Antioxidační vlastnosti kyseliny ferulové a možnosti jejího využití

Abstract

Kyselina ferulová má nízkou toxicitu a řadu fyziologických funkcí (protizánětlivou, antioxidační, antimikrobiální aktivitu, protinádorový a antidiabetický účinek). Je široce využívána ve farmaceutickém, potravinářském a kosmetickém průmyslu. Kyselina ferulová je vychytávač volných radikálů, ale také inhibitor enzymů, které katalyzují vznik volných radikálů, a zesilovač aktivity vychytávacích enzymů. Kyselina ferulová má ochrannou úlohu pro hlavní kožní struktury: keratinocyty, fibroblasty, kolagen, elastin. Inhibuje melanogenezi, zvyšuje angiogenezi a urychluje hojení ran. Široce se uplatňuje v přípravcích péče o pleť jako fotoprotektivum, zpožďovač procesů fotostárnutí pleti a rozjasňující složka. Nicméně její použití je omezeno její tendencí k rychlé oxidaci.

© 2018 S. Karger AG, Basel

Úvod

Vlastnosti kyseliny ferulové

Kyselina ferulová (-3- prop-2-enová) (obr. 1) patří do skupiny fenolových kyselin, které se běžně vyskytují v rostlinných tkáních . Fenolické kyseliny jsou sekundární metabolity s různou chemickou strukturou a biologickými vlastnostmi. V rostlinách se vyskytují především ve vázané formě jako estery nebo glykosidy, složky ligninu a hydrolyzované třísloviny . Z hlediska chemické struktury je lze rozdělit na deriváty kyseliny skořicové a benzoové, lišící se počtem a substitucí hydroxylových a methoxylových skupin, a fenolické kyseliny neobvyklého charakteru. Další skupinou jsou depsidy, což je kombinace dvou nebo více fenolických kyselin . Kyselina ferulová, stejně jako kyseliny kávová, p-kumarová, synapinová, syrytová a vanilinová, je nejběžnějším derivátem kyseliny skořicové .

Kyselina ferulová se nejčastěji vyskytuje v celých zrnech, špenátu, petrželi, hroznech, rebarboře a semenech obilovin, především pšenice, ovsa, žita a ječmene (tabulka 1). Jednou z nejdůležitějších úloh fenolových kyselin, zejména derivátů kyseliny skořicové, je jejich antioxidační aktivita, která závisí především na počtu hydroxylových a methoxylových skupin navázaných na fenylový kruh . Kyselina ferulová se snáze vstřebává do organismu a zůstává v krvi déle než jiné fenolické kyseliny. Kyselina ferulová je považována za vynikající antioxidant . Kyselina ferulová má nízkou toxicitu a má mnoho fyziologických funkcí, včetně protizánětlivé, antimikrobiální, protinádorové (např. rakovina plic, prsu, tlustého střeva a kůže), antiarytmické a antitrombotické aktivity, a prokázala také antidiabetické účinky a imunostimulační vlastnosti a snižuje poškození nervových buněk a může pomáhat opravovat poškozené buňky. Dále je sportovním doplňkem, protože dokáže neutralizovat volné radikály ve svalové tkáni (zmírňuje svalovou únavu). Má široké využití ve farmacii a potravinářství. Kromě toho se hojně uplatňuje v přípravcích péče o pleť jako fotoprotektivum (opalovací krémy), zpožďovač procesů fotostárnutí pleti a rozjasňující složka. Nicméně jeho použití je omezeno jeho tendencí k rychlé oxidaci .

Antioxidační aktivita kyseliny ferulové

Antioxidační mechanismus působení kyseliny ferulové je komplexní, založený především na inhibici tvorby reaktivních forem kyslíku (ROS) nebo dusíku, ale také na neutralizaci („zametání“) volných radikálů. Kromě toho je tato kyselina zodpovědná za chelataci protonovaných iontů kovů, jako je Cu(II) nebo Fe(II) . Kyselina ferulová je nejen vychytávačem volných radikálů, ale také inhibitorem enzymů, které katalyzují vznik volných radikálů, a zesilovačem aktivity vychytávacích enzymů. To přímo souvisí s její chemickou strukturou . Její antioxidační vlastnosti souvisejí především s vychytáváním volných radikálů, vazbou přechodných kovů, jako je železo a měď, a prevencí peroxidace lipidů. Mechanismus antioxidační aktivity kyseliny ferulové spočívá ve schopnosti vytvářet stabilní fenoxylové radikály, a to reakcí molekuly radikálu s molekulou antioxidantu. To ztěžuje zahájení složité reakční kaskády vedoucí ke vzniku volných radikálů. Tato sloučenina může také působit jako donor vodíku a poskytovat atomy přímo radikálům. To je důležité zejména pro ochranu lipidových kyselin buněčných membrán před nežádoucími autoxidačními procesy. Jako sekundární antioxidant jsou kyseliny ferulové a jim příbuzné sloučeniny schopny vázat přechodné kovy, jako je železo a měď . Tím zabraňují tvorbě toxických hydroxylových radikálů, které vedou k peroxidaci buněčných membrán .

Volné radikály mohou vznikat také přirozenými lidskými fyziologickými procesy, jako je například proces buněčného dýchání. Tyto reakce katalyzují některé enzymy, mimo jiné xantinoxidáza a cyklooxygenáza-2 . Předpokládá se, že inhibice tohoto enzymu by mohla zabránit změnám způsobeným oxidačním stresem, včetně světloplachosti . Literární údaje uvádějí vysokou účinnost kyseliny ferulové a jejích derivátů při snižování aktivity xantinoxidázy a cyklooxygenázy. Předpokládá se proto, že kyselina ferulová snižuje množství ROS vznikajících při enzymově katalyzované přeměně .

Kyselina ferulová jako antioxidant proti negativnímu vlivu UV záření

Vysoce vystaveny oxidačnímu stresu vyvolanému UV zářením jsou keratinocyty a fibroblasty. ROS poškozují buňky procesem peroxidace lipidů, nitrací aminokyselin a dokonce i změnami DNA, což vede k buněčné smrti. Kyselina ferulová vykazuje ochranné antioxidační vlastnosti ve vztahu k různým kožním strukturám a kožním buňkám. Pluemsamran a spol. prokázali, že lidské endotelové buňky a keratinocyty jsou mnohem méně náchylné k poškození volnými radikály vyvolanými UVA, pokud jsou před ozařováním vystaveny působení kyseliny ferulové. Předpokládá se, že fibroblasty jsou vystaveny UVA záření a oxidační stres s ním spojený je větší než u povrchověji exponovaných keratinocytů. Test na lidských fibroblastech ukázal, že kyselina ferulová podávaná před expozicí UVA záření významně snižuje jeho nepříznivé účinky. Zabraňuje změnám buněčného cyklu a poškození DNA vyvolaným UV zářením a reguluje expresi genů pro opravu DNA. Hahn a spol. prokázali, že intracelulární produkce ROS je téměř 2krát nižší u fibroblastů, kterým byla po ozáření UVA aplikována kyselina ferulová. Podobné účinky v podobě ochrany před poškozením volnými radikály byly pozorovány i u fibroblastů vystavených UVB záření. Ambothi a Nagarajan ve svém výzkumu prokázali ochrannou roli kyseliny ferulové aplikované na buňky 30 minut před vystavením UVB záření. Ve srovnání s buňkami, které nebyly vystaveny antioxidantům, byla pozorována cytotoxicita, peroxidace lipidů, změny DNA, pokles antioxidačních enzymů a snížená produkce ROS. Vzhledem k tomu, že ROS vyvolané UVB jsou jedním z faktorů, které významně přispívají ke vzniku rakoviny kůže, bylo zjištěno, že kyselina ferulová, která je známá tím, že snižuje jejich hladinu, je slibnou protinádorovou látkou . V jiné studii na lidských fibroblastech se kyselina ferulová ukázala jako účinná látka, která chrání proteiny tepelného šoku před degradací způsobenou peroxidem vodíku. Výsledkem bylo, že test s buňkami ošetřenými před ozařováním UV zářením vykazoval výrazně větší přežití buněk a menší poškození vyvolané ROS. Bylo prokázáno, že to úzce souvisí s výrazně zvýšenou hladinou ochranných proteinů tepelného šoku ve srovnání s pokusem s kyselinou ferulovou .

Aktivace MMP-2 a MMP-9 pod vlivem UVB záření vede k fotosaturaci a iniciaci procesů fotokancerogeneze . Staniforth a spol. prokázali, že těmto procesům účinně brání aplikace kyseliny ferulové, a to těsně po expozici UVB záření. Studie provedené na myších ukázaly snížení aktivity MMP-2 a MMP-9 o 37, resp. 83 % ve srovnání se skupinou, která nebyla vystavena antioxidantům . Kyselina ferulová podávaná před ozařováním způsobuje sníženou cytotoxicitu, menší stimulaci matrixových metaloproteináz MMP-1 a tvorbu ROS ve srovnání s těmi, kteří byli vystaveni záření bez antioxidantu. Také hladina endogenních antioxidantů, glutathionu a katalázy, klesla méně a rychleji se obnovila u sondy s kyselinou ferulovou. Testovaný antioxidant se ukázal být účinný nejen pro svou schopnost vychytávat volné radikály, ale také pro svůj ochranný účinek na intracelulární antioxidační systém . Bian a spol. prokázali vysokou účinnost kyseliny ferulové v prevenci poškození vyvolaného H2O2 v buňkách lidských embryonálních ledvin. Aplikace kyseliny ferulové před vystavením H2O2 zvýšila přežití buněk a hladiny antioxidačních enzymů (kataláza, superoxiddismutáza). Bylo uvedeno, že přírodní antioxidanty, jako je kyselina ferulová, mohou zabránit nepříznivým změnám v organismu v důsledku oxidačního stresu, včetně degradace kolagenu .

Kawaguchi a kol. ve své studii na lidských fibroblastech prokázali, že hlavní příčinou elastózy (hromadění agregátů tropoelastinu v retikulární vrstvě kůže) jsou volné kyslíkové radikály. U buněk vystavených působení ROS bylo pozorováno významné zvýšení exprese mRNA tropoelastinu. Tento proces se snížil, když byly fibroblasty ošetřeny katalázou označovanou jako lapače volných radikálů. Na základě toho autoři předpokládají, že použití antioxidantů, jako je kyselina ferulová, by mohlo zabránit nepříznivému jevu elastózy .

Účinek na angiogenezi

Ve světle současných poznatků se předpokládá, že kyselina ferulová má účinek na angiogenezi tím, že ovlivňuje aktivitu hlavních faktorů, které se na ní podílejí, tj. vaskulárního endoteliálního růstového faktoru (VEGF), růstového faktoru odvozeného od destiček (PDGF) a faktoru indukovaného hypoxií 1 (HIF-1). Lin a jeho kolegové ve svém výzkumu provedeném s použitím endoteliálních buněk lidské pupečníkové žíly prokázali, že kyselina ferulová zvyšuje expresi VEGF a PDGF a zvyšuje množství hypoxií indukovaného HIF-1, což vytváří reakce reagující na hypoxii. Autoři se domnívají, že kyselina ferulová je účinnou látkou, která podporuje tvorbu nových cév, což dokazují studie in vivo i in vitro .

Účinek na regeneraci a hojení ran

Pokus provedený s použitím diabetických potkanů prokázal, že kyselina ferulová urychluje regeneraci a hojení ran. Procento stažení rány u potkanů, kterým byla podávána mast s kyselinou ferulovou, bylo po 4 dnech 27 %, zatímco u skupiny, která ji nedostávala, bylo po 4 dnech pouze 14 %. Po 16 dnech byli potkani, kterým byla podávána kyselina ferulová, téměř úplně zhojení (96 %). V kontrolní skupině, která používala mast s 1% soframycinem, standardizovanou pro léčbu obtížně se hojících ran, byla rána po 16 dnech zhojena v 83 %. Ve skupině s kyselinou ferulovou byl také zaznamenán rychlejší nástup granulomů a rychlejší epitelizace ve srovnání s kontrolní skupinou . Ghaisas a spol. v podobné studii kromě rychlejšího zmenšování rány a zvýšené epitelizace pozorovali v kůži diabetických potkanů, kterým byla podávána kyselina ferulová, zvýšenou syntézu hydroxyprolinu a hydroxylysinu (hlavní aminokyseliny podílející se na hojení ran, které jsou prekurzory kolagenu). Kromě toho bylo prokázáno, že používání masti s kyselinou ferulovou během hojení inhibuje peroxidaci lipidů a zvyšuje katalázu, superoxiddismutázu a glutathion. Autoři předpokládají, že tento jev také významně urychluje smršťování rány .

Použití kyseliny ferulové v kosmetologii a estetické dermatologii

Prevence procesů stárnutí kůže je jedním z hlavních témat současné kosmetologie a estetické medicíny. Důležitou roli hraje ochrana před působením vnějších faktorů, jako je UV záření, znečištěné ovzduší a odstraňování volných radikálů. Mezi sloučeniny s prokázanou antioxidační účinností patří kyselina ferulová. Původně se v kosmetice používala jako stabilizátor jiných běžně známých antioxidantů, jako je vitamin C a vitamin E. Výzkumy však ukazují, že tato sloučenina se nepoužívá pouze jako doplňková sloučenina, ale také jako aktivní složka s antioxidačními vlastnostmi, která podporuje intracelulární antioxidační obranné systémy. Díky tomu má kyselina ferulová ochrannou roli pro hlavní kožní struktury (keratinocyty, fibroblasty, kolagen, elastin), což se využívá v antiagingových kosmetických přípravcích. Díky své schopnosti inhibovat hlavní enzym melanogeneze (tyrosinázu) se používá také v kosmetických přípravcích proti skvrnám.

Kyselina ferulová se používá v přípravcích na zesvětlení pokožky, protože inhibuje aktivitu tyrosinázy (enzym podílející se na melanogenezi) a brzdí proliferaci melanocytů . Staniforth a kol. poznamenali, že kyselina ferulová absorbuje UV záření (290-320 nm). Pro zvýšení zesvětlujícího účinku lze kyselinu ferulovou kombinovat s dalšími sloučeninami, které mají rovněž zesvětlující účinek, ale jinými procesy, jako je niacinamid (inhibuje pohyb melanosomů z melanocytů do keratinocytů). Saint-Leger a kol. zaznamenali lepší účinky kyseliny ferulové poté, co k ní přidali keratolytickou látku, jako jsou lipohydroxykarbony.

Kyselina ferulová se široce uplatňuje v přípravcích péče o pleť jako zpožďovač procesů fotostárnutí pleti a fotoprotektivum. Její aplikace jako lokálního antioxidantu se stala důležitou cestou podání díky udržování vysoké lokální koncentrace a nízkému kožnímu metabolismu . Kyselina ferulová navíc lokálně proniká hluboko do kůže, a to jak při kyselém, tak při neutrálním pH, v disociované i nedisociované formě . Saija a spol. studovali průnik kyseliny ferulové a kávové rozpustné v nasycených vodných roztocích (pH 3 a pH 7,2) řezem lidské kůže ve Františkových buňkách. Ukázalo se, že tyto kyseliny bez ohledu na pH pronikly do rohové vrstvy. Bylo zjištěno, že kyselina ferulová má o něco lepší penetrační schopnost, což bylo vysvětleno známou vyšší lipofilitou této kyseliny. Výzkum fenolových antioxidantů ukázal, že kyselina ferulová zlepšuje chemickou stabilitu přípravků s kyselinou L-askorbovou a α-tokoferolem, čímž zvyšuje jejich fotoprotektivní vlastnosti.

Kyselina ferulová se používá při výrobě pleťových masek a také antioxidačních, ochranných a hydratačních krémů/mlék. Doporučená koncentrace kyseliny v kosmetických přípravcích tohoto typu je 0,5 až 1 %. Kyselina ferulová se používá také v lékařské kosmetice a estetických salonech. Nejčastěji se používá v koncentraci 12 % a v kombinaci s vitaminy C a kyselinou hyaluronovou. Kyselina ferulová se používá při těchto procedurách: mikrojehličková a bezjehličková mezoterapie, chemický peeling a ošetření. Mezi indikace použití kyseliny ferulové patří stárnutí a fotostárnutí pleti, hyperpigmentace (melasma), seboroická pleť a akné.

Závěr

Dosud provedený výzkum ukázal, že kyselina ferulová má silné antioxidační vlastnosti, které se přímo podílejí na její ochranné roli vůči buněčným strukturám a inhibici melanogeneze. Stále častěji se používá v kosmetických přípravcích, především k inhibici fotostárnutí. Zároveň pomáhá redukovat jemné vrásky a stávající zabarvení. Dobrý průnik do pokožky, kompatibilita s mnoha kosmetickými přípravky a stabilizační vlastnosti ostatních složek činí z kyseliny ferulové stále častěji používanou sloučeninu v kosmetologii.

Poděkování

Tato práce byla podpořena statutární výzkumnou činností Katedry kosmetologie a estetické dermatologie Farmaceutické fakulty Lékařské univerzity v Lodži, čj. 503/3-066-01/503-31-001.

Disclosure Statement

Autoři deklarují, že nejsou ve střetu zájmů.

Kontakty autora

Detaily článku / publikace