A multi-disciplinary approach based on mass spectrometry to disclose the potential of phytoextracts as natural cosmetics

Abstract

Plant cells represent a valid source of cosmetic ingredients since their extracts can be considered bio-sustainable, contaminant-free and standardized secondary metabolites mixtures (Barbulova et al., 2014). This PhD project has met the interest of Arterra Bioscience S.p.A in performing a broad chemical and biological characterization of some plant cell extracts in the prospective to exploit them as cosmetic ingredients. In particular, we focused on the hydrophilic extract of Oenothera biennis cells (ObHEx) and on the hydroethanolic extract of Jasminum sambac cells (JasHEx). The mass spectrometry-based chemical characterization was performed using Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS)(M. Wang et al., 2016) as bioinformatics tool for data organization and annotation. The biological activity of the extracts was evaluated by a panel of in vitro (global proteomics analysis and cell-based assays) and ex vivo experiments. Interesting secondary metabolites were identified in ObHEx: they belong to lignans (salvadoraside and liriodendrin) and triterpenes (myrianthic acid, arjunolic acid, asiatic acid and hederagenin), some of which previously associated with pro-collagen I production in human fibroblasts (Bonte et al., 1994; Farwick et al., 2014). Indeed, bioassays revealed that ObHEx is able, by increasing Myosin light chain kinase (MYLK) gene expression, to promote matrix collagen contraction, actin polymerization and the production of extracellular matrix proteins (Ceccacci et al., 2021). Moreover, global proteomics experiments, performed during my period as visiting PhD student at the Proteomics Platform of the INSERM US24, proved a pro-mitotic mechanism of action of ObHEx on senescent human dermal fibroblasts: it stimulates the re-entry into cell cycle of senescent cells via increase of mitotic protein expression (Ceccacci et al., 2022b). JasHEx is principally composed by phenolic acid derivatives, lignans (secoisolariciresinol, nortrachelogenin and matairesinol) and triterpenes (arjunolic acid, asiatic acid, maslinic acid, oleanolic acid and ursolic acid) (Ceccacci et al., 2022a). Biological experiments, carried out during my research period at Arterra Bioscience SpA, proved that JasHEx is able to reduce cytosolic reactive oxygen species production in stressed keratinocytes. It also showed anti-glycation activity and an extracellular matrix booster effect, by increasing collagen type I synthesis. In particular, the antioxidant properties of JasHEx were related not only to its free radical scavenging and metal chelating activities, but also to the enhancement of Nrf2/ARE pathway. This latter also explains JasHEx anti-inflammatory activity which decreased nitric oxide levels in LPS stimulated macrophages. Thus, on the basis of these results, both extracts can be considered as powerful cosmetic bioactive ingredients to counteract skin aging. [edited by the Author]

Le cellule vegetali rappresentano una valida fonte di ingredienti cosmetici, dal momento che i loro estratti possono essere considerati miscele di metaboliti secondari biosostenibili, prive di contaminanti e standardizzate (Barbulova et al., 2014). Questo progetto di dottorato ha risposto all'interesse dell’Arterra Bioscience S.p.A di effettuare un'ampia caratterizzazione chimica e biologica di alcuni estratti di cellule vegetali, nella prospettiva di sfruttarli come ingredienti cosmetici. In particolare, ci siamo concentrati sull'estratto idrofilo delle cellule di Oenothera biennis (ObHEx) e sull'estratto idroetanolico delle cellule di Jasminum sambac (JasHEx). La caratterizzazione chimica basata sulla spettrometria di massa è stata eseguita utilizzando Global Natural Products Social Molecular Networking (GNPS) (M. Wang et al., 2016) come strumento bioinformatico per l'organizzazione e l'annotazione dei dati. L'attività biologica degli estratti è stata valutata mediante esperimenti in vitro (analisi di proteomica globale e saggi in cellula) ed ex vivo. Interessanti metaboliti secondari sono stati identificati in ObHEx: essi appartengono a lignani (salvadoraside e liriodendrina) e triterpeni (acido miriantico, acido arjunolico, acido asiatico ed hederagenina), alcuni dei quali precedentemente associati alla produzione di pro-collagene I nei fibroblasti umani (Bonte et al., 1994; Farwick et al., 2014). Infatti, i saggi biologici hanno rivelato che ObHEx, aumentando l'espressione genica della chinasi della catena leggera della miosina (MYLK), è in grado di promuovere la contrazione del collagene della matrice, la polimerizzazione dell'actina e la produzione delle proteine extracellulari della matrice (Ceccacci et al., 2021). Inoltre, gli esperimenti di proteomica globale, eseguiti durante il mio periodo di ricerca presso la Piattaforma di Proteomica dell'INSERM US24, hanno dimostrato che ObHEx esercita un meccanismo di azione pro-mitotico sui fibroblasti dermici umani senescenti: esso stimola il rientro nel ciclo cellulare delle cellule senescenti attraverso l'aumento dell'espressione di alcune proteine mitotiche (Ceccacci et al., 2022b). JasHEx è composto principalmente da derivati dell'acido fenolico, lignani (secoisolariciresinolo, nortrachelogenina e matairesinolo) e triterpeni (acido arjunolico, acido asiatico, acido maslinico, acido oleanolico e acido ursolico) (Ceccacci et al., 2022a). Esperimenti biologici, condotti durante il mio periodo di ricerca presso Arterra Bioscience S.p.A, hanno dimostrato che JasHEx è in grado di ridurre la produzione di specie reattive dell’ossigeno in cheratinociti stressati con H2O2. Ha anche mostrato attività anti-glicazione e un effetto booster della matrice extracellulare, aumentando la sintesi di collagene di tipo I. In particolare, le proprietà antiossidanti di JasHEx sono correlate non solo alle sue attività “scavenging” dei radicali liberi e di chelazione dei metalli, ma anche alla stimolazione del pathway Nrf2/ARE. Ciò giustifica anche l'attività anti-infiammatoria di JasHEx che ha ridotto i livelli di ossido nitrico in macrofagi stimolati con LPS. Pertanto, sulla base di questi risultati, entrambi gli estratti possono essere considerati come potenti principi bioattivi cosmetici per contrastare l'invecchiamento della pelle. [a cura dell'Autore]