Mikrobiom roślinny na straży bariery skórnej. Wykorzystanie endofitów do multiomicznej ochrony skóry

Kategoria: Badania i rozwój Premium
9 min. czytania

W dzisiejszym dynamicznym krajobrazie globalnym coraz bardziej widoczne jest, że świat funkcjonuje jako ogromna, wzajemnie połączona sieć napędzana dużymi ilościami danych. Technologia, handel i komunikacja stworzyły złożoną siatkę wielostronnych zależności między narodami. Informacje płyną swobodnie pomiędzy kontynentami, sprzyjając poczuciu wspólnych doświadczeń i zbiorowej świadomości. Efekt domina wydarzeń środowiskowych, ekonomicznych i społecznych ilustruje głęboki wpływ wzajemnych powiązań. Od skomplikowanych łańcuchów dostaw, które łączą producentów z konsumentami na całym świecie, po wyzwania związane ze zmianą klimatu, które wymagają wspólnych rozwiązań. Kultywowanie mentalności współpracy ma zasadnicze znaczenie, ponieważ działania w jednym zakątku świata nieuchronnie rezonują na całej naszej wspólnej planecie.

Symbioza między królestwami źródłem nowych inspiracji

Podobnie jak świat funkcjonuje jako rozległa, wzajemnie połączona na skalę globalną sieć, tak samo w złożonym i skomplikowanym ekosystemie rośliny, zwierzęta i mikroorganizmy utrzymują różnorodne relacje symbiotyczne między królestwami, niezbędne dla zachowania równowagi i witalności całego systemu. Doskonałym przykładem takiej symbiozy, niezwykle głośnym i popularnym w ostatnim czasie, jest choćby mikrobiom – czyli zespół drobnoustrojów zamieszkujących dane środowisko.

Najczęściej  wspomina się o nim w kontekście ludzkiego układu pokarmowego i mikroflory jelitowej, ale – jak doskonale wiadomo – mikrobiom odgrywa też kluczową rolę w utrzymaniu zdrowia i funkcjonowania skóry jako bariery ochronnej organizmu. Podobnego typu zależności symbiotyczne występują jednak nie tylko między mikroorganizmami a człowiekiem, ale także w królestwie roślin. Ich przykładem są endofity – przedstawiciele mikrobiomu żyjący w symbiozie z roślinami. W ramach stosunków endofitycznych, drobnoustroje rezydujące w tkankach roślinnych znacząco przyczyniają się do zachowania ich zdrowia oraz wytrzymałości ekosystemu. Mikroskopijni mieszkańcy roślin odgrywają kluczową rolę m.in. w obiegu składników odżywczych, odporności na choroby i ogólnym rozwoju roślin. Są oni również wyrazem delikatnej równowagi i wzajemnych zależności, które definiują świat przyrody. Badanie tej wzajemnej relacji między królestwami nie tylko odsłania dynamikę świata naturalnego, ale także otwiera szerokie spektrum nowych możliwości w dziedzinie kosmetyków.

Ten artykuł dostępny jest w całości w kwartalniku Świat Przemysłu Kosmetycznego

Zakup prenumeratę
Endofit to endosymbiont, często bakteria lub grzyb, który żyje w roślinie przez co najmniej część jej cyklu rozwojowego, nie powodując widocznej choroby żywiciela. Endofity są wszechobecne i znaleziono je we wszystkich badanych do tej pory gatunkach roślin. Szacuje się, że każdy gatunek rośliny zawiera od dwóch do szesnastu organizmów endofitycznych, ale w niektórych źródłach można spotkać się z wartościami dochodzącymi nawet do stu. Biorąc pod uwagę, że dotychczas znanych jest ok. 350 000 gatunków roślin wyższych, na świecie istnieją potencjalnie miliony organizmów endofitycznych, przy czym wiele z nich nie zostało jeszcze odkryte. Nieznana jest również większość relacji między endofitem a rośliną. Niektóre z nich mogą zwiększać wzrost swoich żywicieli, wpływać na pozyskiwanie składników odżywczych oraz poprawiać zdolność rośliny do tolerowania stresów abiotycznych, takich jak susza, a także zmniejszać stresy biotyczne, poprzez zwiększanie odporności roślin na owady, patogeny i zwierzęta roślinożerne. Endofity roślinne wykazują też niezwykłą zdolność do syntezy bioaktywnych związków chemicznych, które, oprócz swego wpływu na rozwój i metabolizm roślin, mogą również zostać wykorzystane jako wartościowe, zrównoważone i w pełni identyfikowalne źródło kosmetycznych substancji czynnych.

Endofit to endosymbiont, często bakteria lub grzyb, który żyje w roślinie przez co najmniej część jej cyklu rozwojowego, nie powodując widocznej choroby żywiciela. Endofity są wszechobecne i znaleziono je we wszystkich badanych do tej pory gatunkach roślin. Szacuje się, że każdy gatunek rośliny zawiera od dwóch do szesnastu organizmów endofitycznych, ale w niektórych źródłach można spotkać się z wartościami dochodzącymi nawet do stu. Biorąc pod uwagę, że dotychczas znanych jest ok. 350 000 gatunków roślin wyższych, na świecie istnieją potencjalnie miliony organizmów endofitycznych, przy czym wiele z nich nie zostało jeszcze odkryte. Nieznana jest również większość relacji między endofitem a rośliną. Niektóre z nich mogą zwiększać wzrost swoich żywicieli, wpływać na pozyskiwanie składników odżywczych oraz poprawiać zdolność rośliny do tolerowania stresów abiotycznych, takich jak susza, a także zmniejszać stresy biotyczne, poprzez zwiększanie odporności roślin na owady, patogeny i zwierzęta roślinożerne. Endofity roślinne wykazują też niezwykłą zdolność do syntezy bioaktywnych związków chemicznych, które, oprócz swego wpływu na rozwój i metabolizm roślin, mogą również zostać wykorzystane jako wartościowe, zrównoważone i w pełni identyfikowalne źródło kosmetycznych substancji czynnych.

Rys. 1. Schemat otrzymywania kosmetycznych składników aktywnych z roślinnych endofitów

Izolacja szczepów endofitycznych oraz badanie ich aktywności biologicznej w kontekście kosmetycznym zostały umożliwione dzięki przełomowej platformie biotechnologicznej, którą nazwano Triplobiome™. Wieloetapowy i ekologiczny proces, przedstawiony na rysunku 1, pozwala na wyodrębnienie mikrobiomu roślinnego z różnych gatunków i części roślin oraz jego dalszą analizę przesiewową pod kątem wykorzystania kosmetycznego. Co ważne, proces ten jest w całości prowadzony laboratoryjnie, zachowując roślinę żywicielską w przyrodzie, ograniczając zużycie wody oraz zapewniając zrównoważone pochodzenie uzyskanego w ten sposób składnika aktywnego. Pierwszym praktycznym przykładem wykorzystania tej technologii jest kosmetyczna substancja czynna oparta na fermentowanym ekstrakcie z Kwoniella mangroviensis (KMFE – Kwoniella Mangroviensis Fermented Extract) – endofitycznego drożdżaka wyizolowanego z wnętrza kory dębu korkowego (Quercus suber). Dęby korkowe są znane ze swojej długowieczności i mogą żyć kilka stuleci, a naturalną funkcją ich kory jest ochrona żywych części drzewa. Jej struktura pozwala skutecznie służyć jako izolacja i zwiększać przeżywalność drzew. Istnieją dowody potwierdzające pozytywny wpływ endofitów na korę tego drzewa w zakresie obrony przed patogenami, a także na potencjalne korzyści w zakresie adaptacji do zmian klimatycznych. Technologia Triplobiome™ pozwoliła na izolację jednego z ich przedstawicieli oraz wykorzystanie go jako składnika wzmacniającego i chroniącego skórę, naśladującego przy tym ochronną funkcję kory dębu korkowego i umożliwiającego w ten sposób adaptację oraz samoobronę skóry. KMFE okazał się bowiem bogatym źródłem metabolitów, takich jak beta-glukan i ksylitol, które mają udowodnione właściwości nawilżające, przeciwpodrażnieniowe, przeciwzmarszczkowe, gojące rany, przeciwutleniające i stymulujące funkcje barierowe. Zawiera on również inne związki bioaktywne, takie jak hydroksylowane kwasy tłuszczowe, kwas fenylomlekowy, 5-metoksyindolooctan czy kwas bursztynowy. Związki te mają interesujące właściwości i działają przeciwdrobnoustrojowo, przeciwutleniająco oraz hamują degradację kolagenu. Co ciekawe, część z nich, np. kwas fenylomlekowy i niektóre pochodne kwasu indolooctowego, to uznane stymulatory wzrostu roślin wytwarzane przez drożdże – endofity, które stymulują zarówno szybkie, jak i długotrwałe reakcje u roślin poprzez regulację różnych procesów rozwojowych i fizjologicznych. Otrzymany za pomocą nowatorskiej technologii składnik aktywny wykorzystuje zatem i przenosi na skórę naturalną, ochronną i stymulującą moc, jaką mikrobiom roślinny zapewnia korze dębu korkowego, aktywując mechanizmy ochronne skóry.

Wykraczając poza klasyczną pielęgnację barierową

Rosnące zainteresowanie holistycznym podejściem do zdrowia skóry przyczyniło się do rozwoju trendu barierowego, który koncentruje się na kompleksowym wzmacnianiu bariery skórnej. W ciągu ostatnich pięciu lat liczba nowości kosmetycznych, która deklaruje wpływ na barierę, wzrosła aż o 180%. Pod kątem surowcowym prym w tym kontekście wiodą przede wszystkim ceramidy, doskonale znane ze swojego korzystnego wpływu na barierę, oraz składniki przyjazne lub wzmacniające mikrobiom skóry, istotny do zachowania funkcji barierowej. Najnowsze strategie w pielęgnacji barierowej opierają się również na promowaniu i pobudzaniu produkcji endogennych ceramidów oraz innych składników cementu lipidowego skóry, co pomaga przywrócić ochronną funkcję „cegieł i zaprawy” bariery, ale także działa jako potężne narzędzie do zwalczania widocznych oznak starzenia. Jest to szczególnie istotne w przypadku dojrzałej skóry, która m.in. na skutek menopauzy doświadcza znaczących zmian prowadzących do uszkodzenia bariery lipidowej i zwiększonego przesuszenia oraz wrażliwości.

Kluczową rolę w funkcjonowaniu bariery skórnej odgrywają wolne kwasy tłuszczowe, cholesterol i wspomniane ceramidy, z których zbudowana jest macierz warstwy rogowej naskórka. Warto przy tym podkreślić, że ważna w tym kontekście jest nie tylko obecność czy poziom poszczególnych składników cementu lipidowego, ale także ich stopień oksydacji oraz długość łańcucha lipidowego. Dowiedziono, że do wytworzenia właściwej przepuszczalności bariery skóry niezbędne są kwasy tłuszczowe o odpowiednio długich łańcuchach, a ich skróceniu towarzyszy pogorszenie funkcjonowania bariery ze względu na zmianę upakowania lipidów. Zasada ta dotyczy także ceramidów, których łańcuchy węglowe dodatkowo ulegają skróceniu w okresie menopauzy, co koreluje ujemnie z przeznaskórkową utratą wody (TEWL). Generalnie, zmiany w składzie, jakości i zawartości lipidów skóry, zachodzące na skutek starzenia, mają wpływ na funkcję bariery skórnej i pogarszają jej funkcjonowanie.

Rys. 2. Analiza trendu długości łańcucha całego lipidomu in vivo, po stosowaniu substancji czynnej lub placebo. Wyniki wyrażono jako krotność zmiany D56 vs D0

Ferment z endofitu Kwoniella mangroviensis (KMFE) został przebadany pod kątem wpływu na profil lipidowy skóry. Wykorzystano do tego celu innowacyjną analizę lipidomu, która pozwala na ocenę w warunkach in-vivo wszystkich lipidów tworzących barierę skórną. Badanie z podwójnie ślepą próbą wykonano na 60 ochotniczkach w wieku 45–65 lat, które przez 56 dni na jedną połowę twarzy aplikowały produkt placebo, a na drugą produkt z zawartością 2% KMFE. W 240 przeanalizowanych próbkach zidentyfikowano 328 lipidów i zaobserwowano, że stosowanie KMFE wywołało istotną zmianę poziomu 114 lipidów, w porównaniu z placebo. Przeprowadzono też dalszą analizę bioinformatyczną tych lipidów, wykazując, że KMFE ograniczył poziom ich oksydacji nawet o 32%. Ochrona lipidów bariery skórnej przed utlenianiem potencjalnie przyczyniła się także do wydłużenia ich łańcuchów węglowych. KMFE wpłynął w tym obszarze na 55 różnych trójglicerydów oraz 31 ceramidów endogennych, zwiększając długość ich łańcuchów węglowych (rys. 2). KMFE moduluje zatem profil endogennego lipidomu w kierunku lipidów o dłuższych łańcuchach, poprawiając w ten sposób funkcję ochronną bariery skórnej, sprzyjając zatrzymywaniu wody oraz poprawiając elastyczność i jędrność skóry.

W obliczu rosnących wyzwań środowiskowych i codziennego zagrożenia zanieczyszczeniami, holistyczne podejście do bariery skórnej i kompleksowej ochrony powinno także uwzględniać wpływ ekspozomu na skórę, a zwłaszcza zanieczyszczeń powietrza. Działanie KMFE zostało ocenione w tym kontekście na keratynocytach skóry, które potraktowano pyłem miejskim – standaryzowaną mieszanką typowych substancji zanieczyszczających powietrze z obszaru Waszyngtonu. Przy obecności KMFE w stężeniu 0,186% in-vitro, produkcja wolnych rodników przez komórki naskórka eksponowane na stresor środowiskowy była niższa aż o 90% (rys. 3).

Rys. 3. Porównanie poziomu produkcji wolnych rodników w ludzkich keratynocytach naskórka  poddanych działaniu pyłu miejskiego, z lub bez dodatku 0,186% ekstraktu z endofitów. Wyniki wyrażono jako procent zmiany w stosunku do niestymulowanej kontroli, uznanej za 100%

Z kolei poziom pięciu dobrze znanych mediatorów stanu zapalnego (CCL5, COX2, CSF2, GRO1 i TNFA), których ekspresja rośnie na skutek działania pyłu miejskiego, przy zastosowaniu KMFE malał w sposób zależny od dawki. Fermentowany ekstrakt z endofitycznych drożdży wpływał także na transkryptom dojrzałych fibroblastów. Dowiedziono, że KMFE oddziaływał na prawie 400 genów związanych z procesami zachodzącymi w fibroblastach oraz strukturą macierzy zewnątrzkomórkowej, jej organizacją, składnikami i zewnętrzną otoczką. Przejawem tego efektu był wzrost poziomu elastyny i kolagenu I, przekładający się dalej na poprawę ogólnego stanu, struktury i funkcjonowania skóry potwierdzone in-vivo. Dopełnieniem multiomicznej ochrony skóry jest przyjazność KMFE dla mikrobiomu skóry. W wymazach naskórka pobranych od ochotników przed i po 56 dniach stosowania kosmetyku z obecnością KMFE stwierdzono, że różnorodność mikroflory skóry – mierzona wskaźnikami Shannona i Simpsona – nie uległa zmianie. Ferment z endofitu utrzymuje zatem naturalną bioróżnorodność i zdrowy mikrobiom skóry.

Powszechnie wiadomo, że następujące na skutek starzenia się zmiany hormonalne zauważalnie wpływają z jednej strony na uszkodzenie warstwy rogowej i bariery lipidowej naskórka, powodując wysuszenie skóry, a z drugiej na produkcję kolagenu i innych składników strukturalnych macierzy pozakomórkowej. Ich spadek skutkuje zmniejszeniem jędrności i elastyczności skóry, przyczyniając się do powstawania drobnych zmarszczek, utraty izotropii oraz grubości skóry. Zwłaszcza po menopauzie skóra staje się cieńsza, bardziej podatna na stresory środowiskowe i wyraźnie pozbawiona blasku. KMFE przebadano instrumentalnie na opisanym wyżej panelu 60 ochotniczek w wieku 45-65 lat, które mieszkały w zanieczyszczonych miastach i przez 56 dni stosowały preparat z zawartością 2% fermentu lub placebo. W teście skoncentrowano się na kluczowych podczas menopauzy parametrach skóry, takich jak TEWL, blask, gładkość i mikrostruktura, a ochotniczki różnicowano w zależności od etapu menopauzy. Stwierdzono, że na skutek stosowania kosmetyku z zawartością składnika aktywnego:

  • TEWL spadł średnio o 3,9% i 5,2% w grupie postmenopauzalnej,
  • blask skóry wzrósł średnio o 16,6% i 21% w grupie postmenopauzalnej,
  • koloryt skóry wyrównał się średnio o 4,5% i -6,6% w grupie postmenopauzalnej (rys. 4),
  • mikrorzeźba skóry wygładziła się średnio o 4,3% i 5,3% w grupie postmenopauzalnej,
  • elastyczność skóry wzrosła średnio o 5,8%,
  • organizacja włókien kolagenowych poprawiła się średnio o 7,6%.
Rys. 4. Obrazy w świetle widzialnym przedstawiające ochotniczkę w dniu 0 i po 56 dniach używania preparatu z 2% aktywnego ekstraktu endofitycznego

Wyniki instrumentalnych pomiarów parametrów skóry znalazły także swoje odzwierciedlenie w subiektywnych opiniach i wrażeniach ochotniczek biorących udział w badaniu. 90% z nich stwierdziła, że dzięki preparatowi z zawartością fermentowanego ekstraktu z endofitu roślinnego skóra miała wyraźnie poprawioną teksturę i była w lepszej kondycji, a zdaniem 70% ochotniczek skóra wyglądała młodziej.

Podsumowanie

Współcześni konsumenci są niezwykle zainteresowani substancjami aktywnymi kosmetyków, a ich świadomość w tym zakresie jest większa niż kiedykolwiek wcześniej. Jednocześnie pragną też stale i coraz mocniej doświadczać natury, co odzwierciedla się także w ich sklepowych wyborach. Oczekują oni zatem nie tylko innowacyjności i wysokiej skuteczności, wspartej przez odpowiednie badania i zaplecze naukowe, ale też wysokiego stopnia naturalności i przyjazności dla środowiska. Takie na pozór karkołomne połączenia są dziś możliwe dzięki rozwojowi nauki i nowoczesnym technologiom, które wynoszą składniki opracowane oraz produkowane w laboratorium na zupełnie nowy poziom, integrując dobrze znane pojęcia, takie jak „ekosystem” czy „symbioza”, z naturalnością i skutecznością. Triplobiome™, czyli technologia pozwalająca na izolację roślinnych endofitów i wykorzystanie ich w kosmetykach, nie tylko otwiera drzwi do bardziej zrównoważonych i efektywnych produktów, ale również pokazuje, jak głęboko możemy czerpać z natury, nie naruszając jej równowagi. Dzięki takiemu podejściu przyszłość kosmetyki może być równie obiecująca dla naszej skóry, jak dla planety. Integracja badań nad mikrobiomem, endofitami i ochroną skóry w procesie tworzenia kosmetyków to krok naprzód ku bardziej świadomej i odpowiedzialnej naukowej eksploracji, która daje realne korzyści zarówno konsumentowi, jak i całemu ekosystemowi.

Dodatkowe informacje

Artykuł został opublikowany w kwartalniku „Świat Przemysłu Kosmetycznego” 2/2024

Autorzy

  • Marcin Siekierski

    Technical&Sales Manager
    Provital Polska