Biotechnologisch erzeugter Mooswirkstoff verbessert die Widerstandsfähigkeit der Haut deutsch

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1 09/ Jahrgang Thannhausen, 10. September deutsch Baby Care Compatibility Testing of Cosmetics and Toiletries for Babies and Children Anti-Aging Beeinflussung des kutanen Karotinoidgehaltes durch Einnahme von grünkohlextrakt-haltigen Nahrungsergänzungsmitteln Reaktivierung von Fibroblasten mit Entdeckungen aus der Epigenetik Neue Daten zu einem topischen Peptid für injektionsfreie Gesichtskonturierung Meeresextrakt aus den Tiefen der Arktis für den Aufbau einer tiefen extrazellulären Matrix Hautpflege Fördernde Wirkung eines Feuchtigkeitsspenders auf Grundlage der Genexpression auf die Hauthydrierung und die Barrierefunktion Biotechnologisch erzeugter Mooswirkstoff verbessert die Widerstandsfähigkeit der Haut Biotechnologisch erzeugter Mooswirkstoff verbessert die Widerstandsfähigkeit der Haut F. Wandrey, B. Henes, F. Zülli, R. Reski SOFW Journal 09/18 Jahrgang 144 Thannhausen, Germany, 10. September 2018

2 personal care Hautpflege Biotechnologisch erzeugter Mooswirkstoff verbessert die Widerstandsfähigkeit der Haut F. Wandrey, B. Henes, F. Zülli, R. Reski Abstract Moose haben substantiell dazu beigetragen, die Erde zu einem grünen Planeten zu machen, bevor Gefässpflanzen überhaupt existiert haben. Moose enthalten Gene und Proteine für eine aussergewöhnliche Anpassungsfähigkeit, welche den Höheren Pflanzen verlorengegangen ist. Biotechnologie ermöglicht die sterile Produktion des Mooses Physcomitrella patens auf eine nachhaltige und reproduzierbare Art und Weise. MossCellTec No. 1 ist der erste kosmetische Wirkstoff basierend auf biotechnologisch hergestelltem Moos. Wir haben in diesem Forschungsprojekt die Bedeutung der Zellkernvitalität (cell nucleus health) als einen neuen Anti-Aging Ansatz untersucht. Interessanterweise war ein Moosextrakt in der Lage, die Expression von cell nucleus health Markern in alten Hautzellen zu verbessern. Zusätzlich verbesserte der Mooswirkstoff die heiss-feucht/kalt-trocken Anpassung von rekonstruierter Haut und erhöhte die Hautbarriere, -feuchtigkeit und Ebenmässigkeit des Hauttons in einer placebokontrollierten klinischen Studie. Dieser Mooswirkstoff kann deshalb die Widerstandsfähigkeit der Haut gegen Umweltveränderungen verbessern. Einführung Biotechnologisch erzeugtes Moos Moose gehören zu den gefässlosen Pflanzen und waren bei der Begrünung der Erde von entscheidender Bedeutung. Über 3,3 Milliarden Jahre lang war das Leben auf den Ozean, respektive auf Gewässer beschränkt. Um das felsige Festland zu erobern, musste man neue Strategien zur Anpassung entwickeln [1]. Moose gehörten zu den Pionieren bei der Besiedlung, da sie mit zu den Ersten gehörten, die sich erfolgreich anpassen konnten. Sie veränderten die Atmosphäre und das Klima und legten somit den Grundstein für die Entwicklung Höherer Pflanzen. Als Moose das brache Festland eroberten, waren sie harschen Bedingungen ausgesetzt: wenig Nährstoffe, starke UV-Strahlung, Kälte bzw. Hitze, Dürre, Wind und zudem ständige Attacken von Bakterien und Pilzen. Durch das grosse Arsenal an Genen, mit denen sie sich schnell an die wechselnden, lebensbedrohlichen Bedingungen anpassen konnten, gelang es ihnen aber, in den widrigen Bedingungen hervorragend zu überleben. Diese Flexibilität und Robustheit sind einzigartig und bergen ein grosses Potential. Da sie nicht mehr benötigt wurden, verloren Höhere Pflanzen diese Eigenschaften im Laufe ihrer Evolution. Noch heute tragen viele Moose diese wertvolle DNS und überleben in ihren ökologischen Nischen auf der ganzen Welt. Zu diesen verblüffenden Eigenschaften gehört etwa die Fähigkeit, nach dem totalen Austrocknen, oder nachdem sie über 1500 Jahre lang von Gletschereis bedeckt waren, einfach wieder weiterzuleben [2]. Um vor ca. 470 Millionen Jahren auf dem kahlen und felsigen Planeten überleben zu können, entwickelten Moose die Fähigkeit, aus der Luft und aus dem Regenwasser Nährstoffe zu filtern. Sie akkumulieren dabei allerdings auch Schwermetalle und Toxine. Diese haben aber keinen negativen Effekt auf die Moose aufgrund ihrer Vielzahl an entgiftenden Molekülen und Proteinen. Es bestünde aber durchaus ein Risko, potentiell kontaminiertes, aus der Natur isoliertes Moos für kosmetische Applikationen zu verwenden. Abgesehen davon sind viele der ca Moosarten durch den immer geringeren Lebensraum vom Aussterben bedroht. Aus diesen Gründen ist eine nachhaltige, reproduzierbare Produktion von Moos unter sauberen, sogar sterilen Bedingungen ein entscheidender Vorteil. Mibelle Biochemistry entwickelte in enger Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Reski von der Universität Freiburg einen Produktionsprozess für Wildtyp Moos Phys- Home & Personal Care Ingredients & Formulations: powered by 34 sofwjournal /18

3 Hautpflege personal care Abb. 1 Junges Protonemagewebe comitrella patens Protonema im grossen Massstab. P. patens wird als Studienobjekt zur Evolutionsforschung [3], aber auch zur potentiellen Nutzung der Resilienzen verwendet. Das Protonema ist ein jugendliches, fädiges Gewebe (Abb. 1). Durch Knospung entstehen die beblätterten Gametophyten, welche den in der Regel als Moos erkannten Pflanzenteil bilden. Um Moose biotechnologisch zu kultivieren, macht man sich die Eigenschaft zu Nutze, dass verletzte Gametophyten neues Protonema austreiben. Durch regelmässiges Zerkleinern erhält man nach einigen Passagen eine homogene Protonema Kultur, die sich in hochmodernen, single-use Bioreaktoren mit energiesparenden LEDs kultivieren lassen. Aus der Biomasse werden mit einem neu integrierten schonenden Kaltpressverfahren alle wertvollen wasserlöslichen Inhaltstoffe gewonnen. Da mit diesem Verfahren kein Chlorophyll herausgelöst wird, ist der isolierte Extrakt beinahe farblos. Um ein Konservierungsmittel-freies Produkt anbieten zu können, wird der Extrakt auf Isomalt sprühgranuliert: MossCellTec No. 1 (INCI: Phytol (and) Isomalt (and) Aqua / Water, von hier an Mooswirkstoff genannt) ist der weltweit erste biotechnologisch hergestellte Inhaltstoff aus Moos für innovative und wirksame Kosmetik. Cell nucleus health, ein neues Anti-Aging Konzept In eukaryotischen Zellen enthält der Zellkern die genetischen Informationen gespeichert in der DNS und wird deshalb auch als Kontrollzentrum der Zelle angesehen. Der Zellkern ist von einer Membran, der Kernhülle, umschlossen, in der sich Kernporen befinden. Durch diese Poren findet der Transport in und aus dem Zellkern statt. Nur kleine Moleküle können frei durch die Kernporen diffundieren, grössere Moleküle wie Proteine oder RNA Komplexe müssen aktiv zu ihrer Destination transportiert werden. Dieser Transportprozess ist höchst komplex: in einer einzelnen menschlichen Zelle gibt es bis zu 5000 Kernporen und jede dieser Poren kann bis zu 1000 Moleküle pro Sekunde transportieren [4, 5]. Das bedeutet, dass in einer Zelle bis zu 5 Millionen Moleküle innerhalb einer Sekunde transportiert werden können. Ein zeitgerechter Transport von Signalmolekülen ist essenziell für die Adaptation einer Zelle an Veränderungen wie zum Beispiel Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Dies ist vor allem für Hautzellen wichtig, da diese unmittelbar mit der Umwelt in Kontakt kommen. Der Alterungsprozess führt zu einem weniger effizienten und selektiven Transport [6], was zu weniger widerstandsfähiger Haut führen kann. Weiterhin hat aktuelle Forschung an Krankheiten mit beschleunigter Alterung ergeben, dass die korrekte Zusammensetzung der Kernhülle Bedingung ist für die Erhaltung der Zellkernform, der DNS-Stabilität und Regulierung der Genexpression. Die Stabilität und Form des Zellkerns zu erhalten und einen effizienten Transport in und aus dem Zellkern sicherzustellen, kann unter dem Thema cell nucleus health, Zellkernvitalität, zusammengefasst werden. In dieser Publikation wird eine Verbesserung der Zellkernvitalitätsmarker in gealterten Keratinozyten mit einem Extrakt aus biotechnologisch hergestelltem Moos demonstriert. Der auf Moos basierende Wirkstoff verbessert die Hautadaptation an klimatische Veränderungen in-vitro und in-vivo. Material und Methoden Genexpression in jungen und gealterten Keratinozyten Normal human epidermal keratinocytes (NHEK) isoliert von einer jungen Spenderin (20 Jahre) und einer älteren Spenderin (55 Jahre) wurden 24 h kultiviert. Die Keratinozyten der älteren Spenderin wurden anschliessend mit verschiedenen Konzentrationen eines P. patens Extrakts oder Medium (control) während 24 h inkubiert. Alle experimentellen Bedingungen wurden in n=3 ausgeführt. Die Zellen wurden geerntet und die RNS wurde mit dem TriPure Isolation Reagent (Roche) isoliert. Die Expression der Markergene wurde mittels RT-qPCR in n=2 mit dem LightCycler system (Roche) gemessen. Temperatur und Feuchtigkeitsadaptation eines 3D Hautmodells 19 Tage alte menschliche 3D rekonstruierte Haut (Episkin) wurde mit 1 % Mooswirkstoff oder Medium behandelt (control). Nach drei Stunden wurde klimatischer Stress auf die 3D Haut induziert, entweder heiss/feuchtes Sommerklima (40 C, 80 % relative Luftfeuchtigkeit, 30 min) oder kaltes/trockenes Winterklima (10 C, 40 % relative Luftfeuchtigkeit, 15 min). Dieser Stress wurde 3x im Laufe von 36 Stunden wiederholt. Nicht gestresste 3D Haut diente als Kontrolle. Nach 10 Stunden weiterer Inkubation wurden die 3D Häute für histologische Analysen kryokonserviert. Ein Teil der Haut wurde mit Hematoxylin-Eosin eingefärbt, bei einem anderen wurde eine Immunofärbung durchgeführt mit einem Antikörper gegen LCE1A (Thermo Fischer), einem Sekundärantikörper (Alexa 633 anti-rabbit) sowie DAPI Färbung um die Zellkerne sichtbar zu machen. Bilder von den Querschnitten wurden mit einem Leica Konfokalmikroskop aufgenommen. LCE1A Level wurden mit Hilfe der Leica LasX Software quantifiziert. 09/ sofwjournal 35

4 personal care Hautpflege Resultate und Diskussion P. patens Extrakt verbessert die Zellkernvitalität in gealterten Hautzellen Abb. 2 Schematische Illustration der Rolle der drei untersuchten cell nucleus health Marker. Lamin A und LAP2 befinden sich an der inneren Kernhülle. RanBP17 ist ein Transportprotein, welches für den Import von Molekülen in den Zellkern verantwortlich ist. Hautadaptation in einer klinischen Studie Eine doppelblinde, placebokontrollierte klinische Studie wurde im Sommer in Seoul, Südkorea, an 23 asiatischen Frauen (39 53 Jahre alt), die 2 5 Stunden täglich draussen verbringen, durchgeführt. Die Probandinnen applizierten eine Creme mit 2 % Mooswirkstoff und die korrespondierende Placebocreme zweimal täglich auf je einer Gesichtshälfte während 14 Tagen. Hautfeuchtigkeit wurde mit einem Corneometer CM 825 (Courage+Khazaka, Deutschland) und TEWL mit einem Vapometer (Delfin, Finland) gemessen. Zusätzlich wurden Fotos vom Gesicht mit einem VISIA CR (Canfield, USA) gemacht und die Standardabweichung des Hauttons in der Wangenregion mithilfe von Image-pro plus (MediaCybernetics, USA) bestimmt. Eine kleinere Standardabweichung entspricht einem ebenmässigeren Hautton. Um zu testen, ob der Moosextrakt die Zellkernvitalität erhalten kann, wurde die Genexpression von drei cell nucleus health Markern in Keratinozyten von einem älteren Donor, behandelt oder unbehandelt (control) mit P. patens Extrakt, mit derjenigen von Keratinozyten von einem jüngeren Donor verglichen. Es wurde bereits gezeigt, dass die zwei Kernhüllenproteine Lamin A und LAP2B in alter Haut herunterreguliert und deshalb passende Marker für Hautalterung und Zellkernvitalität sind (Abb. 2) [7]. Das Protein RanBP17 ist verantwortlich für den Transport von Molekülen durch den Kernporenkomplex. Ran- BP17 ist in verschiedenen gealterten Zelltypen, unter anderem Neuronen und Fibroblasten, herunterreguliert und wird deshalb als universeller Alterungsmarker angesehen [8]. Beim Vergleich von alten und jungen Keratinozyten konnte die Herunterregulierung der drei cell nucleus health Marker in alten Zellen reproduziert werden. Die Behandlung der alten Keratinozyten mit dem P. patens Extrakt führte zu einer konzentrationsabhängigen Steigerung der Genexpression der drei Markergene LAP2B, Lamin A und RanBP17, näher an die Expressionslevel der jungen Keratinozyten (Abb. 3). Die Behandlung mit P. patens Extrakt hat somit einen verjüngenden Effekt auf Keratinozyten in Bezug auf Zellkernvitalität-Gene. Verbesserte Hautadaptation an Umweltveränderungen Eine rasche und effiziente Adaptation der Haut an verschiedene Umweltfaktoren ist wichtig für eine gesunde und resiliente Haut. Um den Einfluss des Mooswirkstoffs auf die Anpassungsfähigkeit der Haut an klimatische Veränderungen zu testen, wurde 3D Haut unter verschiedenen klimatischen Stressbedingungen kultiviert: heiss/feucht und kalt/ trocken, um verschiedene klimatische Stressbedingungen wie Heizungsluft und Air Condition zu simulieren. Unter diesen Stressbedingungen war die dermale Faserstruktur desorganisiert und die Faserdichte reduziert (Abb. 4). Weiterhin war Abb. 3 Genexpression der cell nucleus health Marker in Keratinozyten von einem jungen und einem älteren Donor, behandelt mit P. patens Extrakt Abb. 4 Adaptation von mit Mooswirkstoff behandelten 3D Hautmodellen an klimatische Veränderungen. 36 sofwjournal /18

5 Hautpflege personal care Abb. 5 Expression des Stressmarkers LCE1A in 3D Hautmodellen, detektiert mit Immunofluoreszenz und Bildanalyse. Abb. 6 Verbesserung von Hautparametern nach Behandlung mit dem Mooswirkstoff trotz klimatischen Stressbedingungen. die Expression des Stressmarkers LCE1A erhöht, was mittels Immunofluoreszenz gezeigt wurde (Abb. 5). Bei 3D Haut, die mit 1 % Mooswirkstoff behandelt wurde, waren diese Veränderungen der Stressmarkerexpression und dermalen Struktur weniger stark (Abb. 4, 5), was für eine bessere Adaptation an klimatischen Stress spricht. Die Effektivität des Mooswirkstoffs wurde weiterhin in einer placebokontrollierten klinischen Studie getestet an einem Panel von koreanischen Frauen, welche mehr als 2 Stunden am Tag im Sommer in Seoul draussen verbringen. Nach 14-tägiger Behandlung mit 2 % Mooswirkstoff zeigte sich eine signifikante Verbesserung der Hautfeuchtigkeit, TEWL und Hauttonebenmässigkeit (Abb. 6). Der positive Einfluss auf die Ebenmässigkeit des Hauttons war auch in Fotos der Probandinnen sichtbar (Abb. 7). Generell wurde eine Verbesserung der Hauteigenschaften trotz klimatischem Stress und eine bessere Anpassungsfähigkeit der Haut an Umweltveränderungen mit dem Mooswirkstoff beobachtet. Referenzen [1] R. Reski, Enabling the water-to-land transition, Nature Plants , [2] E. Roads, RE. Longton, P. Convey, Millennial timescale regeneration in a moss from Antarctica, Current Biology : R [3] Renault, H., A. Alber, N.A. Horst, A. Basilio Lopes, E.A. Fich, L. Kriegshauser, G. Wiedemann, P. Ullmann, L. Herrgott, M. Erhardt, E. Pineau, J. Ehlting, M. Schmitt, J.K.C. Rose, R. Reski, D. Werck-Reichhart: A phenol-enriched cuticle is ancestral to lignin evolution in land plants. Nature Communications : [4] GG Maul, L Deaven. Quantitative determination of nuclear pore complexes in cycling cells with differing DNA content. JCB 1977, 73: 748. [5] K Ribbeck, D Görlich. Kinetic analysis of translocation through nuclear pore complexes. EMBO J 2001, 20: [6] HJ Kim, JP Taylor. Lost in Transportation: Nucleocytoplasmic Transport Defects in ALS and Other Neurodegenerative Diseases. Neuron : [7] O Dreesen et al., Lamin B1 fluctuations have differential effects on cellular proliferation and senescence. JCB : [8] J Mertens et al., Directly Reprogrammed Human Neurons Retain Aging-Associated Transcriptomic Signatures and Reveal Age-Related Nucleocytoplasmic Defects. Cell Stem Cell : Kontakt Franziska Wandrey Bernhard Henes Fred Zülli Mibelle Biochemistry, Mibelle AG Buchs Switzerland Abb. 7 Sichtbare Verbesserung des Hauttons nach Behandlung mit dem Mooswirkstoff. Ralf Reski University of Freiburg, Faculty of Biology Freiburg Germany 09/ sofwjournal 37