Zastosowanie metabolitów bakteryjnych w recepturowaniu kosmetyków

Rola mikrobiomu skóry zyskuje ogromne zainteresowanie w kosmetologii. Często mówi się o równowadze mikrobiologicznej, która stanowi podstawę zdrowego wyglądu skóry.

W odpowiedzi na potrzeby konsumentów, współczesny przemysł kosmetyczny coraz śmielej wykorzystuje organizmy mikrobiologiczne do produkcji surowców wywierających pozytywny wpływ na naszą skórę. Organizmy mikrobiologiczne w tym bakterie, wytwarzają metabolity, które często stanowią alternatywę biologiczną dla syntetycznych związków chemicznych.

Metabolity bakteryjne – alternatywa syntetycznych związków chemicznych

Metabolity bakteryjne są produktami aktywności metabolicznej – złożonej sieci reakcji chemicznych zachodzących w obrębie komórki. Zaliczamy do nich różnorodne związki, takie jak: oligosacharydy, biosurfaktanty, aminokwasy, białka, peptydy, pigmenty i kwasy organiczne. Część metabolitów określana jest mianem postbiotyków – substancji  bioaktywnych, wytwarzanych przez bakterie probiotyczne.

Posiadają one szerokie spektrum dobroczynnych właściwości: nawilżające, łagodzące, ochronne, oraz wspierające mikrobiom, co przekłada się na utrzymanie zdrowego wyglądu skóry, a tym samym na coraz większą popularność w recepturach kosmetycznych.

Postbiotyki – nie tylko metabolity

Postbiotyki stanowią często wykorzystywaną grupę związków pochodzenia bakteryjnego. Opierając się na definicji zaproponowanej przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Probiotyków i Prebiotyków, postbiotyki to inaczej „preparaty zawierające nieżywe mikroorganizmy lub ich składniki, które wykazują korzystny wpływ na zdrowie gospodarza” [6].

Postbiotyki obejmują poniższe składowe:

• Ekstrakty z fermentacji
• Lizaty komórkowe (Bifida Ferment Lysate, Lactobacillus Ferment Lysate)
• Oczyszczone metabolity (np. kwasy organiczne, peptydy)
• Fragmenty cytoplazmy i ścian komórkowych (peptydoglikany, liposacharydy).

Można więc twierdzić, że wszystkie metabolity bakteryjne są postbiotykami, jednak nie wszystkie postbiotyki możemy zaliczyć do metabolitów ze względu na ich wyższy stopień złożoności.

Postbiotykiem bogatym w bioaktywne metabolity jest surowiec pozyskiwany w wyniku fermentacji liści winogron przy udziale Lactobacillus plantarum. Badania kliniczne potwierdziły, że kompleksowo pielęgnuje okolice oczu, redukując worki pod oczami. Surowiec ten poprawia mikrokrążenie przez zwiększenie angiogenezy, zmniejszając cienie pod oczami. Ogranicza również niszczenie białek podporowych skóry, wykazując działanie antyglikacji i minimalizując oznaki starzenia.

Kolejnym przykładem może być filtrat, pozyskiwany z fermentacji korzenia rzodkwi przez bakterie Lactobacillus. Odznacza się on działaniem antybakteryjnym, chroniąc przed rozwojem mikroorganizmów. Pomaga utrzymać odpowiedni poziom nawilżenia skóry. Jego właściwości przeciwzapalne i łagodzące wykorzystywane są w produktach do skóry wrażliwej, skłonnej do podrażnień i zmian trądzikowych [11]. 

Oligosacharydy

W produktach kosmetycznych najczęściej stosowane oligosacharydy bakteryjne to cyklodekstryny i egzopolisacharydy.

Cyklodekstryny dodawane są do produktów typu dezodoranty, czy perfumy ponieważ przedłużają uwalnianie aromatów w kosmetykach [7] i są zdolne do tworzenia związków ze składnikami odpowiedzialnymi za przykry zapach, obecnymi w wydzielinach ciała [10]. Niektóre cyklodekstryny pełnią w kosmetykach również funkcję chelatorów, wiążąc jony metali, co może działać  przeciwdrobnoustrojowo, a także wspomagać działanie dezodorantów [10]. Ze względu na swój kształt, cyklodekstryny zdolne są do tworzenia kompleksów ze związkami chemicznymi, poprawiając stabilność substancji aktywnych, które są wrażliwe na wilgoć, wysoką temperaturę i światło. Proces ten chroni produkty kosmetyczne m.in. przed degradacją i utlenianiem [10]. Przykładowo retinol w kompleksie z cyklodekstryną wykazuje mniejszą wrażliwość na światło i tlen, a także wyróżnia się większą rozpuszczalnością w porównaniu do retinolu w wolnej postaci [10].

Egzopolisachrydy to biodegradowalne, biokompatybilne, nietoksyczne biopolimery będące metabolitami bakteryjnymi. W przemyśle kosmetycznym stosowane są głównie jako środki zwiększające lepkość, błonotwórcze, stabilizujące emulsję i kondycjonujące skórę.

Tabela 1. Przykłady egzopolisacharydów bakteryjnych stosowanych w przemyśle kosmetycznym.

Jednym z przykładów egzopolisacharydów jest celuloza bakteryjna – polimer przyjazny dla środowiska [4], mający charakter biodegradowalny [5]. Produkowana jest ona najczęściej przez bakterie z rodzaju Komagataeibacter i Gluconacetobacter [2]. Posiada wysoką zdolność do zatrzymywania wody, a także charakteryzuje ją hydrofilowość i elastyczność. Ze względu na właściwości regenerujące jest wykorzystywana w produktach o działaniu naprawczym, gojących i nawilżającym [8]. Służy również jako system dostarczania substancji aktywnych do skóry, dzięki wysokiej zdolności do wchłaniania wody oraz dobrej przyczepności [2]. Dodatkowo surowiec ten jest dobrym stabilizatorem w emulsjach O/W [1] i posiada zdolność do tworzenia warstwy okluzyjnej na skórze i włosach, chroniąc przed nadmiernym wyparowaniem wody. Swoją stabilność wykazuje w zakresie pH od 4 do 10.

Oligosacharydem, który często możemy spotkać w składach produktów kosmetycznych jest Xanthan Gum – surowiec powstały w wyniku procesu fermentacji tlenowej cukrów ze szczepami z rodzaju Xanthamonas campheris [8]. Uznawany jest za ekonomiczny zagęstnik i stabilizator emulsji. Posiada charakter anionowy, a dyspergując na zimno w wodzie, daje właściwości zawieszające. Guma ta jest kompatybilna z alkoholem (≤60%), anionowymi i niejonowymi środkami powierzchniowo czynnymi, wykazując przy tym stabilność w szerokim zakresie pH 3-12 [25]. Producenci surowców kosmetycznych często łączą ją ze Sclerotium Gum, metabolitem uzyskanym w procesie fermentacji cukrów przy użyciu Sclerotium Rolfsii [25]. Połączenie to wpływa na poprawę odczuć sensorycznych i znajduje zastosowanie w preparatach, zawierających wysoki poziom elektrolitów, substancji czynnych oraz wymagających utrzymania stabilności w szerokim zakresie pH.

Do kolejnych egzopolisacharydów bakteryjnych zakwalifikować można również Gellan Gum i Dextran. Pierwszy z nich jest metabolitem wytwarzanym w wyniku fermentacji węglowodanów przez Sphingomonas sp. [1]. Guma ta jest termostabilna, posiada właściwości żelujące i stabilizujące, dzięki czemu stosowana jest często w recepturowaniu szamponów, żeli do włosów i mycia ciała. Podczas polimeryzacji glukozy z udziałem bakterii Streptococcus mutans i Leuconostoc mesenteriodes, otrzymujemy Dextran, stosowany do rozjaśnienia, wygładzenia i zmniejszania zmarszczek [21]. W recepturach kosmetycznych wykorzystuje się jego działanie emulgujące, zagęszczające oraz nawilżające.

Warto także wspomnieć o kwasie hialuronowym, pozyskiwanym z bakterii Streptococcus sp., bądź Bacillus subtillis [8]. Kwas hialuronowy stosowany jest w recepturach kosmetycznych w celu obniżenia TEWL(transepidermalnej utraty wody). Wpływa on pozytywnie na wygładzenie i nawilżenie skóry, poprawiając jej elastyczność. Kwas hialuronowy o mniejszej masie cząsteczkowej – około 250 kDa może głębiej wnikać w skórę [9].

Biosurfaktanty

Tabela 2. Klasyfikacja biosurfaktantów bakteryjnych [21].

Biosurfaktanty ze względu na niższą toksyczność, biodegradowalność  i stabilność w warunkach wysokiego pH i temperatury, coraz częściej zastępują syntetyczne środki powierzchniowo czynne w recepturach kosmetycznych. W porównaniu do nich mają niższe krytyczne stężenie miceli (CMC), tj. do maksymalnego spadku napięcia powierzchniowego można zastosować mniej środków powierzchniowo czynnych, są więc bardziej wydajne i skuteczne. Wykorzystywane są jako solubilizatory, środki spieniające, nawilżające, emulgatory i dyspergenty [1]. Warto pamiętać, że biosurfaktanty z niską masą cząsteczkową są skuteczne w zmniejszaniu napięć międzyfazowych i powierzchniowych, zaś te z wyższą masą są lepszymi emulgatorami i stabilizatorami emulsji [13]. Naturalne surfaktanty, posiadają działanie przeciwbakteryjne i przeciwutleniające, przez co wspomagają działanie antyoksydantów i konserwantów [1]. Działanie przeciwdrobnoustrojowe potwierdzono w licznych badaniach i dotyczy ono głównie ramnolipidów produkowanych przez Pseudomonas aeroginosa, a także surfaktyny wytwarzanej przez bakterie z rodzaju Bacillus [1]. Ze względu na charakter prebiotyczny, większość  z nich jest przyjazna dla mikrobiomu skóry [16,17].

Grupą biosurfaktantów najczęściej wykorzystywaną w recepturach kosmetycznych są glikolipidy, a w szczególności ramnolipidy pochodzenia bakteryjnego. Są to metabolity wytwarzane przez bakterie Pseudomonas, często wykorzystywane do opracowywania formulacji produktów przeznaczonych do oczyszczania i pielęgnacji skóry twarzy. Posiadają przeciwdrobnoustrojowe działanie przeciwko bakteriom Gram-dodatnim i mniej skuteczne przeciwko Gram-ujemnym [18]. Potwierdzono również, że najwyższą skuteczność przeciwdrobnoustrojową przeciwko bakteriom Gram-dodatnim wykazują w kwaśnym pH [19]. Liczne badania wskazują, że di-ramnolipidy zwiększają ekspresję cytokin przeciwzapalnych [15]. Dzięki przeciwzapalnym właściwościom są odpowiednimi zamiennikami syntetycznych surfaktantów w produktach do pielęgnacji skóry i łagodzących zmiany skórne takie jak łuszczyca.

Lipopeptydy, posiadają bardzo dobre właściwości spieniające, przez co stosowane są w olejkach i emulsjach wodnych. Wykazują odporność na ciepło, zdolności do emulgowania olejów [15] oraz właściwości przeciwzmarszczkowe, oczyszczające i nawilżające [21].  

Do kolejnej podgrupy należą polimerowe surfaktanty. Pełnią one funkcję polimerowych emulgatorów. Przykładem jest emulsan, stabilizujący emulsje olejowo-wodne [14]. Nie odznacza się on dużymi zdolnościami obniżania napięcia powierzchniowego wody, jednak posiada dobrą aktywność emulgującą.

Aminokwasy, enzymy, peptydy

Aminokwasy wykorzystywane są w recepturowaniu produktów kosmetycznych ze względu na działanie antyoksydacyjne, nawilżające i złuszczające. Ich produkcja może się odbywać z wykorzystaniem procesu fermentacji, przy udziale bakterii Carynebacterium. Taką metodą otrzymywane są między innymi: arginina, lizyna, tyrozyna i kwas glutaminowy [1].

Przykładem aminokwasu bakteryjnego wykorzystywanego w recepturach kosmetycznych jest ektoina. Wykazuje ona zdolność do wiązania cząsteczek wody, co zapobiega utracie wilgotności epidermalnej warstwy skóry, zapewniając odpowiednie nawilżenie [20]. Stosowana jest w produktach przeciwzmarszczkowych ze względu na zapobieganie przedwczesnemu starzeniu się skóry i ochronę przed uszkodzeniem DNA komórek wywołanym promieniowaniem UV. Dzięki właściwościom wspomagającym produkcję kolagenu, ma pozytywny wpływ na poprawę elastyczności i ujędrnienia skóry. Co więcej ochrania skórę przed stresem oksydacyjnym, neutralizując wolne rodniki. Aminokwas ten przeciwdziała podrażnieniom i alergiom skórnym, łagodząc świąd i stany zapalne. Ektoina jest stabilna w szerokim zakresie pH (1-9) i odporna na wysoką temperaturę. 

Bakterie są cennym źródłem enzymów, których dobroczynne działanie na włosy, paznokcie i skórę wykorzystywane było już w starożytności. W preparatach kosmetycznych możemy znaleźć peroksydazę i dysmutazę ponadtlenkowa, ponieważ wychwytują one wolne rodniki, chroniąc przed stresem oksydacyjnym i regenerując skórę. Badania in vitro potwierdziły, że w porównaniu do witaminy E i polifenoli izolowanych z zielonej herbaty,  dysmutaza ponadtlenkowa wykazuje większą zdolność neutralizacji wolnych rodników [21]. Do enzymów zaliczamy również bakteryjne proteazy pochodzące z bakterii alkalifilnych, zdolne enzymatycznie hydrolizować wiązania peptydowe kolagenu, elastyny i keratyny. Wykorzystywane są w kosmetykach do pielęgnacji zmian skórnych takich jak suchości, ichtiozy i  zmiany zapalne [21]

Peptydy coraz częściej stosowane są w recepturach kosmetycznych ze względu na swoje działanie przeciwstarzeniowe, przeciwzapalne, nawilżające i regenerujące skórę. Przykładami peptydów, będących metabolitami bakteryjnymi są:

• Sh-Oligopeptide-1 – kondycjonuje, wygładza i rozjaśnia skórę
• Acetyl Hexapeptide-8 – rozluźnia napięcie mięśniowe, redukując zmarszczki mimiczne, wykazuje działanie typu ‘botox-like’
• Palmitoyl-Pantapeptide-4 – stymuluje produkcję kolagenu i elastyny, działa przeciwzmarszczkowo

Peptydem, cieszący się coraz większym zainteresowaniem w produktach kosmetycznych jest kwas poliglutaminowy, wytwarzany przez bakterie Bacillus subtilis. Warto przybliżyć szerzej jego działanie, ponieważ ze względu na swoje właściwości stanowi on alternatywę dla kwasu hialuronowego. W porównaniu do kwasu hialuronowego wykazuje się mniejszym potencjałem alergizującym [1] i 4-5 razy efektywniej wiążę wodę. Wspomaga również produkcję NMF- naturalnego czynnika nawilżającego. W recepturach kosmetycznych, wzmacnia działanie kwasu hialuronowego i hamuje aktywność hialuronidazy. W badaniach potwierdzono również jego działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko bakteriom Gram-dodatnim i Gram-ujemnym, co może wpłynąć na wzmocnienie skuteczności zastosowanego w recepturze układu konserwującego [1]. Dowiedziono także, że kwas poliglutaminowy może być odpowiedzialny za pobudzenie produkcji filagryny, białka którego wytwarzanie u osób z atopowym zapaleniem skóry jest ograniczone [3]. Badania in vivo potwierdziły zwiększenie jędrności skóry, przy jednoczesnym zmniejszeniu głębokości zmarszczek po zastosowaniu kwasu poliglutaminowego. Metabolit ten może stymulować wzrost fibroblastów i syntezę białka kolagenowego. Z tego względu warto stosować ten surowiec  również w produktach przeciwzmarszczkowych.

Pigmenty

Pigmenty bakteryjne posiadają wiele właściwości wykorzystywanych w produktach kosmetycznych – przeciwutleniające, fotoprotekcyjne, przeciwstarzeniowe, naturalnie barwiące. Ostatnio dużą popularnością w recepturach kosmetycznych cieszą się karotenoidy. Wykazują one silne działanie antyoksydacyjne, dzięki czemu zwalczają wolne rodniki i chronią przed rumieniem. Do grupy tej zaliczamy między innymi astaksantynę i β-karoten. Astaksantyna uznawana jest za najsilniejszy, naturalny przeciwutleniacz, chroniąc przed peroksydacją lipidów i stresem oksydacyjnym. Właściwości te zapobiegają powstawaniu zmarszczek i plam pigmentacyjnych [22].

Kwasy organiczne

Jedną z grup bakterii produkującą organiczne kwasy są bakterie kwasu mlekowego (LAB). Są one odpowiedzialne za produkcję między innymi kwasu mlekowego, kwasu bursztynowego, kwasu cytrynowego i kwasu propionowego.

Najczęściej w recepturach kosmetycznych stosowane są kwas cytrynowy i mlekowy ze względu na właściwości regulujące pH. Kwas mlekowy znany jest dodatkowo ze swoich właściwości nawilżających i usuwających martwy naskórek. Dzięki swoim funkcjom złuszczającym, odnawia komórki skóry, dzięki czemu może stymulować produkcję kolagenu i elastyny, zmniejszając widoczność zmarszczek, a także działać rozjaśniająco na przebarwienia skórne [23].

Uwagę branży kosmetycznej skupia na sobie także kwas bursztynowy, pełniąc rolę surowca wielofunkcyjnego. Jest on bezpiecznym rozwiązaniem dla skóry tłustej, trądzikowej i stanowi alternatywę dla kwasu salicylowego. Badania wykazały, że redukuje poziom wydzielanego sebum i hamuje proliferację szczepu Cutibacterium acnes, odpowiedzialnego za powstawanie zmian trądzikowych [24]. Surowiec wspomaga również naturalny proces złuszczania naskórka, usuwając martwe komórki, co zapobiega zatykaniu się porów. Kwas bursztynowy pomaga przywrócić naturalne pH skóry, delikatnie oddziałuje na naskórek, nie naruszając jego głębszych warstw. Stosowanie kosmetyków z kwasem bursztynowym wpływa na poprawę metabolizmu komórkowego oraz działa rewitalizująco na skórę.

Mechanizm działania metabolitów bakteryjnych w produktach kosmetycznych

Metabolity bakteryjne dzięki swojej bioaktywności oddziałują na skórę poprzez złożone mechanizmy biologiczne. Poniżej przedstawiono ich przykładowe działanie:

• Regulacja mikrobiomu skóry i pH

Dbają o równowagę mikrobioty skórnej, hamując namnażanie patogenów typu Staphylococcus aureus i wspierając wzrost korzystnych bakterii typu Staphylococcus epidermidis. Niektóre z nich pomagają utrzymać lekko kwaśne pH skóry (4,5-5,5), dzięki czemu utrzymują mikrobiom w równowadze.

• Działanie nawilżające i złuszczające

Produkty kosmetyczne zawierające enzymy proteolityczne i niektóre kwasy, złuszczają warstwę rogową, biorąc udział w odnowie naskórka. Część z nich np. kwas poliglutaminowy dodatkowo wiążą wodę w naskórku, poprawiając jego poziom nawilżenia.

• Działanie przeciwzapalne, antyoksydacyjne

Niektóre metabolity np. egzopolisacharydy, poprzez wpływ na ekspresję genów prozapalnych i szlaki cytokin wykazują działanie przeciwzapalne. Wykorzystywane jest to w redukcji rumienia, świądu i regeneracji bariery skórnej.  

• Działanie przeciwbakteryjne

Bakteriocyny i niskocząsteczkowe peptydy ograniczają rozwój bakterii chorobotwórczych, nie wykazując przy tym szkody dla mikrobioty fizjologicznej [12].

Wykorzystanie metabolitów bakteryjnych w produktach kosmetycznych jest efektem dynamicznego rozwoju biotechnologii. Naturalne pochodzenie metabolitów bakteryjnych i szerokie spektrum działania sprawiają, że są one popularnymi surowcami kosmetycznymi.  Ich zastosowanie w recepturach kosmetycznych otwiera nowe możliwości szczególnie w preparatach dedykowanych skórze wrażliwej, problematycznej, wymagającej regeneracji. W odróżnieniu od probiotyków, będących żywymi kulturami bakterii, metabolity bakterii są bardziej stabilnymi substancjami, dzięki czemu nie tracą aktywności w odpowiednich warunkach przechowywania.