии Leptolyngbya sp. KC45 и открива съдържание на PE от почти 100 mg/g, последвано от съответно приблизително 40 и 43 mg/g APC и PC, което е в съответствие с резултатите, получени тук за Leptolyngbya cf. ectocarpiLEGE11479 (Таблица 4). Работата, извършена от Pagels и колегите, също изследва съдържанието на PBP в последователни екстракти, получени с различни разтворители. Въпреки че изследват различен щам на цианобактерии (Cyanobium sp.), авторите откриват общо съдържание на PBP близо до 200 mg/g при последователна екстракция, използвайки същите разтворители като тези, използвани тук, което е в съответствие с получените от нас стойности [34]. ]. Когато се сравнява с широко известната Spirulina sp., с докладвани общи PBPs от около 19 mg/g суха биомаса [30], е възможно да се считат нашите щамове за икономически интерес. В същото проучване авторите също съобщават стойности от 127,01 mg/g суха биомаса на общи PBPs за Lynglya sp. В друго проучване бяха представени данни от 18 щама, като най-голямото количество беше открито в Anabaena NCCU-9, със стойност от 91,54 mg/g суха биомаса [35]. 2.2.3.Каротеноиди и хлорофил а
Каротеноидите са естествени мастноразтворими изопреноиди с широк спектър от оцветявания, вариращи от жълто до червено [13]. Тези съединения са привлекли повишено внимание заради връзката им с намаления риск от няколко дегенеративни разстройства и заради признатата им антиоксидантна активност, отчасти свързана с химическите двойни връзки C=C, присъстващи в техните молекули. Освен тези функции, каротеноидите действат като UV филтри, като намаляват излагането на светлина [36]. Някои цианобактерии като Wollea vaginicola, Leptolyngbya foveolarum и Synechocystis salina LEGE 06099 са подчертани заради значителното им съдържание на каротеноиди, което засилва интереса им във фармакологичните и козметичните области [9,13].
Общото съдържание на каротеноид и хлорофил в изследваните тук екстракти от ацетон на цианобактерии е показано в таблица 5. Количеството на каротеноидите варира от 89 до 159 ug/mg сух екстракт, като Leptolynglya boryana LEGE 15486 е най-богатият щам. По отношение на хлорофил а, всички щамове показват стойности над 100 ug/mg сух екстракт, като се откроява Cephalothrix lacustris LEGE 15493.
Други цианобактерии също са били обект на оценка на пигмента. Например, Lopes и нейният екип 【27】 съобщават за 63,9 ug/mg сух екстракт от общи каротеноиди и 417,6 ug/mg сух екстракт от общи хлорофили за Nodosilinea Antarctica leg 13457 ацетонов екстракт. Авторите също предоставят данни за Leptolyngbya-like sp.LEGE 13412 (33,6 ug/mg сух екстракт) и в двата случая количеството на каротеноида е под стойностите, докладвани тук. Струва си да се спомене, че в работата, посочена по-горе, каротеноидите са профилирани чрез HPLC и по този начин, въпреки специфичните за вида характеристики, методологията оправдава получените разлики. По отношение на хлорофилите, количеството, докладвано от авторите, е по-голямо от полученото тук, което лесно се оправдава от факта, че те представят стойността на общите хлорофили, докато работата тук се фокусира единствено върху хлорофил а и неговите производни.
Друго проучване от нашата изследователска група отчита общо {{0}}.37 mg/g суха биомаса каротеноиди за етаноловия екстракт от Nodosilinea nodulosa LEGE06102[26], което е под стойностите, получени тук (0,75 mg /g суха биомаса, преобразувана на базата на екстракционния добив). Тази разлика със сигурност е свързана с разтворителя, използван при екстракцията, тъй като поради техните химични характеристики каротеноидите имат по-висок афинитет към ацетона. Най-общо казано, резултатите, получени тук, са в същия порядък като тези, получени от други автори, което може да се обясни с много сходните културни условия и използвани методологии.
Тази статия е извлечена от Mar. Drugs 2022, 20, 183. https://doi.org/10.3390/md20030183 https://www.mdpi.com/journal/marinedrugs
