2.2. Karotenoider

Karotenoider är de vanligaste naturliga pigmenten; de är välkända för sin kraftfulla antioxidantaktivitet, eftersom de är mycket effektiva fysiska utsläckare av singlettsyre och rensare av andra ROS. Karotenoider är också välkända för sin förmåga att fungera som släckare av fotosensibiliseringsprodukter, vilket ger dem fotoskyddande egenskaper [109].

Enligt relevanta studier är cistanche en vanlig ört som är känd som "mirakelörten som förlänger livet". Dess huvudkomponent ärcistanosid, som har olika effekter som t.exantioxidant, antiinflammatorisk, ochfrämja immunförsvaret. Mekanismen mellan cistanche ochhudblekningligger i cistanches antioxidanteffektglykosider. Melanin i mänsklig hud produceras genom oxidation av tyrosin som katalyseras avtyrosinasoch oxidationsreaktionen kräver deltagande av syre, så de syrefria radikalerna i kroppen blir en viktig faktorpåverkar melaninproduktionen. Cistanche innehåller cistanosid, som är en antioxidant och kan minska genereringen av fria radikaler i kroppen, alltsåhämmar melaninproduktionen.

Klicka på Cistanche Tubulosa för blekning

För mer information:

david.deng@wecistanche.com WhatApp:86 13632399501

Under det senaste decenniet har intresset för mikrobiell fermentering för produktion av naturliga karotenoider ökat. Karotenoidproduktion av bakterier, sporogena jästsvampar, filamentösa svampar [110] och mikroalger [111] har rapporterats omfattande, med cyanobakterier som den mest framträdande källan [112]. Följaktligen har karotenogena mikrober Xanthophyllomyces dendrorhous, Blakeslee transport och Haematococcus pluvialis använts i stor utsträckning i storskaliga processer. Dessutom har transformationen av de icke-karotenogena mikroberna E. coli, S. cerevisiae, Candida utilis och Zymomonas mobilis, med karotenoidgener från utvalda mikrober framgångsrikt använts för produktion av karotenoider [113]. E. coli i fed-batch-fermentering producerade 72,6 mg/g cdw (celltorrvikt) av -karoten [1] och 1,44 g/L lykopen [49], medan astaxantinproduktionen ökade 1,4-faldigt jämfört med till X. dendrorhous förälderstam och nådde 1,25 mg/L (tabell 1) [46]. Astaxantin (5), -karoten (6) och lutein är de karotenoider som har högst mervärde (Figur 2) [114]. Oxykarotenoidluteinet produceras huvudsakligen av mikroalger av släktet Chlorella, Dunaliella och Haematococcus [114]. Dess djupgående effekt på antioxidantförsvarssystemet tillskrivs dess kemiska struktur. I in vitro-system avlägsnade det signifikant superoxiden (IC50: 21 µg/mL), hydroxylen (IC50: 1,75 µg/mL), kväveoxiden (IC50: 3,8 µg/ml) och DPPH (IC50: 35 µg) /ml) radikal och hämmade lipidperoxidation (2,2 µg/ml). I in vivo-system har det visat sig vara en effektiv renare av superoxidradikaler (IC50: 21 µg/ml) [51].

2.3. Exopolysackarider (EPS)

EPS är kolhydratpolymerer med hög molekylvikt som uppvisar starka rensande aktiviteter, metallkelaterande förmåga och lipidperoxidationshämning. Dessa föreningar är bland de mest utnyttjade bioaktiva substanserna för sin anti-aging förmåga [115].

EPS biosyntetiseras huvudsakligen av bakterier och svampar. En mikroorganisms förmåga att producera antioxidant-EPS introducerades först med studien av Paenibacillus polymyxa. Denna endofytiska bakterie, isolerad från roten av Stemona japonica, producerar olika EPS med stark renande aktivitet mot superoxiden och hydroxylradikalen [116,117] (tabell 1). När den testades vid en koncentration av 1 mg/ml, var den renande effekten av den råa EPS mot superoxidradikalen 74,38 procent, medan aktiviteten hos den renade EPS-1 och EPS-2 var högre än askorbinsyra . Vid samma koncentration var EPS, EPS-1 och EPS-2 också mycket effektiva mot hydroxylradikalen [56]. EPS-1 och EPS-2 bestod av mannos, fruktos och glukos i molförhållanden på 2,6:29,8:1 respektive 4,2:36,6:1. Sedan denna upptäckt har många endofyter visat sig producera antioxidant-EPS. Ett karakteristiskt fall är den renade rhamnos-galaktanfraktionen av Fusarium solani och Bacillus cereus isolerade från Alstonia scholaris respektive Artemisia annua L.. Denna EPS-fraktion visade en signifikant renande aktivitet mot DPPH, (IC50:0,6 mg/ml), superoxiden (IC50: 2,6 mg/ml) och hydroxylradikalen (IC50: 3,1 mg/ml) [ 54,55].

Optimering av odlingsparametrar för P. polymyxa med hjälp av sackaros, jästextrakt och CaCl2 visade ett EPS-utbyte på 35,26 g/L (18,74 procent), vilket var 1,55-faldigt högre jämfört med det ursprungliga mediet [57]. EPS-strukturer är av stor variation. EPS isolerade från odlingsmediet av den endofytiska svampen Aspergillus sp. bestod huvudsakligen av mannos och galaktos (89.4:10.6) [59], medan EPS isolerade från de endofytiska bakterierna Burkholderia tropica huvudsakligen bestod av ramnos, glukos och glukuronsyra (2:2:1) [60]. Antioxidant-EPS har också isolerats från den terrestra mikroalgen Rhodella reticulata. Dess extracellulära polysackarider visade stark antioxidantaktivitet, betydligt högre än -tokoferol. Radikalfångningsförmågan mot superoxidradikalen hos den avproteiniserade extracellulära polysackariden nådde 328,48 U/L, jämfört med 174,03 U/L av -tokoferol [118].

2.4. Enzymer

Superoxiddismutaser (SOD) katalyserar neutraliseringen av två superoxidradikaler genom tillsats av två vätejoner för att bilda väteperoxid och syre. Tillhör familjen metalloenzymer, SODs är differentierade i sin metallkofaktor: Ni-SOD, CuZn-SOD, Fe-SOD och Mn-SOD; de tre sista är vanliga i mikroalger. SOD-biosyntes är direkt korrelerad med nivån av cellulär ROS. En studie utförd på mikroalger Scenedesmus vacuolations och Pinnularia viridis visade att koncentrationen och SOD-aktiviteten är korrelerad med ROS-relaterad stress [119,120]. På liknande sätt elimineras ROS i de flesta Streptococcus och Lactococcus bakteriella spp. överensstämmer med detta allmänna antioxidantförsvarssystem eftersom båda släktena uttrycker MnSOD. Dessa bakterier har dock bara en typ av SOD, nämligen det Mn-innehållande enzymet (MnSOD), vilket gör detta enzym till en viktig del av antioxidantcellmaskineriet [121].

Katalaser innehåller porfyrinhem aktiva platser som bryter ned väteperoxid till vatten och syre [119]. En katalasmolekyl kan omvandla sex miljarder molekyler väteperoxid varje minut [122]. I jästen S. cerevisiae minskar överuttrycket av katalas mjölksyrainducerad oxidativ stress [123]. Dessutom visade en studie som involverade den encelliga grönalgen Chlamydomonas reinhardtii att väteperoxid från media bröts ned snabbare när katalashämmaren aminotriazol saknades; sålunda är katalas ett av de viktigaste enzymerna som är involverade i ROS-avgiftning [124].

Slutligen katalyserar peroxidaser oxidationen av flera substrat med väteperoxid. Askorbat, cytokrom C, pyrogallol och glutation är exempel på dessa substrat. När det gäller de andra antioxidantenzymerna verkar induktionen av peroxidasaktivitet vid ROS-ackumulering vara koncentrations- och tidsberoende [119].

3. Foto-skyddsmedel

Ultraviolett A (UVA, 315–400 nm) och ultraviolett B (UVB, 280–315 nm) spelar en stor roll vid skador på hudceller. UVA är huvudsakligen involverat i skapandet av ROS medan UVB kraftigt påverkar DNA- och proteinintegriteten. För att skydda sig mot UV-strålning har marklevande mikroorganismer utvecklat flera strategier, varav en är ackumulering av fotoskyddande föreningar [2].

Trots bevis på att flera föreningar från mikroorganismer har fotoskyddande aktiviteter, har det gjorts förvånansvärt lite arbete med hudmodeller in vivo. Detta kan delvis förklaras av det faktum att EU har förbjudit in vivo-testning av kosmetika sedan 2013. Således har potentiella hudskyddseffekter fastställts baserat på befintliga in vitro-studier [125].

3.1. Melaniner 

Bakterier, svampar och protister kan producera en mångfaldig grupp av pigment. Melaniserade svampar är mestadels svarta jästsvampar, och melaniserade bakterier tillhör främst Actinobacteria [126].

Melaninernas grundläggande roll i mikroorganismer är fortfarande en fråga om kontroverser och spekulationer. Det faktum att dessa föreningar är interceptorer av UV-fotoner leder till en lägre sårbarhet hos mikroekosystem för UV-strålning. Melaniner är också involverade i energiproduktionen på grund av deras förmåga att ta emot elektroner. Slutligen, i vissa patogena mikroorganismer, fungerar dessa föreningar som virulensfaktorer, vilket sänker värdens försvarsmekanismer [127].

Termen melanin omfattar tre polymera ämnen; eumelanin, pheomelanin och allomelaniner. Bakterier innehåller mestadels eumelanin och alla melaniner, medan svampar oftast uttrycker alla melaniner [126]. Svampmelaniner har isolerats från Cryptococcus neoformans, Candida albicans, Aspergillus sp., Sporothrix schenckii, Fonsecaea pedrosoi, Paracoccidioides brasiliensis, Coccidioides sp. och Histoplasma capsulatum [128]. Melaniner är också utbredda i en mängd olika bakterier, som E. coli, B. cereus, Klebsiella sp., Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas stutzeri, Bacillus thuringiensis, Vibrio cholera och Streptomyces Kathie [129]; den sista har valts ut som en idealisk mikroorganism för melaninproduktion. Under optimala förhållanden maximerades utbytet till 13,7 g/L. I den studien identifierades S. kathirae som en utmärkt kandidat för produktion av melaniner i industriell skala [67].

3.2. Indol- och pyrrolderivat 

Scytonemin (7) är ett gult-till-brunt alkaloidpigment som består av en indolisk och en fenolisk subenhet. Hittills har endast fyra olika derivat rapporterats: dimetoxiscytonemin (8), cytokinin (9), acetonemi-3a-imin (10) och tetrametoxiscytonemin (11) (Figur 3). Känd för sin starka UV-absorberande funktion och förmåga att avlägsna fria radikaler, scytonemin och dess derivat är utmärkta kandidater för hudskyddande syften. Scytonemin förhindrar upp till 90 procent av solens UV-strålning från att komma in i cellen. Den starka radikalfångande aktiviteten hos denna förening (IC50: 36 µM mot ABTS-radikalen), i kombination med dess lokalisering i bakteriecellväggen, förklarar dess skyddande roll och oförmågan hos UV-A-strålning att passera det cellulära höljet [130,131].

Nästan uteslutande syntetiserad av cyanobakterier från extrema miljöer, har scytonemin (7) beskrivits i mer än 300 cyanobakteriella arter, många av dem terrestra; t.ex. Nostoc commune, Nostoc microscopic, Phormidium sp. och Pleurocapsa sp. Scytonemin finns också i Scytonema hoffmani tillsammans med dimethoxyscytonemin (8), tetramethoxyscytonemin (11) och cytokinin (9) [132]. För att inducera scytonemin (7) biosyntes måste modulering av temperatur eller fotooxidativ stress kombineras med osmotisk stress och periodisk uttorkning [126]. För industriella tillämpningar har produktionen av det UV-skyddande scytonemin optimerats i N. commune för att ge 758 µg/g [73] (tabell 1).

Prodigiosin (12) kännetecknas av ett vanligt pyrrolyldipyrrometenskelett som innehåller ett 4-metoxi-2,20 -pyrrolringsystem (Figur 3). Detta röda pigment produceras huvudsakligen av stammar som tillhör bakteriesläktet Serratia [75]. Välkänt för sin antimalaria-, antibakteriella och anticanceraktivitet har prodigiosin också visat UV-skyddande aktivitet. När det används som tillsats i kommersiella solskyddsmedel (4 procent w/w prodigiosin) ökade solskyddsfaktorerna (SPF) med 20–65 procent. I samma studie visade tillsatsen av 4 procent (vikt/vikt) prodigiosin i fotoskyddande bladextrakt av Aloe vera och Cucumis sativus frukter en ökning av SPFs upp till 3,5 storleksordningar [133]. Bakterier Pseudomonas magneslorubra, Vibrio psychroerythrous, Vibrio gazogenes, Alteromonas rubra och Rugamonas rubra, tillsammans med actinomycetes, såsom Streptomyces rubrireticuli och S. longisporus gummi, har studerats för deras förmåga att producera prodigiosin eller dess derivat [133]. Förbättring i produktionen av prodigiosin (277 mg/L) rapporterades genom tillsats av en ramhornspepton (RHP, 0,4 % vikt/volym) i odlingsmediet för S. marcescens MO-1 [75] (tabell 1).

Violacein (13) är ett lila pigment som uppvisar en ovanlig struktur som består av ett 2-pyrrolidon och ett oxindolringsystem förbundna med en dubbelbindning och en 5-hydroxiindolenhet (Figur 3) [134] . Känt för att ha antibakteriella effekter mot Staphylococcus aureus och andra grampositiva patogener, kan violacein också fungera som ett fotoskyddande medel mot UV-strålning. Denna förening absorberar vid synliga våglängder och uppvisar ett brett absorptionsband utsträckt till 700 nm [69]. När det används som tillsats i kommersiella solskyddsmedel (4 procent w/w violacein), ökade SPF med 10–22 procent. Vidare visade tillsatsen av 4 procent (vikt/vikt) av violacein i fotoskyddande extrakt av A. vera-blad och C. sativus-frukter en ökning av SPF upp till 3,5 storleksordningar [133]. Violacein produceras huvudsakligen av bakteriestammarna Janthinobacterium lividum, Pseudoalteromonas sp. och Chromobacterium violaceum (tabell 1). Det är värt att nämna att mediets pH, odlingsvolymen, koncentrationen av kaliumnitrat och L-tryptofan påverkar produktionen av violacein avsevärt. Odlingen av C. violaceum, isolerad från olika växtavfallskällor, i ett medium kompletterat med sockerbagass och L-tryptofan 10 procent (v/v), ökade slutavkastningsproduktionen av violacein till 0,82 g/L [70]. På liknande sätt har optimerade odlingsparametrar för Duganella sp. ökat med 4,8 gånger det slutliga utbytet av råviolacein (1,62 g/L) [71].

3.3. Mykosporiner och mykosporinliknande aminosyror (MAA)

Ursprungligen upptäckt i mycelet hos terrestra basidiomyceter, cyklosporin uppvisar en central cyklohexenon- eller cykloheximidring och en mängd olika substitutioner. Mykosporinliknande aminosyror är iminderivat av cyklosporin. Ringen absorberar UV-ljus och avleder energi som värme, utan att generera ROS. Cyanobakterier och mikroalger kan syntetisera ciklosporin och MAA, medan svampar endast producerar cyklosporin [126] (tabell 1).

Huvudsakligen kända för sin fotoskyddande aktivitet, MAA är också effektiva antioxidanter och rensare av ROS. Dessa aktiviteter har lett till flera patent inom forskningen av naturliga UV-filter [135].

Som i andra fall kan produktionen av mikrobiella MAA optimeras efter modifiering av odlingsparametrar. Khosravi et al. visade att kombinationen av UV-bestrålning och förhöjd salthalt signifikant ökar bioackumuleringen av MAA [136]. Faktum är att exponeringen av marksvampar för UV-strålning, uttorkning och näringsbrist ökade signifikant produktionen av den UV-absorberande föreningen mykosporin-glutaminyl-glukosid (14) (Figur 3) [137].

4. Hudblekningsmedel

Hudblekningsmedel finns kommersiellt tillgängliga för kosmetiska och kliniska ändamål, för att få en ljusare hudhy och för att behandla hyperpigmentära störningar [138]. Ojämn pigmentering av huden kan leda till fläckar, fläckar av brun till grå missfärgning eller fräknar som kan kräva kosmetiska ingrepp [13]. Vitmedel verkar på olika nivåer av melaninproduktion i huden, antingen genom att hämma aktiviteten av tyrosinas, nyckelenzymet i melanogenes i växter och djur, eller genom att hämma transporten av melanosomer från melanocyter till omgivande keratinocyter [139–141].

4.1. Pyroner

Kojic acid (15) är en billig vattenlöslig svamp sekundär metabolit (Figur 4). Den har två OH-grupper, den primära vid C-7 och den sekundära vid C-5, vilket är väsentligt för radikalfångande och tyrosinasinterferensaktivitet (IC50: 14 µM) [142,143]. Kojinsyrans huddepigmenterande aktivitet är ett resultat av hämningen av veck- och katekolasaktiviteten hos tyrosinas. Det förhindrar omvandlingen av O-kinon till DL-DOPA och dopamin till dess motsvarande melanin. Minskad melaninhalt påvisas i melanocyter efter deras behandling med kojinsyra [143]. Denna förening har använts i stor utsträckning för huddepigmentering (och följaktligen som ett kosmetiskt medel) med en utmärkt blekande effekt, på grund av dess förmåga att hämma tyrosinasaktivitet.

Tillverkas huvudsakligen av Penicillium sp. och Acetobacter sp., kojinsyra har också isolerats från andra terrestra mikroorganismer, såsom Aspergillus flavus, en endofytisk svamp av Vigna unguiculata [81]. För att framställa denna förening används jäsning av Aspergillus sp. i stor utsträckning. Andra stammar är också vanliga, såsom A. oryzae (0,26 g kojinsyra/g glukos), A. parasiticus (0.089 g/g glukos), och A. candidus (0,3 g/g sackaros). Ett högt utbyte av 0,453 g/g glukos erhölls med odlingen av A. flavus [82,83,144] (tabell 1).

4.2. Fenoliska laktoner

Ellaginsyra (16) är en antioxidant polyfenol som har skapat kommersiellt intresse på grund av rekommendationer för lokal användning som hudblekande medel (Figur 4). Denna förening hämmar melanogenes via kemisk reduktion av O-kinoner (O-dopakinon) och semikinoner [145].

Ellaginsyra kan framställas från växttanniner via jäsning med olika A. niger-stammar[146,147]. Ett utbyte på 6,3 och 4,6 mg ellaginsyra/g torkat granatäppleskal erhölls genom att omvandla ellagitanniner från granatäpple till ellaginsyra i fast tillståndsjäsning[85](tabell 1).

4.3. Karboxylsyror

Azelainsyra (17) är en mättad dikarboxylsyra som produceras av Malassezia furfur (även känd som Pityrosporum ovale), en jäst som lever på normal hud [91] (Figur 4) (Tabell 1). Det är effektivt vid behandling av flera hudåkommor, såsom akne, inflammation och hyperpigmentering. Som en kompetitiv hämmare av tyrosinas in vitro har den använts för att behandla melasma, Lentigo maligna och postinflammatorisk hyperpigmentering. Den lägsta koncentrationen vid vilken azelainsyra visar sin antienzymatiska aktivitet är 10−3 mol/L och den är ungefär lika med 20-procentig halt av azelainsyra i en kräm som appliceras lokalt [148,149]. Dessutom är effekten av en kräm med 20 procent azelainsyra överlägsen en kräm med 2 procent hydrokinon (HQ) medan allvarliga biverkningar inte rapporterades [90 150]. Kliniska prövningar visade att denna kräm också var effektiv mot melasma när den användes parallellt med ett brett spektrum solskyddsmedel. Således, förmågan hos azelainsyra att minska mängden melanin i en specifik region av hudvävnaden samt avsaknaden av biverkningar gör att den används i stor utsträckning i kosmetiska formuleringar.

Mjölksyra används också som hudblekningsmedel (tabell 1). Vid en dos av 500 µg/mL hämmar det melaninbildningen på ett dosberoende sätt utan att påverka celltillväxten [151]. Nyligen genomförda studier har visat att arter av Rhizopus kan erbjuda en värdefull alternativ källa för mjölksyraproduktion [152]. Trådsvampen R. oryzae omvandlar både glukos och xylos under aeroba förhållanden till l(plus )-mjölksyra med utbyten som varierar mellan 0,55 och 0,8 g/g [87].

Poly-glutaminsyra (-PGA) är en naturlig polymer som produceras av olika arter av Bacillus (utbytet varierar från 10 till 50 g/L beroende på art) [88] (tabell 1). Studier relaterade till den hämmande effekten mot svamptyrosinas och tyrosinas i B16-melanomceller rapporterade en dosberoende aktivitet. -PGA, och särskilt polymererna med låg molekylvikt, har väckt stor uppmärksamhet på grund av deras stora potential i kosmetika som hudblekande medel [153].

4.4. Enzymer och härledda produkter

Möjligheten att använda melanocytiska enzymer i hudens ljusning undersöktes genom att screena den potentiella melanocytiska aktiviteten hos vilda svampisolat. Bland dem var Sporotrichum pruinose den mest lovande bland det mycket begränsade antalet svampar som avfärgar syntetiskt melanin [154]. Såsom beskrivs i US 20030077236-patentet var kompositioner innehållande melanin-nedbrytande enzymer härledda från Aspergillus fumigatus eller S. cerevisiae dubbelt så effektiva som kojinsyra för att producera en blekande effekt på huden.

En stor variation av föreningar med potentiella hudskyddande tillämpningar kan erhållas genom bioteknologiska processer genom att använda enzymer isolerade från jordlevande mikroorganismer. Detta är fallet med retinol, den mest aktiva formen av vitamin A, ett hudblekande medel som har syntetiserats genom förestring av palmitinsyra med ett modifierat lipas B från Candida antarctica (CALB) och ett modifierat lipas från Pseudomonas fluorescerande, för att maximera dess löslighet i vatten och minimera hudirritation. Andra vitamin A-modifieringar inkluderar förestring med oljesyra, mjölksyra, bärnstenssyra eller metylbärnstenssyra, katalyserad av CALB eller av Rhizomucor miehei-lipas [155].

Bättre dermal absorption och en 10 procent högre hudblekande aktivitet, jämfört med den välkända tyrosinashämmaren arbutin, demonstrerades av dess derivat arbutin undecylenic acid ester som har syntetiserats enzymatiskt med hjälp av ett alkaliskt proteas från Bacillus subtilis [94,155]. Dessutom syntetiserades -arbutinglykosider genom transglykosyleringsreaktionen av cyklomaltodextrin glukanotransferas från Bacillus macarons. Syntetiserade glukosider uppvisade högre hämning på humant tyrosinas än -arbutin [156].

För mer information: david.deng@wecistanche.com WhatApp:86 13632399501