371
Kosmetologia Estetyczna / 4 / 2014 / vol. 3
Kosmetologia / nauka
�� 372
Korzyści
z zastosowania ektoiny
w dermokosmetykach
The benefits of ectoine in dermocosmetics
otrzymano / received:
15.07.2014
poprawiono / corrected:
10.09.2014
zaakceptowano / accepted:
13.10.2014
I
zabelaz
ałęska-Ż
yłka¹, a
gataP
Ietrzycka²
1 Małopolska Wyższa Szkoła im. J. Dietla
Wydział Nauk o Zdrowiu Rynek Główny 34, 31-010 Kraków mob. +48 504 265 052 e-mail: izaleska-zylka@dietl.edu.pl
2 Zakład Cytobiologii, Katedra Farmakobiologii
Wydział Farmaceutyczny, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum
ul. Medyczna 9, 30-688 Kraków
a
bstractContamination of environment and our life- style are the main factors that can significantly impair repair mechanisms of skin cells, causing premature aging and/or skin diseases. Ectoine is one of the novel compounds used in dermoco- smetics. The study presents main mechanisms of action of ectoine at the cellular level of skin and benefits arising from them.
Key words: ectoine, mechanisms of action
s
treszczenIeZanieczyszczenie środowiska oraz styl ży- cia stanowią główne czynniki upośledzające mechanizmy naprawcze komórek skóry i po- wodujące przedwczesne starzenie się skóry i/
lub jej choroby. Ektoina jest jednym z nowa- torskich związków stosowanych w dermoko- smetykach. W artykule przedstawiono główne mechanizmy działania ektoiny na poziomie komórki skóry oraz wynikające z nich korzyści.
Słowa kluczowe: ektoina, mechanizmy działania
W
ProWadzenIeNa stan skóry wpływa styl życia oraz oto- czenie, w którym żyjemy. Zanieczyszczenie środowiska, nikotynizm, mało ruchu i długie przebywanie w suchym, klimatyzowanym po- mieszczeniu, diety i kuracje, pośpiech, brak snu stanowią czynniki negatywnie wpływają- ce na cerę. Zdrowe komórki skóry uruchamiają mechanizmy obronne i naprawcze. Kiedy stają się niewydolne, konieczne jest zastosowanie substancji zapobiegających i niwelujących ich negatywne działanie. Obiecującą nową grupę stanowią związki syntetyzowane przez eks- tremofilne mikroorganizmy, wykorzystywa- ne do ochrony przed niekorzystnymi warun- kami środowiska, w którym żyją [1]. Jednym z nowatorskich związków stosowanych w der-
mokosmetykach jest ektoina (Rys. 1). Rys. 1. Wzór strukturalny ektoiny (kwas 2-metylo-1,4,5,6-te- trahydropirymidyno-4-karboksylowy, THP)
372
vol. 4 \ 3 \ 2014 \ Kosmetologia Estetyczna
W
łascIWoścIIzastosoWanIeektoIny Po raz pierwszy ektoinę wyizolował i przedstawił jej bu- dowę w 1985 roku E. Galinski [2]. Ektoina wykazuje wła- ściwości kosmotropowe, czyli posiada zdolność wiązania i wbudowywania cząsteczek wody w kompleksy. Dzięki obecności w cząsteczce atomów azotu i grupy karbok- sylowej dochodzi do przegrupowania elektronów i wy- tworzenia biegunów naładowanych dodatnio i ujemnie (właściwości amfoteryczne). Oznacza to, że cząsteczki ektoiny wiążą silnymi wiązaniami wodorowymi czą- steczki polarne – 1 cząsteczka ektoiny może przyłączyć 5 cząsteczek wody [3] oraz fragmenty apolarne. Kompleksy ektoiny i wody otaczają pojedyncze cząsteczki białek, li- pidów i kwasów nukleinowych wody, tworząc wokół nich płaszcz wodny (Rys. 2). Najbardziej korzystnym układem zapobiegającym utratom energii jest układ kuli. W bada- niach wykazano, że w miarę wzrostu liczby cząsteczek ektoiny na powierzchni kuli otaczającej cząsteczkę biał- ka maleje zdolność dyfuzji wody na zewnątrz [4-6].Rys. 2. Kosmotropowe działanie ektoiny
Wprowadzenie cząsteczek wody pomiędzy hydrofilowe główki fosfolipidów w błonach komórkowych rozszerza je, uwadnia, poprawia napięcie i elastyczność. Skóra jest lepiej odżywiona i nawodniona. Ponadto płaszcz hydrofilowy za- pobiega utracie wilgotności w skórze suchej i atopowej [2].
Zasugerowano stosowanie ektoiny m.in. w kroplach do oczu w celu leczenia i łagodzenia objawów suchego oka.
Dodana do „sztucznych łez” przywraca równowagę lipi- dową, prawdopodobnie wiążąc cząsteczki wody i tri-acy- lo-gliceroli [7].
Rys. 3. Schemat wpływu ektoiny na warstwę lipidową błony komórkowej. Ry- sunek zmodyfikowany na podstawie Rakesh Kumar Harishchandra [8]
Amfoteryczna cząsteczka ektoiny wiąże wiązania- mi wodorowymi z jednej strony cząsteczki hydrofilowe,
z drugiej hydrofobowe łańuchy lipidów błon komórko- wych, umożliwia wprowadzenie cząsteczek wody po- między fosfolipidy. Ektoina tworzy na powierzchni błon komórkowych otoczkę chroniącą przed działaniem szko- dliwych czynników egzogennych.
Ektoina jest antyoksydantem, zapobiega wczesnym uszkodzeniom komórek skóry na poziomie molekular- nym. Bezpośrednio hamuje dostęp do powierzchni skó- ry, pochłania promieniowanie ultrafioletowe UV. Ogra- niczając działanie UV, zapobiega reakcjom starzenia się skóry. Wspomaga mechanizmy naprawcze po uszkodze- niu promieniowaniem UVA i UVB.
W hodowlach komórkowych ludzkich keratynocytów po 1 godzinie inkubacji z 0.1mMol/L roztworem ektoiny stwierdzono, że ilość uszkodzeń jądrowego DNA pod wpływem światła widzialnego zmniejszyła się prawie o 93% i o 63% pod wpływem UVA [9]. Wykorzystując ho- dowle komórkowe, chromatografię cienkowarstwową HPLC (high-performance liquid chromatography), wyspe- cjalizowane testy biologii molekularnej i reakcje poli- merazy łańcuchowej PCR (Polymerase Chain Reaction) wykazano, że ektoina zabezpiecza skórę przed skutkami uszkodzenia komórek spowodowanymi przez promienio- wanie UVA na kilka sposobów.
Stwierdzono, że ektoina zapobiega uwalnianiu wtórnych przekaźników w komórce oraz czynników transkrypcyj- nych. Zapobiega aktywacji białka prezentującego AP-2, zmniejsza ekspresję cząstek adhezyjnych oraz zapobiega mutacjom w obrębie mitochondrialnego DNA [10] (Rys. 4).
Stwierdzono, że ektoina hamuje uwalnianie reak- tywnych form tlenu w komórkach normalnych ludzkich fibroblastów skórnych pod wpływem nadtlenku wodoru (w warunkach in vitro) [11].
Ektoina działa immunostymulująco, przeciwzapal- nie i przeciwnowotworowo. W cytoprotekcji i naprawie uszkodzonych komórek i tkanek ważną rolę odgrywają białka szoku cieplnego HSP (Heat Shock Proteins). Biał- ka te nazywane są powszechnie „białkami stresu”. HSP dzieli się na podstawie wielkości cząsteczki na wielko- cząsteczkowe HSP100 (100- kDa) oraz HSP90 (75-96 kDa), średniocząsteczkowe HSP70 (66-78 kDa), HSP60 i HSP40 oraz małocząsteczkowe sHSP (8,5-40 kDa). Białka HSP70, zlokalizowane w obrębie błon komórkowych, pośred- niczą w mechanizmach immunologicznych oraz biorą udział w przekazywaniu informacji komórkowej. Ekspre- sję genów kodujących HSP indukuje wiele szkodliwych czynników egzo- i endogennych, na jakie narażona jest komórka [12]. Jednym z mechanizmów ochrony ektoiny jest jej zdolność do zmniejszenia ekspresji HSP70 na po- wierzchni ludzkich keratynocytów, inhibicji czynnika ją- drowego kappa B NFκB (Nuclear Factor Kappa B) i zmniej- szenie transkrypcji genetycznej cytokin prozapalnych:
interleukiny 1a (IL-1a), IL-6, oraz czynnika martwicy nowotworu-alfa TNFa (Tumor Necrosis Factor Alpha) [13].
Białko HSP70-2 występuje w cytoplazmie komórki.
Zapobiega ono nagromadzeniu się i agregacji białek lub ich zmutowanych genów związanych z rozwojem choroby neurodegeneracyjnej [12]. Stwierdzono np. wysoką sku- teczność hamowania powstawania charakterystycznych dla choroby Alzheimera złogów białka beta-Amyloidowe- go w hodowlach ludzkich komórek nerwiaka [14].
373
Kosmetologia Estetyczna / 4 / 2014 / vol. 3
Ektoina mobilizuje układ immunologiczny związa- ny ze skórą, chroni keratynocyty, komórki Langerhansa i komórki Merkla. Działa immunostymulująco, przeciw- zapalnie i przeciwnowotworowo (Rys. 4).
Skuteczność przeciwzapalnego działania ektoiny oceniano m. in. w modelu zapalenia jelita okrężnicy u szczurów. Po podaniu szczurom ektoiny obserwo- wano mniejszy poziom cytokin prozapalnych (TNFa, IL-1), prostaglandyny (PGE2) oraz leukotrienów (LTB4).
Stwierdzono również wpływ ektoiny na wskaźniki stre- su oksydacyjnego (zmniejszenie poziomu dialdehydu malonowego – MDA) i obrony antyoksydacyjnej (wzrost poziomu zredukowanego glutationu – GSH) [15]. W innym badaniu naciek komórek zapalnych (neutrofili, makrofa- gów, monocytów), ekspresja mRNA cytokin prozapalnych (IL-6 I TNAa) oraz ich poziom we krwi zmalał po podaniu szczurom kwasu 1-,4-,5-,6-tetrahydro-2-metylo-4-py- rimidyno karboksylowego [16]. Stwierdzono, że ektoina wpływa na czynnik jądrowy kappa B (NF-κB), hamuje odczepienie i przenoszenie jego podjednostki hamującej, w efekcie znacznie obniża poziom cytokin prozapalnych i ekspresję genów cykooksygenazy – 2 (COX-2) [17].
Rys. 4. Prawdopodobne punkty uchwytu działania ektoiny na poziomie komórkowym
W badaniach na zwierzętach ektoina zmniejszała reak- cje zapalne neutrofili zachodzące w błonie śluzowej nosa i oskrzeli po prowokacji antygenami [18]. Stosowana jako substancja w leczeniu chorób alergicznych również zna- lazła uznanie wśród specjalistów w dziedzinie alergologii i dermatologii [19, 20].
P
odsumoWanIeBadania potwierdziły, że cząsteczka ektoiny dzięki wy- jątkowym właściwościom wiązania wody nawilża skórę, zmniejsza świąd i szorstkość skóry. Przewiduje się, że ektoina, zapewniając całościową ochronę biologiczną ko- mórek skóry, już w najbliższej przyszłości będzie stano- wiła podstawę dermokosmetyków.
l
Iteratura1. T. Dirschka: Ectoin - Use and perspectives for dermatology, Aktuelle Dermatologie 34(4), 2008, 115-118.
2. E.A. Galinski, H.P. Pfeiffer, H.G. Truper, et al.: 1,4,5,6-Tetrahydro- -2-methyl-4-pyrimidinecarboxylic acid. A novel cyclic amino acid
from halophilic phototrophic bacteria of the genus Ectothiorhodospira, Eur J Biochem 149(1), 1985, 135-139.
3. E.A. Galinski, M. Stein, B. Amendt, M. Kinder: The Kosmotropic (Structure-Forming) Effect of Compensatory Solutes, Comp. Biochem.
Physiol., 3(117A), 1997, 357-365.
4. R. Graf, J. Anzali, S. Fau-Buenger, et al.: The multifunctional role of ec- toine as a natural cel protectant, Clin Dermatol., 26(4), 2008, 326-333.
5. J. Smiatek, O. Harishchandra, R.K. Rubner, et al.: Properties of com- patible solutes in aqueous solution, Biophys Chem. 160(1), 2012, 62-68.
6. J. Smiatek, R.K. Harishchandra, et al.: Low concentrated hydroxyecto- ine solutions in presence of DPPC lipid bilayers: A computer simulation study, Biophysical Chemistry 180-181, 102-109.
7. M. Dwivedi, H. Backers, et al., Biophysical investigations of the struc- ture and function of the tear fluid lipid layer and the effect of ectoine.
Part A: Natural meibomian lipid films, Biochimica et Biophysica Acta- -Biomembranes, 2014.
8. R.K. Harishchandra et al.: The effect of compatible solute ectoines on the structural organization of lipid monolayer and bilayer membranes, Biophysical Chemistry, 150, 2010.
9. C. Botta, C. Di Giorgio, et al.: Genotoxicity of visible light (400-800 nm) and photoprotection assessment of ectoin, l-ergothioneine and mannitol and four sunscreens, Journal of Photochemistry and Photo- biology B, Biology 91(1), 2008, 24-34.
10. J. Buenger, H. Driller: Ectoin: An effective natural substance to prevent UVA-induced premature photoaging, Skin Pharmacology and Physio- logy, 17(5), 2004, 232-237.
11. A. Mamalis, D.H. Nguyen, et al.: The active natural anti-oxidant pro- perties of chamomile, milk thistle, and halophilic bacterial components in human skin in vitro, Journal of Drugs in Dermatology, 12(7), 780-784.
12. A. Kaźmierczuk, Z.M. Kiliańska: Plejotropowa aktywność białek szoku cieplnego, Postepy Hig Med Dosw., 63, 2009, 502-521.
13. E. Buommin, C. Schiraldi, et al.: Ectoine from halophilic microorga- nisms induces the expression of hsp70 and hsp70B’ in human kerati- nocytes modulating the proinflammatory response, Cell Stress and Chaperones, 10(3), 197-203.
14. M. Kanapathipillai, M. Lentzen, G. Fau-Sierks, et al.: Ectoine and hy- droxyectoine inhibit aggregation and neurotoxicity of Alzheimer’s be- ta-amyloid, FEBS Lett., 579(21), 2005.
15. H. Abdel-Aziz, W. Wadie, et al.: Novel effects of ectoine, a bacteria-de- rived natural tetrahydropyrimidine, in experimental colitis, Phytome- dicine, 20(7), 2013, 585-591.
16. T. Pech, I. Ohsawa, et al.: A natural tetrahydropyrimidine, ectoine, ameliorates ischemia reperfusion injury after intestinal transplanta- tion in rats, Pathobiology, 80(2), 2013, 102-110.
17. A. Wedeking, N. Hagen-Euteneuer, et al.: A Lipid anchor improves the protective effect of ectoine in inflammation, Current Medicinal Che- mistry, 21(22), 2014, 2565-2572.
18. K. Unfried, A.O. Kroker, et al.: The compatible solute ectoine reduces the exacerbating effect of environmental model particles on the immune response of the airways, J Allergy (Cairo), 2014.
19. U. Heinrich, B. Garbe, et al.: In vivo assessment of ectoin: A randomi- zed, vehicle-controlled clinical trial, Skin Pharmacology and Physio- logy, 20(4), 2007, 211-218.
20. A. Marini, K. Reinelt, et al., Ectoine-containing cream in the treatment of mild to moderate atopic dermatitis: A randomised, comparator-con- trolled, intra-individual double-blind, multi-center trial, Skin Phar- macol Physiol., 27(2), 2014, 57-65.
