Antioxidant Properties of Ferulic Acid and Its Possible Application

Abstract

Kwas ferulowy charakteryzuje się niską toksycznością i posiada wiele funkcji fizjologicznych (działanie przeciwzapalne, antyoksydacyjne, przeciwdrobnoustrojowe, przeciwnowotworowe, przeciwcukrzycowe). Znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym i kosmetycznym. Kwas ferulowy jest zmiataczem wolnych rodników, ale także inhibitorem enzymów katalizujących powstawanie wolnych rodników oraz wzmacniaczem aktywności enzymów zmiatających. Kwas ferulowy pełni rolę ochronną dla głównych struktur skóry: keratynocytów, fibroblastów, kolagenu, elastyny. Hamuje melanogenezę, wzmaga angiogenezę, przyspiesza gojenie się ran. Znajduje szerokie zastosowanie w preparatach pielęgnacyjnych jako czynnik fotoprotekcyjny, opóźniający procesy fotostarzenia się skóry oraz składnik rozjaśniający. Niemniej jednak jego zastosowanie jest ograniczone przez skłonność do szybkiego utleniania.

© 2018 S. Karger AG, Basel

Wprowadzenie

Właściwości kwasu ferulowego

Kwas ferulowy (-3- prop-2-enowy) (ryc. 1) należy do grupy kwasów fenolowych powszechnie występujących w tkankach roślinnych . Kwasy fenolowe są metabolitami wtórnymi o zróżnicowanej budowie chemicznej i właściwościach biologicznych. W roślinach występują głównie w formie związanej jako estry lub glikozydy, składniki lignin oraz garbniki hydrolizujące. Pod względem budowy chemicznej można je podzielić na pochodne kwasu cynamonowego i benzoesowego, różniące się liczbą i podstawieniem grup hydroksylowych i metoksylowych, oraz kwasy fenolowe o nietypowym charakterze. Dodatkową grupę stanowią depsydy, które są połączeniem dwóch lub więcej kwasów fenolowych. Kwas ferulowy, podobnie jak kwasy: kofeinowy, p-kumarowy, synapinowy, syrytowy i wanilinowy, jest najczęściej spotykaną pochodną kwasu cynamonowego .

Kwas ferulowy występuje najczęściej w pełnych ziarnach zbóż, szpinaku, natce pietruszki, winogronach, rabarbarze oraz nasionach zbóż, głównie pszenicy, owsa, żyta i jęczmienia (tab. 1). Jedną z najważniejszych ról kwasów fenolowych, a zwłaszcza pochodnych kwasu cynamonowego, jest ich aktywność antyoksydacyjna, która zależy przede wszystkim od liczby grup hydroksylowych i metoksylowych przyłączonych do pierścienia fenylowego. Kwas ferulowy jest łatwiej wchłaniany do organizmu i pozostaje we krwi dłużej niż inne kwasy fenolowe. Kwas ferulowy jest uważany za antyoksydant najwyższej klasy . Kwas ferulowy ma niską toksyczność i posiada wiele funkcji fizjologicznych, w tym przeciwzapalne, przeciwbakteryjne, przeciwnowotworowe (np. rak płuc, piersi, okrężnicy i skóry), antyarytmiczne i przeciwzakrzepowe, a także wykazał działanie przeciwcukrzycowe i właściwości immunostymulujące, a także zmniejsza uszkodzenia komórek nerwowych i może pomóc w naprawie uszkodzonych komórek. Ponadto jest suplementem sportowym, ponieważ może neutralizować wolne rodniki w tkance mięśniowej (łagodzi zmęczenie mięśni). Znalazł szerokie zastosowanie w farmacji i żywności. Ponadto znajduje szerokie zastosowanie w preparatach do pielęgnacji skóry jako środek fotoprotekcyjny (filtry przeciwsłoneczne), opóźniający procesy fotostarzenia się skóry oraz składnik rozjaśniający. Niemniej jednak jego zastosowanie jest ograniczone przez jego tendencję do szybkiego utleniania .

Antyoksydacyjna aktywność kwasu ferulowego

Mechanizm działania antyoksydacyjnego kwasu ferulowego jest złożony, opiera się głównie na hamowaniu powstawania reaktywnych form tlenu (ROS) lub azotu, ale także na neutralizacji („wymiataniu”) wolnych rodników. Ponadto, kwas ten jest odpowiedzialny za chelatowanie protonowanych jonów metali, takich jak Cu(II) lub Fe(II) . Kwas ferulowy jest nie tylko zmiataczem wolnych rodników, ale również inhibitorem enzymów katalizujących powstawanie wolnych rodników oraz wzmacniaczem aktywności enzymów zmiatających. Jest to bezpośrednio związane z jego strukturą chemiczną. Jego właściwości antyoksydacyjne związane są przede wszystkim z zmiataniem wolnych rodników, wiązaniem metali przejściowych, takich jak żelazo i miedź, oraz zapobieganiem peroksydacji lipidów. Mechanizm działania antyoksydacyjnego kwasu ferulowego polega na zdolności do tworzenia stabilnych rodników fenoksylowych, poprzez reakcję cząsteczki rodnika z cząsteczką antyoksydantu. Utrudnia to zapoczątkowanie złożonej kaskady reakcji prowadzącej do generacji wolnych rodników. Związek ten może również pełnić rolę donora wodoru, oddając atomy bezpośrednio do rodników. Ma to szczególne znaczenie w ochronie kwasów lipidowych błon komórkowych, przed niepożądanymi procesami autooksydacji. Jako wtórny przeciwutleniacz, kwasy ferulowe i ich związki pokrewne są w stanie wiązać metale przejściowe, takie jak żelazo i miedź. Zapobiega to powstawaniu toksycznych rodników hydroksylowych, które prowadzą do peroksydacji błon komórkowych .

Darmowe rodniki mogą być również tworzone przez naturalne procesy fizjologiczne człowieka, takie jak proces oddychania komórkowego. Reakcje te są katalizowane przez niektóre enzymy, m.in. oksydazę ksantynową i cyklooksygenazę-2. Sugeruje się, że inhibicja tego enzymu może zapobiegać zmianom wywołanym przez stres oksydacyjny, w tym światłowstrętowi. Dane literaturowe podają wysoką skuteczność kwasu ferulowego i jego pochodnych w obniżaniu aktywności oksydazy ksantynowej i cyklooksygenazy. Dlatego uważa się, że kwas ferulowy zmniejsza ilość ROS wytwarzanych w katalizowanych enzymatycznie przemianach.

Kwas ferulowy jako antyoksydant przeciwko negatywnemu wpływowi UV

Na stres oksydacyjny wywołany promieniowaniem UV bardzo narażone są keratynocyty i fibroblasty. ROS uszkadzają komórki poprzez proces peroksydacji lipidów, nitrowanie aminokwasów, a nawet zmiany w DNA, prowadząc do śmierci komórek. Kwas ferulowy wykazuje ochronne właściwości antyoksydacyjne, w stosunku do różnych struktur skóry i jej komórek. Pluemsamran i partnerzy udowodnili, że ludzkie komórki śródbłonka i keratynocyty są znacznie mniej podatne na uszkodzenia wywołane promieniowaniem UVA, gdy są wystawione na działanie kwasu ferulowego przed naświetlaniem. Uważa się, że fibroblasty są narażone na działanie UVA, a związany z tym stres oksydacyjny jest większy niż w przypadku bardziej powierzchniowo narażonych keratynocytów. Test na ludzkich fibroblastach wykazał, że kwas ferulowy, podany przed ekspozycją na promieniowanie UVA, znacząco zmniejszył jego niekorzystne działanie. Zapobiega on indukowanym przez UV zmianom cyklu komórkowego i uszkodzeniom DNA oraz reguluje ekspresję genów naprawy DNA. Hahn i współpracownicy wykazali, że wewnątrzkomórkowa produkcja ROS jest prawie 2-krotnie niższa w fibroblastach, które po napromieniowaniu UVA mają zaaplikowany kwas ferulowy. Podobne efekty, w postaci ochrony przed uszkodzeniami wolnorodnikowymi, zaobserwowano w fibroblastach naświetlanych UVB. W swoich badaniach Ambothi i Nagarajan wykazali ochronną rolę kwasu ferulowego aplikowanego do komórek na 30 min przed ekspozycją na UVB. W porównaniu do komórek nie poddanych działaniu antyoksydantów, zaobserwowano cytotoksyczność, peroksydację lipidów, zmiany w DNA, spadek enzymów antyoksydacyjnych i zmniejszoną produkcję ROS. Ponieważ ROS indukowane przez UVB są jednym z czynników istotnie przyczyniających się do rozwoju raka skóry, kwas ferulowy, o którym wiadomo, że obniża ich poziom, został uznany za obiecującą substancję przeciwnowotworową. W innym badaniu na ludzkich fibroblastach, kwas ferulowy okazał się być skuteczną substancją chroniącą białka szoku cieplnego przed degradacją spowodowaną przez nadtlenek wodoru. W rezultacie, test traktowane komórki, przed napromieniowaniem UV, wykazał znacznie większą przeżywalność komórek i mniej uszkodzeń wywołanych przez ROS. Udowodniono, że jest to ściśle związane ze znacznie zwiększonym poziomem ochronnych białek szoku cieplnego w porównaniu z próbą z kwasem ferulowym .

Aktywacja MMP-2 i MMP-9 pod wpływem promieniowania UVB prowadzi do fotosaturacji i inicjacji procesów fotokancerogenezy . Staniforth i wsp. udowodnili, że procesom tym skutecznie zapobiega aplikacja kwasu ferulowego, tuż po ekspozycji na promieniowanie UVB. Badania przeprowadzone na myszach wykazały spadek aktywności MMP-2 i MMP-9 odpowiednio o 37 i 83% w porównaniu do grupy nie naświetlanej antyoksydantami. Kwas ferulowy podany przed napromieniowaniem powoduje zmniejszenie cytotoksyczności, mniejszą stymulację metaloproteinaz macierzy MMP-1 oraz generowanie ROS, w porównaniu do osób naświetlanych bez antyoksydantów. Również poziom endogennych antyoksydantów, glutationu i katalazy, spadł mniej i szybciej się odbudowywał w sondzie z kwasem ferulowym. Badany antyoksydant okazał się skuteczny nie tylko ze względu na zdolność zmiatania wolnych rodników, ale również ze względu na jego ochronny wpływ na wewnątrzkomórkowy system antyoksydacyjny. Bian i partnerzy wykazali wysoką skuteczność kwasu ferulowego w zapobieganiu uszkodzeniom indukowanym przez H2O2 w ludzkich komórkach nerki embrionalnej. Aplikacja kwasu ferulowego, przed ekspozycją na H2O2, zwiększyła przeżywalność komórek i poziom enzymów antyoksydacyjnych (katalaza, dysmutaza ponadtlenkowa). Stwierdzono, że naturalne antyoksydanty takie jak kwas ferulowy mogą zapobiegać niekorzystnym zmianom w organizmie wynikającym ze stresu oksydacyjnego, w tym degradacji kolagenu .

Kawaguchi i wsp. w swoich badaniach na ludzkich fibroblastach wykazali, że główną przyczyną elastozy (nagromadzenie agregatów tropoelastyny w warstwie siateczkowej skóry) są wolne rodniki tlenowe. W komórkach poddanych działaniu ROS zaobserwowano znaczny wzrost ekspresji mRNA tropoelastyny. Proces ten ulegał redukcji, gdy fibroblasty traktowano katalazą, określaną jako zmiatacz wolnych rodników. Na tej podstawie autorzy sugerują, że stosowanie antyoksydantów, takich jak kwas ferulowy, mogłoby zapobiegać niekorzystnemu zjawisku elastozy .

Efekt angiogenezy

W świetle aktualnej wiedzy uważa się, że kwas ferulowy wywiera efekt angiogenezy poprzez wpływ na aktywność głównych czynników w niej uczestniczących, tj. czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF), płytkowego czynnika wzrostu (PDGF) oraz czynnika indukowanego hipoksją 1 (HIF-1). Lin i partnerzy w swoich badaniach przeprowadzonych na komórkach śródbłonka ludzkiej żyły pępowinowej wykazali, że kwas ferulowy zwiększa ekspresję VEGF i PDGF oraz zwiększa ilość indukowanego hipoksją HIF-1, co generuje reakcje odpowiadające na hipoksję. Autorzy uważają, że kwas ferulowy jest skuteczną substancją promującą powstawanie nowych naczyń, co potwierdzają zarówno badania in vivo, jak i in vitro .

Efekt regeneracji i gojenia ran

Doświadczenie przeprowadzone z wykorzystaniem szczurów cukrzycowych wykazało, że kwas ferulowy przyspiesza regenerację i gojenie się ran. Procent skurczu rany u szczurów, którym podawano maść z kwasem ferulowym wynosił 27% po 4 dniach, podczas gdy w grupie, która go nie otrzymywała, po 4 dniach podawano tylko 14%. Po 16 dniach szczury leczone kwasem ferulowym były prawie całkowicie wyleczone (96%). W grupie kontrolnej, w której stosowano maść z 1% soframycyną, standaryzowaną do leczenia trudno gojących się ran, po 16 dniach rana była zagojona w 83%. Zaobserwowano również szybszy początek ziarniniaków w grupie kwasu ferulowego i szybszą epitelializację w porównaniu do grupy kontrolnej. Ghaisas i partnerzy, w podobnym badaniu, oprócz szybszego obkurczania się rany i zwiększonej epitelializacji, zaobserwowali zwiększoną syntezę hydroksyproliny i hydroksylizyny (główne aminokwasy biorące udział w gojeniu się ran, będące prekursorami kolagenu), w skórze szczurów z cukrzycą, którym podawano kwas ferulowy. Ponadto wykazano, że stosowanie maści z kwasem ferulowym w trakcie gojenia hamuje peroksydację lipidów oraz zwiększa aktywność katalazy, dysmutazy ponadtlenkowej i glutationu. Autorzy sugerują, że zjawisko to również znacznie przyspiesza obkurczanie się rany .

Zastosowanie kwasu ferulowego w kosmetologii i dermatologii estetycznej

Zapobieganie procesom starzenia się skóry jest jednym z głównych zagadnień współczesnej kosmetologii i medycyny estetycznej. Ważną rolę odgrywa ochrona przed działaniem czynników zewnętrznych, takich jak promieniowanie UV, zanieczyszczenia powietrza oraz zmiatanie wolnych rodników. Do związków o udowodnionej skuteczności antyoksydacyjnej należy kwas ferulowy. Początkowo był on stosowany w kosmetyce jako stabilizator innych powszechnie znanych antyoksydantów, takich jak witamina C i witamina E. Badania pokazują jednak, że związek ten jest wykorzystywany nie tylko jako związek dodatkowy, ale również jako aktywny składnik o właściwościach antyoksydacyjnych, który wspomaga wewnątrzkomórkowe systemy obrony antyoksydacyjnej. Dzięki temu kwas ferulowy pełni rolę ochronną dla głównych struktur skóry (keratynocyty, fibroblasty, kolagen, elastyna), co wykorzystywane jest w preparatach kosmetycznych o działaniu przeciwstarzeniowym. Ze względu na zdolność do hamowania głównego enzymu melanogenezy (tyrozynazy), jest on również stosowany w preparatach kosmetycznych anti-blemish.

Kwas ferulowy jest stosowany w preparatach rozjaśniających skórę, ponieważ hamuje aktywność tyrozynazy (enzymu biorącego udział w melanogenezie) i hamuje proliferację melanocytów . Staniforth i wsp. zauważyli, że kwas ferulowy absorbuje promieniowanie UV (290-320 nm). W celu zwiększenia efektu rozjaśnienia, kwas ferulowy może być łączony z innymi związkami, które również mają działanie rozjaśniające, ale poprzez inne procesy, takie jak niacynamid (hamuje przemieszczanie się melanosomów z melanocytów do keratynocytów). Saint-Leger i wsp. odnotowali lepsze działanie kwasu ferulowego po dodaniu do niego czynnika keratolitycznego, takiego jak lipohydroksykarbony.

Kwas ferulowy jest szeroko stosowany w preparatach do pielęgnacji skóry jako opóźniacz procesów fotostarzenia się skóry i czynnik fotoprotekcyjny. Jego zastosowanie jako antyoksydantu miejscowego stało się ważną drogą podawania ze względu na utrzymywanie wysokiego stężenia miejscowego i niski metabolizm skórny. Ponadto, miejscowo kwas ferulowy wnika głęboko w skórę, zarówno o pH kwaśnym, jak i obojętnym, w postaci zdysocjowanej i niezdysocjowanej. Saija i wsp. badali penetrację kwasu ferulowego i kofeinowego rozpuszczalnego w nasyconych roztworach wodnych (pH 3 i pH 7,2) przez ludzką skórę przeciętą komórkami Franza. Okazało się, że kwasy te, niezależnie od pH, przenikały przez warstwę rogową naskórka. Zauważono, że kwas ferulowy ma nieco lepszą zdolność penetracji, co tłumaczono znaną wyższą lipofilnością tego kwasu. Badania nad antyoksydantami fenolowymi wykazały, że kwas ferulowy poprawia stabilność chemiczną preparatów kwasu L-askorbinowego i α-tokoferolu, zwiększając tym samym ich właściwości fotoprotekcyjne.

Kwas ferulowy stosowany jest do produkcji maseczek do twarzy, a także kremów/lotionów antyoksydacyjnych, ochronnych i nawilżających. Zalecane stężenie kwasu w produktach kosmetycznych tego typu wynosi od 0,5 do 1%. Kwas ferulowy wykorzystywany jest również w kosmetologii medycznej i salonach medycyny estetycznej. Najczęściej stosuje się go w stężeniu 12% oraz w połączeniu z witaminami C i kwasem hialuronowym. Kwas ferulowy jest stosowany w następujących zabiegach: mikronakłuwanie i mezoterapia bezigłowa, peelingi chemiczne, zabiegi pielęgnacyjne. Wskazania do stosowania kwasu ferulowego obejmują starzenie i fotostarzenie się skóry, hiperpigmentację (melasma), skórę łojotokową oraz trądzik.

Podsumowanie

Przeprowadzone dotychczas badania wykazały, że kwas ferulowy posiada silne właściwości antyoksydacyjne, co wiąże się bezpośrednio z jego rolą ochronną w stosunku do struktur komórkowych oraz hamowaniem melanogenezy. Jest on coraz częściej stosowany w preparatach kosmetycznych, głównie w celu hamowania fotostarzenia. Jednocześnie przyczynia się do redukcji drobnych zmarszczek i istniejących przebarwień. Dobra penetracja w głąb skóry, kompatybilność z wieloma recepturami kosmetycznymi oraz właściwości stabilizujące inne składniki sprawiają, że kwas ferulowy jest coraz częściej stosowanym związkiem w kosmetologii.

Podziękowania

Praca została wsparta w ramach badań statutowych Katedry Kosmetologii i Dermatologii Estetycznej, Wydziału Farmaceutycznego Uniwersytetu Medycznego w Łodzi, nr. 503/3-066-01/503-31-001.

Oświadczenie o ujawnieniu informacji

Autorzy nie zgłaszają konfliktu interesów.

Kontakty z autorami

Article / Publication Details