Использование антиоксидантного потенциала фуллеренов при изготовлении солнцезащитных кремов



В данной статье автор пытается изучить возможность использования антиоксидантного потенциала фуллеренов при изготовлении солнцезащитных кремов, которая в будущем может способствовать защите от тяжелых заболеваний.

Ключевые слова: фуллерены, излучение, солнцезащитный крем, старение кожи, активная форма кислорода, радикал.

Каждый день, независимо от времени года, солнечные лучи проникают в атмосферу Земли в виде различных типов излучения. Ультрафиолетовое излучение (далее — УФ излучение) в небольших дозах крайне необходимо для здоровья человека, а именно выработки витамина D. Однако чрезмерное пребывание под солнечными лучами может привести к развитию различных дерматологических, иммунных и других заболеваний. Например, чрезмерное УФ излучение вызывает дегенеративные изменения клеток кожи, фиброзной ткани и кровеносных сосудов, в самых худших случаях может развиться катаракта или рак. По данным Всемирной организации здравоохранения, ежегодно в мире регистрируется примерно 130 000 случаев заболеваний злокачественной меланомой, причем необходимо отметить, что уровень смертности повышается среди групп населения со светлым типом кожи. Кроме того, ежегодно в мире примерно от 12 до 15 миллионов человек теряют зрение из-за развития у них катаракты. По оценкам ВОЗ, 20 % от этого числа случаев могут быть вызваны или усугублены воздействием солнца [1].

УФ излучение делится на три спектра в зависимости от длины волны: УФ лучи спектра А (далее — УФА) имеют длину волны 315–400 нм и составляют около 80 % излучения, попадающего на кожу человека. Этот тип излучения является наиболее безопасным, однако лучи спектра А проникают в эпидермис очень глубоко, а вырабатываемые ими вредные вещества остаются дольше, чем лучи других спектров. Чем выше длина волны, тем глубже проникает излучение под кожу. Кроме того, УФА обуславливают образование активных форм кислорода или свободных радикалов. УФ лучи спектра Б (далее — УФБ) имеют длину волны 280–315нм, их относят к среднему уровню опасности, эти лучи дают покраснение на коже во время пребывания на солнце. Они быстро вызывают образование активных соединений в коже человека, воздействуя на ДНК и вызывая нарушение ее структуры. Составляют около 20 % УФ излучения, попадающего на поверхность земли. И, наконец, УФ лучи спектра С (далее — УФС) являются самыми коротковолновыми (100–280 нм). В теории, для людей лучи УФС являются самыми опасными, разрушающими клетки живого организма, которые, к счастью, не доходят до поверхности Земли, поглощаясь озоновым слоем.

Защита организма человека от чрезмерного УФ излучения необходима в любое время года, но особенно актуальным это становится в середине весны и летом. Способов защиты существует много: тень, одежда, головной убор, ограничение времени пребывания под солнечными лучами и, конечно, необходимые для защиты открытых участков тела солнцезащитные крема. Принцип защиты солнцезащитного крема от УФ излучения таков: содержащиеся в составе крема фильтры либо отражают лучи, либо вступают в реакцию с ультрафиолетом и преобразуют излучение в тепловую энергию. Первая категория фильтров называется неорганические фильтры. В составе этих фильтров содержатся оксиды металлов, чаще всего такие как оксид цинка ZnO и диоксид титана TiO ₂ .

Неорганические фильтры ослабляют УФ излучение за счет комбинации не только рассеяния света, но и поглощения УФ этими оксидами. Диоксид титана эффективный УФБ абсорбер и УФА рассеиватель, а оксид цинка поглощает излучение почти всей УФ области [2]. Совместный тандем двух неорганических фильтров позволяет защищать кожу человека от ожогов, однако у такой защиты есть и свои недостатки. Эффективность их считается невысокой, а крупнодисперсные частицы могут оставлять белый след на коже [3].

Солнцезащитные крема второго типа, на основе органических фильтров, представляют собой еще большую опасность для организма, так как действующие активные вещества могут попадать в кровь и накапливаться в организме. Самыми распространенными УФ органическими фильтрами считаются оксибензон, авобензон, октокрилен, Ecamsule. После проведения клинических испытаний, было выявлено, что использование кремов с этими органическими веществами привело к превышению уровня их концентрации в плазме, установленным FDA (Food and Drugs Administration) [4].

Необходимо отметить, что некоторые органические химические УФ-фильтры могут проявлять фотореактивность. То есть, реагируя на солнечные лучи, вещества генерируют вредные свободные радикалы, которые, в свою очередь, повреждают ДНК, вызывают мутации и приводят к повреждению белков и липидов и, конечно, к старению кожи [5].

Таким образом, существующие солнцезащитные крема — неидеальный вариант решения проблемы защиты от излучения. Мы поставили задачу создать такой крем, который обладал бы эффективными солнцезащитными свойствами и «улавливал» бы свободные радикалы, не был токсичен, не раздражал кожные покровы, был водоустойчив, стабилен при хранении и действительно, без вреда для здоровья, защищал самый большой орган человека — кожу от повреждений.

Решение поставленной задачи, на наш взгляд, возможно путем применения при изготовлении солнцезащитных кремов особых свойств фуллеренов. Относительно недавно открытые, представляющие собой полую, замкнутую, симметричную структуру, фуллерены, которые обладают необычайно сильными антиоксидантными свойствами, становятся всё более востребованными в медицине и косметической промышленности [6]. Одним из важнейших свойств фуллеренов является способность к нейтрализации свободных радикалов, выступая в роли антиоксиданта. Присоединение радикалов происходит по кратной связи углерод-углерод с образованием соответствующих продуктов. При УФ излучении происходит образование активных форм кислорода (далее — АФК), (молекулярные частицы, имеющие неспаренный электрон на внешнем энергетическом уровне). Образование их в организме — важный и естественный процесс, некоторые АФК могут играть роль медиаторов важных внутриклеточных сигнальных путей. Однако превышение допустимой концентрации является губительным эффектом для живого организма. Высокая реакционная способность свободных радикалов может привести к окислительному повреждению ДНК, клеток и развитию различных патологических заболеваний путём развития свободнорадикальных цепных процессов [7].

Оружием для предотвращения оксидативного стресса являются антиоксиданты. Название этих веществ говорит само за себя, они ингибируют окисление и нейтрализуют действие свободных радикалов. Антиоксиданты делят на несколько типов, в зависимости от их происхождения: ферментативной (пероксидаза, каталаза) и не ферментативной природы [8]. Влияния антиоксидантов, вырабатываемых организмом, порой недостаточно для полноценной защиты клеток от свободных радикалов, поэтому необходима местная аппликация различных антиоксидантов. Фуллерены же считаются самым сильными антиоксидантами, известным на сегодняшний день, по свойствам, намного сильнее, чем такие хорошие антиоксиданты, как β-каротин, витамин Е [9]. Установлено, что одна молекула фуллерена может принимать до 34 метильных радикалов, эффективно захватывать и инактивировать как супероксиданион-радикалы, так и гидроксильные радикалы in vivo и in vitro. Ввиду этого химик Paul J. Krusic охарактеризовал фуллерен как «губку, впитывающую свободные радикалы» [10].

Стало быть, использование такого мощного антиоксидантного потенциала фуллеренов в солнцезащитных кремах необходимо, потому что это поможет предотвратить окислительный стресс, старение кожи и нарушение работы белков и липидов. Самый большой интерес для косметической промышленности представляет структура фуллерена С _60.

Молекула фуллерена С ₆₀ построена из 12 пентагонов и 20 гексагонов, в вершинах которых лежат атомы углерода в sp ² -гибридизации. Отсутствие атомов водорода приводит к невозможности проведения характерных ароматических реакций замещения, зато открывает широкий спектр способности фуллеренов к реакциям присоединения. Сюда относятся реакции не только циклоприсоединения, но и радикального, нуклеофильного присоединения по большому объему сопряженных двойных связей [11]. Необходимо отметить важное свойство — электронодефицитность молекул. Благодаря этому, фуллерены обладают высокой реакционной способностью и легко присоединяют свободные радикалы, образующиеся при УФ излучении [12]. Проблема использования фуллеренов в косметической отрасли и медицине заключается в низкой растворимости фуллерена. Это накладывает серьезные ограничения в работе с фуллеренами, которые определили необходимость использования водорастворимого комплекса фуллерена С ₆₀ с N-поливинилпирролидоном (далее-ПВП) [13].

Были проведены исследования антирадикальной активности комплекса С ₆₀ /ПВП, где по показателю оптической плотности оценивали уровень радикалов (таблица 1).

Таблица 1

Антирадикальная активность комплексов фуллерена С ₆₀ /ПВП

Антиоксидант	Антирадикальная активность, выраженная в оптической плотности растворов в зависимости от молярной концентрации антиоксиданта					Контроль (вода)
С 60 /ПВП	0,01 %	0,02 %	0,03 %	0,04 %	0,05 %	0,550 ±0,05
	0,416 ±0,013 *	0,343 ±0,017 *	0,189 ±0,031 **	0,074 ±0,016 **	0,043 ±0,005 **

Примечание:

^* –различия с показателем соответствующего раствора достоверны при р≤0,05, по сравнению с контролем;

^** – различия с показателем соответствующего раствора достоверны при р≤0,005, по сравнению с контролем.

Исходя из вышеупомянутых данных можно сделать вывод, что комплекс фуллерена С ₆₀ /ПВП обладает антиоксидантной активностью, которая возрастает прямо пропорционально увеличению молярной концентрации антиоксиданта [14].

Существуют аспекты безопасности и влияния фуллерена С ₆₀ организм человека. Необходимо отметить, что речь идет именно о «первоначальном», немодифицированном фуллерене С ₆₀ , так как изменение строения, введение функциональных групп в молекулу может резко трансформировать характерные свойства, токсичность и активность. В настоящее время исследования о токсичности фуллеренов С ₆₀ проводятся с самого открытия этих кластеров, так как их использование является перспективой во многих областях.

Еще одной важной особенностью биологической активности является высокая липофильность, которая определяет мембранотропные свойства фуллерена. Переход молекул фуллерена в липидный бислой должен приводить к потере им способности превращать при освещении обычный кислород в синглетную форму и, следовательно, отсутствию оксидантного действия [15].

Необходимо отметить, что использование фуллерена С ₆₀ в комплексе с ПВП, является не только не токсичным, но и препятствует проявлению токсического действия самого ПВП, что безусловно является важнейшим пунктом безопасности [16].

Таким образом, несмотря на определенные проблемы, связанные с изучением влияния фуллерена С ₆₀ в организме человека, фуллерен является привлекательным агентом в качестве основы для создания солнцезащитных кремов, так как при местной аппликации не попадает в системный кровоток, благодаря своим физико-химическим характеристикам, и при местной аппликации не является токсичным. Использование комплекса С ₆₀ /ПВП с целью защиты от УФ излучения и старения кожи может стать прорывом в косметической промышленности. Однако, при разработке таких кремов необходимо проведение дальнейших междисциплинарных научных исследований не только в области химии, но также медицины и физики, для того чтобы получить безопасный, эффективный и доступный состав солнцезащитного крема.

Литература:

1. Последствия ультрафиолетового (УФ) излучения для здоровья. — Текст: электронный // ВОЗ: [сайт]. — URL: https://www.who.int/uv/health/ru/ (дата обращения: 17.08.2020).
2. Ищенко, А. А. Солнцезащитные средства и неорганические УФ-фильтры и их композиции с органическими протекторами / А. А. Ищенко, А. А. Свиридова. — Текст: непосредственный // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. — 2006. — № 12. — С. 3–16.
3. Nohynek, G. J. Benefit and Risk of Organic Ultraviolet Filters / G. J. Nohynek, H. Schaefer. — Текст: непосредственный // Regulatory Toxicology and Pharmacology. — 2000. — № 33. — С. 285–299.
4. Effect of Sunscreen Application Under Maximal Use Conditions on Plasma Concentration of Sunscreen Active Ingredients / M. K. Matta [и др.]. — Текст: непосредственный // JAMA. — 2019. — № 21. — С. 2082–2091.
5. Kammeyer, A. Oxidation events and skin aging / A. Kammeyer, R. M. Luiten. — Текст: непосредственный // Ageing Research Reviews. — 2015. — № 21. — С. 16–29.
6. Carboxylated fullerenes: Physico-chemical properties and potential applications / K. N. Semenov [и др.]. — Текст: непосредственный // Progress in Solid State Chemistry. — 2017. — № 47. — С. 19–36.
7. Halliwell, B. Free Radicals in Biology and Medicine / B. Halliwell, M. C. John. — 4. — Oxford: Oxford University Press, 2015. — 385 c. — Текст: непосредственный.
8. Шахмарданова, С. А.Антиоксиданты: классификация, фармакотерапевтические свойства, использование в практической медицине / С. А. Шахмарданова, О. Н. Гулевская, В. В. Селецкая, А. В. Зеленская. — Текст: непосредственный // Журнал фундаментальной медицины и биологии. — 2016. — № 3. — С. 4–15.
9. Fullerene is a Powerful Antioxidant in Vivo with No Acute or Subacute Toxicity / N. Gharbi [и др.]. — Текст: непосредственный // Nano Letters. — 2005. — № 5. — С. 2578–2585.
10. Radical Reactions of C60 / P. J. Krusic [и др.]. — Текст: непосредственный // Science. — 1991. — № 254. — С. 1183–1185.
11. Коваленко, В. И. Строение и стабильность высших фуллеренов / В. И. Коваленко, А. Р. Хаматталимов. — М.: Российская академия наук, 2019. — 212 c. — Текст: непосредственный.
12. Пиотровский, Л. Б. Фуллерены в биологии / Л. Б. Пиотровский, О. И. Киселев. — Спб: Росток, 2006. — 336 c. — Текст: непосредственный.
13. Takada, H. Process for producing PVP-fulleren complex and aqueous solution thereof / H. Takada, K. Matsubayashi. — Текст: непосредственный // — 2006.
14. Биологическая активность нанобиокомпозитов фуллерена C60 / Н. Г. Венгерович [и др.]. — Текст: непосредственный // Medline. — 2011. — № 12. — С. 161–177.
15. Механизмы биологического действия фуллеренов / Л. Б. Пиотровский [и др.]. — Текст: непосредственный // Психофармакология и биологическая наркология. — 2007. — № 2. — С. 1548–1554.
16. Tsuchiya, T. Novel harmful effects of [60] fullerene on mouse embryos in vitro and in vivo / T. Tsuchiya, I. Oguri, Y. N. Yamakoshi, N. Miyata. — Текст: непосредственный // FEBS Letters. — 1996. — № 393. — С. 139–145.