Upload
buithu
View
294
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
UNIWERSYTET IM. ADAMA MICKIEWICZA W POZNANIU
WYDZIA CHEMII
PRACOWNIA CHEMII STOSOWANEJ
JOANNA IGIELSKA-KALWAT
PRACA DOKTORSKA
BADANIA WPYWU FORM KOMSETYCZNYCH NA BIODOSTPNO
WYBRANYCH KAROTENOIDW
PROMOTOR:
PROF. DR HAB. IZABELA NOWAK
PROMOTOR POMOCNICZY:
DR JOANNA GOCIASKA
POZNA 2016
Skadam serdeczne podzikowania wszystkim
bez ktrych niniejsza praca nie mogaby powsta.
Dla promotora pracy Pani Prof. dr hab. Izabeli Nowak
za opiek naukow, wyrozumiao, cierpliwo, yczliwo
oraz pomoc i cenne wskazwki w trakcie realizacji i pisania niemniejszej pracy.
Dla promotora pomocniczego Dr Joanny Gociaskiej
za opiek naukow,
oraz za powicony czas.
Dzikuje take,
Dr Annie Olejnik za cenne wskazwki,
pomoc w wykonywaniu bada, wsparcie,
wiar we mnie oraz za yczliwo.
Mgr Alicji Kapuciskiej za mi atmosfer pracy,
yczliwo, dobre sowa,wsparcie
oraz za cenne wskazwki.
Rodzicom,
w podzikowaniu za ich mio, ciepo, oparcie
ktre wci mi dajecie tak mao chcc w zamian,
wszelk pomoc oraz trud jaki woylicie w moje wychowanie.
Bez Was nie byoby to moliwe.
Mowi,
za wsparcie, oddanie, pomoc oraz
motywacj w deniu
do speniania marze.
Prac dedykuj crce Leili,
dzikuj za bezwarunkow mio,
ktr obdarzasz mnie kadego dnia.
Wane jest by nigdy nie przesta pyta.
Ciekawo nie istnieje bez przyczyny.
Kto nie potrafi pyta nie potrafi y.
Albert Einstein
9
Spis treci
I. WSTP .......................................................................................................................... 19
II. CZ LITERATUROWA .......................................................................................... 21
2.1. Budowa skry ................................................................................................................ 21
2.1.1 Naskrek ........................................................................................................................ 22
2.1.2 Skra waciwa .............................................................................................................. 23
2.1.3 Tkanka podskrna ......................................................................................................... 23
2.2. Funkcje skry ................................................................................................................ 24
2.3. Starzenie si organizmu ................................................................................................ 24
2.3.1. Starzenie si skry ......................................................................................................... 25
2.3.2. Przyczyny starzenia si skry........................................................................................ 25
2.3.3. Teorie starzenia si skry .............................................................................................. 28
2.4. Fotostarzenie ................................................................................................................. 28
2.4.1. Fotoprotekcja ................................................................................................................. 29
2.5. Reaktywne formy tlenu oraz wolne rodniki .................................................................. 30
2.5.1. Skutki dziaania reaktywnych form tlenu oraz wolnych rodnikw ............................... 33
2.6. Antyoksydanty ............................................................................................................... 35
2.6.1. Podzia antyoksydantw ................................................................................................ 35
2.6.2. Mechanizm dziaania antyoksydantw ......................................................................... 36
2.6.3. Karotenoidy jako antyoksydanty ................................................................................... 36
2.7. Karotenoidy ................................................................................................................... 37
2.7.1. Budowa karotenoidw ................................................................................................... 38
2.7.2. Podzia karotenoidw .................................................................................................... 39
2.7.3. Biosynteza karotenoidw .............................................................................................. 39
2.7.4. Waciwoci karotenoidw oraz ich zastosowanie ....................................................... 40
2.7.5. Zastosowanie karotenoidw w przemyle kosmetycznym ........................................... 42
2.8. -karoten ........................................................................................................................ 43
2.8.1. Budowa .......................................................................................................................... 44
2.8.2. Waciwoci i zastosowanie .......................................................................................... 45
2.8.3. Zastosowanie w przemyle kosmetycznym .................................................................. 46
2.9. Likopen .......................................................................................................................... 47
2.9.1. Budowa .......................................................................................................................... 47
10
2.9.2. Waciwoci i zastosowanie ......................................................................................... 47
2.9.3. Zastosowanie w przemyle kosmetycznym ................................................................. 49
2.10. Astaksantyna ................................................................................................................. 50
2.10.1. Budowa ......................................................................................................................... 50
2.10.2. Waciwoci i zastosowanie ......................................................................................... 50
2.10.3. Zastosowanie w przemyle kosmetycznym ................................................................. 51
2.11. Badania in vivo formulacji kosmetycznych (testy na probantach) ............................... 51
2.11.1. Testy patkowe ............................................................................................................. 52
2.11.2. TRUE test ..................................................................................................................... 53
2.11.3. Testy powtarzanej otwartej aplikacji oraz prowokacyjny test uywania ..................... 54
2.12. Analiza instrumentalna ................................................................................................. 55
2.13. Analiza sensoryczna ..................................................................................................... 56
2.14. Badanie biodostpnoci dermalnej z wykorzystaniem metody zdzierania .................. 56
2.15. Stabilno emulsji kosmetycznych ............................................................................... 59
2.15.1. Rodzaje niestabilnoci emulsji .................................................................................... 60
2.15.2. Przyczyny destabilizacji emulsji kosmetycznych ....................................................... 62
2.15.3. Metody stabilizacji emulsji adunkiem elektrycznym ................................................. 64
2.15.4. Metody polegajce na ,,wzmocnieniu powierzchni midzyfazowej ......................... 64
2.16. Metody badania skadu form kosmetycznych ............................................................. 65
2.16.1. Badanie skadu kremw komercyjnych zawierajcych karotenoidy za pomoc
wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) ............................................................... 65
2.17. Badanie kinetyki uwalniania z formulacji kosmetycznych ......................................... 69
III. CEL PRACY ............................................................................................................... 71
IV. CZ DOWIADCZALNA ..................................................................................... 73
4.1. Materiay wykorzystane w badaniach ......................................................................... 73
4.1.1. Formulacje komercyjne ............................................................................................... 73
4.1.2. Samodzielnie przygotowane emulsje kosmetyczne .................................................... 74
4.1.3. Wykaz odczynnikw chemicznych stosowanych w pracy.......................................... 74
V. Metodyka .................................................................................................................... 77
5.1. Preparatyka kremw ................................................................................................... 77
5.1.1. Przygotowanie kremw typu O/W ............................................................................. 77
5.1.2. Przygotowanie kremw typu W/O ............................................................................ 78
5.1.3. Przygotowanie kremw typu O/W na zimno............................................................. 78
5.2. Ocena waciwoci fizykochemicznych kremw zawierajcych karotenoidy .......... 79
11
5.2.1. Pomiar lepkoci ........................................................................................................... 79
5.2.2. Badanie warto pH ..................................................................................................... 80
5.2.3. Okrelenie typu emulsji metod mikroskopow ......................................................... 81
5.2.4. Okrelenie wspczynnika refrakcji otrzymanych emulsji kosmetycznych ................ 82
5.3. Oznaczanie zawartoci karotenoidw w preparatach kosmetycznych za pomoc
wysokosprawnej chromatografii cieczowej ............................................................................. 83
5.3.1. Oznaczanie -karotenu ................................................................................................ 83
5.3.2. Oznaczanie likopenu ................................................................................................... 85
5.3.3. Oznaczanie stabilnoci -karotenu oraz likopenu zawartych w samodzielnie
przygotowanych formulacjach kosmetycznych ....................................................................... 85
5.3.4. Oznaczanie astaksantyny86
5.4. Analiza jakociowa karotenoidw zawartych w komercyjnych kremach metod
spektroskopii osabionego cakowitego odbicia w podczerwieni (ATR-IR) ........................... 86
5.5. Zdolno wygaszania wolnego rodnika 1,1-difenylo-2-pikrylohydrazylu przez
komercyjne kremy zawierajce karotenoidy ............................................................................ 86
5.6. Pomiar stabilnoci emulsji kosmetycznych zawierajcych karotenoidy metod
wielokrotnego rozpraszania wiata ......................................................................................... 87
5.7. Badanie rozkadu wielkoci czstek emulsji kosmetycznych technik dyfrakcji
laserowej...88
5.8. Badania in vivo przeprowadzone na probantach z wykorzystaniem samodzielnie
przygotowanych emulsji kosmetycznych zawierajcych -karoten ........................................ 90
5.8.1. Aplikacja TRUE testw ................................................................................................. 90
5.8.2. Badania poziomu nawilenia naskrka .......................................................................... 91
5.8.3. Pomiar przeznaskrkowej utraty wody .......................................................................... 91
5.8.4. Badanie poziomu elastycznoci skry ............................................................................ 91
5.8.5. Kontrola jakoci stosowanych kremw .......................................................................... 92
5.8.6. Ocena sensoryczna ......................................................................................................... 92
5.8.7. Ocena sensoryczno-hedonistyczna ................................................................................. 94
5.9. Badanie kinetyki uwalniania karotenoidw z samodzielnie przygotowanych formulacji
kosmetycznych ......................................................................................................................... 95
5.9.1. Pomiar wartoci max dla badanych karotenoidw....................................................... 95
5.9.2. Przygotowanie buforu - pynu akceptorowego .............................................................. 95
5.9.3. Przygotowanie roztworu wzorcowego ........................................................................... 96
5.9.4. Przygotowanie prbek .................................................................................................... 96
5.9.5. Ustalenie warunkw pomiaru ......................................................................................... 96
12
5.9.6. Budowa i przygotowanie aparatury do pomiaru szybkoci procesu uwalniania ......... 96
5.10. Badanie biodostpnoci dermalnej -karotenu za pomoc metody zdzierania ............ 97
5.10.1. Metoda okrelania iloci zerwanego stratum corneum - metoda waenia
rnicowego ......................................................................................................................... 98
5.10.2. Okrelenie iloci pozostaego -karotenu w stratum corneum za pomoc pomiaru
przeznaskrkowej utraty wody (TEWL) .................................................................................. 99
5.10.3. Okrelanie iloci zerwanego stratum corneum za pomoc metody spektroskopii
optycznej .................................................................................................................................. 99
VI. WYNIKI BADA I ICH DYSKUSJA101
6.1. Ocena waciwoci fizykochemicznych formulacji kosmetycznych zawierajcych
karotenoidy..101
6.1.1. Pomiar lepkoci.....101
6.1.1. Samodzielnie przygotowane emulsje kosmetyczne zawierajce karotenoidy..101
6.1.2. Kremy komercyjne zawierajce karotenoidy102
6.2. Badanie wartoci pH...103
6.2.1. Samodzielnie przygotowane elusje kosmetyczne zawierajce karotenoidy.103
6.2.2. Kremy komercyjne zawierajce karotenoidy104
6.3. Okrelenie typu emulsji metoda mikroskopow..106
6.3.1. Samodzielnie przygotowane emulsje kosmetyczne typu O/W, W/O oraz O/W na zimno
zawierajce karotenoidy..106
6.3.2. Kremy komercyjne zawierajce karotenoidy106
6.4. Oznaczanie zawartoci karotenoidw w preparatach kosmetycznych za pomoc
wysokosprawnej chromatografii cieczowej107
6.4.1.Oznaczanie - karotenu..107
6.4.2. Oznaczanie likopenu.109
6.4.3.Oznaczanie stabilnoi -karotenu oraz likopenu zawartych w samodzielnie
przygotowanych formulacjach kosmetycznych..111
6.5. Analiza jakociowa karotenoidw zawartych w komercyjnych kremach metod
spektroskopii osabionego cakowitego odbicia w podczerwieni (ATR-IR)..116
6.6. Pomiar zdolnoci wygaszania wolnego rodnika 1,1-difenylo-2-pikrylohydrazylu przez
karotenoidy zawarte w kremach komercyjnych oraz samodzielnie przygotowanych...122
13
6.6.1. Pomiar zdolnoci wygaszania wolnego rodnika 1,1-difenylo-2-pikrylohydrazylu przez
karotenoidy zawarte w samodzielnie przygotowanych emulsjach kosmetycznych O/W, W/O,
O/W na zimno.122
6.6.2. Pomiar zdolnoci wygaszania wolnego rodnika 1,1-difenylo-2-pikrylohydrazyly przez
karotenoidy zawarte w komercyjnych kremach..126
6.7. Pomiar stabilnoci emulsji kosmetycznych zawierajcych karotenoidy metod
wielkokrotnego rozproszenia wiata..130
6.8. Badanie rozkdu wielkoci czstek emulsji kosmetycznych technik dyfrakcji136
6.8.1. Samodzielnie przygotowane emulsje kosmetyczne zawierajce rne karotenoidy136
6.9. Badania in vivo przeprowadzone na probantach z wykorzystaniem samodzielnie
przygotowanych emulsji kosmetycznych zawierajcych-karoten....154
6.9.1. Aplikacja TRUE testw....157
6.9.2. Wpyw testowanego preparatu na poziom nawilenia naskrka probantw160
6.9.3. Wpyw testowanego preparatu na warto TEWL163
6.9.4. Wpyw testowanego preparatu na poziom elastycznoci naskrka probantw165
6.9.5. Prezentacja testw zastosowanych w ocenie statystycznej parametrw nawilenia,
transepidermalnej utraty wody oraz elastycznoci..168
6.9.6. Kontrola jakoci stosowanych kremw169
6.9.7. Ocena sensoryczno-jakociowa170
6.9.8. Ocena sensoryczno-hedonistyczna...171
6.10. Badania kinetyki uwalniania -karotenu z samodzielnie przygotowanej formulacji
kosmetycznej...172
6.10.1.Badanie kinetyki uwalniania -karotenu z emulsji typu O/W przygotowanej na
zimno...172
6.11. Badanie biodostpnoci -karotenu za pomoc metody wykorzystujcej tamy
adhezyjne173
6.11.1.Metoda okrelania iloci zerwanego stratum corneum - metoda waenia
rznicowego173
6.11.2. Okrelenie iloci pozostaego - karotenu w stratum corneum za pomoc pomiaru
przeznaskrkowej utraty wody (TEWL).175
14
6.11.3. Okrelenie iloci zerwanego stratum corneum za pomoc metody spektroskopii
optycznej.....188
VII. WNIOSKI ....................................................................................................................... 193
VIII. STRESZCZENIE .......................................................................................................... 197
VIII. SUMMARY .................................................................................................................. 199
IX. LITERATURA.....201
X. ZACZNIKI ................................................................................................................... 221
Zacznik nr 1 ......................................................................................................................... 221
Zacznik nr 2 ......................................................................................................................... 222
Zacznik nr 3 ......................................................................................................................... 223
Zacznik nr 4..224
Zacznik nr 5..226
Zaacznik nr 6..228
Zaacznik nr 7..230
XI. SPIS PUBLIKACJI I KOMUNIKATW....239
15
SPIS AKRONIMW
Symbol Rozwinicie skrtu*
A absorbancja [-]
A powierzchnia badana [m2]
Ap absorbancja prbki [-]
As powierzchnia piku uzyskana dla roztworu wzorca w jednostkach powierzchni
[mAUmin]
Ax powierzchnia piku uzyskana dla roztworu prbki do bada w jednostkach
powierzchni [mAUmin]
Aw absorbancja wzorca [-]
A0 absorbancja roztworu rodnika DPPH po 30 minutach bez dodatku
antyoksydantu [-]
A1 absorbancja roztworu rodnika DPPH po 30 minutach w obecnoci
antyoksydantu [-]
AIDS zesp nabytego niedoboru odpornoci
ALPHAFLOW 20 uwodorniony polidekan
ATP adenozyno-5'-trifosforan
ATR - IR spektroskopia osabionego cakowitego odbicia w podczerwieni
BS wiato wstecznie rozproszone przez prbk
C stenie [mol/l]
cs stenie roztworu wzorcowego o znanej czystoci [g/ml]
c1 prdko wiata w prni [m/s]
C40 fitoen
Cw czysto wzorca
Car skrt od angielskiej nazwy karotenoidw - carotenoids
Car.+
+ ROO- kationorodnik karotenoidowy + anion peroksyalkoksylowy
CD95/FAS rodzina receptorw CD95
CVD choroby ukadu krenia (ang. cardiovascular disease).
CREAGEL EZ7 polyakrylamid, uwodorniony polideken, eter
laurylowy polioksyetylenu
C rnica w steniu wody pomidzy naskrkiem a rodowiskiem zewntrznym
[1 g /cm-3
]
Dw rozcieczenie wzorca
D wspczynnik dyfuzji wody w skrze waciwej
DNA kwas dezoksyrybonukleinowy
DPPH. rodnik 1,1-difenylo-2-pikrylohydrazylu
DR3 receptor mierci 3
EDRF czynnik rozkurczowy pochodzenia rdbonkowego
FDA skrt od nazwy organizacji Food and Drug Administration
ET transfer elektronw, w wyniku ktrego powstaje kationorodnik karotenoidowy
molowy wspczynnik absorpcji
[dm3/molcm]
GGPP, C20PP difosforan digeranylu
H2O2 nadtlenek diwodoru
HO2 rodnik wodoronadtlenkowy
HAT przeniesienie atomu wodoru na rodnik
HPLC skrt od angielskiej nazwy wysokosprawnej chromatografii cieczowej, (ang.
High Performance Liquid Chromatography)
hsp70 biako szoku cieplnego, (hsp - ang. heat shock proteins), hsp70 - biako
rednioczsteczkowe (6678 kDa)
K wspczynnik podziau woda-tuszcz
16
l grubo warstwy absorbujcej [cm]
log P wspczynnik podziau woda/n-oktanol jako miara lipofilowoci
L grubo skry waciwej
LDL frakcja lipidowa o niskiej gstoci
max maksymalna dugo fali [nm]
m masa prbki [g]
m ilo usunitej tkanki badanego probanta [g]
mp masa substancji oznaczanej zawartej w prbce [mg]
mw masa wzorca [mg] MMPs metaloproteinazy macierzy pozakomrkowej, (ang. matrix metalloproteinases)
NO rodnik tlenku azotu (II)
NO2+
kationorodnik ditlenku azotu (IV)
n wspczynnik zaamania wiata [-] 1O2 tlen singletowy
O2- anionorodnik ponadtlenkowy
O3 ozon
OH. rodnik hydroksylowy
OK bezwymiarowy wspczynnik elastycznoci skry
ONOO- anion nadtlenkowo-azotowy
O/W na zimno emulsja typu olej w wodzie sporzdzana na zimno
O/W emulsja typu olej w wodzie sporzdzana na gorco
p gsto tkanki [g/m3]
P masa prbki [g]
P450 cytochrom P450
p53 biako - czynnik transkrypcyjny odgrywajcy rol podczas aktywacji
zaprogramowanej mierci komrki
PSY syntaza fitoenu (ang. phytoene synthase)
PUT prowokacyjny test uywania (ang. Provocative Use Test )
% Inhibicji procent wygaszania wolnych rodnikw
RAF tworzenie adduktu rodnikowego, (ang. radical adduct formation)
ROAT testy powtarzanej otwartej aplikacji (ang. Repeated Open Application Test)
ROS reaktywne formy tlenu, (ang. reactive oxygen species)
ROO rodnik peroksyalkoksylowy
[ROO.....Car] addukt rodnik peroksyalkoksylowo-karotenoidowy
ROS reaktywne formy tlenu, (ang. reactive oxygen species)
RO2 rodnik peroksylowy
RS rodnik tiolowy
RSO rodnik sulfinylowy
RSO2 rodnik sulfonylowy
RSOO rodnik ponadtlenkowy tiolowy
RSO2OO rodnik ponadtlenkowy sulfonylowy
SC warstwa rogowa naskrka, (ac. stratum corneum)
SLS laurylosiarczan sodu, detergent o charakterze jonowym (ang. Sodium Lauryl
Sulfate)
SO2 rodnik ditlenkusiarki
T wiato przechodzce przez prbk
TEWL przeznaskrkowa utrata wody, (ang. Transepidermal Water Loss)
TEWL0 TEWL odniesienia z pola kontrolnego nie poddanego strippingowi
TNFR1 rodzina receptora czynnika martwicy nowotworw
TRAIL ligand indukujcy apoptoz, (ang. related apoptosis-inducing ligand)
TNF czynnik martwicy nowotworu, (ang. tumor necrosis factor)
TRUE test test patkowy, (ang. thin-layer rapid use epicutaneous test)
17
UV promieniowanie ultrafioletowe o dugoci fali 100-400nm
UVA promieniowanie ultrafioletowe o dugoci fali 320-400 nm
UVA 1 promieniowanie ultrafioletowe o dugoci fali 340-400nm
UVA 2 promieniowanie ultrafioletowe o dugoci fali 320-340 nm
UVB promieniowanie ultrafioletowe o dugoci fali 290-320 nm
UVC promieniowanie ultrafioletowe o dugoci fali 100-290 nm
V prdko wiata w badanym orodku [-]
V cakowita objto roztworu prbki do bada [cm3]
v1, v2 prdko wiata w dwch rnych orodkach
VDE aktywna deepoksydaza wiolaksantyny, (ang. active violaxanthin de-epoxidase)
vis wiato widzialne o dugoci fali 400-780 nm
W/O emulsja typu woda w oleju sporzdzana na gorco
x gboko ingerencji w tkank [m]
* w nawiasach kwadratowych podano jednostki, jeli wystpuj.
18
19
I. WSTP
Skra jest najwikszym organem ludzkiego ciaa. Zoona jest z trzech warstw:
naskrka, skry waciwej i tkanki podskrnej. Spenia bardzo wane funkcje dla naszego
organizmu. Starzenie si skry jest nieuniknionym, biologicznym oraz psychicznym
procesem okrelanym, jako zesp postpujcych w czasie zmian, ktre s badane ju od
dziesicioleci.
Wiele problemw zdrowotnych spowodowanych jest zanieczyszczeniem rodowiska
naturalnego oraz ywnoci, niewaciwym sposobem odywiania, stresem zwizanym z
rosncym tempem ycia codziennego oraz wolnymi rodnikami, atakujcymi nasz organizm.
Czynniki te stwarzaj wiksze lub mniejsze zagroenie dla prawidowego funkcjonowania
organizmu czowieka. Wspczesna medycyna radzi sobie z rnymi schorzeniami,
najczciej poprzez stosowanie terapii za pomoc syntetycznych lekw, ktre bardzo czsto
nie lecz przyczyn choroby, a jedynie jej objawy. Ich stosowanie, zwaszcza w chorobach
przewlekych, zwizane jest z ryzykiem wystpowania rnorodnych objaww ubocznych.
Bardzo racjonalna wydaje si profilaktyka, zwizana z waciwym sposobem odywania.
Odpowiednio dobrana dieta obfituje w substancje i skadniki pochodzenia naturalnego, ktre
wywieraj dobroczynny wpyw na funkcjonowanie organizmu czowieka. Sama przyroda daa
nam szans na popraw kondycji naszego zdrowia i jakoci ycia. Wikszo substancji
pochodzenia naturalnego korzystnie oddziauje na organizm czowieka. Bardzo wan rol w
przeciwdziaaniu powstawania wolnorodnikowych uszkodze peni zwizki hamujce
tworzenie wolnych rodnikw lub uczestniczce w ich przeksztacaniu w nieaktywne
pochodne. Zwizki te nazywamy antyoksydantami. Do silnych, naturalnych antyoksydantw,
nale karotenoidy. Karotenoidy zaliczane s zarwno do antyoksydantw prewencyjnych
jak i interwencyjnych.
Zwizki te zbudowane s z 11 sprzonych wiza podwjnych, dziki ktrym mona
je zaliczy do grupy poliizoprenoidw. Mog wystpowa w postaci acyklicznej,
monocyklicznej lub bicyklicznej. Do grupy karotenoidw, charakteryzujcych si
najsilniejszymi waciwociami antyoksydacyjnymi, nale: astaksantyna, likopen, luteina,
oraz -karoten. Zwizki te dziki silnym waciwociom antyoksydacyjnym znalazy szerokie
zastosowanie w medycynie, przemyle farmaceutycznym i kosmetycznym. Karotenoidy
charakteryzuj si wysok aktywnoci, zarwno wobec reaktywnych form tlenu jak i
wolnych rodnikw.
Brana przemysu kosmetycznego jest jedn z najbardziej dynamicznie ewoluujcych
sektorw w Polsce, a wiatowy kryzys nie spowodowa ograniczenia wydatkw Polakw na
produkty kosmetyczne. Wzrost poziomu ycia oraz wyduajcy si okres aktywnoci
zawodowej powoduje, e coraz czciej i chtniej konsumenci korzystaj z szerokiej gamy
produktw kosmetycznych, co powoduje, e czuj si bardziej atrakcyjni i modzi. Wedug
szacunkw PMR Consulting w 2012 roku w Polsce wydano ponad 19 mld z na kosmetyki.
Najwikszy udzia w cznej sprzeday osigny kosmetyki do pielgnacji twarzy (17,6%).
W okresie 2013-2015 moemy spodziewa si redniorocznego wzrostu rynku na poziomie
ponad 4%, jak wynika z najnowszego raportu PMR Consulting pt. Rynek dystrybucji
artykuw kosmetycznych w Polsce 2013. Analiza rynku i prognozy rozwoju na lata 2013-
20
2015. Firmy kosmetyczne zdaj sobie spraw, e kosmetyka staa si dla wspczesnych
kobiet rdem modoci i daa nadziej na zatrzymanie upywajcego czasu. Jak pokazuj
wyniki, spoeczestwo potrzebuje wprowadzania na rynek konsumencki coraz to nowych
produktw kosmetycznych, zawierajcych skuteczne substancje aktywne rozwizujce
problemy nie tylko natury zdrowotnej, ale take poprawiajce samopoczucie konsumentw.
ycie w zgodzie z natur jest w Polsce coraz bardziej modne, a co si z tym wie, kosmetyki
oparte na bazie naturalnych skadnikw ciesz si du popularnoci. Rokuje to w
najbliszych latach wzrostem ich sprzeday w granicach 10%. Jak przewiduj analitycy
Mintel Beauty Int., gwnym kierunkiem rozwoju przemysu kosmetycznego w kolejnych
latach bdzie trend Down to Earth. Szczeglny nacisk zostanie pooony na propagowanie
idei kosmetykw naturalnych i organicznych. Mona wykorzysta w tym celu naturalne
barwniki - karotenoidy. Posiadaj one udokumentowan skuteczno. Podejmowane s prby
ich zastosowania w produktach kosmetycznych, przeznaczonych do pielgnacji skry.
W niniejszej pracy doktorskiej potwierdzono wysok skuteczno karotenoidw za
pomoc bada in vivo, czyli przez uycie testw aplikacyjnych na skrze czowieka.
Stwierdzono popraw poziomu nawilenia skry, przeznaskrkowej utraty wody,
elastycznoci skry oraz jej natuszczenia po zastosowaniu kremu z karotenoidami.
Udowodniono take ich biodostpno za pomoc metody strippingu.
Przeprowadzono badania analityczne majce na celu potwierdzenie obecnoci wyej
wymienionych zwizkw w kremach komercyjnych wprowadzonych na rynek kosmetyczny.
21
II. CZ LITERATUROWA
2.1. Budowa skry
Skra jest najwikszym organem ludzkiego ciaa. Zoona jest z trzech warstw:
naskrka, skry waciwej i tkanki podskrnej (rys. 1). Ponadto zawiera gruczoy potowe i
ojowe, mieszki wosowe, naczynia krwionone i chonne, zakoczenia nerwowe oraz narzdy
zmysu [1-3].
Rys. 1. Budowa skry [4].
2.1.1 Naskrek
Naskrek (ac. epidermis) (rys. 2) jest warstw powierzchown skry, zbudowan z
komrek zwanych keratynocytami skadajcych si z nierozpuszczalnego biaka (gwnie
keratyny) odpornego na czynniki fizyczne i chemiczne. Jego grubo rednio nie przekracza
100 m i jest wiksza w przypadku podeszwy doni i stp. Naskrek utworzony jest przez
nabonek wielowarstwowy paski rogowaciejcy i dzieli si na 4 warstwy. Pierwsz z nich
jest warstwa podstawna (ac. stratum basale) mieszczca si najniej. Znajduj si tu komrki
o jdrach z widocznym podziaem, std zwana jest warstw rozrodcz. Ponadto w warstwie
tej wystpuj melanocyty (komrki barwnikowe wytwarzajce i magazynujce melanin),
komrki Langerhansa (komrki dendrytyczne biorce udzia w procesach odpornociowych)
oraz komrki Merkla (receptory stykajce si z komrkami nerwowymi). Nastpna, warstwa
kolczysta (ac. stratum spinosum), zawiera kilka rzdw komrek o rnych ksztatach, ktre
przemieszczajc si ku wyszym warstwom ulegaj stopniowemu spaszczeniu. Kolejn
struktur jest warstwa ziarnista (ac. stratum granulosum) posiadajca kilka rzdw komrek
tym razem o wrzecionowatych ksztatach i spaszczonych jdrach. Strefa porednia - warstwa
jasna, inaczej wietlana (ac. stratum intermediale, lucidum) - jest to wskie pasmo lece
ponad warstw ziarnist, typowe dla grubych naskrkw np. na podeszwie, a dajce si
odrni od pozostaej warstwy rogowej w cienkich naskrkach jedynie na podstawie
22
specjalnych bada histologicznych Ma ona due znaczenie w zaburzeniach rogowacenia.
Ostatnia i najwyej pooona warstwa rogowa (ac. stratum corneum, SC) zawiera ju tylko
spaszczone komrki niezawierajce jdra. Komrki poczone s midzy sob wypustkami
bony komrkowej (desmosomy) oraz specjalnymi czsteczkami uatwiajcymi przyleganie i
kontakt. W warstwie rogowej komrki uoone s luno i ulegaj zuszczaniu. redni czas
prawidowego przejcia komrki przez wszystkie warstwy (od warstwy najniszej do
najwyszej) wynosi 28 dni [1].
Naskrek poczony jest ze skr waciw poprzez bon podstawn. Bona
podstawna tworzona jest zarwno przez naskrek, jak i skr waciw, skada si z blaszki
jasnej i blaszki ciemnej. Przebieg poczenia nie jest prostolinijny, lecz falisty. Jej podstaw
s biaka tj. laminina, kolagen, proteoglikany. Keratynocyty przytwierdzone s do bony
podstawnej za pomoc integryn, czyli przezbonowych czsteczek odpowiedzialnych za
przyleganie komrek [2,3].
Zadaniem naskrka jest oddzielenie organizmu od otoczenia, ochrona gbszych
warstw skry przed dziaaniem czynnikw zewntrznych oraz zapobieganie
przeznaskrkowej utracie wody - TEWL (ang. transepidermal water loss). Zawarta w
naskrku melanina, poza nadaniem koloru wosom oraz skrze, do pewnego stopnia
zabezpiecza skr przed szkodliwym dziaaniem promieniowania ultrafioletowego [1-4].
Rys. 2. Budowa naskrka [5].
2.1.2 Skra waciwa
Skra waciwa (ac. dermis, corium) jest pochodzenia mezodermalnego. Skada si z
dwch warstw tkanki cznej waciwej: warstwy brodawkowatej oraz siateczkowatej. Jest
bogato unerwiona, zawiera naczynia limfatyczne, krwionone, gruczoy, zakoczenia
nerwowe oraz przydatki skry [l].
Warstwa brodawkowata (ac. stratum papillare) obejmuje brodawki, ktre zawieraj
liczne drobne naczynia krwionone. Skada si z komrek, gwnie fibrocytw i fibroblastw,
ktre produkuj biaka, takie jak: kolagen i elastyna oraz proteoglikany [1].
Warstwa siateczkowata (ac. stratum reticulare) powstaje z nieregularnie utkanej
tkanki cznej zbitej. Obejmuje gbsze warstwy a do tkanki podskrnej. Zawiera trzy
rodzaje wkien [1-6]:
23
wkna kolagenowe typu I i III, ktre stanowi podstaw skadow pocieliska
cznotkankowego, za w obrbie bon podstawowych naczy oraz bony
podstawowej naskrka obecny jest kolagen IV. Zadaniem wkien jest wzmacnianie
struktury skry. Kolagen jest biakiem zbudowanym z aminokwasw: glicyny, L-
lizyny, L-proliny, L-hydroksylizyny oraz L-hydroksyproliny, ktre s uoone w
formie trjyowej liny. W wyniku poczenia piciu takich ukadw powstaje jedna
fibryla kolagenowa.
wkna spryste przeplataj si z wknami kolagenowymi. Zapewniaj skrze
sprysto i rozcigliwo. Znajduj si w przewadze w powierzchniowych
warstwach skry waciwej, gdzie oplataj wkna kolagenowe. Wraz z upywem
czasu oraz promieniowania ultrafioletowego zachodzi zjawisko elastozy, w wyniku
ktrego wkna elastynowe i kolagenowe zbijaj si w bezpostaciow mas. Proces
agregacji tych wkien w sposb nieodwracalny pozbawia je ich funkcji. Ponadto u
ludzi starszych postpuje proces zmniejszenia syntezy kolagenu i proteoglikanw,
czego konsekwencj s zmiany w tkance cznej: powstawanie zmarszczek i bruzd,
zmniejszenie elastycznoci oraz zwikszenie wraliwoci skry.
wkna retikulinowe zbudowane s z retikuliny i w formie kratki oplataj tkanki
podporowe skry waciwej. Spord wszystkich trzech typw wkien wystpujcych
w warstwie siateczkowatej, to wanie wkna retikulinowe maj najdelikatniejsz
struktur. Jako pierwsze ulegaj degradacji w trakcie procesu starzenia.
2.1.3 Tkanka podskrna
Tkanka podskrna (ac. subcutis) zbudowana jest ze zrazikw tuszczowych, ktre s
przedzielone zbit tkank czn wknist. W przestrzeniach midzyzrazikowych tkanki
podskrnej zawarte s czci wydzielnicze gruczow potowych, naczynia krwionone,
wkna oraz upostaciowane zakoczenie nerwowe. Zadaniem komrek tuszczowych tkanki
podskrnej jest magazynowanie tuszczu, wytwarzanie go podczas procesu lipogenezy oraz
przeksztacanie glukozy w kwasy tuszczowe [4].
2.2. Funkcje skry
Skra spenia bardzo wane funkcje dla caego organizmu. Najwaniejsz jej rol jest
osanianie narzdw wewntrznych przed wpywem rodowiska zewntrznego, rwnoczenie
utrzymujc rwnowag midzy ustrojem i otoczeniem. Odgrywa rwnie rol [2,7]:
ochronn w odniesieniu do czynnikw mechanicznych, fizycznych, chemicznych i
bakteryjnych,
w regulacji cieplnej,
w czynnoci resorpcyjnej (wchanianie poprzez skr),
jako narzd czucia,
w metabolizmie biaek, lipidw, wglowodanw, witamin (rozpuszczalnych w
tuszczach, jak i w wodzie),
w procesie odpornociowym ustroju,
24
regulatora prawidowego przebiegu melanogenezy, podczas ktrej w naskrku
produkowana jest melanina pomagajca chroni organizm przed szkodliwym
dziaaniem promieniowania UV.
2.3. Starzenie si organizmu
2.3.1. Starzenie si skry
Starzenie si skry jest nieuniknionym, biologicznym oraz psychicznym procesem,
okrelanym jako zesp postpujcych w czasie zmian, ktre s badane ju od dziesicioleci.
Zmiany te polegaj midzy innymi na [8,9]:
zmniejszeniu biologicznej aktywnoci komrek organizmu,
spowolnieniu procesw regeneracyjnych,
obnieniu odpornoci oraz odpowiedzi na stres rodowiskowy,
obnieniu waciwoci adaptacyjnych organizmu znajdujcego si pod kontrol
czynnikw genetycznych [8,9].
Powstae zmiany powoduj, e organizm staje si bardziej podatny na uszkodzenia i choroby.
W ostatecznoci doprowadzaj do zgonu [10].
Skra stanowi bardzo dobry model badawczy w odniesieniu do caociowego zjawiska
starzenia. Jest ona bezporednio naraona na destrukcyjne dziaanie czynnikw zewntrznych
i ulega starzeniu szybciej ni pozostae narzdy naszego ciaa. Poznanie mechanizmw
starzenia si pozwala nam zrozumie, w jaki sposb musimy zapobiega i przeciwdziaa
temu procesowi. Jest to proces wieloczynnikowy, regulowany przez czynniki genetyczne, jak
i rodowiskowe. Za proces ten odpowiada zesp genw warunkujcy podziay komrkowe,
procesy naprawy antyoksydacyjnej i DNA oraz obronny immunologicznej [9,10].
Gwnym objawem starzenia skry s zmarszczki, ktre mog pojawi si na twarzy,
szyi, dekolcie oraz na doniach. Mona je podzieli na powierzchniowe i gbokie. Pierwsze z
nich sigaj nie gbiej ni 0,05 mm, natomiast drugie s gbsze ni 0,05 mm. Innymi
skutkami starzenia si skry s: sucho, blado, przebarwienia oraz utrata jdrnoci. W
naskrku zachodz nieodwracalne zmiany. Warstwa ziarnista i kolczysta (rys. 1) zanikaj,
przez co naskrek staje si cienki. Warstwa rozrodcza spaszcza si z powodu zmniejszenia
aktywnoci podziaowej jej komrek. Pogarsza si czno naskrka ze skr waciw co
powoduje zmniejszenie wydajnoci wymiany substancji odywczych. W skrze waciwej
zmniejsza si aktywno i synteza fibroblastw, ktre odpowiedzialne s za produkcj
kolagenu i elastyny, skra traci elastyczno i powstaj zmarszczki. Z wiekiem produkcja
kolagenu spada. Ze wzgldu na sab aktywno syntezy wkien, zmienia si sieciowanie
nowych wkien podporowych. Wkna te robi si sztywne, twarde, nierwne oraz
chaotycznie rozmieszczone. U starszych osb dochodzi nawet do zmian gruboci cian
naczy. Z biegiem czasu zmniejsza si liczba gruczow ojowych, co powoduje spadek
ochrony bariery skrnej. W warstwie rogowej wystpuj ceramidy, ktre nale do grupy
lipidw naturalnych istniejcych w skrze. Peni one rol cementu midzykomrkowego,
tym samym zapobiegajc utracie wody z organizmu oraz chronic skr przed szkodliwymi
25
czynnikami. Powyej 40 roku ycia ceramidy przestaj by produkowane co powoduje
zwikszenie utraty wody oraz przesuszenie skry [8,11].
2.3.2. Przyczyny starzenia si skry
Na starzenie si skry ma wpyw wiele czynnikw, ktre powoduj zmiany w jej
strukturze, wygldzie oraz wydajnoci penionych przez ni funkcji [12,13].
Czynniki powodujce starzenie dzielimy na [8,11-16]:
endogenne (mechanizmy wrodzone):
wiek (starzenie chronologiczne),
hormony (starzenie menopauzalne),
mimika (miostarzenie),
odkadanie si w organizmie szkodliwych toksyn,
szkodliwe dziaanie wolnych rodnikw,
osabienie dziaania ukadu immunologicznego,
genetyczne.
egzogenne (zachodzce pod wpywem rodowiska zewntrznego):
nadmierna ekspozycja na promieniowanie ultrafioletowe (fotostarzenie),
dym papierosowy (skra palacza),
zanieczyszczenia rodowiska,
klimat,
niehigieniczny tryb ycia i niewaciwy sposb pielgnacji skry,
za dieta,
stres,
infekcje.
2.3.3. Teorie starzenia si skry
Wyrniamy wiele teorii wyjaniajcych rda i przyczyny starzenia si organizmu:
genow, organicznej liczby podziaw, zaburze biakowych, bonow (membranow) i teori
mitochondrialn [17-19].
Teoria genowa
Teoria genowa zakada, e maksymalny czas ycia gatunku ludzkiego przy
odpowiednim dbaniu o kondycj organizmu powinien wynosi ok. 120 lat. W badaniach
przeprowadzonych przez Gilhara i wsp. [17] zamroono na 30 lat ludzkie fibroblasty, ktre
nastpnie odmraano po okrelonych interwaach czasowych. Na podstawie
przeprowadzonych bada wykazano, e komrki te cechuj si nie tylko pamici
wyznaczonego im programu yciowego, ale take okrelonym w kadej z nich terminem
koca ycia. Starzenie zaley od wielu zmian zachodzcych we wntrzu komrek ludzkiego
organizmu. Zjawisko pamici komrkowej powoduje opnienie produkowania przez
komrki skry nowych wkien podporowych i zmniejszenie zdolnoci regeneracyjnych
naskrka. Zmniejszeniu ulega ekspresja genw, ktre s odpowiedzialne za proliferacj, co
26
powoduje, e w starzejcej si skrze hamowane s procesy wzrostu, a zaczynaj dominowa
procesy zanikowe [17,18-20]. Teoria genetyczna zakada, e rdem zakodowanych
informacji jest DNA jdrzastych komrek skry. W tym samym miejscu umiejscowione s
geny odpowiadajce za tempo i charakter starzenia si. Istotn rol w procesie starzenia
odgrywa endogenne uszkodzenie jdrowego DNA [21-23]. Powstaje ono na skutek tlenowego
metabolizmu komrkowego, ktry prowadzi do utworzenia wolnych rodnikw,
odpowiedzialnych za uszkadzanie struktur komrkowych, przede wszystkim biaek i
materiaw genetycznych [24].
W dzisiejszych czasach zidentyfikowano okoo 100 genw, ktre prawdopodobnie
odpowiadaj za procesy starzenia si skry. Dzielimy je na [19,24-26]:
geny odpowiedzialne za odpowiedzi na stres:
geny chronice przed procesami oksydacyjnymi (SOD2),
geny powodujce napraw DNA (geny kodujce enzym typu helikaza DNA),
geny odpowiadajce za niszczenie komrek nowotworowych (np. biako p53),
geny zwizane z regulacj substancji energetycznych (metabolizm insuliny, regulacja
wzrostu),
geny odpowiedzialne za podzia komrkowy (telomerazy).
Stwierdzono, e oksydacyjne uszkodzenia DNA przyspieszaj proces starzenia [19,24-26].
Teoria ograniczonej liczby podziaw komrki - teoria Hayflicka
Jedna z teorii zajmujca si uszkodzeniem genw stwierdza, e wraz z upywem czasu
zmniejsza si aktywno telomerazy - enzymu, ktry odpowiada za replikacj chromosomw.
Wikszo komrek czowieka traci sekwencje telomerowe po kadym podziale
komrkowym. Hayflick okreli limit podziaw prawidowych komrek w hodowli in vitro
[27-29]. Prawidowe fibroblasty dziel si kilkadziesit razy w warunkach in vitro, nastpnie
obumieraj. Liczba podziaw komrek uzaleniona jest od ich wieku. Komrki osoby modej
dziel si wiksz liczb razy w porwnaniu z komrkami osoby dorosej. Limit Hayflicka
okoo 50-60 podziaw komrki jest wyznacznikiem wieku i starzenia si komrki [27]. W
kolejnych podziaach dochodzi do skracania telomerw i w kocu do programowej mierci
komrki. Hodowane in vitro komrki somatyczne pobrane od maego dziecka dziel si
wiksz ilo razy ni komrki osb dorosych [30]. Dugo telomerw zmniejsza si z
wiekiem dawcy i z liczb podziaw komrek [31].
Zanikanie telomerazy skutkuje utrat wanych do ycia komrek informacji, ktre z
biegiem czasu ulegaj obumarciu. Skracanie telomerw uznaje si za wewntrzny
kalendarz, ktry mierzy okres funkcjonowania oraz ycia komrek. Stwierdza si, e
czynnik dziedziczny jest w 30% odpowiedzialny za starzenie si organizmu [32-34]. Wybrane
preparaty kosmetyczne, np. Telomeric Dr Ireny Eris, maj za zadanie wpyn na poziom
telomerazy w skrze.
27
Teoria zaburze biakowych
Bezporedni zwizek z procesem starzenia si organizmu ma proces upoledzenia
syntezy biaka. Synteza ta maleje wraz z wiekiem o ok. 20 - 80% i powoduje upoledzenie
funkcji organizmu. [35-36]. Homeostaza naskrka regulowana jest przez procesy apoptozy
oraz kocowego rnicowania. Apoptoza jest aktywnym procesem mierci komrki zwanym
genetycznie zaprogramowanym samobjstwem. Dziki temu mechanizmowi z organizmu
usuwane s zuyte lub uszkodzone komrki. Przekazanie sygnau odbywa si drog zewntrz-
lub wewntrzpochodn. Sygna pochodzenia zewntrzkomrkowego jest przekazywany na
receptory mierci zlokalizowane na bonie komrkowej. Odnaleziono przynajmniej osiem
biaek nalecych do rodziny receptorw mierci. Zaliczamy do nich nastpujce rodziny
biaek: p75NTR, rodzina receptora czynnika martwicy nowotworw (TNFR1) i receptor
mierci 3 (DR3), rodzina receptora CD95 (CD95/FAS) oraz rodzina receptora dla liganda
powizanego z czynnikiem martwicy nowotworw, wywoujcego apoptoz (TNF - related
apoptosis - inducing ligand receptor; TRAIL. Droga wewntrzpochodna - sygna o
programowanej mierci komrki pochodzi od biakowych czynnikw wewntrzkomrkowych
niezwizanych z receptorami bony komrkowej, natomiast zwizanych z mitochondriami.
Promieniowanie, wolne rodniki, toksyny czy wirusy mog uszkodzi komrkowe DNA,
aktywowa apoptoz na drodze wewntrzpochodnej. W wyniku uszkodzenia DNA obok
uruchomienia mechanizmw naprawczych dochodzi rwnie do ekspresji
cytoplazmatycznych biaek proapoptotycznych, ktre wbudowuj si w wewntrzn bon
mitochondrialn [37,38].
Teoria bonowa (membranowa)
Profesor Imre Zs - Nagy [39] z Uniwersytetu w Debreczynie na Wgrzech
zaproponowa kolejn teori, ktra zakada, e wraz z pogbieniem si procesu starzenia si
organizmu zmienia si skad bon komrkowych. Zwiksza si zawarto lipidw kosztem
wody. Powoduje to utrudnienie transportu substancji przez bon. Zmiany, ktre towarzysz
procesowi starzenia si odpowiedzialne s za wzrost lepkoci oraz sztywnoci bon
komrkowych [40,41].
Teoria mitochondrialna
Zgodnie z teori mitochondrialn mier komrek wie si z zaburzeniami
wystpujcymi w obrbie mitochondriw. Wraz z upywem czasu maleje ich liczba oraz
aktywno, co prowadzi do zmniejszenia produkcji adenozynotrifosforanu (ATP). W zwizku
z tym, e zwiksza si liczba uszkodze, ktre nie podlegaj systemowi naprawy, nastpuje
spadek liczby ATP, jak i zmniejszenie zdolnoci regeneracyjnych komrek [42-43]. Due
znaczenie dla tempa tego procesu ma odywianie organizmu, dlatego wana jest
zbilansowana, odpowiednia niskokaloryczna dieta, ktra zawiera mniej ni poow wskazanej
dawki energii. Nadmierna ilo poywienia nasila procesy lipoperoksydacji i glukozylacji
powodujce powstawanie wolnych rodnikw, ktre uszkadzaj zarwno bony komrkowe,
jak rwnie materia genetyczny komrki [24].
28
2.4. Fotostarzenie
Fotostarzenie - starzenie si skry pod wpywem wiata, mona traktowa jako proces
stopniowego bliznowacenia, ktry jest nasilany przez inne czynniki rodowiskowe, takie jak
[44,45]:
palenie tytoniu,
zanieczyszczenie powietrza,
brak snu,
niewaciwa dieta,
czynniki hormonalne,
choroby.
Korzystne, jak i niekorzystne efekty dziaania soca na organizm czowieka wi si z
emitowaniem promieniowania elektromagnetycznego. W jego skad wchodzi promieniowanie
podczerwone o dugoci fali > 800 nm, wiato widzialne w zakresie 400-800 nm i
promieniowanie ultrafioletowe (UV), ktre skada si z 3 zakresw fal, tj. UVC, UVB i UVA.
Promieniowanie UVC o dugoci fali 100-290 nm w warunkach standardowych nie dociera
do powierzchni Ziemi, jest prawie w caoci pochaniane przez warstw ozonow atmosfery.
Uszkadza rogwk, posiada dziaanie bakteriobjcze i rumieniotwrcze. Promieniowanie
UVB o dugoci fali 290-320 nm powoduje oparzenia skry, natomiast promieniowanie UVA
w zakresie 320-400 nm jest odpowiedzialne za przebarwienia natychmiastowe i reakcje
opnione. Wyrniamy dwa zakresy UVA: UVA1 (340-400 nm) i UVA2 (320-340 nm).
Maj one dziaanie barwnikowe i rumieniotwrcze. Okoo 90-95% promieniowania
sonecznego docierajcego do powierzchni Ziemi to promieniowanie UVA [45-47].
Promieniowanie UVA w 50% przenika do warstwy siateczkowej i brodawkowatej skry
waciwej, natomiast UVB jest zatrzymywane w 90% przez warstw rogow naskrka
[45,46]. W tabeli 1 przedstawiono gbokoci wnikania poszczeglnych promieniowa UV do
rnych warstw skry [48]. Skutki biologiczne oddziaywania promieniowania UV na skr
uzalenione s od jego natenia i dugoci fali. Charakteryzuj si reakcjami wczesnymi w
postaci rumienia, oparzenia sonecznego oraz reakcjami odlegymi, ktre zwizane s z
uszkodzeniem skry na poziomie molekularnym i biologicznym, w skad ktrych wchodz
zaburzenia pigmentacji, rozwj zmian przedrakowych i nowotworw [48]. Promieniowanie
UVA wzmacnia w obrbie naskrka dziaania promieni UVB, co powoduje uszkodzenie
tkanki cznej [45,46]. W skrze waciwej dochodzi do upoledzenia mikrokrenia i
zaburze angiogenezy oraz pofragmentowania wkien sprystych.
29
Tab. 1. Gboko przenikania promieniowania UV przez skr [48].
Rodzaje promieniowania
UVA 320-400 nm
UVB 290-320 nm
gboko
przenikania
naskrek
skra waciwa
tkanka podskrna
Docierajce do powierzchni skry promieniowanie wietlne wywiera zarwno
pozytywne jak i negatywne skutki. Jego zalet jest udzia w syntezie witaminy D3,
pobudzanie melanocytw do produkcji melaniny, zwikszenie produkcji endorfin,
powodujcych lepsze samopoczucie oraz pomoc w leczeniu niektrych chorb
dermatologicznych, np. bielactwa [48].
Zmiany histopatologiczne i kliniczne pojawiajce si pod wpywem promieniowania UV
przedstawiono w tabeli 2 [48].
Tab. 2. Cechy histologiczne i kliniczne procesu fotostarzenia skry [48].
Cechy histologiczne Cechy kliniczne
pogrubiaa warstwa rogowa wskutek degradacji
desmosomw, tworzenie si mikroszczelin i
konglomeratw komrek czciowo oderwanych
naskrek pogrubiay, suchy, uszczcy si,
szorstki
uszkodzenia DNA, keratynocytw, apoptoza,
dysplazja
rogowacenie soneczne, nowotwory
podstawnokomrkowe i kolczystokomrkowe,
czerniak
uszkodzenie melanocytw - zwikszenie ich
liczby, hiperplazja, dysplazja, proliferacja
przebarwienia, piegi, plamy soczewicowate,
soneczne, gwiedziste blizny rzekome, plamy
odbarwione
naskrkowe inkluzyjne cysty prosaki posoneczne
przerost gruczow ojowych tawe guzki, szorstkie zgrubienia skry,
rozszerzone ujcia z wydobywajc si
wydzielin ojow
mieszkowa hiperkeratoza zaskrniki soneczne
pogrubienie wkien elastycznych i niead,
zjawisko elastozy, zwyrodnienie wkien
kolagenowych, zmniejszenie iloci kolagenu typu
I, nacieki limfohistiocytarne z neutrofilw,
makrofagw oraz mastocytw, zwikszenie
liczby glikozaminoglikanw macierzystych skry
waciwej
pogrubienie skry, gbokie zmarszczki i bruzdy,
obwiso skry, zapalenie skry po
nasonecznieniu
teleangiektatyczne naczynia, pogrubienie cian
naczy krwiononych w skrze
teleangiektazje
2.4.1. Fotoprotekcja
Odpowiednia ochrona skry przed szkodliwym wpywem promieniowania sonecznego
powinna trwa przez cae ycie. Powinno si korzysta z kpieli sonecznych z umiarem oraz
30
uywa odpowiednich filtrw sonecznych z dostosowan do typu skry ochron UVA i
UVB. Umoliwia to zmniejszenie ryzyka rozwoju rogowacenia naskrka oraz zachorowa na
nowotwory skry. Wyrniamy fotoprotekcj naturaln i sztuczn, tzw. zewntrzn.
Do fotoprotekcji sztucznej zalicza si filtry, ktre moemy podzieli na dwie grupy [48]:
filtry fizyczne (mineralne, barwnikowe) - odbijaj i rozpraszaj promieniowanie UV
np. tlenek tytanu (IV), tlenek cynku, elaza (III) oraz talk,
filtry chemiczne (organiczne) - absorbuj i rozpraszaj promieniowanie UV,
zwaszcza UVB, np. kwas p-aminobenzoesowy, salicylowy, p-metylocynamonowy
oraz kamfora.
Nowoczesne formulacje kosmetyczne zawieraj w swoim skadzie zarwno filtry
fizyczne, jak i chemiczne. Stopie ochronnego dziaania preparatu okrelany jest przy uyciu
midzynarodowego wskanika SPF (ang. sun protective factor), ktry warunkuje stopie
ochrony przed dziaaniem promieni rumieniotwrczych. Naturalnym mechanizmem obrony
organizmu czowieka przed szkodliwym promieniowaniem UV jest wytwarzanie barwnika
zwanego melanin. Jest ona produkowana w melanocytach, tworzy skupiska zwane
melanosomami. Melanocyty umieszczone s w warstwie podstawnej naskrka. Melanina jest
zwizkiem absorbujcym promieniowanie UVB, UVA oraz w pamie wiata widzialnego.
Zgromadzona jest w komrce docelowej midzy jdrem a powierzchni zwrcon do wiata.
Dziki temu chroni DNA przed uszkodzeniami wietlnymi. Wyrniamy inne mechanizmy
chronice skr przed promieniowaniem UV: komrki warstwy rogowej naskrka odbijajce
cz wiata i absorbujce wiato soneczne w caym spektrum, oraz kwas transurokainowy
znajdujcy si w naskrku i pocie [49].
Najwaniejsz metod przeciwdziaania skutkom promieniowania sonecznego jest
stosowanie kremw przeciwsonecznych. Uywanie kremw zapobiega pojawieniu si zmian
w obrbie skry waciwej oraz zmniejsza wystpowanie nowotworw
podstawnokomrkowych i kolczystokomrkowych, rogowacenia sonecznego [47-55].
2.5. Reaktywne formy tlenu oraz wolne rodniki
W wyniku fotoutleniania, stresu fizjologicznego, jak rwnie dziaania systemu
odpornoci, organizm ludzki moe wygenerowa szkodliwe formy tlenu. Zaliczy do nich
mona bardziej reaktywne ni tlen czsteczkowy: nadtlenki organiczne i nieorganiczne, tlen
singletowy oraz wolne rodniki, ktre s zwizkami posiadajcymi niesparowane elektrony
[56-62]. Tlen singletowy jest stanem wzbudzonym tlenu czsteczkowego. Powstaje podczas
zwykych procesw biologicznych, ktre zachodz w organizmach. Jego cech
charakterystyczn jest dugi czas ycia oraz wysoka reaktywno. Aby z powrotem przeszed
on do stanu podstawowego, nadmiar swojej energii musi przekaza innej czsteczce, na
przykad przeciwutleniacza (antyoksydantu). Proces taki nazywany jest wygaszaniem [63,64].
Rodniki nadtlenkowe zostaj wygenerowane w wyniku przejcia elektronu z tlenu
trypletowego (rys. 3). Mog z nich powsta kolejne niebezpieczne czsteczki, takie jak:
anionorodnik ponadtlenkowy O2-
oraz produkty jego przemiany: rodnik hydroksylowy OH.,
31
nadtlenek diwodoru H2O2. Atakuj one biaka, kwasy nukleinowe oraz kwasy tuszczowe
prowadzc do ich uszkodze [62-65].
Rys. 3. Powstawanie rnych reaktywnych form tlenu (ROS) na drodze redukcji stanu
trypletowego [66].
Do czynnikw zewntrznych wywoujcych stres oksydacyjny (powstawanie ROS -
reaktywnych form tlenu, ang. reactive oxygen species) nale [67]:
promieniowanie jonizujce,
promieniowanie UV,
ultradwiki,
oddziaywanie ksenobiotykw (substancji obcych).
W tkankach rolinnych zaobserwowa mona tzw. fale tlenowe w wyniku stresw
rodowiskowych (czynnikw uprawowych), takich jak [68]:
stres wodny (susza lub zalanie),
stres zasolenia,
stres niskiej temperatury (warunki chodne lub mrz),
wiato,
oddziaywanie metali cikich,
mechaniczne uszkodzenia,
stosowanie pestycydw,
inwazja patogenw.
a take czynniki pozbiorcze (po zebraniu materiau rolinnego) [69]:
32
warunki zbioru,
przechowywanie,
wstpna obrbka.
Reaktywne formy tlenu reaguj ze skadnikami organizmw ywych, co sprzyja
gronym konsekwencjom. Szczeglnie niebezpieczne s reakcje aktywnych form tlenu z
biakami, bonami lipidowo-biakowymi i kwasami nukleinowymi. Tkanki rolinne posiadaj
dobrze dziaajcy system obrony przed aktywnymi formami tlenu, ktre polegaj na dziaaniu
enzymw neutralizujcych ROS (dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza, peroksydaza) oraz na
interakcji z antyoksydantami. Enzym dysmutaza ponadtlenkowa, ktra znajduje si w
cytoplazmie, mitochondriach i chloroplastach przeksztaca w reakcji dysproporcjonowania,
anionorodnik ponadtlenkowy w czsteczk nadtlenku wodoru [70].
Wolne rodniki s to struktury, posiadajce niesparowany elektron. Tak jak tlen
singletowy charakteryzuj si wysok reaktywnoci elektronw oraz zdolnoci do reakcji z
innymi rodnikami [71-78]. Wolne rodniki dziel si na [79-81]:
reaktywne formy tlenu (ROS):
anionorodnik ponadtlenkowy (O2
),
rodnik wodoronadtlenkowy (HO2),
rodnik hydroksylowy (OH),
rodnik peroksylowy (RO2),
reaktywne formy azotu (RNS - ang. reactive nitrogen species):
anion nadtlenoazotanu (III) (ONOO),
rodnik tlenku azotu (II) (NO),
reaktywne formy siarki:
rodnik tiolowy (RS),
rodniki oksysiarkowe, (RSO (sulfinylowy), RSO2
(sulfonylowy), RSOO
(ponadtlenkowy tiolowy), RSO2OO
(ponadtlenkowy sulfonylowy)),
rodnik ditlenku siarki (SO2) [79-81].
Dodatkowo do reaktywnych form tlenu zaliczamy [81]:
nadtlenek wodoru (H2O2),
tlen singletowy (1O2),
ozon (O3).
Aby zapeni swoje niedobory, wolne rodniki odbieraj brakujce elektrony od innych
czsteczek, np. kwasw tuszczowych, biaek oraz protein, dziki czemu staj si stabilne.
Zostaj utworzone nowe rodniki, ktre atakuj nastpne czsteczki. W ten sposb dochodzi
do reakcji, ktre skutkuj uszkadzaniem gwnych skadnikw komrkowych, prowadzc do
np. rozpadu biaek, lipidw oraz struktur DNA [81,82]. W tabeli 3 przedstawiono waciwoci
i reaktywno aktywnych form tlenu: O2
, HO2 [77].
33
Tab. 3. Wasnoci i reaktywno wybranych aktywnych form tlenu [77].
O2
HO2
reaktywno do dua stabilny
reaktywno z anionami trudna atwa
przechodzenie przez bony trudno atwo
inicjacja peroksydacji lipidw nie zachodzi atwa
rdem wolnych rodnikw s rwnie czynniki wynikajce ze stylu ycia. Do
najwaniejszych czynnikw egzogennych zalicza si [82,83]:
palenie papierosw,
picie alkoholu,
przyjmowanie rnych lekw,
infekcje,
czynniki ywieniowe (niedobr antyoksydantw),
spoywanie zanieczyszczonej ywnoci,
promieniowanie radiacyjne,
wiato ultrafioletowe,
substancje zanieczyszczajce rodowisko (np. O3, NO3, SO2),
cika praca fizyczna.
2.5.1. Skutki dziaania reaktywnych form tlenu oraz wolnych rodnikw
W medycynie bardzo due zainteresowanie wzbudzaj zarwno reaktywne formy
tlenu jak rwnie rodniki wielonasyconych kwasw tuszczowych. Najbardziej istotnymi
grupami czsteczek, ktre zostaj uszkodzone przez ROS s biaka, DNA oraz lipidy. W
przypadku biaek, ROS utleniaj m. in. reszty aminokwasowe lub grupy prostetyczne (np.
centra Fe-S, grupy hemowe). Uszkodzenia DNA wpywaj na uszkodzenia zasad azotowych,
reszt cukrowych oraz pkanie nici [78]. Za negatywne zmiany lipidw odpowiedzialny jest
proces peroksydacji lipidw. Moemy wyrni trzy mechanizmy peroksydacji lipidw:
wolnorodnikowy, enzymatyczny oraz niezaleny od wyej wymienionych [79]. W
mechanizmie pierwszym i trzecim bior udzia ROS: OH, HO2
, RO2
, za w reakcji
niezalenej od enzymw i rodnikw polegajcej na utlenianiu lipidw przez 1O2 i O3,
powstaj ROOH oraz cykliczne nadtlenki [79].
Dziaanie ROS w komrce nie musi cechowa si tylko negatywnymi efektami [80].
Wystpowanie w steniu fizjologicznym, moe odgrywa wan rol w prawidowym
funkcjonowaniu komrek (rys. 4) [83]. ROS bierze udzia w wielu reakcjach metabolicznych:
inaktywacji wirusw i bakterii, regulowaniu wzrostu komrek, sygnalizacji midzy- i
wewntrzkomrkowej, tworzeniu hormonw tkankowych w postaci prostacyklin,
tromboksanw i leukotrienw z wielonasyconych kwasw tuszczowych, aktywacji
cytochromu P450 oraz wielu genw [73]. Reaktywne formy tlenu wpywaj rwnie na
czynnik rozkurczowy pochodzenia rdbonkowego (EDRF - ang. endothelium - derived
relaxing factor). Charakteryzuj si dziaaniem rozszerzajcym lub obkurczajcym na ciany
naczy krwiononych. Powoduj rwnie zwikszenie przepuszczalnoci cian naczy
34
wosowatych, stymuluj transport glukozy do komrek, reguluj syntez prostanoidw w
procesie oksygenacji i lipooksygenacji [83]. W organizmach ludzkich istotne jest
utrzymywanie odpowiedniej homeostazy pro oksydacyjno - antyoksydacyjnej [83].
Rys. 4. cieki sygnalizacji komrkowej regulowane przez ROS [81].
Lista schorze spowodowanych dziaaniem wolnych rodnikw zostaa przedstawiona
w tabeli 4.
ROS
Uszkodzenia
DNA/biaek/
lipidw
Homeostaza elaza
Regulacja wzrostu
komrek,
metabolizm
Przeciwutelniacz,
dziaanie przecizapalne
35
Tab. 4. Schorzenia i uszkodzenia zwizane z niekorzystnym dziaaniem aktywnych form tlenu
[80,81].
Schorzenia i uszkodzenia zwizane z niekorzystnym dziaaniem aktywnych form
tlenu
miadyca (niedokrwienie, zawa, udar mzgu, zaburzenia rytmu serca),
nadcinienie, arterioskleroza
procesy karcynogenne
cukrzyca z uszkodzeniami wystpujcymi w jej nastpstwie, zaburzenia w
przemianie tuszczw
schorzenia neurodegeneracyjne (choroba Alzheimera, Parkinsona, stwardnienie
rozsiane, niewydolno mzgu z osabieniem pamici i zdolnoci do
koncentracji, oglny stan wyczerpania)
reumatoidalne zapalenie staww, artroza
choroby ukadu pokarmowego (chroniczny stan zapalny trzustki, toksyczne i
zapalne schorzenia wtroby, nieyt odka, wrzody odka i dwunastnicy,
choroba Crohna, wrzodziejce zapalenie jelita grubego
infekcje (wirusowe, grzybice, AIDS, malaria,) i stany zapalne
alergie
schorzenia autoimmunologiczne
schorzenia puc i ukadu oddechowego (chroniczne zapalenie oskrzeli i wkniste
schorzenia, schorzenia tkanki pucnej, astma)
przyspieszanie procesw starzenia si (tocze rumieniowy, zama, demencja
starcza), zewntrzne objawy starzenia si skry (sucha skra, zwiotczaa, spadek
jdrnoci i elastycznoci)
uszkodzenia mini wskutek intensywnego wysiku fizycznego
zama, zwyrodnienie plamki tej
choroby skrne (uszczyca, egzemy, uszkodzenia wkien kolagenowych i
elastylowych)
uszkodzenia biaka i DNA (zmiany w strukturze kodu genetycznego- mutacja
komrek)
2.6. Antyoksydanty
Organizm czowieka dysponuje naturalnymi mechanizmami obronnymi, ktre maj za
zadanie neutralizacj szkodliwego dziaania reaktywnych form tlenu. Jedn z najwaniejszych
rl w zmniejszaniu uszkodze oksydacyjnych w ludzkim organizmie speniaj antyutleniacze
(przeciwutleniacze). Antyutleniacze s to zwizki, ktre przy bardzo niskim steniu w
porwnaniu do utlenianego substratu opniaj lub zapobiegaj jego utlenieniu [82, 83].
2.6.1. Podzia antyoksydantw
Antyoksydanty moemy podzieli na dwie grupy zwizkw. Do pierwszej grupy
moemy zaliczy przeciwutleniacze, ktre przerywaj reakcje rodnikowe przez przekazanie
rodnikom atomw wodoru lub elektronw, co prowadzi do powstania zwizkw o wikszej
stabilnoci. Do takich zwizkw zaliczamy: fenole (galusany), hydrochinony,
trihydroksybutyrofenony i tokoferole. Do drugiej grupy zakwalifikowane zostay substancje,
36
ktre przejawiaj charakter synergistyczny. Wychwytuj tlen oraz chelatuj jony biorce
udzia w tworzeniu si rodnikw. Ich aktywno polega na przekazywaniu wodoru do
fenoksyrodnikw, dziki czemu przywracana jest im pierwotna aktywno
przeciwutleniajca. Do tej grupy moemy zaliczy substancje wychwytujce tlen: kwas
askorbinowy, palmitynian askorbylu, zwizki chelatujce metale, aminokwasy, flawonoidy,
witamin A, karotenoidy i wiele innych [82].
2.6.2. Mechanizm dziaania antyoksydantw
Antyoksydanty mog dziaa jako [82,84-86]:
substancje zapobiegawcze - dziki inhibicji reakcji utleniania wolnych rodnikw oraz
tworzenia wolnych rodnikw kwasw tuszczowych,
zwizki zrywajce acuchy - zapobiegaj kaskadzie reakcji samoutleniania,
wygaszacze tlenu singletowego,
substancje synergistyczne (z innymi antyutleniaczami),
reduktory - zamieniajc wodoronadtlenki w stabilne czsteczki,
zwizki chelatujce metale - przeksztacajce prooksydanty metali (zwizki promujce
lub powodujce utlenienie), np. pochodne elaza i miedzi, w stabilne produkty,
inhibitory enzymw bdcych prooksydantami, np. lipooksygenazy.
2.6.3. Karotenoidy jako antyoksydanty
Karotenoidy zaliczane s do antyoksydantw prewencyjnych oraz interwencyjnych
[87,88]. Karotenoidy wpywaj na procesy utleniania przez rodniki na drodze dwch
mechanizmw [89,90]:
redukcji, jak w przypadku wikszoci ROS (rodnikw: hydroksylowych,
alkoksylowych, nadtlenkw lipidw i fenoksylowych), ktre s wymiatane przez
-karoten,
utleniania, tak jak w przypadku anionu nadtlenkowego, s skutecznie wygaszane
przez astaksantyn.
Karotenoidy rozpatrywane s jako potencjalne elektronoakceptory [90]:
Car + O2 Car
+ O2
lub elektronodonory w warunkach stresu oksydacyjnego [90]:
Car + O2 Car
+ + O2
2.
Jako antyoksydanty, karotenoidy mog dziaa na trzy rne sposoby [91-93]:
transfer elektronw (ang. electron transfer, ET), powstaje kationorodnik
karotenoidowy (np. reakcja z NO2+):
Car + ROOCar
+ + OO
Kationorodnik karotenoidowy jest niereaktywny w odpowiednich warunkach
biologicznych, nie oddziauje z tlenem czsteczkowym, ulega reakcji dysmutacji, w
37
wyniku ktrej powstaje kation karotenoidowy na drugim stopniu utlenienia oraz
odtwarza si czsteczka karotenoidu [90]:
2 Car+ Car + Car
2+
addycja, w wyniku ktrej powstaje addukt rodnikowy (ang. radical adduct formation,
RAF) (np. reakcja z RS):
Car + ROO [ROOCar]
Nastpuje addycja wolnego rodnika do nienasyconego acucha karotenoidu, tworzy
si struktura stabilna rezonansowo, charakteryzujca si brakiem reaktywnoci wobec
tlenu.
przeniesienie atomu wodoru na rodnik (ang. hydrogen atom transfer, HAT), np.
reakcja z OH):
Car(H) + ROO Car
+ ROOH [94-96].
Zdolno karotenoidw do zmiatania ROS wynika z redukcji anionorodnika
ponadtlenkowego oraz wytworzenia anionorodnika karotenoidw tlenu czsteczkowego.
Aktywno karotenoidw polega w duej mierze na zapobieganiu utleniania frakcji
lipoprotein o niskiej gstoci (ang. low density lipoprotein, LDL), w tym cholesterolu i
obnieniu poziomu cholesterolu. Zahamowanie procesu utleniania frakcji LDL znacznie
ogranicza choroby ukadu krwiononego (ang. cardiovascular disease, CVD). W badaniach
epidemiologicznych stwierdzono zwizek midzy spoyciem wieych owocw, a
zmniejszeniem si ryzyka choroby wiecowej. Do najbardziej aktywnych przeciwutleniaczy,
ktre zapobiegaj utlenianiu frakcji LDL nale: likopen, luteina, -karoten, kryptoksantyna i
zeaksantyna [97]. Karotenoidy charakteryzuj si dziaaniem antymutagennym i
przeciwnowotworowym, szczeglnie dotyczy to raka puc. Karotenoidy wpywaj na
opnienie starzenia si naszego organizmu [98-101].
2.7. Karotenoidy
Karotenoidy s jednym z najbardziej rozpowszechnionych barwnikw wystpujcych
w przyrodzie. Nadaj barw od tej do czerwonej zarwno rolinom, jak i zwierztom [102-
105]. Pod wzgldem struktury chemicznej s wglowodorami. Syntetyzowane s przez
roliny, glony, grzyby oraz niektre mikroorganizmy. Dotychczas zidentyfikowano ponad
700 karotenoidw wystpujcych w rolinach, z czego 60 z nich wystpuje w codziennej
diecie, 20 mona wykry rwnie we krwi [102,106,107]. Dziesi procent wykazuje
aktywno jako prowitamina A [108-112].
Karotenoidy gromadz si gwnie, obok chlorofilu, w chloroplastach zielonych czci
rolin oraz w chromoplastach kwiatw, owocw, nasion i niekiedy korzeni. Odpowiedzialne
s za jesienne zabarwienie lici drzew, kiedy to zanika chlorofil i nastpuje zmiana barwy z
zielonej, tej, pomaraczowej i czerwonej do brunatnej [109-111]. Karotenoidy chroni
odygi oraz licie przed szkodliwym dziaaniem promieniowania UV, ktre przyczynia si do
produkcji wolnych rodnikw [112]. Wystpuj w najwikszych ilociach w marchwi,
papryce, pomidorach, brokuach, szpinaku, arbuzie, brzoskwiniach, algach, bananach, dzikiej
38
ry, dyni. S rwnie barwnikiem wystpujcym w upierzeniu flamingw, miniach ososia
i innych ryb, homarach, czy te w krewetkach. Zwierzta nie potrafi same syntetyzowa
karotenoidw. S one dostarczane do organizmw wraz z pokarmem. Skutkiem
nagromadzenia si barwnikw karotenoidowych u zwierzt jest wystpowanie
charakterystycznych barw, przede wszystkim u organizmw morskich, ptakw oraz owadw
[99]. W organizmach ywych karotenoidy zgromadzone s gwnie w wtrobie, gdzie w
wyniku procesw enzymatycznych nastpuje ich symetryczny rozpad do struktur
skadajcych si z 20 atomw wgla. Z tak powstaych jednostek aktywne biologicznie s
tylko te, ktre zawieraj minimum jeden niepodstawiony piercie -jononu (rys. 5). Takie
struktury przypominaj budow trans-retinol (rys. 6), czyli aktywn form witaminy A,
gromadz si w tkance podskrnej i s z niej pobierane w przypadkach niedoboru retinolu w
organizmach [113-115].
Rys. 5. Szkieletowy, prosty wzr strukturalny -jononu.
Rys. 6. Szkieletowy, prosty wzr strukturalny all- trans-retinolu.
2.7.1. Budowa karotenoidw
Ze wzgldu na budow chemiczn, karotenoidy zaliczane s do poliizoprenoidw
zawierajcych 8 jednostek izoprenowych (rys. 7) skadajcych si z 40 atomw wgla.
Karotenoidy mog wystpowa w formie acuchowej, zawiera jeden piercie -jononu na
kocu czsteczki lub mog przybra posta bicykliczn [115-117].
Rys. 7. Szkieletowy, prosty wzr strukturalny izoprenu.
Gwn cech budowy wszystkich karotenoidw jest liniowy ukad sprzonych
wiza podwjnych, ktry stanowi rodkowy fragment czsteczki. Osiem jednostek
39
izoprenowych poczonych jest ze sob tak, e na rodku zwizku nastpuje odwrcenie tego
ukadu [102].
W karotenoidach, -elektrony s zdelokalizowane wzdu caego acucha
polienowego. Cecha ta nadaje tym zwizkom unikalne waciwoci chemiczne, takie jak
pochanianie wiata, co odgrywa wan rol w procesach fotosyntezy u rolin jak i innych
organizmw oraz odpowiada za ich kolor. Barwa karotenoidw zaley od liczby sprzonych
wiza podwjnych. Wraz ze wzrostem ich absorpcji zwizki przybieraj barw od tej,
przez pomaraczow do czerwonej [102]. Zwizki te s nierozpuszczalne w wodzie,
natomiast bardzo dobrze rozpuszczaj si w tuszczach, z ktrymi czsto tworz estry [111].
2.7.2. Podzia karotenoidw
Ze wzgldu na rnice w acuchu poliizoprenoidowym, karotenoidy moemy
podzieli na dwie grupy. Pierwsza to zwizki zawierajce jedynie atomy wgla i wodoru o
wzorze sumarycznym C40H56, najczciej to izomery all-trans, ktre s termodynamicznie
bardziej stabilne [112,113]. Grup t nazywamy karotenami. Istnieje moliwo zmiany
izomerii na cis-trans w podwyszonej temperaturze lub w obecnoci intensywnego
promieniowania. Izomery cis wystpuj w warzywach i owocach, s to te produkty
przemiany metabolicznej poywienia [114]. Ze wzgldu na tak budow karotenoidy s
substancjami mao polarnymi, absorbuj promieniowanie o wyszej dugoci fali [115]. Do
pierwszej grupy karotenoidw zalicza si zwizki, ktre charakteryzuj si krtszym
acuchem wglowym. Druga grupa zwizkw nazywana ksantofilami, zawiera minimum
jeden atom tlenu, znajdujcy si np. w grupie hydroksylowej (w tym hydroksymetylowej,
karbonylowej i karboksylowej). Ksantofile s szeroko wystpujc w naturze grup
zwizkw, wykazujc podobiestwo zarwno chemiczne, biochemiczne, jak rwnie
fizykochemiczne [112,113]. Ksantofile s bardziej polarne, poniewa grupy tlenowe
przyczone s do struktur piercieniowych. Absorbuj promieniowanie o niszych
dugociach fali ni wikszo karotenoidw [115].
2.7.3. Biosynteza karotenoidw
A 95% karotenoidw, powstaje w wyniku procesu kondensacji dwch czsteczek
difosforanu digeranylu (GGPP, C20PP), konsekwencj czego jest symetryczny szkielet fitoenu
C40 (rys. 8) [115]. Proces ten zachodzi w obecnoci syntazy fitoenu (PSY). Powstay fitoen
ulega 4-stopniowej przemianie w wyniku reakcji katalizowanej oksydazami, nastpstwem
czego jest powstanie czsteczki likopenu. W wyniku reakcji cyklizacji powstaje -karoten i -
karoten. W kolejnych etapach -karoten w reakcji hydroksylacji przeksztacany jest w
zeaksantyn, natomiast -karoten - w lutein. Enzym epoksydaza zeaksantyny przeksztaca
zeaksantyn w anteraksantyn i wiolaksantyn. U rolin wyszych wiolaksantyna
przeksztacana jest podczas reakcji syntazy neoksantynowej w neoksantyn. Przy udziale
duej iloci wiata wiolaksantyna moe ulec powrotnej przemianie w anteraksantyn za
pomoc aktywnej deepoksydazy wiolaksantynowej (VDE). Przemiana wiolaksantyny i
zeaksantyny nazywana jest cyklem ksantofilowym. Przy niedoborze wiata lub w ciemnoci
przemiana zeaksantyny do wiolaksantyny jest faworyzowana, konsekwencj czego jest
wysoka zawarto wiolaksantyny. Gdy rolina przebywa w silnie nasonecznionym miejscu,
40
wiolaksantyna przeksztacana jest w zeaksantyn. Stosunek zeaksantyny i wiolaksantyny jest
ocen stresu, wywoanego np. zmian temperatury otoczenia, czy dostpnoci wody [116].
Druga grupa karotenoidw powstaje na drodze syntezy 2 czsteczek difosforanu farnezylu
(FPP, C15PP). W wyniku tego procesu tworzy si acuch zawierajcy 30 atomw wgla.
Powszechno tej grupy czsteczek ogranicza si do bakterii z rodziny Staphylococcus,
Streptococcus, Methylobacterium oraz Heliobacterium [117].
Rys. 8. Biosynteza karotenoidw [117-119].
2.7.4. Waciwoci karotenoidw oraz ich zastosowanie
Karotenoidy s zwizkami wielokrotnie nienasyconymi, charakteryzuj si wysok
niestabilnoci w obecnoci wiata, temperatury oraz innych czynnikw utleniajcych. W
takich wanie warunkach karotenoidy ulegaj licznym reakcjom izomeryzacji, w wyniku
ktrych powstaj zwizki bdce mieszanin struktur cis i trans, charakteryzujcych si
-karoten
-karoten
zeinoksantyna
luteina
-karoten
-karoten
-kryptoksantyna
zeaksantyna
anteraksantyna
neoksantyna
15-cis-fitoen
9,15-di-cis-fitofluen
9,15,9-tri-cis--karoten
7,9,9-tri-cis-neurosporen
all-trans-likopen
difosforan digeranylu
41
sabsz barw i nisz aktywnoci biologiczn. Karotenoidy s nie tylko barwnikami
nadajcymi kolor rolinom oraz niektrym zwierztom, ale peni rwnie wiele innych
wanych rl [118].
Karotenoidy wystpujce obok chlorofilu w chloroplastach speniaj wane funkcje.
S fotoreceptorami, ktre bardzo dobrze absorbuj promieniowanie UV-Vis i w wyniku
przejcia w fazie jasnej fotosyntezy. Dziaaj jako fotoprotektory, gdy w wyniku przej
tryplet-tryplet, pochaniaj energi ze wzbudzonych stanw chlorofilu, a nastpnie j
rozpraszaj, dziki czemu chroni chloroplasty i chlorofile przed powstawaniem szkodliwego
tlenu singletowego [119].
U ludzi i zwierzt karotenoidy spoywane w odpowiednich ilociach zostaj
zaabsorbowane przez komrki bony luzowej, aby w formie niezmienionej, pojawi si w
tkankach obwodowych organizmu, co sprawia, e bior udzia w obiegu materii [120].
Karotenoidy, ktre zawieraj niepodstawione piercienie -jononu s u ludzi i zwierzt
prekursorami witaminy A, ktrej niedobr prowadzi do nieprawidowej keratynizacji skry,
uszkodzenia nabonkw drg oddechowych i pokarmowych oraz powoduje uszczyc,
amliwo paznokci i wiele innych chorb. Retinol jest wan substancj, ktra pomaga w
procesach widzenia, a jego niedobr prowadzi do kurzej lepoty, zamy, suchoci oka oraz
zwyrodnienia plamki tej [121]. Karotenoidy jako aktywne formy witaminy A zostaj
zaabsorbowane, a nastpnie metabolizowane do retinolu przez komrki bony luzowej jelit
[113]. Na wydajno absorpcji wpywa obecno tuszczu, gdy karotenoidy s zwizkami
lipofilowymi, a ponadto s one wchaniane przez organizm tylko w obecnoci sprzonych
soli kwasu ciowego [122]. Na podstawie bada stwierdzono, e prawidowa absorpcja
karotenoidw wymaga obecnoci miceli o odpowiedniej wielkoci oraz charakterze
rozproszenia, gdy tylko w takim wypadku nastpi wchonicie ich przez komrki jelitowe
[122]. U czowieka i innych organizmw karotenoidy wpywaj pozytywnie na regulacj
odpowiedzi immunologicznej oraz przekazywanie sygnaw pomidzy komrkami
prowadzcych do zmian fizjologicznych, morfologicznych i rozwojowych. Dziki tym
dobroczynnym waciwociom, karotenoidy chroni przed wieloma chorobami dzisiejszych
czasw: rakiem, chorobami serca oraz uszkodzeniami wielu struktur komrkowych, takich
jak biaka, lipidy czy kwasy nukleinowe [121,122].
Karotenoidy znajduj szerokie zastosowanie w przemyle spoywczym jako barwniki
i aromaty, w przemyle farmaceutycznym jako suplementy diety, przemyle kosmetycznym
jako skadniki wielu preparatw myjcych, ochronnych czy nadajcych koloryt skrze, jako
skadniki pokarmu dla zwierzt oraz w medycynie [122].
W organizmach ludzkich karotenoidy gromadzone s gwnie w komrkach tkanek
tuszczowych oraz w wtrobie, mona je znale rwnie w pucach, nerkach, szyjce macicy
czy prostacie. Wystpuj take w warstwie rogowej naskrka. Potwierdzaj to badania
dokonane przy uyciu spektroskopii Ramana. Zaobserwowano, e w skrze ludzi zawarto
karotenoidw jest zrnicowana. Darvin i wsp. [123] stwierdzili, e stenie tych zwizkw
jest silnie powizane ze stylem ycia prowadzonym przez probantw. Regularne spoywanie
owocw i warzyw oraz aplikacja kosmetykw zawierajcych prowitamin A zwiksza
zawarto tych zwizkw w skrze. Natomiast silny stres, bezsenno, palenie papierosw
oraz picie alkoholu powoduje obnienie ich stenia w skrze badanych. Odnotowano
rwnie zmienn zawarto karotenoidw w rnych czciach ciaa pokrytych warstw
42
rogow naskrka, co jest take zwizane z odmiennym trybem ycia badanych (ekspozycja na
soce oraz zanieczyszczenie powietrza). Spektroskopia Ramana wykazaa, e czci ciaa
charakteryzujce si wysokim zagszczeniem gruczow potowych oraz ojowych (np. czoo
oraz donie) maj najwysze stenie karotenoidw w skrze, poniewa rozpuszczalne w
lipidach karotenoidy dostarczane s przez gruczoy do powierzchni skry [123].
Zastosowanie preparatw zawierajcych karotenoidy prowadzi do zwikszenia
odpornoci na promieniowanie UV, poniewa zwizki te niszcz powstajce pod jego
wpywem wolne rodniki. Na podstawie bada wykorzystujcych technik spektroskopii
Ramana stwierdzono degradacj -karotenu zawartego w skrze po 30 minutach nawietlania
promieniowaniem UV. Natomiast likopen degradowa po 30-90 minutach w zalenoci od
probanta [124].
Na podstawie bada Darvina oraz wsp. [125] stwierdzono, e aplikacja kremw oraz
przyjmowanie suplementw diety zawierajcych karotenoidy powoduje wzrost ich stenia w
skrze probantw. Po aplikacji kosmetykw odnotowano okoo 35% wzrost barwnikw w
skrze czoa oraz 30% wzrost w skrze policzkw. Wiksza zawarto karotenoidw w
skrze czoa jest zwizana z umiejscowieniem wikszej iloci potu oraz gruczow ojowych,
ktre transportuj badane przeciwutleniacze. Natomiast stenie karotenoidw po
zastosowaniu suplementacji spowodowao wzrost ich stenia do okoo 80% w skrze czoa,
70% w skrze policzkw [125]. Jak zaobserwowano, stosowanie kosmetykw zawierajcych
karotenoidy sprawio, e skra badanych zawieraa nisze stenie tych zwizkw w
porwnaniu z przyjmowaniem suplementacji. Wynika to z faktu, e karotenoidy stosowane
miejscowo s przechowywane w warstwie rogowej naskrka krtki czas. Ich ilo zostaje
zmniejszona w wyniku zuszczania skry (czynnoci higieniczne, regeneracja naskrka oraz
uszkodzenia mechaniczne oraz stae naraenie na czynniki zewntrzne). Oglnoustrojowa
suplementacja dociera do tkanki tuszczowej ciaa, z ktrej powoli przedostaje si na
powierzchni skry z potem oraz ojem jak rwnie przez ukad krenia. Najlepszym
dziaaniem majcym na celu uzupenienie brakujcych antyoksydantw jest poczenie obu
metod. Poczenie stosowania suplementacji oraz kosmetykw spowodowao wzrost stenia
karotenoidw badanych w skrze czoa do okoo 70% oraz w skrze policzkw do 100%
[125].
2.7.5. Zastosowanie karotenoidw w przemyle kosmetycznym
Przemys kosmetyczny, poszukuje nowych substancji aktywnych charakteryzujcych
si cennymi waciwociami. Do takich substancji nale karotenoidy. Poniej opisano
dziaanie karotenoidw na skr.
Przeciwstarzeniowe i odmadzajce [126-127]:
stymuluj fibroblasty do syntezy kolagenu i elastyny, co powoduje wygadzenie
zmarszczek, w tym zmarszczek gbokich, tzw. kurzych apek wok oczu,
zmarszczek mimicznych oraz wzrost gstoci, jdrnoci i elastycznoci skry,
naprawiaj i odbudowuj zniszczone pod wpywem promieniowania UV wkna
kolagenowe i elastynowe. S odpowiedzialne za pogrubienie i renowacj skry,
wpywaj na zwikszenie produkcji kolagenu i elastyny. Wykazuj siln aktywno
43
hamujc w stosunku do kolagenozy i elastazy - enzymw zwizanych z degradacj
kolagenu i elastyny. Chroni skr przed utrat jdrnoci i przedwczesnymi
zmarszczkami,
pobudzaj do normalizacji oraz stymulacji proces odnowy zrogowaciaego i
uszkodzonego pod wpywem dziaania soca naskrka. Skra staje si gadka i
mikka. Karotenoidy wzmacniaj funkcje ochronne naskrka oraz zmniejszaj
przeznaskrkow utrat wody (TEWL). Dobrze nawodniony naskrek staje si gadki,
jdrny, sprysty oraz elastyczny. Skra wyglda lepiej, zdrowiej i modziej,
chroni skr przed szkodliwym dziaaniem wolnych rodnikw, ktre powoduj jej
przedwczesne starzenie si (degradacja kolagenu, elastyny i fibryliny-1),
pobudzaj naturalne mechanizmy, ktre chroni skr przed negatywnym dziaaniem
soca oraz zwikszaj odporno i przyspieszaj procesy gojenia skry,
normalizuj prac gruczow ojowych - poprawiaj gospodark lipidami skry suchej
i tustej.
Depigmentacyjne [127]:
wpywaj na zmniejszenie rozmiarw melanocytw oraz redukcj iloci melaniny -
barwnika skry, ktry produkowany w nadmiarze powoduje tworzenie niepodanych
przebarwie; redukuj posoneczne i hormonalne przebarwienia,
zmniejszaj rwnie przebarwienia pozapalne, np. przebarwienia potrdzikowe.
Przeciwtrdzikowe [128]:
przeciwdziaaj wolnym rodnikom, ktre atakuj lipidowe skadniki sebum,
powodujc powstawanie produktw dranicych skr oraz reakcje zapalne (trdzik),
normalizuj prac gruczow ojowych, obniaj tendencj do powstawania
zaskrnikw i wypryskw,
oczyszczaj ujcia mieszkw wosowych. Pory skry ulegaj zweniu, reguluj i
przyspieszaj proces eksfoliacji naskrka, zapobiegajc zmianom trdzikowym.
2.8. -karoten
-karoten jest bezpieczn odmian karotenu, organizm przetwarza tylko tak jego
ilo, jak potrzebuje. Charakteryzuje si tym zabarwieniem. Absorbuje wiato o dugoci
fali = 450 nm. -karoten charakteryzuje si silnymi waciwociami antyoksydacyjnymi.
rdem pokarmowym -karotenu s midzy innymi: marchew, sodkie ziemniaki, papryka
czerwona, arbuz, morele, dynia, brzoskwinia, papaja oraz szpinak [129, 130]. Pierwszy raz
naturalny -karoten zosta wyekstrahowany z marchwi przez Wackenrodera w 1931 roku
[131], jego pierwsza forma syntetyczna zostaa otrzymana w 1950 roku [131], natomiast ju
od 1954 roku by on produkowany na skal przemysow jako barwnik o szerokim
zastosowaniu [132].
44
2.8.1. Budowa
-karoten zbudowany jest z 40 atomw wgla, zawiera 11 sprzonych i 2
niesprzone podwjne wizania (rys. 9). Jest zwizkiem o dwch piercieniach -jononu,
stwierdzono wystpowanie szeciu wiza dodatkowych bocznych z grupami metylowymi -
CH3 [132].
Rys. 9. Szkieletowy, prosty wzr strukturalny -karotenu.
Struktura -karotenu podobna jest do all-trans-retinolu, czyli aktywnej formy witaminy
A i wanie dlatego -karoten jest jej gwnym prekursorem w organizmie [133-136].
Przemiana -karotenu w witamin A zachodzi na drodze enzymatycznej (rys. 10). 15,15-
deoksygenaza powoduje symetryczne, oksydacyjne rozerwanie wizania podwjnego, ktre
znajduje si na rodku czsteczki, czyli wizania C15-C15. W wyniku tej reakcji otrzymuje
si dwie czsteczki retinalu, ktry jest redukowany do retinolu oraz aktywnej formy witaminy
A, czyli kwasu retinowego. Proces ten zachodzi w wtrobie, ale tylko w takich ilociach, na
jakie jest zapotrzebowanie organizmu. Nadmiar -karotenu gromadzi si w tkance podskrnej
i jest wykorzystywany w przypadku niedoborw retinolu [135,136].
-karoten ulega rwnie niesymetrycznemu oksydacyjnemu rozciciu na wizaniu
C13-C14, tylko wtedy gdy znajduje si ono w konfiguracji cis. Z czsteczki -karotenu
mog powsta 6-apo-8-karotenal, 6-apo-12-karotenal lub 6-apo-14-karotenal [137].
45
Rys. 10. Drogi rozpadu -karotenu w wtrobie [137].
2.8.2. Waciwoci i zastosowanie
-karoten [138]:
pozytywnie wpywa na funkcjonowanie systemu immunologicznego,
wspomaga prawidowe funkcjonowanie narzdu wzroku,
redukuje ilo komrek nowotworowych w organizmie ludzkim,
chroni wycik przewodu pokarmowego i drg oddechowych przed
infekcjami,
zapobiega rozedmie puc i bronchitowi,
powoduje obnienie poziomu cholesterolu,
sprzyja prawidowemu rogowaceniu nabonkw,
opnia procesy starzenia si.
Stwierdzono, e -karoten ogranicza ryzyko zachorowania na choroby nowotworowe,
oraz przyczynia si do zahamowania promocji oraz progresji nowotworw [139]. Zauwaono,
e wyej wymieniony karotenoid powoduje zwikszenie produkcji komrek cytotoksycznych,
stymuluje je do produkcji duych iloci cytokin oraz uatwia ich migracj do komrek
rakowych. W ten sposb dochodzi do niszczenia proliferujcej formy guza. Stwierdzono, e
-karoten charakteryzuje si waciwociami supresji innych onkogenw. Ponadto spenia
istotn rol w kontroli aktywnoci genu - biaka p53. -karoten pobudza do dziaania syntez
niektrych biaek szoku termicznego np. hsp70 [135]. -karoten stosowany jest rwnie w
leczeniu schorze zwizanych z nadwraliwoci na wiato, takich jak: protoporfiria
46