Investigating the photoprotective properties of marine microalgal pigments in skin

Abstract

Eksponering for UV-stråling fra sol er viktig for menneskers helse og velvære, men er også årsaken til foto-oksidativ hudskade som resulterer i solbrenthet, fotoaldring og hudkreft. Marine mikroalger er en naturlig kilde til fotobeskyttende forbindelser som, basert på deres UV-lysabsorberende og sterke antioksidantegenskaper, har potensial for bruk i solbeskyttelses- og helseprodukter. I denne oppgaven har jeg undersøkt om det bioaktive xantofyllet, diatoxanthin, som produseres i den marine kiselalgen Phaeodactylum tricornutum, kan beskytte menneskelig hud mot fotoskader.

Som en modell for fotoskade i hud ble den humane udødeliggjorte keratinocytt-cellelinjen N/TERT1 utsatt for en kombinasjon av UVA og UVB-stråling, før celle proliferasjon, dannelse av reaktive oksygenmetabolitter og frigjøring og genuttrykk av inflammatoriske markører ble målt. Diatoxanthins kapasitet til å beskytte mot fotoskader ble sammenlignet med et annet bioaktivt xantofyll, fucoxanthin, og den potente antioksidanten astaxanthin.

Vi fant at tettheten av keratinocytt-cellekulturen påvirket responsen på UVR, hvor differensierte kulturer med høy tetthet er mindre utsatt for UVR-indusert celledød enn prolifererende kulturer. Eksponering for en kombinasjon av 0,76 J/cm² UVA og 0,04 J/cm² UVB-stråling var tilstrekkelig for å øke produksjonen av reaktive oksygenmetabolitter i N/TERT1-celler, uten å forårsake celledød. En kombinasjon av 3,8 J/cm² UVA og 0,2 J/cm² UVB-stråling økte frigjøringen av de inflammatoriske signalmolekylene TNFa og PGE2, assosiert med økende genuttrykk.

Vi fant ingen cytotoksiske eller fototoksiske effekter av mikroalgepigmentene i N/TERT1-cellene. Inkubasjon med 100 ng/ml diatoxanthin, 1 ng/ml astaxanthin eller 1, 100 eller 500 ng/ml fucoxanthin før eksponering for UVR reduserte de intracellulære reaktive oksygenmetabolittene. Imidlertid fant vi ingen effekt av diatoxanthin eller fucoxanthin på UVR-indusert frigjøring eller ekspresjon av inflammatoriske markører.

Sammen indikerer funnene våre at selv om vi observerte noen antioksidant-effekter av diatoxanthin i den normale keratinocytt-modellen, var dette ikke tilstrekkelig til å undertrykke de pro-inflammatoriske effektene av UVR.

Exposure to UV solar radiation is important for human health and well-being, but is also the cause of photooxidative skin damage resulting in sunburn, photoaging and skin cancer. Marine microalgae are a natural source of photoprotective compounds that, based on their UV light absorbing and strong antioxidant properties, have the potential for use in sun protection and health care products. In this thesis, I have investigated whether the bioactive xanthophyll, diatoxanthin, which is produced in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum, can protect human skin from photodamage.

As a model for photodamage in skin, the human immortalized keratinocyte cell line N/TERT1 was exposed to a combination of UVA and UVB radiation, before cell viability, ROS formation, and the release and gene expression of inflammatory markers were measured. The capacity of diatoxanthin to protect against photodamage was compared to a second bioactive xanthophyll, fucoxanthin, and the potent antioxidant astaxanthin.

We found that the confluency of the keratinocyte cell culture affected the response to UVR, with high density differentiated cultures being less susceptible to UVR-induced cell death than proliferating cultures. Exposure to a combination of 0.76 J/cm² UVA and 0.04 J/cm² UVB radiation was sufficient to increase ROS production in N/TERT1 cells, without causing cell death. A combination of 3.8 J/cm² UVA and 0.2 J/cm² UVB radiation increased the release of the inflammatory signalling molecules TNFa and PGE2, associated with increasing gene expression.

We found no cytotoxic or phototoxic effects of the microalgal pigments in the N/TERT1 cells. Incubation with 100 ng/mL diatoxanthin, 1 ng/ml astaxanthin, or 1, 100 or 500 ng/ml fucoxanthin before exposure to UVR reduced the intracellular ROS. However, we found no effect of diatoxanthin or fucoxanthin on the UVR induced release or expression of inflammatory markers.

Together our findings indicate that while we observed some antioxidant effects of diatoxanthin in the normal keratinocyte model, this was not sufficient to suppress the pro-inflammatory effects of UVR.