Wykorzystanie olejków eterycznych jako promotorów przeniesienia w formulacjach kosmetycznych

Odwrotną sytuację mamy w przypadku preparatów leczniczych. Ich działanie terapeutyczne uzależnione jest od dotarcia substancji aktywnych do układu krążenia. Stąd w odniesieniu do preparatów leczniczych istnieje tendencja zwiększania szybkości przenikania przezskórnego, a mając do czynienia z preparatami kosmetycznymi, dąży się do kontrolowanego przenikania przez skórę.

Do czynników warunkujących szybkość transportu substancji biologicznie aktywnych przez skórę zaliczamy:

• drogi penetracji,
• charakterystykę fizykochemiczną substancji kosmetycznych,
• substancje wspomagające wchłanianie,
• rodzaje podłoży kosmetycznych.

Przenikanie przez naskórek jest możliwe dwiema drogami:

• drogą transepidermalną przez warstwy komórek skóry,
• drogą transfolikularną przez przydatki skóry.

Droga transfolikularna przez przewody potowe, gruczoły łojowe i mieszki włosowe ma małe znaczenie, ponieważ przydatki skóry zajmują mniej niż 1% jej powierzchni, a dyfuzję może dodatkowo utrudniać aktywność wydzielnicza tych gruczołów. Główną drogą przenikania substancji aktywnych przez skórę jest droga transepidermalna. Ponieważ warstwy żywe skóry (epidermis i dermis) przypominają hydrożel białkowy, w którym dyfuzja (przenikanie) substancji penetrującej zachodzi z jednakową, nieograniczoną szybkością, warstwy te nie wpływają na wielkość i szybkość penetracji. Rzeczywistą barierę w przenikaniu substancji przez skórę stanowi martwa warstwa rogowa naskórka (Rys. 1), przez którą substancje dyfundują głównie lipidową drogą międzykomórkową.

Ścisła budowa keratynocytów i laminarne ułożenie lipidów otaczających komórki sprawiają, że przez warstwę rogową skóry trudno się przebić. Substancje dyfundują przez nią ponad tysiąc razy wolniej niż przez żywe warstwy skóry (Rys. 2).

Charakter lipofilowy warstwy rogowej naskórka sprzyja przenikaniu substancji lipofi lowych, niepolarnych, niezjonizowanych i o niskiej masie cząsteczkowej. Możliwe jest przenikanie substancji hydrofi lowych lub jonów przez komórki stratum corneum bądź polarne obszary wodne. Te drogi mają jednak niewielki udział w przenikaniu substancji przez skórę.

Możliwość wnikania związku zależy od własności warstwy rogowej jako głównej bariery w procesie przenikania, a także od własności fizykochemicznych związku penetrującego oraz czynników biologicznych. Przenikanie można przyspieszyć, usuwając płaszcz hydrolipidowy przy użyciu środka powierzchniowo czynnego lub rozpuszczalników. Można zwiększyć stopień nawilżenia skóry przez stosowanie opatrunków okluzyjnych lub stosując substancje ułatwiające wnikanie, czyli substancje lub procesy zmniejszające funkcje barierowe skóry. Zaliczamy do nich:

• długotrwałe nawilżanie prowadzące do ułatwienia dyfuzji,
• zwiększenie rozpuszczalności bazy kosmetyku poprzez wymywanie lipidów cementu międzykomórkowego,
• działanie różnego rodzaju rozpuszczalników organicznych prowadzące do zmiany struktur ciekłokrystalicznych cementu międzykomórkowego,
• zwiększenie płynności struktur ciekłokrystalicznych tworzących cement międzykomórkowy (zwiększenie przestrzeni międzykomórkowych),
• zastosowanie związków amfi filowych, które mogą oddziaływać z białkami, powodując zwiększenie płynności obszaru lipidowego warstwy rogowej.

Olejki eteryczne – źródło promotorów przejścia transepidermalnego

Jednymi z głównych i ostatnio znów coraz częściej stosowanych ze względu na swoje naturalne pochodzenie promotorów przejścia transepidermalnego są olejki eteryczne i zawarte w nich związki zwane terpenami. Terpenami (izoprenoidy) określa się dużą grupę substancji naturalnych pochodzących od tak zwanego aktywnego izoprenu (izopentylodifosforanu) lub jego izomeru – dimetyloallilodifosforanu. Poprzez połączenie dwóch lub więcej jednostek tych pięciowęglowych prekursorów tworzą się cząsteczki, w których liczba atomów węgla jest zawsze wielokrotnością 5:

• C10 – monoterpeny,
• C15 – seskwiterpeny,
• C20 – diterpeny.

Terpeny mogą mieć charakter węglowodorowy, alkoholi, estrów, aldehydów, ketonów lub tlenków. Występują w wielu odmianach izomerycznych i są głównymi składnikami olejków eterycznych, czyli roślinnych substancji czynnych. Wykazują szerokie spektrum działania biologicznego, które jest efektem synergistycznego lub antagonistycznego działania poszczególnych składników, np. w olejkach eterycznych. Terpeny wchłaniane są zarówno przez błony śluzowe jamy ustnej, gardła, płuc, żołądka, jelit, jak i przez nieuszkodzoną skórę. Przedostając się do krwioobiegu dzięki swojej lipofi lowości, mogą oddziaływać bezpośrednio na tkanki i błony komórkowe. Jako związki małocząsteczkowe i niezjonizowane z łatwością pokonują wszelkie bariery (również krew–mózg). Wiele terpenów po aplikacji na skórę ma zdolność wywoływania znieczulenia miejscowego.

W kosmetyce terpeny pełnią rolę tzw. promotorów wchłaniania (sorpcji) – substancji pomocniczych odwracalnie zmieniających strukturę warstwy rogowej naskórka, co prowadzi do zwiększenia przepuszczalności skóry dla samych terpenów, a także dla innych substancji w preparacie. Ich obecność w postaci olejków eterycznych w kosmetyku umożliwia penetrację w głąb skóry substancji występujących zarówno w formie cząsteczkowej, jak i jonowej. Mechanizm działania terpenów jako promotorów sorpcji polega głównie na zaburzeniu uporządkowanego układu lipidów w przestrzeniach międzykomórkowych warstwy rogowej, zwiększeniu rozpuszczalności aplikowanej substancji w tej warstwie oraz zwiększeniu współczynnika podziału substancji penetrującej między stratum corneum a nośnikiem. W przypadku braku obecności terpenów lipidy są związane razem w warstwach przez boczne i poprzeczne wiązania wodorowe. Terpeny przerywają poprzeczne wiązania wodorowe, poszerzając przestrzeń hydrofilową (woda) blisko grup polarnych cząsteczek. Stosowanie olejków jako promotorów wchłaniania ma coraz więcej zwolenników ze względu na ich niewielką toksyczność oraz Aktualności rynkowe promujące substancje pochodzenia naturalnego.

Najczęściej stosowanymi promotorami przejścia międzykomórkowego są związki zaliczane do grupy monoterpenów, które występują w temperaturze pokojowej w stanie ciekłym. Ułatwia to wprowadzenie ich do bazy kosmetyku oraz aplikację na skórę. Terpeny wraz z ich głównym źródłem pochodzenia, strukturą i podstawowymi właściwościami fizykochemicznymi wpływającymi na przenikanie przez skórę (rozpuszczalność w wodzie oraz wartość współczynnika podziału logP) są ogromnym źródłem związków o szerokim spektrum działania kosmetycznego.

Stosowane w kosmetyce terpeny podzielić można na grupy związków charakteryzujących się:

• budową łańcuchową (acykliczną):
• (±)-β-cytronelol (olejek geraniowy), (±)-linalol (olejek lawendowy), octan linalilu (olejek lawendowy),
• budową cykliczną:
• (-)-α-pinen (olejek jałowcowy), (-)-β-pinen (olejek sosnowy), eukaliptol (olejek eukaliptusowy) i terpinen-4-ol (olejek drzewa herbacianego).

Biorąc pod uwagę rozpuszczalność w wodzie, wśród wybranych przedstawicieli terpenów można wyróżnić grupę związków dobrze rozpuszczalnych (> 1,0 mg/ml): (±)-linalol, eukaliptol i terpinen-4-ol, trudno rozpuszczalnych (< 0,1 mg/ml): octan linalilu, (-)-α-pinen i (-)-β-pinen, o średniej rozpuszczalności w wodzie: (±)-β-cytronelol. Wartością współczynnika podziału logP w zakresie 2-4, czyli optymalnej z punktu widzenia przenikania przez skórę, charakteryzują się (±)-β-cytronelol, (±)-linalol, eukaliptol i terpinen-4-ol.

W prowadzonych badaniach dowiedziono penetrację do warstw skóry bardzo dużej liczby terpenów. W zależności od budowy związku penetracja wynosiła od 200 do nawet 1800 μg/cm2, z czego większość wykrywano w skórze właściwej z naskórkiem. Spośród terpenów o budowie łańcuchowej w największej ilości do wszystkich warstw skóry penetrował (±)-linalol, a spośród terpenów cyklicznych – terpinen-4-ol. Stwierdzić można podobne przenikanie do skóry terpenów charakteryzujących się wartością logP > 4. Wśród terpenów charakteryzujących się logP ≈ 3 całkowita kumulacja w skórze jest 2 do 3 razy większa dla związków o budowie łańcuchowej niż cyklicznej. Wskazać również można na większą penetrację do skóry terpenów o charakterze alkoholi lub tlenków niż związków o charakterze estrów lub węglowodorów.

Przenikanie terpenów do skóry jest procesem, na który wpływ mają właściwości fizykochemiczne cząsteczki danego terpenu oraz rodzaj nośnika, z którego jest uwalniana. Istnieje złożona zależność między lipofilowością terpenów a wielkością ich penetracji do poszczególnych (lipofilowych i hydrofilowych) warstw skóry. W warunkach ex vivo terpeny charakteryzujące się wartością logP > 4 wykazują podobne przenikanie do skóry. Wśród terpenów, dla których współczynnik podziału logP ≈ 3 całkowita kumulacja w skórze, jest 2 do 3 razy większa dla związków o budowie łańcuchowej niż cyklicznej. Spośród terpenów o budowie łańcuchowej w największej ilości do wszystkich warstw skóry penetruje (±)-linalol, natomiast spośród terpenów cyklicznych – terpinen-4-ol. Wskazać również można na większą penetrację do skóry terpenów o charakterze alkoholi lub tlenków niż związków o charakterze estrów lub węglowodorów.

Uzyskane w warunkach ex vivo, jak i in vivo wyniki badań wielu terpenów wskazują na silny związek kinetyki absorpcji terpenów do warstw skóry z ich właściwościami fizykochemicznymi oraz charakterem i właściwościami nośnika, w jakim są aplikowane. Krótki czas potrzebny do nasycenia warstwy rogowej terpenami oraz ich bardzo duża kumulacja w warstwach skóry wskazują na pokonywanie przez te związki bariery stratum corneum i możliwość łatwej penetracji do krążenia ogólnego w warunkach in vivo. Większą zdolność wchłaniania do skóry wykazują oczywiście terpeny aplikowane w postaci czystych olejków eterycznych i w podłożu żelowym (wodnym), co w zastosowaniu konsumenckim może się okazać nie do końca pożądanym efektem – preparaty będą łatwiej wywierały działania drażniące lub alergizujące. Choć w sumie liczne badania wskazują na szybką eliminację terpenów ze skóry prawdopodobnie na skutek parowania, która może redukować powyższe efekty i warunkować bezpieczeństwo stosowania terpenów w różnych układach.

Podsumowanie

Przenikanie substancji biologicznie aktywnych przez skórę jest procesem, od którego zależy efekt odżywczy i odmładzający preparatów kosmetycznych. Substancje biologicznie aktywne mogą przenikać przez skórę w trzech etapach: powierzchniowym (adsorpcji), śródskórnym (penetracji) i głębokim (resorpcji). Olejki eteryczne wykazują szerokie spektrum właściwości biologicznych. Terpeny, główne składniki olejków eterycznych, są doskonałymi związkami jako promotory przejścia transepidermalnego w preparatach kosmetycznych ze względu na stosunkowo bezpieczny potencjał ich stosowania i dużą aktywność. Stosowanie mieszanin olejków eterycznych lub wyizolowanych związków terpenoidowych często charakteryzuje się działaniem synergistycznym, co zapewnia większe bezpieczeństwo ich stosowania i zwiększa ich aktywność biologiczną.

Literatura:

1. Aqueous solubility of liquid monoterpenes at 293 K and relationship with calculated log P value. Yakugaku Zasshi 2006; 126: 307-309.
2. Zielińska A., Nowak I., Solid lipid nanoparticles and nanostructured lipid carriers as novel carriers for cosmetic ingredients. W: Nanobiomaterials in Galenic Formulations and Cosmetics; 2016, rozdz. 10, ss. 231-255.
3. Kupiec K, Sznitowska M., Effect of physicochemical properties of cyclic terpenes on their ex vivo skin absorption and elimination kinetics. J Dermatol Sci 2006; 41: 137-142.
4. Transdermal delivery systems in cosmetics; Biomedical Dermatology; Byel Kim, Hang-Eui Cho, Sun He Moon, Hyun-Jung Ahn, Seunghee Bae, Hyun-Dae Cho, Sungkwan An; 2020.
5. CIR Resource Document; Dermal Penetration, Absorption, and other Considerations for Babies and Infants in Safety Assessments; 09/2014.
6. Essential oils and their constituents as skin penetration enhancer for transdermal drug delivery: a review; Journal of Pharmacy and Pharmacology; Anna Herman, Andrzej P. Herman; Volume67, Issue4, April 2015, Pages 473-485.
7. Lemon (Citrus limon, Burm.f.) essential oil enhances the trans-epidermal release of lipid- (A, E) and water- (B6, C) soluble vitamins from topical emulsions in reconstructed human epidermis; International Journal of Cosmetic Science, Luca Valgimigli, Simone Gabbanini; 34(4):347-56.
8. Transdermal Drug Delivery Enhancement by Compounds of Natural Origin; Lizelle T. Fox, Minja Gerber, Jeanetta Du Plessis, Josias H. Hamman; Molecules. 2011 Dec; 16 (12): 10507-10540.
9. Wpływ rodzaju nośnika oraz właściwości fizykochemicznych terpenów na ich przenikanie do warstw skóry ludzkiej; Uniwersytet Medyczny w Gdańsku; Krzysztof Cal, 2006.
10. Penetration enhancers, Adrian C.Williams, Brian W.Barry Advanced; Drug Delivery Reviews Volume 64, Supplement, December 2012, Pages 128-137.
11. An overview of skin penetration enhancers: penetration enhancing activity, skin irritation potential and mechanism of action; Songklanakarin J. Sci. Technol. 31 (3), 299-321, May-Jun. 2009.
12. Selected skin delivery systems; Cracow University of Technology; 2020; Elżbieta Sikora.
13. Modulation of chemical dermal absorption by 14 natural products: a quantitative structure permeation analysis of components often found in topical preparations; Cutaneous and Ocular Toxicology; Volume 36, 2017 – Issue 3.
14. Essential Oils as Natural Sources of Fragrance Compounds for Cosmetics and Cosmeceuticals; Journals Molecules, Volume 26 Issue 3; Jugreet B. Sharmeen, Fawzi M. Mahomoodally, Gokhan Zengin, Filippo Maggi.

Katarzyna Pikosz
Kierownik Laboratorium Analitycznego
Invanto Sp. z o.o.

Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 1/2021