生物技术在化妆品中的应用

高合意 钟娜 陈正珍

(广州栋方日化有限公司 广东广州 510800)

1 前言

生物技术最终目的是结合最新生物科学成就利用生物体或其组成部分,定向设计组建具有特定性状的新物种、新品系,利用发酵和生化原理进行生物材料的生产和加工来满足人类日常和生产需求[1,2]。近年来,随着生物技术在分子生物学、医药等领域的快速发展,生物技术逐渐成为化妆品行业未来发展的方向之一。

2 生物技术在化妆品活性成分的筛选和生产中的应用

得益于生物发酵技术、植物组培技术、干细胞技术、核酸技术等在化妆品行业的高效应用,生物技术主要用于生产科技含量比较高的化妆品活性添加剂如蛋白质及多功能多肽类、氨基酸类、脂质类、酶类、多糖类、有机酸类、维生素类和植物活性成分类等生物制剂。

2.1 生物发酵技术在化妆品中的应用

与石油中提炼、合成的原料相比,来源于微生物发酵产物的化妆品原料具有高安全性和微生物分解性、用很少的能源就可以生产,是一环保型的“可持续性原料”,而且这种原料还具有化学合成所无法完成的特殊结构,在功能上有其独到之处。1985年日本资生堂利用生物发酵技术,对链霉菌进行突变处理筛选出了透明质酸高产菌株,通过发酵法大规模生产透明质酸。2012年日本佳丽宝阐明了来源于裸藻发酵产物的高分子保湿剂和微生物界面活性剂SFNa的物理特性,并将其成功应用于各种护肤品中[1-5]。

2.2 植物组培技术在化妆品中的应用

植物的次级代谢产物是化妆品原料的重要来源,但从天然植物资源特别是一些名贵稀有品种中提取有效成分存在资源消耗、环境影响和成本较高等诸多不利因素,因此植物组培技术是化妆品原料的“可持续发展”方法之一。紫草提取物在化妆品中用作收敛剂,其中紫草宁可用作生物色素。1983年日本三井石油化学公司采用两步法培养紫草细胞,成功实现工业化生产,并于次年利用紫草宁研制出了生物口红[1,6-8]。

2.3 干细胞技术在化妆品中的应用

干细胞技术,是指通过对于干细胞进行分离、体外培养、定向诱导、甚至基因修饰等过程,在体外繁育出全新的、正常的甚至更年轻的细胞、组织或器官,并最终通过细胞组织或器官的移植实现对临床疾病的治疗[9]。韩国成均馆大学医学院金垣锡教授领导的研究小组从脂肪细胞中培养干细胞,并发现该干细胞的提取物能够促进皮肤细胞的生长。2011年韩国FCB Pharmicell公司以骨髓干细胞培养液为核心原料开发出了人体干细胞培养液化妆品,在试验中发现注入该培养液的皮肤成纤维细胞中生成的胶原蛋白量是对照组的5倍以上[10]。

2.4 核酸技术在化妆品中的应用

核酸技术在化妆品上的应用主要包括:核酸分子在化妆品上的应用,主要是核酸分子及其衍生物作为活性添加物在化妆品中的应用;利用重组DNA技术制备具高生物活性的细胞因子;利用基因芯片技术筛选特定活性成分,并将之应用于化妆品中。

2.4.1 核酸分子在化妆品中的应用

核酸因其具有抗紫外、保湿、抗衰老等特性而作为一种功效性原料添加到化妆品中。制备核糖核酸及其衍生物的最常用方法是从天然物料中提取,酵母、青霉素菌等微生物因其具有核酸含量高、培养容易、适用于工业大规模生产等特点而作为核酸物质的常见原料。雅诗兰黛的特润修护露中含有核糖核酸钠,核糖核酸钠提供的核酸原料有助于受损或衰老细胞的修复[11-14]。

2.4.2 重组DNA技术在化妆品中的应用

细胞因子在人体内含量极少,但生物活性极高,具有很多重要的生物学效应和生理功能,他们与皮肤细胞的生长、分裂、分化、增殖和迁移有关,可以有效地与皮肤细胞发生作用,发挥突出的美容护肤功效。目前比较常见的是表皮生长因子、酸性成纤维细胞生长因子、碱性成纤维细胞生长因子、角质细胞生长因子、血管内皮生长因子等细胞因子在化妆品中应用相对较广[14-16]。

这类细胞因子主要都是短肽类物质,利用重组DNA技术,将编码生长因子的基因片段导入到分泌型宿主中表达,结合发酵技术使生长因子大量表达,提取发酵产物并对其进行纯化,可作为化妆品中的添加成分使用。小银狐集团的美容护肤品系列是以表皮生长因子为主要成分,该因子可以促进细胞DNA、RNA、蛋白质及细胞外大分子的生物合成,延缓肌肤衰老,促进各种损伤组织的修复和再生[17]。含表皮生长因子的化妆品能改善肌体细胞的内在生成能力,而且辅以外部保养,因此能防止和消除皮肤皱纹、褐斑、干裂、皮肤瘙痒,促进烧伤、烫伤患者肌肤愈合,正常人使用能使皮肤洁白、细嫩、富有弹性、控制老化[18-20]。

2.4.3 基因芯片技术在化妆品中的应用

人类基因组计划的研究表明,由于不同个体存在着核苷酸多态性,化妆品的使用效果也会显示个体差异。通过基因组学手段研究基因多态性对化妆品的影响,以便对不同的基因型个人“量身定做”化妆,从而充分发挥化妆品的功效,同时把不良反应减至最小。基因芯片技术用于化妆品开发的应用方向包括:功效成分作用靶点研究、功效成分的筛选以及高通量帅选平台的建立、开发特定的化妆品[21]。目前玉兰油公司已经推出专业护肤系列OLAY Professional ProX,通过基因芯片技术寻找肌肤老化根源,确认老化肌肤是由于皮肤基因信号紊乱所引起,进而甄选出有效重整信号的Pal-KT和Hexamidine等关键成分,从最根源处逆转老化进程[22]。

3 生物技术在化妆品的功效、安全评价中的应用

3.1 生物技术在化妆品功效评价中的应用

生物技术在化妆品功效评价上的应用主要包括美白功效评价、抗衰老功效评价、抗敏性功效评价和抗红血丝功效评价。

黑素瘤细胞具有能够多次传代、生长快、培养条件相对较低等优点,早期黑色素瘤细胞是筛选美白剂的首选细胞。20世纪70年代初, Eisinger采用人体正常黑色素细胞的体外培养技术来评价美白功效的方法得到了越来越广泛的应用。Regnier等构建表皮模型来研究黑色素生成机理,该模型中可以清楚地观测到黑色素的产生及其向临近角朊细胞的转移[4,23,24]。清除自由基能力的测定和成纤维细胞体外增殖能力检测室常见体外评价体系。Ander-Frei等评估抗衰老化妆品的活性成分时,采用了类似真皮和皮肤的模型来考察该产品对成纤维细胞和角朊细胞的激活程度。Kim和Won在人体真皮成纤维细胞培养液中添加一定量的果酸发现成纤维细胞有明显的激活作用。Song等发现维生素A衍生物对胶原蛋白生成具促进作用[1,2,4,23,25]。

透明质酸酶体外抑制实验作为研究抗过敏作用的一个指标,此外一些检测抗敏物质效果的实验方法如肥大细胞组胺释放实验、被动皮肤实验、β-己糖胺酶抑制实验、免疫细胞复活法以及血清中IgE抗体抑制实验等都可用来对化妆品原料及产品的抗过敏功效进行评价。

血管内皮生长因子在一些病理情况下会过量表达产生表观可见的红血丝,评价防治红血丝效果的标准检测方法一般通过测试血管内皮因子抑制率、弹性硬蛋白酶活性抑制率、增加血管紧张素转化酶活性、降低激肽酶的活性等实验反映相关化妆品或添加剂的防治效果[1]。

3.2 生物技术在化妆品安全评价中的应用

Draize Test一直是评价化妆品刺激性的主要方法,在有色物质和刺激性较小的物质的刺激评价中其结果差异大,且随着“3R”运动的兴起,现代生物技术实验开始替代传统动物实验,红细胞溶血实验表征试剂的刺激性[26-31];血红蛋白变性试验是替代眼刺激试验的一种[26,27];鸡胚尿囊膜绒毛膜实验(HET-CAM)在实验效能和实际应用上完全可以替代兔眼刺激性试验方法[33];细胞毒性试验主要分为特殊细胞毒性试验和一般细胞毒性试验两种,前者用来自靶器官的原代培养细胞作为实验模型来研究其特殊细胞功能,如已建立的兔眼角膜上皮细胞SIRC(established rabbit corneal cell)模型,SIRC细胞毒性试验分为中性红吸收法和结晶紫染色法;后者检测细胞增殖、膜完整性和细胞形态学的变化,用非眼组织细胞,主要有HeLa-MTT法和BALB/c3T3法[26,32];。

单细胞凝胶电泳可用于表征试剂对细胞的毒害作用,通过该技术,可快速检测细胞内DNA损伤程度,广泛用于细胞凋亡、毒理学、致癌机理等方面的研究[34,35]。

测试化妆品对痤疮丙酸杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、白色念珠菌和表皮葡萄球菌六种菌种的杀菌作用,可以对化妆品的抗粉刺功效进行评价[1]。金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌是中国、日本、欧洲化妆品中不能含有的特定微生物(GB7918.1-5.87)[36-41]。

4 生物技术在我国化妆品行业发展的现状及改进措施

随着生物制剂生产加工技术和工艺的提高,已有许多具有不同确切功效的生物制剂化妆品相继研发成功上市,但总体水平上我国生物技术及生物制剂在化妆品的应用方面仍明显滞后。主要体现在生物制剂生产工艺、生物制剂的应用研究、生物制剂应用方面法规、生物制剂安全及功效评价第三方检测机构建设等的滞后上[2]。

生物制剂应用研究平台、设施和专业人才,各种生物制剂成分分析和产品质量标准的检测手段、生物活性成分的功效评估方法的缺乏都制约了生物技术在化妆品行业中的利用。化妆品中生物制剂应用的相关法规也明显滞后,导致生物制剂的添加无法可依,产品宣传模糊其词,不利于行业的正常发展。生物制剂安全及功效评价第三方检测机构建设滞后导致目前国内化妆品功效及安全评价的结果国际市场认可度小[1-5]。

鉴于此, 建议国内生产企业加大生物制剂研究开发力度,提高加工能力并积极与科研院所、第三方检测机构合作培养专业人才、建立和完善生物制剂研发平台,缩小与国外同行的差距。同时也鼓励企业积极参与行业标准制定过程和政府法规政策制定过程中,对化妆品现行法规进行修改和完善,促进行业的进一步发展。

5 展望

生物技术的发展对化妆品科学起到了极大的促进作用。生物科学的发展让人们对某些生命现象如对皮肤的老化现象、色素形成过程、光毒性机理、饮食对皮肤的影响等有了科学的认识,使人们可以依据皮肤的内在作用机制,通过适当的体外模型有针对性地筛选原料、设计新型配方、改善或抑制某些不良过程;利用大肠杆菌、酵母菌、动植物细胞等来生产一些昂贵、高效的物质作为化妆品的原料。同时以分子生物学为基础的现代皮肤生理学、干细胞技术、核酸技术的发展必然会为化妆品行业带来新的理念、新的技术、新的原料、新的服务模式,从而开启化妆品行业新的时代。

6 致谢

该论文得到花都区“栋方绿色化妆品”工程技术研究开发中心项目(HD12GCYF04)、绿色化妆品生物防腐体系的研制与应用(HD13GY2008)、广州市花都区专利技术实施计划项目(14-HDZL-02)的资助,在此一并表示感谢。

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