Вторинні метаболіти ціанобактерій як біотехнологічні інгредієнти натуральної антивікової косметики

Будь ласка зв'яжітьсяoscar.xiao@wecistanche.comдля отримання додаткової інформації

Анотація:Втрата щільності та еластичності, поява зморшок і гіперпігментації є одними з перших помітних ознак старіння шкіри. Окрім УФ-випромінювання та окисного стресу, матричні металопротеїнази (ММР) відіграють переважну роль у цьому процесі, оскільки їх дерегуляція призводить до деградації більшості компонентів позаклітинного матриксу. У цьому дослідженні було вивчено чотири штами ціанобактерій щодо їхньої здатності виробляти вторинні метаболіти з біотехнологічним потенціалом для використання в композиціях проти старіння. Leptolyngbya boryana LEGE 15486 і Cephalothrix lacustris LEGE 15493 з прісноводних екосистем, а також Leptolynglya cf.ectocarpi LEGE 11479 і Nodosilinea nodulosa LEGE 06104 з морських середовищ існування послідовно екстрагували ацетоном і водою, а екстракти аналізували на їхню токсичність у ключових клітинних лініях за допомогою контекст шкіри (HaCAT, 3T3L1 і hCMEC). Нетоксичні екстракти були хімічно охарактеризовані з точки зору протеїнів, каротиноїдів, фенолів і хлорофілу а, і їх потенціал проти старіння досліджувався через їх здатність поглинати фізіологічні вільні радикали, супероксид-аніон-радикал (O2*-), щоб зменшити активність MMPs еластази та гіалуронідази, щоб пригнічувати тирозиназу та таким чином запобігати виробленню меланіну, а також блокувати УФ-В випромінювання (сонцезахисний фактор, SSPF). Вид Leptolyngbya виділявся з метою запобігання старінню∶ L. boryana LEGE 15486 продемонстрував чудовий SPF 19（при 200 мкг/мл）, будучи одним із найкращих видів щодо ~поглинання O2,（IC50=99..50 мкг/мл), а також здатність інгібувати тирозиназу (IC25=784 мкг/мл), що виявилося перспективним проти старіння шкіри, спричиненого ультрафіолетовим випромінюванням; L.ectocarpi LEGE 11479 був більш ефективним у інгібуванні ММР (гіалуронової кислоти). , IC50=863мкг/мл; еластаза, IC50=391мкг/мл）, тому це вибір для уповільнення втрати щільності шкіри. Аналіз основних компонентів (PCA) даних дозволив згрупувати екстракти в три групи відповідно до їх хімічного складу; кореляція каротиноїдів і хлорофілу а з активністю MMP (стор<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="">

Натисніть тут, щоб дізнатися більше

Ключові слова:меланін; УФ-блокатор; еластаза; гіалуронідаза; тирозиназа; окислювально-стресовий; бета-каротин; фікоціанін; фікоеритрин; алофікоціанін

1. Введення

Шкіра — це великий і напрочуд складний людський орган із первинною бар’єрною функцією захисту внутрішніх органів від шкідливих факторів стресу, таких як хімічні речовини, патогени, холод, спека та ультрафіолетове випромінювання (УФР). Однак важливість шкіри йде набагато далі, охоплюючи незаперечну соціально-культурну роль.цистанний холестерин,Насправді зовнішній вигляд і форма шкіри мають вирішальне значення для самооцінки людини, догляд за нею та її прикрашання є частиною щоденної рутини з давніх часів [1].

Уповільнення процесу старіння шкіри було головною вимогою суспільства.Cistanche deserticola побічні ефектиЦей повільний і складний процес викликаний ендогенними та екзогенними факторами, які схиляють шкіру до прогресуючої структурної та функціональної дегенерації, яка, крім впливу на її естетичний вигляд, робить її схильною до розвитку широкого спектру захворювань. Серед екзогенних факторів УФО є, мабуть, найшкідливішим фактором, якому найбільше піддається шкіра. Надмірний вплив ультрафіолетового випромінювання збільшує утворення вільних радикалів, викликаючи каскад подій, які впливають на різноманітні клітинні структури та ферменти, що призводить до негайної запальної реакції та, нарешті, призводить до передчасного старіння шкіри [2]. Особливо постраждалою мішенню в цій темі є позаклітинний матрикс (ECM), тривимірна мережа еластинових і колагенових волокон, оточених основними речовинами, такими як гіалуронова кислота (HA), які діють разом, щоб підтримувати наповнення, еластичність і еластичність шкіри. гнучкість [3]. В умовах окислювального стресу волокна еластину і колагену, що відповідають за еластичність і стійкість шкіри, можуть втрачати свою структуру[4]. Це явище, частково через дерегуляцію активності матриксних металопротеїназ (ММР), таких як еластаза, колагеназа та гіалуронідаза, лежить в основі передчасного старіння шкіри, пов’язаного із зовнішніми факторами [1]. Ці зміни впливають на товщину епідермісу, структуру, і зовнішній вигляд, що призводить до сухості, розширених пор, тонких ліній і зморшок [5,6]. Таким чином, пошук нових, ефективних, багатоцільових та інноваційних інгредієнтів для косметичних рецептур, здатних досягти найбільшої кількості ключових цілей у процесі старіння шкіри, був у центрі уваги косметичної промисловості в останні десятиліття.

Cistanche може омолоджувати старіння

Зростаюче дослідження природних джерел, зокрема морського походження, забезпечило незліченну кількість нових молекул із багатообіцяючою біоактивністю, гідною подальшого використання в галузі старіння шкіри [1]. Серед них ціанобактерії виділяються завдяки своїй здатності виробляти біоактивні вторинні метаболіти з унікальними структурами та механізмами дії. Окрім того, що ціанобактерії представляють єдину групу прокаріотів, які можуть здійснювати кисневий фотосинтез, подібно до рослин, ціанобактерії самовідновлюються, мають базові потреби в харчуванні, вимагають мінімального місця для вирощування та мають низький вплив на навколишнє середовище, будучи стійким вибором як зелене джерело косметики інгредієнти [7].

Зосереджуючись на препаратах для шкіри, ціанобактерії виробляють широкий спектр біоактивних метаболітів, включаючи фенольні сполуки, білки, пігменти та інгібітори MMP, які охоплюють основні процеси, що складають основу старіння шкіри, а саме антиоксидантну дію, фотозахист і здатність пригнічувати важливі ферменти. ECM [8-12], нещодавно переглянутий [1,9]. Що стосується антиоксидантної активності, повідомляється, що численні штами мають репрезентативну кількість метаболітів із здатністю поглинати радикали, таких як каротиноїди, наприклад, з родів Leptolyngbya, Syneclocystis і Wollea [9,13], фікобіліпротеїни (PBP), такі як Arthospira spp. і Spirulina spp. [13,14], а також фенольні сполуки, такі як Nostoc commune [15]. У сфері фотозахисту ціанобактерії також виділяються виробництвом відомих сполук, що поглинають УФ-промені, мікоспориноподібних амінокислот (MAA) і сцитонеміну (SCY) [16]. Що стосується потенціалу інгібування колагеназ, еластази, гіалуронідаз і тирозинази, у літературі наведено кілька прикладів, таких як мікоспорин-2-гліцин (M2G), виділений із ціанобактерії Aphan-othece halophytica [17], циклічні депсипептиди тутуіламіди AC, з Schizothrix spp. і Coleofasciculus spp.[18], полісахарид з Nostochopsis lobatus MAC0804NAN [19] і екстракт Phormiskin Bioprotech G з Phormidium persicinum [20] відповідно.

Незважаючи на наведені вище дослідження, кількість штамів ціанобактерій, досліджених у галузі косметики, все ще дуже низька, враховуючи потенційні можливості цього ресурсу. Маючи це на увазі, це дослідження вперше досліджує біотехнологічний потенціал послідовних екстрактів різної полярності, отриманих із чотирьох штамів ціанобактерій, у сфері старіння шкіри, демонструючи багатообіцяючу, інноваційну та багатофакторну природу цих мікроорганізмів. 2.Результати і

Обговорення

У цьому дослідженні два штами прісноводних і два морських ціанобактерій були культивовані, зібрані та піддані послідовній екстракції ацетоном і водою з метою їх використання в косметичних цілях. Послідовна екстракція ацетоном з наступною водою була розроблена для монетизації біомаси в більш стійкому, екологічно чистому та економічно привабливому процесі. У таблиці 1 відображено продуктивність екстракції. Вихід екстракції був значно вищим з водою, ніж з ацетоном (стор<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.Цитотоксичність екстрактів

Щоб відібрати екстракти для оцінки біологічної активності, був проведений аналіз цитотоксичності in vitro з використанням різних клітинних ліній. Тести на цитотоксичність є важливими під час виробництва косметики, оскільки вони можуть передбачити ризики для здоров’я, пов’язані з використанням екстрактів як біоактивних інгредієнтів. Таким чином, цитотоксичність екстрактів була оцінена в трьох різних клітинних лініях, які мають ключове значення для продуктів для нанесення на шкіру: кератиноцитах (HaCat), фібробластах (3T3L1) і ендотеліальних клітинах (hCMEC). Фібробласти є одними з найважливіших клітин для старіння шкіри, відповідаючи за виробництво компонентів дермального матриксу, необхідних для підтримки форми та структури шкіри, таких як колаген і гіалуронова кислота [9,21]. Ендотеліальні клітини утворюють бар’єр між стінками судин і кров’ю, і їх було обрано з огляду на їх присутність у дермі, яка, на відміну від епідермісу, є зрошуваним шаром шкіри [22]. Що стосується кератиноцитів, то вони є ключовими клітинами епідерміс, що становить близько 95 відсотків цього шару, але присутній у всіх чотирьох шарах і забезпечує структуру та захист шкіри [23,24]. Жоден із екстрактів не виявив токсичності для вибраних клітинних ліній при досліджуваних концентраціях （12.5-200мкг сухого екстракту/мл） (Рисунки S1-S3).cistanche дозування redditУ зв’язку з цим усі екстракти перейшли на наступний етап, де вони були піддані хімічній характеристикі та оцінці їхньої біологічної активності. 2.2.Хімічний профіль

Ацетоновий і водний екстракти були хімічно охарактеризовані з точки зору фенолів, загальних білків, PBP, загальних каротиноїдів і хлорофілу а, щоб порівняти хімічні профілі, отримані з різними екстракційними розчинниками, і встановити взаємозв’язок між хімічним складом і оцінка біологічної активності.

2.2.1. Загальний вміст фенолів (TPC)

Загальний вміст фенолів (TPC) обох екстрактів вимірювали за допомогою колориметричного аналізу Folin-Ciocalteu. Навіть враховуючи властиві обмеження методу, це стандартний аналіз, який широко використовується для швидкого визначення загального вмісту фенолів, що дозволяє порівнювати різні зразки та, отже, прогнозувати їхній антиоксидантний потенціал. У таблиці 2 наведено дані (виражені в GAE) щодо загального вмісту фенолів у восьми екстрактах, досліджених у цьому дослідженні. Найвищий TPC був виявлений в ацетоновому екстракті Leptolyngbya cf.ectopic LEGE 11479, з 17,59 мкг GAE/мг екстракту, за яким йдуть водні екстракти Leptolyngbya boryana LEGE 15486 і Cephalothrix lacustris LEGE 15493 (табл. 2). Враховуючи вихід комбінованої екстракції, Leptolyngbya cf.exocarp LEGE 11479 був найбагатшим видом, із загальним вмістом приблизно 26 мкг GAE/мг сухого екстракту з урахуванням обох екстракційних розчинників.

Загалом, водні екстракти прісноводних штамів мали вищий вміст фенолів, ніж екстракти з морських середовищ, тоді як протилежна поведінка спостерігалася щодо ацетонових екстрактів. Це спостереження також було відзначено для двох штамів тих самих родів, що призводить до припущення, що, окрім специфічних для виду характеристик, морські штами більш імовірно продукують фенольні сполуки меншої полярності, враховуючи їх більшу поширеність у менш полярних розчинниках. Феноли мають полярні та неполярні компоненти у своїх молекулах, володіючи перевагою розчинності порівняно з розчинниками проміжної полярності, такими як спирти та ацетон, а не водою. Однак розчинність фенолів у різних розчинниках не може бути заснована лише на їх полярності, оскільки інші параметри, такі як температура та рН, можуть мати великий вплив на їх розчинність і, таким чином, виправдовувати їх виразну присутність у водних екстрактах [25].

Попередня робота нашої дослідницької групи також вивчала TPC у різних екстрактах ціанобактерій. Morone та його співробітники [26] використали ту саму методологію для кількісного визначення TPC і виявили, що Nodosilinea nodulosa LEGE 06102 має значення 1,23 мг GAE/г сухої біомаси, що перевищує значення, отримані тут (0,59 мг GAE/ г сухої біомаси, перераховано відповідно до виходу екстракції). Однак автори використовували 70-відсотковий етанол як розчинник для екстракції, що, безумовно, призвело до спостережуваних відмінностей. Для всіх штамів, проаналізованих авторами, найвище значення було виявлено у Synechocystis salina LEGE 099 (2,45 мг GAE/г). В іншому дослідженні з Nodosilinea Antarctica LEGE13457 вміст TPC становив 19,23 мкг GAE/мг (ацетоновий екстракт) і не було виявлено фенолів у Leptolyngbya-like sp.переваги екстракту цистанчіLEGE 13412, продемонстрував найвищу мінливість серед подібних видів. Вони також надали дані для інших штамів, причому Cyanobium gracile LEGE12431 демонструє найвищий вміст фенолу, з 22,01 мкг GAE/мг ацетонового екстракту [27]. Трабелсі та його команда [28] повідомили, що термофільна ціанобактерія Leptolyngbya sp. мав 139 мг GAE/г, що є одним із найвищих значень, про які повідомляється в літературі, і пояснюється авторами високою температурою середовища існування ціанобактерій: щоб уникнути окислювального стресу, викликаного високими температурами, ціанобактерії виробляють більшу кількість антиоксидантних сполук, таких як феноли. і флавоноїди. Інша дослідницька група [29] також повідомила про TPC 6,24 мг GAE/г для Leptolyngbya sp. KC45, взяті з місця з температурою приблизно 40-45 градусів.

Незважаючи на відмінності, притаманні впливу екстракційних розчинників та умов культивування ціанобактерій, таких як умови освітлення, поживні речовини культурального середовища та щільність клітин, серед іншого, значення TPC, отримані тут, знаходяться в межах того самого порядку величини, що й ті, про які йдеться в літературі. Крім того, Leptolyngbya boryana LEGE 15486 можна відзначити як цікавий вид щодо фенольних сполук (3,08 мг GAE/г сухої біомаси), порівняно з широко відомими Spirulina spp. (1,78 мг GAE/г)[30].

2.2.2.Білки

Хоча протеїни, як правило, недооцінюються, вони складають значну частку біомаси ціанобактерій [31], мають антиоксидантні та імуностимулюючі властивості, а також здатність утримувати вологу в шкірі, що важливо для запобігання старінню шкіри [32]. З огляду на це, екстракти, досліджені в цьому дослідженні, були охарактеризовані за вмістом білка за допомогою загального підходу, зосередженого на загальних білках (ацетон і водні екстракти) (табл. 3), і цільового підходу, зосередженого на PBP (водні екстракти) ( Таблиця 4).

Що стосується загального вмісту білків, можна зробити висновок, що водна екстракція призвела до вищих значень, ніж екстракція ацетоном, а також, що морські штами були біднішими, ніж штами з прісноводних середовищ. З точки зору сухої біомаси, Leptolyngbya boryana LEGE 15486 демонструє найвищий вміст (69,22 мг BSA/г сухої біомаси), а Nodosilinea nodulosa LEGE 06104 – найнижчий (15,23 BSA/г сухої біомаси). Серед інших факторів ці відмінності можуть бути наслідком різної кількості структурних білків, представлених різними штамами ціанобактерій [32].

Практичний приклад використання білків у косметиці стосується PBS, які в природі присутні в ціанобактеріях. Одним із захисних механізмів ціанобактерій є здатність цих макромолекул поглинати світлову енергію без утворення активних форм кисню (АФК), що можливо завдяки змінам їх вмісту та співвідношення у фікобілісомах [33]. PBP — це водорозчинні білки, пов’язані з фікобілінами, які поділяються на три групи відповідно до їх структури та спектрів поглинання світла: фікоціанін (PC, 610-625 нм), фікоеритрин (PE, 490-570 нм), і алофікоціанін (APC, 650-660 нм). Як зазначалося раніше, їх інтерес як косметичних інгредієнтів зумовлений головним чином їхнім визнаним антиоксидантним потенціалом, завдяки їхній структурній схожості з білірубіном, який усуває похідні кисню. PC є найпоширенішим PBP у ціанобактерій з цікавими антиоксидантними властивостями та властивостями поглинання радикалів, а також здатністю пригнічувати проліферацію клітин [13,14].

Щодо PC, Leptolyngbya boryana LEGE 15486 мав найвищий вміст (154,07 мкг/мг екстракту yy), а потім Cephalothrix lacustris LEGE 15493 (115,03 мкг/мг сухого надлишку), що відповідає сильному блакитному кольорі, що спостерігається у водних екстрактах цих рослин. видів.Cistanche ЧингісханЗ іншого боку, Leptolymgbya див. ectocarpi LEGE 11479, з інтенсивним рожево-фіолетовим забарвленням у біомасі та у водному екстракті, був найбагатшим на ФЕ (138,73 мкг/мг сухого екстракту). Nodosilinea nodulosa LEGE 06104 із найсвітлішим блакитним екстрактом демонструє помітно нижчі значення обох PBP (табл. 4).

Порівнюючи штами з точки зору PBP, надзвичайно важливо враховувати умови культивування, оскільки відмінності в освітленні, азоті, температурі, рН, вуглецю та солоності можуть різко вплинути на їх продукцію [14]. Pumas та його співробітники [29] оцінили вміст PBP у термостійких ціанобактеріях Leptolyngbya sp. KC45 і виявили вміст PE майже 100 мг/г, а потім приблизно 40 і 43 мг/г APC і PC відповідно, що відповідає результатам, отриманим тут для Leptolyngbya cf. ectocarpiLEGE11479 (Таблиця 4). Робота, виконана Пейджелом та його співробітниками, також досліджувала вміст PBP у послідовних екстрактах, отриманих з різними розчинниками. Незважаючи на те, що досліджували інший штам ціанобактерій (Cyanobium sp.), автори виявили загальний вміст PBP, близький до 200 мг/г, у послідовній екстракції з використанням тих самих розчинників, що й у цьому документі, що відповідає значенням, отриманим нами [34]. ]. Порівнюючи з широко відомою Spirulina sp., із зареєстрованими загальними PBP близько 19 мг/г сухої біомаси [30], можна вважати наші штами економічно цікавими. У цьому ж дослідженні автори також повідомили про значення 127,01 мг/г сухої біомаси загальної кількості PBP для Lynglya sp. В іншому дослідженні були представлені дані з 18 штамів, де найбільша кількість була виявлена ​​у Anabaena NCCU-9, зі значенням 91,54 мг/г сухої біомаси [35]. 2.2.3.Каротиноїди та хлорофіл a

Каротиноїди - це природні жиророзчинні ізопреноїди з широким спектром забарвлень, варіюючих від жовтого до червоного [13]. Ці сполуки привернули підвищену увагу через їх зв’язок зі зниженим ризиком кількох дегенеративних розладів, а також через їх визнану антиоксидантну активність, частково пов’язану з хімічними подвійними зв’язками C=C, присутніми в їхніх молекулах. Окрім цих функцій, каротиноїди діють як УФ-фільтри, зменшуючи вплив світла [36]. Деякі ціанобактерії, такі як Wollea vaginicola, Leptolyngbya foveolarum і Synechocystis salina LEGE 06099, були виділені завдяки значному вмісту каротиноїдів, що підвищило їх інтерес у фармакологічній та косметичній сферах [9,13].

Загальний вміст каротиноїдів і хлорофілу в досліджених тут ацетонових екстрактах ціанобактерій наведено в таблиці 5. Кількість каротиноїдів коливається від 89 до 159 мкг/мг сухого екстракту, найбагатшим штамом Leptolynglya boryana LEGE 15486. Щодо хлорофілу а, усі штами показали значення, що перевищують 100 мкг/мг сухого екстракту, особливо Cephalothrix lacustris LEGE 15493.

Інші ціанобактерії також були предметом оцінки пігменту. Наприклад, Лопес і її команда [27] повідомили про 63,9 мкг/мг сухого екстракту загальної кількості каротиноїдів і 417,6 мкг/мг сухого екстракту загальної кількості хлорофілів для ацетонового екстракту ноги Nodosilinea Antarctica 13457. Автори також надали дані для Leptolyngbya-like sp.LEGE 13412 (33,6 мкг/мг сухого екстракту), і в обох випадках кількість каротиноїдів була нижчою за вказані тут значення. Варто зазначити, що у згаданій вище роботі каротиноїди були профільовані за допомогою ВЕРХ, і, таким чином, незважаючи на видові характеристики, методологія виправдовує отримані відмінності. Стосовно хлорофілів, кількість, про яку повідомляють автори, була більшою, ніж отримана тут, що легко виправдати тим фактом, що вони представляють значення загальної кількості хлорофілів, тоді як робота тут зосереджена виключно на хлорофілі а та його похідних.

Інше дослідження, проведене нашою дослідницькою групою, повідомило про загальну кількість {{0}}.37 мг/г сухої біомаси каротиноїдів для етанольного екстракту Nodosilinea nodulosa LEGE06102 [26], що було нижче значень, отриманих тут (0,75 мг /г сухої біомаси, перераховано на основі виходу екстракції). Ця різниця, безумовно, корелює з розчинником, який використовувався для екстракції, оскільки завдяки своїм хімічним характеристикам каротиноїди мають вищу спорідненість до ацетону. Загалом, результати, отримані тут, знаходяться в тому ж порядку, що й результати, отримані іншими авторами, що можна пояснити дуже схожими культурними умовами та використаними методологіями.

Ця стаття взята з Mar. Drugs 2022, 20, 183. https://doi.org/10.3390/md20030183 https://www.mdpi.com/journal/marinedrugs