Metabolitos secundarios de cianobacterias como ingredientes biotecnológicos en cosméticos naturales antienvejecimiento

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Resumen:La pérdida de densidad y elasticidad, la aparición de arrugas y la hiperpigmentación se encuentran entre los primeros signos perceptibles del envejecimiento de la piel. Más allá de la radiación UV y el estrés oxidativo, las metaloproteinasas de matriz (MMP) asumen un papel preponderante en el proceso, ya que su desregulación resulta en la degradación de la mayoría de los componentes de la matriz extracelular. En esta encuesta, se exploraron cuatro cepas de cianobacterias por su capacidad para producir metabolitos secundarios con potencial biotecnológico para su uso en formulaciones antienvejecimiento. Leptolyngbya boryana LEGE 15486 y Cephalothrix lacustris LEGE 15493 de ecosistemas de agua dulce, y Leptolynglya cf.ectocarpi LEGE 11479 y Nodosilinea nodulosa LEGE 06104 de hábitats marinos se extrajeron secuencialmente con acetona y agua, y se analizó la toxicidad de los extractos en líneas celulares con funciones clave en el contexto de la piel (HaCAT, 3T3L1 y hCMEC). Los extractos no tóxicos se caracterizaron químicamente en términos de proteínas, carotenoides, fenoles y clorofila a, y se exploró su potencial antienvejecimiento a través de su capacidad para eliminar el radical anión superóxido de radicales libres fisiológicos (O2*-), para reducir la actividad de las MMP elastasa y hialuronidasa, para inhibir la tirosinasa y así evitar la producción de melanina, y para bloquear la radiación UV-B (factor de protección solar, SSPF). Las especies de Leptolyngbya se destacaron con fines antienvejecimiento∶ L. boryana LEGE 15486 presentó un notable SPF de 19（a 200 ug/mL）, ubicándose entre las mejores especies en cuanto a la eliminación del grado de O2,（IC50=99..50 ug/mL）y también ser capaz de inhibir la tirosinasa (IC25=784 ug/mL), demostrando ser prometedor contra el envejecimiento de la piel inducido por los rayos UV; L.ectocarpi LEGE 11479 fue más eficiente en la inhibición de las MMP (hyaluronic.ase , IC50=863ug/mL; elastasa, IC50=391ug/mL）, siendo así la elección para retardar la pérdida de densidad dérmica. El análisis de componentes principales (PCA) de los datos permitió agrupar los extractos en tres grupos, según su composición química; la correlación de los carotenoides y la clorofila a con la actividad de las MMP (p<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="">

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Palabras clave:melanina; bloqueador UV; elastasa; hialuronidasa; tirosinasa; estrés oxidativo; betacaroteno; ficocianina; ficoeritrina; aloficocianina

1. Introducción

La piel es un órgano humano grande y sorprendentemente complejo con una función de barrera primordial para proteger los órganos internos de los factores estresantes dañinos, como los productos químicos, los patógenos, el frío, el calor y la radiación ultravioleta (UVR). Sin embargo, la importancia de la piel va mucho más allá, englobando un papel sociocultural innegable.colesterol cistanche,De hecho, el aspecto y la forma de la piel son de crucial importancia para la autoestima de las personas, siendo su cuidado y embellecimiento parte de la rutina diaria desde la antigüedad [1].

El retraso del proceso de envejecimiento de la piel ha sido una de las principales demandas sociales.efectos secundarios de la cistanche deserticolaEste lento y complejo proceso es inducido por factores endógenos y exógenos que predisponen a la piel a una progresiva degeneración estructural y funcional que, más allá de afectar su apariencia estética, la deja propensa al desarrollo de una amplia variedad de enfermedades. Entre los factores exógenos, la RUV es quizás el agente más nocivo al que está más expuesta la piel. La exposición excesiva a los rayos UV aumenta la generación de radicales libres, lo que desencadena una cascada de eventos que afectan una amplia variedad de estructuras celulares y enzimas, lo que da como resultado una respuesta inflamatoria inmediata y, finalmente, culmina en el envejecimiento prematuro de la piel[2]. Un objetivo particularmente afectado en este tema es la matriz extracelular (ECM), una red tridimensional de fibras de elastina y colágeno rodeadas por sustancias fundamentales, como el ácido hialurónico (HA), que actúan juntas para mantener el relleno, la elasticidad y la piel de la piel. flexibilidad [3]. En un marco de estrés oxidativo, las fibras de elastina y colágeno, responsables de la elasticidad y resistencia de la piel, pueden perder su estructura[4]. Este fenómeno, en parte debido a la desregulación de la actividad de las metaloproteinasas de la matriz (MMP), como la elastasa, la colagenasa y la hialuronidasa, está en la base del envejecimiento prematuro de la piel asociado a factores externos. y apariencia, lo que resulta en sequedad, poros dilatados, líneas finas y arrugas [5,6]. Por ello, la búsqueda de ingredientes nuevos, eficaces, multiobjetivo e innovadores para formulaciones cosméticas capaces de alcanzar el mayor número de objetivos clave en el proceso de envejecimiento de la piel ha sido el foco de atención de la industria cosmética en las últimas décadas.

Cistanche puede antienvejecimiento

La creciente investigación sobre las fuentes naturales, más concretamente las de origen marino, ha proporcionado un sinnúmero de nuevas moléculas con bioactividades prometedoras, dignas de una mayor explotación en el campo del envejecimiento de la piel [1]. Entre ellas, las cianobacterias destacan por su capacidad de producir metabolitos secundarios bioactivos con estructuras y mecanismos de acción únicos. Más allá de representar el único grupo de procariotas que pueden realizar la fotosíntesis oxigénica, al igual que las plantas, las cianobacterias son auto renovables, tienen requisitos nutricionales básicos, requieren un espacio de cultivo mínimo y tienen un bajo impacto ambiental, siendo una opción sostenible como fuente verde de cosméticos. ingredientes [7].

Centrándose en las formulaciones para la piel, las cianobacterias producen una amplia gama de metabolitos bioactivos, incluidos compuestos fenólicos, proteínas, pigmentos e inhibidores de MMP, que cubren los principales procesos que constituyen la base del envejecimiento de la piel, a saber, la antioxidación, la fotoprotección y la capacidad de inhibir enzimas cruciales. del ECM [8-12], revisado recientemente [1,9]. Con respecto a la actividad antioxidante, se ha informado que numerosas cepas tienen una cantidad representativa de metabolitos con capacidad de eliminación de radicales, como los carotenoides, por ejemplo, los de los géneros Leptolyngbya, Syneclocystis y Wollea [9,13], ficobiliproteínas (PBP), como Arthospira spp. y Spirulina spp. [13,14] y compuestos fenólicos, como Nostoc commune [15]. En el campo de la fotoprotección, las cianobacterias también se destacan por la producción de los conocidos compuestos absorbentes de rayos UVR, los aminoácidos similares a micosporinas (MAA) y la escitonemina (SCY) [16]. Con respecto al potencial para inhibir colagenasas, elastasa, hialuronidasas y tirosinasa, se reportan varios ejemplos en la literatura, como la micosporina-2-glicina (M2G), aislada de la cianobacteria Aphan-othece halophytica [17], la depsipéptidos cíclicos tutuilamidas AC, de Schizothrix spp. y Coleofasciculus spp.[18], un polisacárido de Nostochopsis lobatus MAC0804NAN [19] y el extracto Phormiskin Bioprotech G, de Phormidium persicinum [20], respectivamente.

A pesar de los estudios presentados anteriormente, el número de cepas de cianobacterias exploradas en el campo de los cosméticos es aún muy bajo, considerando las potencialidades de este recurso. Con esto en mente, esta encuesta explora, por primera vez, el potencial biotecnológico de extractos secuenciales de diferentes polaridades, obtenidos de cuatro cepas de cianobacterias, en el campo del envejecimiento de la piel, demostrando la naturaleza prometedora, innovadora y multifactorial de estos microorganismos. 2.Resultados y

Discusión

En el presente estudio, dos cepas de cianobacterias de agua dulce y dos marinas fueron cultivadas, cosechadas y sometidas a una extracción secuencial con acetona y agua, con miras a su aprovechamiento con fines cosméticos. La extracción secuencial con acetona seguida de agua fue diseñada para monetizar la biomasa, en un proceso más sustentable, ambientalmente amigable y económicamente atractivo. En la Tabla 1 se muestran los rendimientos de extracción. El rendimiento de extracción fue significativamente mayor con agua que con acetona (p<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.Citotoxicidad de los extractos

Con el fin de seleccionar los extractos para proceder a la evaluación de las actividades biológicas, se realizó un ensayo de citotoxicidad in vitro utilizando diferentes líneas celulares. Las pruebas de citotoxicidad son esenciales durante la producción de cosméticos, ya que pueden predecir los riesgos para la salud relacionados con el uso de los extractos como ingredientes bioactivos. Así, se evaluó la citotoxicidad de los extractos en tres líneas celulares diferentes de importancia clave en productos de aplicación cutánea: queratinocitos (HaCat), fibroblastos (3T3L1) y células endoteliales (hCMEC). Los fibroblastos se encuentran entre las células más importantes para el envejecimiento de la piel, siendo responsables de la producción de los componentes de la matriz dérmica esenciales para el mantenimiento de la forma y estructura de la piel, como el colágeno y el ácido hialurónico [9,21]. Las células endoteliales forman una barrera entre las paredes de los vasos y la sangre, y se eligieron para dar cuenta de su presencia en la dermis que, a diferencia de la epidermis, es una capa irrigada de la piel [22]. En cuanto a los queratinocitos, son las células clave del epidermis, que componen aproximadamente el 95 por ciento de esta capa, pero están presentes en las cuatro capas y brindan estructura y defensa a la piel [23,24]. Ninguno de los extractos presentó toxicidad para las líneas celulares seleccionadas bajo las concentraciones probadas （12.5-200ug extracto seco/mL）(Figuras S1-S3).dosis de cistanche redditEn este sentido, todos los extractos pasaron al siguiente paso, donde fueron sometidos a caracterización química y evaluación de sus actividades biológicas. 2.2.Perfil químico

Los extractos de acetona y agua se caracterizaron químicamente en términos de fenoles, proteínas totales, PBP, carotenoides totales y clorofila a, con el fin de comparar los perfiles químicos obtenidos con los diferentes solventes de extracción y establecer una relación entre la composición química y la actividades biológicas evaluadas.

2.2.1.Contenido fenólico total (TPC)

El contenido fenólico total (TPC) de ambos extractos se midió mediante el ensayo colorimétrico de Folin-Ciocalteu. Incluso considerando las limitaciones inherentes del método, este es un ensayo estándar ampliamente utilizado para la determinación rápida de fenoles totales, lo que permite comparar diferentes muestras y, en consecuencia, predecir su potencial antioxidante. La Tabla 2 muestra los datos (expresados ​​en GAE) para el contenido fenólico total de los ocho extractos explorados en el presente estudio. El TPC más alto se encontró en el extracto de acetona de Leptolyngbya cf.ectopic LEGE 11479, con 17,59 ug GAE/mg de extracto de ario, seguido de los extractos acuosos de Leptolyngbya boryana LEGE 15486 y Cephalothrix lacustris LEGE 15493 (Tabla 2). Teniendo en cuenta el rendimiento de la extracción combinada, Leptolyngbya cf.exocarp LEGE 11479 fue la especie más rica, con un total de aproximadamente 26 ug GAE/mg de extracto seco al considerar ambos solventes de extracción.

En general, los extractos acuosos de las cepas de agua dulce presentaron mayor contenido fenólico que los de ambientes marinos, mientras que los extractos acetónicos presentaron un comportamiento contrario. Esta observación también se observó para las dos cepas del mismo género, lo que lleva a suponer que, más allá de las características específicas de la especie, es más probable que las cepas marinas produzcan compuestos fenólicos de menor polaridad, dada su mayor prevalencia en disolventes menos polares. Los fenoles tienen un componente polar y no polar en sus moléculas, y tienen una preferencia de solubilidad a los disolventes de polaridades intermedias, como los alcoholes y la acetona, en lugar del agua. Sin embargo, la solubilidad de los fenoles en diferentes solventes no puede basarse únicamente en sus polaridades, ya que otros parámetros como la temperatura y el pH pueden tener una gran influencia en su solubilidad, y así justificar su expresiva presencia en extractos acuosos [25].

El trabajo anterior de nuestro grupo de investigación también exploró TPC en diferentes extractos de cianobacterias. Morone y colaboradores [26] utilizaron la misma metodología para la cuantificación de TPC y encontraron que Nodosilinea nodulosa LEGE 06102 tenía un valor de 1,23 mg GAE/g de biomasa seca que estaba por encima de los valores obtenidos aquí (0,59 mg GAE/ g de biomasa seca, convertida según el rendimiento de extracción). Sin embargo, los autores usaron etanol al 70 por ciento como solvente de extracción, lo que ciertamente condujo a las diferencias observadas. Para todas las cepas analizadas por los autores, el valor más alto se encontró en Synechocystis salina LEGE 099 (2,45 mg GAE/g). En otro estudio, con Nodosilinea Antarctica LEGE13457, el contenido de TPC fue de 19,23 ug GAE/mg (extracto de acetona) y no se detectaron fenoles en Leptolyngbya-like sp.beneficios del extracto de cistancheLEGE 13412, demostró la mayor variabilidad entre especies similares. También reportaron datos para otras cepas, con Cyanobium gracile LEGE12431 presentando el mayor contenido de fenol, con 22.01 ug GAE/mg de extracto de acetona [27]. Trabelsi y su equipo [28] informaron que la cianobacteria termófila Leptolyngbya sp. poseía 139mg GAE/g, siendo este uno de los valores más altos reportados en la literatura, y atribuido por los autores a la alta temperatura del hábitat de las cianobacterias: para evitar el estrés oxidativo inducido por las altas temperaturas, las cianobacterias producen mayores cantidades de compuestos antioxidantes como los fenoles y flavonoides. Otro grupo de investigación [29] también informó un TPC de 6,24 mg GAE/g para Leptolyngbya sp. KC45, muestreado de un lugar con temperaturas de aproximadamente 40-45 grado.

A pesar de las diferencias inherentes a los efectos de los solventes de extracción y a las condiciones de cultivo de cianobacterias, tales como condiciones de luz, nutrientes del medio de cultivo y densidad celular, entre otros, los valores de TPC obtenidos aquí están dentro del mismo orden de magnitud que los reportados en la literatura. Además, se puede señalar a Leptolyngbya boryana LEGE 15486 como una especie interesante en cuanto a compuestos fenólicos (3,08 mg GAE/g biomasa seca), si se compara con la ampliamente conocida Spirulina spp. (1,78 mg de GAE/g)[30].

2.2.2.Proteínas

Aunque las proteínas son generalmente infravaloradas, componen una gran fracción de la biomasa de cianobacterias[31], con propiedades antioxidantes e inmunoestimulantes reportadas, así como la capacidad de conferir retención de humedad a la piel, lo cual es esencial para prevenir el envejecimiento de la piel [32]. Con esto en mente, los extractos explorados en el presente estudio se caracterizaron por su contenido de proteínas, a través de un enfoque general centrado en las proteínas totales (acetona y extractos de agua) (Tabla 3) y un enfoque específico centrado en las PBP (extractos de agua) ( Tabla 4).

En cuanto a las proteínas totales, se puede concluir que la extracción acuosa resultó en valores más altos que la extracción con acetona, y también, que las cepas marinas fueron más pobres que las de ambientes de agua dulce. En términos de biomasa seca, Leptolyngbya boryana LEGE 15486 presentó el mayor contenido (69,22 mg BSA/g biomasa seca) y Nodosilinea nodulosa LEGE 06104 el más bajo (15,23 BSA/g biomasa seca). Entre otros factores, estas diferencias pueden deberse a las diferentes cantidades de proteínas estructurales que presentan las distintas cepas de cianobacterias [32].

Un ejemplo práctico del uso de proteínas en cosmética se refiere a los PBS, que están presentes de forma natural en las cianobacterias. Uno de los mecanismos defensivos de las cianobacterias es la capacidad de estas macromoléculas de absorber energía luminosa sin producir especies reactivas de oxígeno (ROS), lo cual es posible debido a los cambios en su contenido y proporción en los ficobilisomas [33]. Las PBP son proteínas solubles en agua que están asociadas con las ficobilinas y se dividen en tres grupos según su estructura y espectros de absorción de luz: ficocianina (PC, 610-625 nm), ficoeritrina (PE, 490-570 nm), y aloficocianina (APC,650-660 nm). Como se ha dicho anteriormente, su interés como ingredientes cosméticos se debe principalmente a su reconocido potencial antioxidante, gracias a su parecido estructural con la bilirrubina, que elimina los derivados del oxígeno. La PC es la PBP más común en las cianobacterias, con interesantes propiedades antioxidantes y captadoras de radicales, así como la capacidad de inhibir la proliferación celular [13,14].

En cuanto a PC, Leptolyngbya boryana LEGE 15486 poseía el contenido más alto (154,07 ug/mg extracto de ayy), seguido de Cephalothrix lacustris LEGE 15493 (115,03 ug/mg extracto seco), lo que está de acuerdo con el color azul fuerte observado en los extractos acuosos de estos especies.cistanche genghis khanPor otro lado, Leptolymgbya cf. ectocarpi LEGE 11479, con una coloración rosa/morada intensa en la biomasa y en el extracto acuoso, fue el más rico en PE （138.73 ug/mg extracto seco）. Nodosilinea nodulosa LEGE 06104, con el extracto azul más claro, presentó valores visiblemente más bajos de ambas PBP (Cuadro 4).

Al comparar cepas en términos de PBP, es extremadamente importante considerar las condiciones de cultivo porque las diferencias en luz, nitrógeno, temperatura, pH, carbono y salinidad pueden influir drásticamente en su producción [14]. Pumas y colaboradores [29] evaluaron el contenido de PBP de la cianobacteria termotolerante Leptolyngbya sp. KC45, y encontró un contenido de PE de casi 100 mg/g, seguido de aproximadamente 40 y 43 mg/g de APC y PC, respectivamente, lo que está en línea con los resultados obtenidos aquí para Leptolyngbya cf. ectocarpiLEGE11479 (Tabla 4). El trabajo realizado por Pagels y colaboradores también exploró el contenido de PBP en extractos secuenciales obtenidos con diferentes solventes. Aunque explorando una cepa diferente de cianobacteria (Cyanobium sp.), los autores encontraron un contenido total de PBP cercano a 200 mg/g en una extracción secuencial utilizando los mismos solventes que los utilizados aquí, lo cual está de acuerdo con los valores obtenidos por nosotros [34]. ]. Al comparar con la ampliamente conocida Spirulina sp., con PBP totales informados de alrededor de 19 mg/g de biomasa seca [30], es posible considerar nuestras cepas de interés económico. En el mismo estudio, los autores también informaron valores de 127,01 mg/g de biomasa seca de PBP totales para Lynglya sp. En otro estudio, se presentaron datos de 18 cepas, donde la mayor cantidad se encontró en Anabaena NCCU-9, con un valor de 91,54 mg/g de biomasa seca [35]. 2.2.3.Carotenoides y Clorofila a

Los carotenoides son isoprenoides liposolubles naturales con una amplia gama de coloraciones, que van del amarillo al rojo [13]. Estos compuestos han ganado mayor atención por su asociación con un menor riesgo de varios trastornos degenerativos y por su reconocida actividad antioxidante, en parte relacionada con los dobles enlaces químicos C=C presentes en sus moléculas. Además de estas funciones, los carotenoides actúan como filtros UV al reducir la exposición a la luz [36]. Algunas cianobacterias como Wollea vaginicola, Leptolyngbya foveolarum y Synechocystis salina LEGE 06099 se han destacado por su importante contenido de carotenoides, aumentando su interés en los campos farmacológico y cosmético [9,13].

Los contenidos totales de carotenoides y clorofila de los extractos de acetona de cianobacteria explorados aquí se muestran en la Tabla 5. La cantidad de carotenoides osciló entre 89 y 159 ug/mg de extracto seco, siendo Leptolynglya boryana LEGE 15486 la cepa más rica. En cuanto a la clorofila a, todas las cepas presentaron valores superiores a 100 ug/mg de extracto seco, destacándose Cephalothrix lacustris LEGE 15493.

Otras cianobacterias también han sido objeto de evaluación de pigmentos. Por ejemplo, Lopes y su equipo 【27】informaron 63,9 ug/mg de extracto seco de carotenoides totales y 417,6 ug/mg de extracto seco de clorofilas totales para el extracto de acetona Nodosilinea Antarctica leg 13457. Los autores también proporcionaron datos para sp. LEGE 13412 similar a Leptolyngbya (33,6 ug/mg de extracto seco), y en ambos casos, la cantidad de carotenoides estuvo por debajo de los valores informados en este documento. Cabe mencionar que, en el trabajo mencionado anteriormente, los carotenoides fueron perfilados por HPLC, por lo que, a pesar de las características específicas de la especie, la metodología justifica las diferencias obtenidas. En cuanto a las clorofilas, la cantidad reportada por los autores fue mayor a la obtenida aquí, lo cual se justifica fácilmente por el hecho de que presentan el valor de clorofilas totales, mientras que el presente trabajo se enfoca únicamente en la clorofila a y sus derivados.

Otro estudio de nuestro grupo de investigación reportó un total de {{0}}.37 mg/g de biomasa seca de carotenoides para el extracto etanólico de Nodosilinea nodulosa LEGE06102[26], que estuvo por debajo de los valores obtenidos aquí (0.75 mg /g de biomasa seca, convertida en función del rendimiento de extracción). Esta diferencia ciertamente se correlaciona con el solvente utilizado en la extracción ya que, debido a sus características químicas, los carotenoides tienen una mayor afinidad por la acetona. En términos generales, los resultados obtenidos aquí están dentro del mismo orden de magnitud que los obtenidos por otros autores, lo que puede explicarse por las condiciones culturales y metodologías muy similares utilizadas.

Este artículo está extraído de Mar. Drugs 2022, 20, 183. https://doi.org/10.3390/md20030183 https://www.mdpi.com/journal/marinedrugs