BIOTECHNOLOGIA W KOSMETOLOGII

BIOTECHNOLOGIA W
KOSMETOLOGII
SŁAWOMIR WIERZBA
TREŚĆ WYKŁADÓW
• Budowa i biologia skóry. Typy skóry. Funkcje skóry. Układ odpornościowy
skóry.
• Starzenie się skóry. Przenikanie przez skórę. Absorpcja skórna. Systemy
nośnikowe kosmetyków.
• Składniki aktywne w kosmetykach pochodzenia biotechnologicznego: kwasy
organiczne, witaminy, aminokwasy, enzymy.
• Wykorzystanie kultur in vitro do pozyskania substancji stosowanych w
kosmetologii
• Kosmetyki i nutriceutyki. Wzbogacanie żywności.
• Substancje zapachowe. Pozyskiwanie substancji zapachowych metodami
biotechnologicznymi.
2
LITERATURA
• Martini M-C. 2014. Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo
lekarskie PZWL.
• Marzec A. 2005. Chemia kosmetyków. Surowce, półprodukty, preparatyka
wyrobów. Wydawnictwo Dom organizatora. Toruń.
• Peters-Imke B. 2009. Kosmetyka. Wydawnictwo Rea. Warszawa.
• Malinka W. 1999. Zarys chemii kosmetycznej. Volumed sp. z o.o.. Wrocław.
• Kayser O., Muller R.H. 2003. Biotechnologia farmaceutyczna. Wydawnictwo
Lekarskie PZWL. Warszawa.
• Ratledge C., Kristiansen B. 2011. Podstawy biotechnologii. Wydawnictwo
Naukowe PWN.
3
STRUKTURA BIAŁKA
Pierwszo
rzędowa
Strukturę białek opisuje się
na czterech poziomach:
Drugorzędowa
Trzeciorzędowa
Czwartorzędowa
4
AMINOKWASY EGZOGENNE I ENDOGENNE
5
Imke P., 2002. kosmetyka – podręcznik do nauki zawodu. REA, Warszawa
AMINOKWASY SKŁADNIKI NMF
6
Martini M-C. 2014. Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo lekarskie PZWL
AMINOKWASY W KOSMETOLOGII
Działanie poszczególnych aminokwasów :
• Arginina - przeciwzapalna ,przyczynia się do pobudzenia komórek skóry
• Prolina - ma najwyższą zdolność wiązania wody
• Glicyna alanina prolina - aktywują syntezę kolagenu
• Leucyna , alanina , glicyna - antyoksydanty
• Seryna - reguluje płaszcz hydrolipidowy
• Lizyna - podnosi odporność skóry na wirusy
• Kwas glutaminowy - reguluje metabolizm lipidów i poziom glukozy
• Kwas asparginowy - wpływa na gospodarkę mineralną skóry
• PCA - silnie nawilżajacy , wiąże i zatrzymuje wodę w naskórku
• Walina - działa naprawczo
• Treonina - utrzymuje właściwą równowagę białek w organizmie, jest ważna
dla tworzenia kolagenu i elastyny
• Izoleucyna - pomaga w regeneracji skóry
• Histydyna - chroni organizm przed uszkodzeniami promieniowania UV,
pomaga w usuwaniu metali ciężkich
• Fenyloalanina - bierze udział w procesie melanogenezy
http://arkana.pl/aktualnosci/bioterapia-aminokwasowa
7
PRODUKCJA AMINOKWASÓW
Dylewska-Grzelakowska J., 1999. Kosmetyka stosowana. WSiP, Warszawa
8
GLUTAMINIAN SODU (MSG, E621)
• Sól sodowa kwasu l-glutaminowego
• Ponad 50% rocznej produkcji aminokwasów
• 1,5 mln t/rocznie
9
L-LIZYNA
• 675 000 t/rocznie
D,L-METIONINA
•
•
•
350 000 t/rocznie
dodatek do pasz białkowych (kukurydza, pszenica)
10g/dzień preparatu zwiększa zawartość białka w mleku 8-12%
10
PRZEMYSŁOWA PRODUKCJA AMINOKWASÓW
Metody produkcji aminokwasów
Biosynteza
Synteza chemiczna
Hydroliza białek
11
CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM
• Corynebacterium lilium
• Brevibacterium flavum
Corynebacterium glutamicum
• Brevibacterium lactofermentum
• Brevibacterium divaricatum
12
CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM
• Gram-dodatnie
• Katalazo-dodatnie
• O kształcie ziarniaków, krótkich pałeczek lub
maczugowców
• Nieruchliwe
• Nie wytwarzają spor
• Szybko rosną – w trakcie podziału tworzą
charakterystyczne formy „V”
• Nie hydrolizują skrobi i celulozy
• Charakteryzują się słabą aktywnością proteolityczną
• Należą do mezofili (28-30 0C)
• Niektóre szczepy do wzrostu wymagają biotyny, tiaminy
13
CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM
14
CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM
15
ZASTOSOWANIE CORYNEBACTERIUM GLUTAMICUM
• Produkcja przemysłowa kwasu glutaminowego
• Produkcja przemysłowa L-lizyny
• Produkcja kwasu pantotenowego
• Bioremediacja arsenu
• Produkcja biodegradowalnych plastików,
16
BIOSYNTEZA KWASU GLUTAMINOWEGO
•
Czynnik wyzwalający (np. zmniejszenie dostępności biotyny, penicylina, Tween 40)
•
Hamowanie ekspresji dehydrogenazy α-ketoglutarowej
•
Nadmierne gromadzenie glutaminianu w komórce
•
Wydzielanie glutaminianu
GLUKOZA
Pirogronian
Fosfoenolopirogronian
Karboksylaza
fosfoenolopirogronianiu
CO2
Dehydrogenaza
pirogronianowa
Szczawiooctan
Acetylo-CoA
Jabłczan
Cytrynian
CO2
Bursztynylo-CoA
Dehydrogenaza
ketoglutarowa
α-ketoglutaran
Dehydrogenaza
L-glutaminowa
L-glutaminian
17
PRZEMYSŁOWA PRODUKCJA GLUTAMINIANU
• Fermentacja jednostopniowa – hodowla okresowa z zasilaniem
• Niskie stężenie biotyny do 5 μg/dm3
• Źródło węgla: melasa buraczana o niskim stężeniu biotyny
• Źródło azotu (siarczan amonu)
• Odpowiednie warunki procesu: napowietrzanie, temperatura 30 0C,czas 40-72h
• Wydajność konwersji sacharozy w glutaminian – ok. 50%
• Stężenie kwasu glutaminowego w pożywce do 100 g/dm3
18
BIOSYNTEZA LIZYNY
19
BIOSYNTEZA LIZYNY
kinaza asparaginowa
dehydrogenaza homoserynowa
kinaza homoserynowa
20
SYNTEZA PREKURSORÓW LIZYNY
21
PRODUKCJA LIZYNY
22
OTRZYMYWANIE PREPARATÓW HANDLOWYCH LIZYNY
23
INNE AMINOKWASY OTRZYMYWANE DROGĄ FERMENTACJI
• Treonina – rekombinowane szczepy E. coli
• Kwas asparaginowy – immobilizowane w żelu komórki E. coli
• L-Alanina – immobilizowany szczep Pseudomonas dacunhae
24
BIAŁKA W KOSMETOLOGII
•
•
•
•
Dipeptydy – 2 aminokwasy
Oligopeptydy – 10 aminokwasów
Polipeptydy – „wiele” aminokwasów
Proteiny – 100 i więcej aminokwasów
Dylewska-Grzelakowska J., 1999. Kosmetyka stosowana. WSiP, Warszawa
25
KOLAGEN
•
•
•
•
•
Prolina
Arginina
Lizyna
Glicyna
Hydroksyprolina
Martini M-C. 2014. Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo lekarskie PZWL
Żelaszczyk D., Waszkielewicz A., Marona H. 2012. Kolagen – struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej. Estetol. Med. Kosmetol.. 2(1): 14-20
26
ODMIANY KOLAGENU
•
•
•
•
Kolagen naturalny – tropokolagen
Kolagen bez telopeptydów – atelokolagen
Kolagen nierozpuszczalny
Hydrolizaty kolagenowe
Źródła kolagenu:
• Surowce łącznotkankowe bydła
• Produkty uboczne uboju trzody chlewnej
• Surowce łącznotkankowe ryb
Martini M-C. 2014. Kosmetologia i farmakologia skóry. Wydawnictwo lekarskie PZWL
Wysocki T., Sacewicz I., Wiktorska M., Niewiarowska J., 2007, Ateokolagen jako potencjalny nośnik terapeutyków. Postępy Hig. Med. Dośw., 61: 646-654.
27
WYPEŁNIACZE KOLAGENOWE
Żelaszczyk D., Waszkielewicz A., Marona H. 2012. Kolagen – struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej. Estetol. Med. Kosmetol.. 2(1): 14-20.
28
INNE BIAŁKA W KOSMETOLOGII
• Żelatyna – hydrolizat kolagenu
• Elastyna:
• zawiera specyficzne aminokwasy: desmozynę i izodesmozynę
• otrzymywana z aort lub wiązadeł bydlęcych
• stosowana tylko w postaci hydrolizatów
• Proteoglikany – baza dla GAG
• Lipoproteiny – cząsteczki amfifilowe
29
PEPTYDY BIOMIMETRYCZNE
Syntetyczne modulatory wpływające na przyspieszenie i poprawę
mechanizmów naprawczych zachodzących bezpośrednio w komórkach
skóry
Podstawowym elementem składowym są aminokwasy
30
PEPTYDY
W każdym łańcuchu peptydowym możemy wyróżnić dwa końce. Jeden z
nich zawiera wolną grupę aminową NH2 i nosi nazwę końca N a drugi
zawiera grupę COOH i nosi nazwę końca C
http://www.derma-news.pl/pliki_pdf/nr_2012_41.pdf.
31
GUNTER BLOBEL
zapoczątkował badania dotyczące uzyskania tych
substancji.
W 1999 r. otrzymał Nagrodę Nobla za pracę nad
mechanizmem i identyfikacją wewnętrznych sygnałów
kierujących transportem i lokalizacją białek w komórkach
https://pl.wikipedia.org/wiki/G%C3%BCnter_Blobel.
32
PEPTYDY BIOMIMETRYCZNE
Swoiste substancje modulujące, które warunkują wszystkie procesy zachodzące w
żywych organizmach.
Wraz z wiekiem ilość naturalnych peptydów maleje lub uszkodzona zostaje ich
prawidłowa synteza a kontrolowane przez nie systemy naprawcze ulegają
osłabieniu i stopniowo zanikają. Proces ten w konsekwencji prowadzi do
obserwowanych zmian związanych m.in. z procesem starzenia się organizmu.
33
PEPTYDY BIOMIMETRYCZNE
To syntetyczne związki chemiczne działające na zasadzie wiernego
naśladowania naturalnych, obecnych w organizmie substancji sterujących
procesami metabolicznymi oddziałującymi bezpośrednio na komórki
docelowe.
Obecnie w medycynie estetycznej jest ponad 300 peptydów biomimetycznych.
Około 100 kolejnych jest w fazie badań.
34
PEPTYDY BIOMIMETRYCZNE
Znalazły zastosowanie ze względu na właściwości:
• przeciwstarzeniowe
• przeciwprzebarwieniowe
• powstrzymujące wypadanie włosów
• antycellulitowe
• redukujące tkankę tłuszczową
35
PEPTYDY O WŁAŚCIWOŚCIACH „ANTI-AGE”
http://www.derma-news.pl/pliki_pdf/nr_2012_41.pdf.
36
PEPTYDY LIKWIDUJĄCE PRZEBARWIENIA
http://www.derma-news.pl/pliki_pdf/nr_2012_41.pdf.
37
PEPTYDY POWSTRZYMUJĄCE PROCES WYPADANIA WŁOSÓW
http://www.derma-news.pl/pliki_pdf/nr_2012_41.pdf.
38
PEPTYDY ZWALCZAJĄCE CELLULIT
http://www.derma-news.pl/pliki_pdf/nr_2012_41.pdf.
39
MECHANIZM DZIAŁANIA PEPTYDÓW BIOMIMETRYCZNYCH
Peptydy sygnałowe
Inhibitory neurotransmiterów
Peptydy transportujące
40
PEPTYDY SYGNAŁOWE
Mają zdolność do inicjowania procesów wewnątrzkomórkowych oraz do
zwiększania syntezy kolagenu i elastyny w fibroblastach.
Są najczęściej fragmentami kolagenu i elastyny wbudowywanymi w czasie
biosyntezy tych białek.
Dostarczanie tego typu substancji z zewnątrz do skóry właściwej będzie
prowadziło do poprawienia wyglądu i napięcia skóry .
41
INHIBITORY NEUROTRANSMITERÓW
Prekursorem tej grupy peptydów jest toksyna botulinowa stosowana w
medycynie estetycznej w celu blokowania połączeń płytki nerwowo-mięśniowej,
usuwająca w efekcie zmarszczki mimiczne.
Wieloletnie prace badawcze nad działaniem toksyny botulinowej doprowadziły do
uzyskania peptydu o nazwie Argirelina.
Argirelina – heksapeptyd blokujący impuls w obrębie płytki nerwowomięśniowej.
Uzyskano zatem pochodną toksyny botulinowej, która nie wykazuje toksyczności
a ma do niej zbliżone działanie
42
PEPTYDY TRANSPORTUJĄCE
Transportują substancje niezbędne do prawidłowych procesów metabolicznych
zachodzących w skórze
Np. jony miedzi – niezbędne w procesach gojenia się ran, kluczowa funkcja w
tworzeniu kolagenu i elastyny
43
UZYSKIWANIE PEPTYDÓW BIOMIMETRYCZNYCH
Dla celów laboratoryjnych – w wyniku hydrolizy białek w udziałem enzymów
proteolitycznych
Dla celów przemysłowych stosuje się wieloetapową syntezę chemiczną. Jest to
proces złożony, dość kosztowny.
Powstawanie peptydów przez systemy bakteryjne.
Po rozszczepieniu peptydu od systemu bakteryjnego zostaje od poddany
remodelowaniu biomolekularnemu.
Uzyskuje się w ten sposób substancje pozbawione cech antygenowych,
wykazujące pełną aktywność biologiczną.
44
SCHEMAT SYNTEZY PEPTYDÓW BIOMIMETRYCZNYCH
http://www.derma-news.pl/pliki_pdf/nr_2012_41.pdf.
45
WPROWADZANIE PEPTYDÓW DO ORGANIZMU
•
•
•
•
W liposomach.
Metodami fizykalnymi: jonoforeza, fonoforeza, elektroforeza.
Mezoterapia igłowa
Mezoroller
http://www.laplaya.com.pl/?mezoterapia-iglowa,68
http://beauty-center.com.pl/mezo-roller-terapia-mikroiglowa-lifting-ujedrnianie-zabieg-na-twarz/
46
CZYNNIKI WZROSTU GFs
Substancje o budowie polipeptydowej wydzielane przez niektóre typy komórek.
Stymulują inne komórki do proliferacji.
Swoje działanie wywierają przez receptory znajdujące się w komórkach
docelowych.
Po związaniu z receptorem wytwarzane są mediatory przekazujące sygnał przez
błonę, co wpływa na ekspresję odpowiednich genów.
Obecnie w medycynie estetycznej obecne są dwa rodzaje czynników wzrostu:
• produkowane w procesie przez systemy bakteryjne
• pozyskiwane z osocza bogatopłytkowego
47
PROCES SYNTEZY CZYNNIKÓW WZROSTU
http://www.kosmetyki.e-bmp.pl/peptydy-w-kosmetykach,3936,art.html.
48
ENZYMY NAPRAWCZE DNA
• Zanieczyszczenia środowiska, np.: dym
papierosowy
• Promieniowanie UV, jonizujące
Czynniki
zewnętrzne
Uszkodzenia
DNA
• Powstawanie dimerów tyminy
• Utlenianie guaniny
• Powstawanie dimerów pirymidyny
Mechanizmy
naprawcze
•
•
•
•
Naprawa bezpośrednia, bez naruszenia ciągłości DNA
Naprawa z wycięciem nukleotydu
Naprawa z wycięciem zasady
Naprawa błędnie sparowanych zasad
49
WYKAZ ENZYMÓW NAPRAWCZYCH DNA STOSOWANYCH W
KOSMETYKACH
Ratz-Łyko A., 2015. Składniki aktywne pochodzenia biotechnologicznego w kosmetykach anti-age. WSZKiPZ, Warszawa..
50