Полісахариди з морського середовища з фармакологічним, космецевтичним та нутрицевтичним потенціалом

Надія Руокко

1 Відділ біології та еволюції морських організмів, Stazione Zoologica Антон Дорн, Вілла Комунале, 80121 Неаполь, Італія; [email protected]

2 Біологічний факультет Неаполітанського університету Федеріко II, Університет Комплессо Монте Сант'Анджело, Via Cinthia, 80126 Неаполь, Італія

3 відділ біоорганічної хімії, Інститут біомолекулярної хімії-CNR, Via Campi Flegrei 34, Pozzuoli, 80078 Неаполь, Італія

Сьюзен Костантіні

4 CROM, Istituto Nazionale Tumori “Fondazione G. Pascale”, IRCCS, 80131 Неаполь, Італія; [email protected]

Стефано Гуарініелло

5 Dipartimento di Biochimica, Biofisica e Patologia Generale, Seconda Università degli Studi di Napoli, 80131 Неаполь, Італія; ti.liamtoh@raug_ets

Марія Костантіні

Анотація

1. Вступ

Морські види становлять близько половини світового біорізноманіття, містять різні та репрезентативні види і належать до основних таксонів, що також містять величезну кількість мікробів та вірусів. Близько 70% поверхні Землі покрито океанами, що відповідає приблизно 90% біосфери і є чудовим джерелом нових сполук. В останні десятиліття морські організми широко досліджувались як потенційні джерела нових біоактивних сполук [1]. Протягом своєї еволюції різні морські організми, такі як бактерії, макро- та мікроводорості, губки та риби, розробили різні види захисних механізмів, заснованих на використанні великої кількості специфічних та потужних природних молекул, які дозволяють їм виживати у ворожому середовищі що включає екстремальні умови, що включають різний ступінь солоності, тиску, температури та світла [2], а також мікробні та вірусні атаки.

Таким чином, морські організми є багатим джерелом для відкриття нових природних сполук, що включають як малі молекули (терпеноїди, поліефіри, полікетиди, ліпопротеїди, так і дрібні антимікробні пептиди), які зазвичай використовуються як захисні системи від хижаків, і макромолекули з біотехнологічним потенціалом, такі як білки, глікопротеїни та полісахариди, які також були ідентифіковані. Ці молекули не використовуються в захисних системах, але вони виконують інші важливі біологічні ролі в морських організмах як рецептори клітинної поверхні [3], у розвитку та диференціації клітин [4] та вродженій системі імунітету [5]. Вони, ймовірно, представляють дуже давню захисну систему, реорганізовану під час еволюції [6,7], завдяки безпосередньому контакту морських організмів із навколишнім середовищем, яке має високі концентрації бактерій, патогенних вірусів та грибів.

Значна кількість ліків або ліків було виділено з наземних організмів, тоді як набагато менше ліків або ліків було отримано з морських джерел. Це на відміну від високого рівня біорізноманіття в морському середовищі, що пропонує великі можливості для відкриття морських природних продуктів. Це пов’язано головним чином з тим, що морське середовище ще не було досліджено настільки широко, як потенційне джерело потенційних ліків або наркотиків. Тим не менше, з морських організмів отримано різноманітні сполуки, які зараз вивчаються та перебувають на просунутих стадіях клінічних випробувань. Деякі з них уже продаються як наркотики [8,9,10].

Серед морських сполук морські вуглеводи вважаються важливими органічними компонентами морських відкладів [11,12]. У біосфері вуглеводи є основними органічними сполуками, що виробляються фотосинтетичними організмами, що використовуються як джерело енергії для гетеротрофних організмів [13,14]. Вони також важливі через участь у імунній системі, заплідненні та зберіганні їжі. Оскільки вуглеводи поширені повсюдно і в достатку, вони відіграють важливу роль у біогеохімічних циклах, що відбуваються в товщі морської води та межі осаду і води. У морській системі загальні вуглеводи присутні в моносахаридних, дисахаридних і полісахаридних формах [15,16,17] і є одними з найважливіших органічних сполук, що утворюються в результаті фотосинтезу в морських живих організмах.

Вуглеводи приділяють широку увагу і широко вивчаються багатьма дослідниками у всьому світі [11,18,19,20,21]. Ряд цих досліджень було зосереджено на взаємозв'язку між вуглеводами та органічним вуглецем та на їх розподілі [22]. З різних класів полісахариди відіграють роль зберігання та структурних функцій як морських, так і наземних організмів. Глікоген і крохмаль є полісахаридами для зберігання, тоді як структурними одиницями є такі полісахариди, як целюлоза та хітин. Форми зберігання вуглеводів нестійкі. Вони використовуються та деградуються in situ гетеротрофними організмами, поки вони відкладають органічну речовину з поверхні на глибину [23]. Окрім полісахаридів, моносахариди корисні для людини і можуть вилікувати багато захворювань, головним чином тих, що пов’язані з дефіцитом метаболізму, таких як діабет [24].

У цьому огляді ми описуємо сучасні досягнення у використанні морських полісахаридів (включаючи хітин, хітозан, фукоїдан, карагенан та альгінат; рис. 1) для нутрицевтичних, космецевтичних та фармакологічних застосувань.

Морські полісахариди, що представляють інтерес для космецевтичного, нутрицевтичного та фармакологічного застосування. Також повідомляється про джерела морського організму.

2. Косметичні аплікації

Косметика - це засоби, що застосовуються для людського тіла для його очищення, прикраси та зміни зовнішнього вигляду, не впливаючи на його структуру та функції. Деякі (наприклад, сонцезахисні креми або шампуні проти лупи) також можна використовувати для профілактики деяких захворювань, наприклад, стосовно структури людської шкіри, і в цих випадках вони також розглядаються як наркотики. Враховуючи це, Клігман ввів термін "космецевтичний препарат" близько 20 років тому, щоб визначити косметичні засоби, що застосовуються для особистої гігієни та мають поєднання косметичних та фармацевтичних цілей [26,27,28,29]. Космецевтичні препарати містять активні інгредієнти у формі кремів, лосьйонів та мазей, а також косметичні продукти, що підлягають їжі, які пропонуються у вигляді рідин, таблеток та/або функціональних продуктів. Вони складаються з інгредієнтів або поживних речовин, корисних для зміцнення здорової шкіри, волосся та нігтів на клітинному рівні, включаючи в якості основних інгредієнтів вітаміни, мінерали, рослинні екстракти та антиоксиданти (Рисунок 2).

Косметичне та нутрицевтичне застосування морських полісахаридів.

Останнім часом споживачі виявляють великий інтерес до нових біоактивних сполук із морських природних джерел, а не від синтетичних інгредієнтів, завдяки їх відчутній корисній дії. Морські організми були продемонстровані як багаті джерела структурно різноманітних біологічно активних сполук з великим космецевтичним потенціалом [30,31,32]. Зростаючі досягнення морських біотехнологій пропонують велику допомогу в дослідженнях старіння, запалення та деградації шкіри, пов’язаних із вільними радикалами. У той же час дерматологічні дослідження показують, що морські біоактивні інгредієнти, що використовуються у космецевтичних препаратах, можуть мати більші переваги, ніж традиційна роль зволожувача (наприклад, [28]).

З іншого боку, хітозан (лінійний полімер, отриманий частковим деацетилюванням хітину), складається з полісахаридних ланцюгів глюказаміну та N-ацетилглюкозаміну із вільними аміногрупами, взаємодіючи з іншими біологічними молекулами. Це катіонний полімер, чутливий до рН, який можна формувати у різні форми, включаючи кульки, гідрогелі, нановолокна та наночастинки. Як гідрогель, хітозан має чудові властивості поглинання води, що робить його цінним як зволожувач. Олігомери хітозану стимулюють вироблення фібробластів, надають переваги в загоєнні ран та виявляють антиоксидантну та металопротеїназну інгібуючу дію. Іншим важливим атрибутом хітозану є його широка антимікробна активність, що включає бактерії, дріжджі та гриби. Хітозан у формі наночастинок виконує роль системи доставки. Ці частинки допомагають захистити від факторів навколишнього середовища, таких як світло та окислення, і полегшують їх доставку до шкіри. Таким чином, хітозан був визначений промисловістю як новий інгредієнт, який багаторазово застосовується у косметичних препаратах [27,35].

Серед морських екзополісахаридів EPS, що секретується Alteromonas macleodii, вже знайшов застосування в косметиці [36,37]. Інші різні полісахариди, включаючи фукоїдан, карагенан, альгінат та агар, використовувались як засоби, що покращують текстуру, у космецевтичній промисловості для їх корисних косметичних ефектів. Насправді клітинні стінки морських водоростей багаті на різні біоактивні полісахариди: фукоїдани у бурих водоростей, карагенани у червоних водоростей і ульвани у зелених водоростей. Фукоидан з різних джерел бурих водоростей (Saccharina japonica, Fucus vesiculosus, Undaria pinnatifida та Hizikia fusiformis) та морських безхребетних, таких як морський огірок [30], представляє найпоширеніший полісахарид та найбільш комерційно доступний. Це високосульфатований полісахарид, що складається переважно з l-фукози, проявляючи різноманітну біологічну активність [34]. В останні роки досліджувались фукоидани з метою розробки нових косметичних засобів завдяки їх властивості реагувати з поверхнею шкіри, утворюючи захисний шар, що підсилює зволоження шкіри [34], при місцевому нанесенні на шкіру.

Карагенан являє собою один з найбільш вивчених сульфатованих полісахаридів з морських червоних водоростей у космецевтичній галузі [30,43]. Це сульфатований галактан, що складається з d -галактозних одиниць. Завдяки своїй фізичній та функціональній здатності та антиоксидантній активності, карагенан є важливим продуктом у косметичній та космецевтичній галузях промисловості, і використовується для його старіння, антиоксидантної та антиканцерогенної активності (див. Нижче). Желююча здатність карагенану корисна для отримання більш щільної текстури з більшою консистенцією у косметичному виробництві. Насправді в багатьох продуктах, таких як лосьйони для шкіри, в’яжучі для зубних паст та піни для гоління, використовується карагенан, виділений з морських водоростей [30,43].

Альгінат міститься в клітинних стінках морських організмів, таких як морські водорості. Він складається з двох одиниць гулуронової та мануронової кислот і сильно залежить від модифікації рН та температури. Перші застосування альгінатів у космецевтичній галузі датуються 1927 роком [30]. Альгінати мають широкий спектр застосування в космецевтичній промисловості завдяки своїй високій стійкості, загущуванню та властивостям гелеутворювачів [30]. Біологічна активність альгінатів тісно пов’язана з молекулярною масою, вмістом сульфатів та аніонними групами, які надають йому антиоксидантну активність [44]. Біоактивність альгінатів залежить від наявності молекулярних мас сульфатованого вмісту та аніонної групи, що робить антиоксидантну активність. Наприклад, він застосовується при пластиці шкіри в пластичній хірургії. Крім того, він застосовується у загоєнні ран, завдяки утворенню та розкладанню гідрогелю та забезпеченню вологого середовища для рани [45].

3. Застосування нутрицевтиків

Термін нутрицевтики походить від поєднання термінів "харчування" та "фармацевтична продукція". Це стосується продуктів харчування або харчових інгредієнтів, що мають медичну чи здоров’я користь. За допомогою підходів на основі харчових продуктів діють людині активні речовини з фармацевтичними властивостями для профілактики або лікування деяких захворювань, пов’язаних з їжею. Кілька активних сполук, що виробляються різними морськими організмами, відіграють важливу роль у застосуванні нутрицевтиків. Ці активні інгредієнти морського походження (включаючи поліненасичені жирні кислоти, полісахариди, поліфеноли, біоактивні пептиди та каротиноїди) відомі своєю протипухлинною, протизапальною, антиоксидантною та протимікробною активністю і застосовуються як нутрицевтики, наприклад, для боротьби з ожирінням [25, 46,47,48] (Рисунок 2).

Більшість країн Азії використовують макроводорості як їжу для споживання людиною. Мікроводорості також мають широке промислове застосування, наприклад, як желюючі, стабілізуючі та зв'язуючі речовини. Антиоксидантні властивості полісахаридів морських водоростей були важливим моментом у розробці їх як потенційних функціональних продуктів харчування та нутрицевтиків [49]. Важливо враховувати, що харчові волокна водоростей містять цінні харчові речовини. З цих причин в останні роки все більше уваги приділяється використанню морських водоростей як функціональних продуктів харчування для споживання людиною з нутрицевтичними та лікарськими засобами [52,53].

Червоні водорості, такі як Gelidium, Gracilaria, Hypnea та Gigartina, є основними джерелами агару [57,58]. Agar E406 застосовується у харчовій промисловості для утворення гелів та харчових ясен, а також харчових добавок завдяки своїм властивостям як емульгуючого та желюючого агента [59,60].

Нещодавно хитоолігосахарид (COS) досліджували в галузі нутрицевтиків з точки зору його протидіабетичних [61] та гіпохолестеринемічних [62] властивостей та пригнічення адипогенезу [63]. У харчовій промисловості хітозан та COS використовуються як дієтичні харчові добавки [64] та як дієтичні добавки для зменшення маси тіла та ліпідів у сироватці крові [48]. Важливість застосування хітозану залежить від того, що: (i) він не перетравлюється спеціально в шлунково-кишковому тракті, зв'язуючи та осідаючи жир у кишечнику, так що він не всмоктується; (ii) має властивість набухати, створюючи відчуття ситості в шлунку; (iii) здатний зменшити всмоктування харчового жиру в кишечнику через пригнічення активності ліпази підшлункової залози. Катіонний хітозан може зв'язуватися з жирними кислотами та жовчними кислотами, перешкоджаючи емульгуванню нейтральних ліпідів, таких як холестерин та інші стерини, зв'язуючи їх з гідрофобною взаємодією, зменшуючи тим самим кишкове всмоктування жиру та холестерину.