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