Nadia Ruocco

1 Departamentul de biologie și evoluția organismelor marine, Stazione Zoologica Anton Dohrn, Villa Comunale, 80121 Napoli, Italia; [email protected]

2 Departamentul de biologie, Universitatea din Napoli Federico II, Universitatea di Monte Sant'Angelo, Via Cinthia, 80126 Napoli, Italia

3 Unitatea de Chimie Bio-Organică, Institutul de Chimie Biomoleculară-CNR, Via Campi Flegrei 34, Pozzuoli, 80078 Napoli, Italia

Susan Costantini

4 CROM, Istumuto Nazionale Tumori „Fondazione G. Pascale”, IRCCS, 80131 Napoli, Italia; [email protected]

Stefano Guariniello

5 Departamentul de Biochimie, Biofizică și Patologie Generală, a doua Universitate a Universității din Napoli, 80131 Napoli, Italia; ti.liamtoh@raug_ets

Maria Costantini

1 Departamentul de biologie și evoluția organismelor marine, Stazione Zoologica Anton Dohrn, Villa Comunale, 80121 Napoli, Italia; [email protected]

Abstract

1. Introducere

Speciile marine reprezintă aproximativ jumătate din biodiversitatea globală, conținând specii diferite și reprezentative și aparținând taxei principale care cuprinde, de asemenea, un număr mare de microbi și viruși. Aproximativ 70% din suprafața Pământului este acoperită de oceane, care corespund aproximativ 90% din biosferă și oferă o sursă excelentă de compuși noi. În ultimele decenii, organismele marine au fost explorate pe larg ca potențiale surse de compuși bioactivi noi [1]. Pe parcursul evoluției lor, diferitele organisme marine, cum ar fi bacteriile, macro- și microalge, bureții și peștii au dezvoltat diferite tipuri de mecanisme de apărare, bazate pe utilizarea unei mari varietăți de molecule naturale specifice și puternice, care le permit să supraviețuiască într-un mediu ostil. care include condiții extreme care implică diferite grade de salinitate, presiune, temperatură și lumină [2], precum și atacuri microbiene și virale.

Organismele marine reprezintă astfel o sursă bogată pentru descoperirea de noi compuși naturali, cuprinzând atât molecule mici (terpenoide, polieteri, polichide, lipoproteine ​​și peptide antimicrobiene mici), utilizate de obicei ca sisteme de apărare împotriva prădătorilor, cât și macromolecule cu potențial biotehnologic, cum ar fi proteine, glicoproteine ​​și polizaharide, care au fost, de asemenea, identificate. Aceste molecule nu sunt utilizate în sistemele de apărare, dar au alte roluri biologice importante în organismele marine ca receptori ai suprafeței celulare [3], în dezvoltarea și diferențierea celulelor [4] și sistemul imunitar înnăscut [5]. Probabil reprezintă un sistem de apărare foarte vechi, reorganizat în timpul evoluției [6,7], datorită contactului direct al organismelor marine cu mediul lor, care are concentrații mari de bacterii, viruși patogeni și ciuperci.

Un număr mare de medicamente sau medicamente au fost izolate de organismele terestre, în timp ce mult mai puține medicamente sau medicamente au fost obținute din surse marine. Acest lucru este în contrast cu nivelul ridicat de biodiversitate din mediul marin, oferind o mare oportunitate pentru descoperirea produselor naturale marine. Acest lucru se datorează în principal faptului că mediul marin nu a fost încă explorat la fel de intens ca o sursă potențială de medicamente sau medicamente potențiale. Cu toate acestea, o varietate de compuși a fost obținută de la organisme marine și sunt în prezent în studiu și în stadii avansate ale studiilor clinice. Unele dintre ele au fost deja comercializate ca droguri [8,9,10].

Dintre compușii marini, carbohidrații marini sunt considerați componenți organici importanți ai sedimentelor marine [11,12]. În biosferă, carbohidrații sunt principalii compuși organici produși de organismele fotosintetice utilizate ca sursă de energie pentru organismele heterotrofe [13,14]. Acestea sunt, de asemenea, importante datorită participării lor la sistemul imunitar, la fertilizare și la depozitarea alimentelor. Deoarece glucidele sunt omniprezente și abundente, ele joacă un rol important în ciclurile biogeochimice, care apar în coloana de apă marină și interfața sediment-apă. În sistemul marin, glucidele totale sunt prezente în formele de monozaharide, dizaharide și polizaharide [15,16,17] și sunt unii dintre cei mai importanți compuși organici care sunt produși prin fotosinteză în organismele marine vii.

Glucidele au beneficiat de o atenție largă și sunt studiate pe larg de mulți investigatori din întreaga lume [11,18,19,20,21]. O serie dintre aceste studii s-au concentrat pe relația dintre carbohidrați și carbonul organic și pe distribuția lor [22]. Dintre diferitele clase, polizaharidele au roluri de stocare și structurale, atât organismele marine, cât și cele terestre. Glicogenul și amidonul sunt polizaharide de depozitare, în timp ce unitățile structurale sunt polizaharide precum celuloza și chitina. Formele de depozitare a glucidelor sunt instabile. Acestea sunt utilizate și degradate de organisme heterotrofe in situ în timp ce depun materia organică de la suprafață la adâncimi [23]. Pe lângă polizaharide, monozaharidele sunt utile pentru oameni și pot vindeca multe boli, în special cele legate de deficiența metabolismului, cum ar fi diabetul [24].

În această revizuire descriem progresele actuale în utilizarea polizaharidelor marine (inclusiv chitină, chitosan, fucoidan, caragenan și alginat; Figura 1) pentru aplicații nutraceutice, cosmeceutice și farmacologice.

polizaharide

Polizaharide marine de interes pentru aplicații cosmeceutice, nutraceutice și farmacologice. Sursele de organisme marine sunt, de asemenea, raportate.

2. Aplicații cosmeceutice

Cosmeticele sunt produse aplicate corpului uman pentru curățarea, înfrumusețarea și modificarea aspectului său, fără a afecta structura și funcțiile acestuia. Unele (cum ar fi cremele de protecție solară sau șampoanele antimătreață) pot fi, de asemenea, utilizate pentru prevenirea unor boli, referitoare, de exemplu, la structura pielii umane și, în aceste cazuri, sunt considerate, de asemenea, ca medicamente. Luând în considerare această considerație, Kligman a introdus termenul de „cosmeceutic” în urmă cu aproximativ 20 de ani pentru a defini produsele cosmetice aplicate pentru îngrijirea personală care au o combinație de utilizări cosmetice și farmaceutice [26,27,28,29]. Cosmeceuticalele conțin ingrediente active livrate sub formă de creme, loțiuni și unguente și produse de înfrumusețare ingerabile care sunt oferite sub formă de lichide, pastile și/sau alimente funcționale. Acestea sunt formulate cu ingrediente sau substanțe nutritive utile pentru a promova pielea, părul și unghiile sănătoase la nivel celular, inclusiv ca ingrediente cheie vitamine, minerale, extracte botanice și antioxidanți (Figura 2).

Aplicațiile cosmeceutice și nutraceutice ale polizaharidelor marine.

Recent, consumatorii s-au arătat foarte interesați de compușii bioactivi noi din surse naturale marine, în locul ingredientelor sintetice, datorită efectelor lor benefice percepute. Organismele marine s-au demonstrat ca surse bogate de compuși activi din punct de vedere structural din punct de vedere structural cu un potențial cosmeceutic mare [30,31,32]. Progresele în creștere în biotehnologia marină oferă un mare ajutor în studiile privind îmbătrânirea, inflamația și degradarea pielii legate de radicalii liberi. În același timp, cercetările dermatologice sugerează că ingredientele bioactive marine utilizate în cosmeceutice pot avea beneficii mai mari dincolo de rolul tradițional de hidratare (de exemplu, [28]).

Pe de altă parte, chitosanul (un polimer liniar obținut prin deacetilarea parțială a chitinei) este compus din lanțuri polizaharidice de glucazamină și N-acetilglucozamină cu grupări amino libere, care interacționează cu alte molecule biologice. Este un polimer cationic sensibil la pH, care poate fi modelat în diferite forme, inclusiv margele, hidrogeluri, nanofibre și nanoparticule. Ca hidrogel, chitosanul are proprietăți superioare de absorbție a apei, făcându-l valoros ca hidratant. Oligomerii de chitosan stimulează producția de fibroblaste, oferă beneficii de vindecare a rănilor și prezintă efecte de inhibare a antioxidanților și metaloproteinazei. Un alt atribut important al chitosanului este activitatea sa antimicrobiană largă, care include bacterii, drojdie și ciuperci. Chitosanul, sub formă de nanoparticule, acționează ca un sistem de livrare. Aceste particule ajută la protejarea împotriva factorilor de mediu, cum ar fi lumina și oxidarea, și facilitează livrarea lor pe piele. Astfel, chitosanul a fost identificat de industrie ca un ingredient nou cu multiple aplicații în formulări cosmeceutice [27,35].

Printre exopolizaharidele marine, un EPS secretat de Alteromonas macleodii și-a găsit deja aplicarea în produse cosmetice [36,37]. Alte polizaharide diferite, inclusiv fucoidan, caragenan, alginat și agar, au fost utilizate ca agenți de îmbunătățire a texturii în industriile cosmeceutice pentru efectele lor cosmetice benefice. De fapt, pereții celulari ai algelor marine sunt bogate în diverse polizaharide bioactive: fucoidani în alge brune, caragenani în alge roșii și ulvani în alge verzi. Fucoidanul din diverse surse de alge brune (Saccharina japonica, Fucus vesiculosus, Undaria pinnatifida și Hizikia fusiformis) și nevertebratele marine, cum ar fi castraveții de mare [30], reprezintă cel mai abundent polizaharid și cel mai disponibil în comerț. Este o polizaharidă foarte sulfatată, alcătuită în principal din 1 -fucoză, care prezintă diverse activități biologice [34]. În ultimii ani, fucoidanii au fost investigați pentru a dezvolta produse cosmetice noi datorită proprietății lor de a reacționa cu suprafața pielii formând un strat protector care îmbunătățește hidratarea pielii [34], atunci când este aplicat local pe piele.

Carrageenanul reprezintă una dintre cele mai studiate polizaharide sulfatate din algele roșii marine din câmpul cosmeceutic [30,43]. Este un galactan sulfat, compus din unități de d-galactoză. Datorită capacității sale fizice și funcționale și a activității sale antioxidante, caragenanul este un produs important în industria cosmetică și cosmeceutică și este utilizat pentru activitatea sa anti-îmbătrânire, antioxidantă și anticarcinogenă (vezi mai jos). Capacitatea de gelifiere a caragenanului este utilă în producerea unei texturi mai groase, cu consistență mai mare în producția cosmetică. De fapt, multe produse precum loțiuni pentru piele, lianți pentru pastă de dinți și spume de ras folosesc caragenan izolat din alge marine [30,43].

Alginatul se găsește în pereții celulari ai organismelor marine, cum ar fi algele marine. Este alcătuit din două unități de acizi guluronic și manuronic și este foarte dependent de modificarea pH-ului și a temperaturii. Primele aplicații de alginat în câmpul cosmeceutic datează din 1927 [30]. Alginatele au o gamă largă de aplicații în industria cosmeceutică datorită proprietăților lor ridicate de stabilitate, îngroșare și gelifiere [30]. Activitățile biologice ale alginatelor sunt strâns legate de greutatea moleculară, conținutul de sulfat și grupările anionice, care îi conferă activitate antioxidantă [44]. Bioactivitatea alginatului depinde de prezența greutăților moleculare cu conținut sulfat și a grupării anionice care produce activitate antioxidantă. De exemplu, este aplicabil la altoirea pielii în chirurgia plastică. În plus, are aplicații în vindecarea rănilor, datorită formării și degradabilității hidrogelului și oferind un mediu umed pentru răni [45].

3. Aplicații nutraceutice

Termenul nutraceutic derivă din alăturarea termenilor „nutriție” și „farmaceutic”. Se referă la alimente sau ingrediente alimentare cu beneficii medicale sau pentru sănătate. Prin abordări pe bază de alimente, substanțele active cu proprietăți farmaceutice sunt date oamenilor pentru a preveni sau trata anumite boli legate de alimente. Mai mulți compuși activi produși de diferite organisme marine au un rol larg în aplicațiile nutraceutice. Aceste ingrediente active derivate marine (inclusiv acizi grași polinesaturați, polizaharide, polifenoli, peptide bioactive și carotenoide) sunt cunoscute pentru activitățile lor anticancerigene, antiinflamatoare, antioxidante și antimicrobiene și sunt aplicate ca nutraceutice, de exemplu, pentru combaterea obezității [25]., 46,47,48] (Figura 2).

Majoritatea țărilor asiatice folosesc macroalge ca alimente pentru consumul uman. Microalgele au, de asemenea, aplicații industriale largi, de exemplu, ca agenți de gelificare, stabilizare și legare. Proprietățile antioxidante ale polizaharidelor algelor marine au reprezentat un punct important în dezvoltarea acestora ca alimente funcționale potențiale și nutraceutice [49]. Este important să se ia în considerare faptul că fibrele alimentare ale algelor marine conțin substanțe nutritive valoroase. Din aceste motive, în ultimii ani s-a acordat o atenție sporită utilizării algelor marine ca alimente funcționale pentru consumul uman cu aplicații nutraceutice și medicinale [52,53].

Algele roșii precum Gelidium, Gracilaria, Hypnea și Gigartina sunt principalele surse de agar [57,58]. Agar E406 a fost utilizat în industria alimentară pentru formarea gelului și a gingiilor alimentare, precum și a aditivilor alimentari, datorită proprietăților sale ca agent emulsionant și gelifiant [59,60].

Recent, chitooligozaharida (COS) a fost studiată în domeniul nutraceutic pentru proprietățile sale antidiabetice [61] și hipocolesterolemiante [62] și inhibarea adipogenezei [63]. În industria alimentară, chitosanul și COS au fost utilizate ca aditivi alimentari dietetici [64] și ca suplimente alimentare pentru reducerea greutății corporale și a lipidelor serice [48]. Importanța aplicării chitosanului depinde de faptul că: (i) nu este digerat în mod specific în tractul gastro-intestinal prin legarea și precipitarea grăsimii din intestine, astfel încât să nu fie absorbită; (ii) are proprietatea de a se umfla pentru a oferi o senzație de sațietate în stomac; (iii) este capabil să reducă absorbția grăsimilor din dietă în intestine prin inhibarea activității lipazei pancreatice. Chitosanul cationic se poate lega de acizii grași și acizii biliari, interferând cu emulsificarea lipidelor neutre precum colesterolul și alți steroli prin legarea lor cu interacțiune hidrofobă, reducând astfel absorbția intestinală a grăsimilor și colesterolului.

4. Aplicații farmacologice