Nano Astaxanthin ứng dụng trong y sinh và điều trị đa mô hình
Astaxanthin (AXT) là một trong những carotenoid hòa tan trong chất béo quan trọng nhất, có ứng dụng điều trị phong phú và đa dạng như bệnh gan, bệnh tim mạch, điều trị ung thư, bảo vệ hệ thần kinh, bảo vệ da và mắt chống lại tia UV và tăng cường hệ thống miễn dịch. Tuy nhiên, do khả năng phản ứng nội tại của nó nên nó không ổn định về mặt hóa học và do đó, quy trình thiết kế và sản xuất hợp chất này cần phải được xây dựng một cách chính xác. Nano hóa được áp dụng rộng rãi để bảo vệ astaxanthin chống lại sự thoái hóa trong quá trình tiêu hóa và bảo quản, do đó cải thiện các đặc tính hóa lý và tác dụng điều trị của nó. Chất mang nano là hệ thống phân phối có nhiều ưu điểm─dễ sửa đổi bề mặt, tương thích sinh học và phân phối và giải phóng thuốc theo mục tiêu. Đánh giá này thảo luận về tiến bộ công nghệ trong các chất mang nano để truyền AXT qua não, mắt và da, nhấn mạnh vào lợi ích, hạn chế và hiệu quả trong thực tế.
GIỚI THIỆU
Astaxanthin (AXT), một xanthophyll có hoạt tính mạnh, là một caroten màu đỏ, hòa tan trong lipid.(1,2) Mặc dù mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe, Astaxanthin vẫn được sử dụng hạn chế trong ngành dược phẩm và thực phẩm do khả năng hòa tan kém trong nước và thiếu ổn định khi tiếp xúc với oxy, ánh sáng và nhiệt độ cao;(3,4)liên hợp với axit béo hoặc protein thúc đẩy sự ổn định tự nhiên của nó.(5) Đáng chú ý, việc uống astaxanthin bằng đường uống cũng bị hạn chế như nhau do tốc độ phân tán trong mạch máu thấp cũng như khả năng hấp thụ tế bào thấp. Một nỗ lực sâu rộng đã được thực hiện để tăng cường khả dụng sinh học, tính ổn định và khả năng hòa tan của chất chống oxy hóa mạnh mẽ này bằng cách nano hóa. Phương pháp này có thể bảo vệ astaxanthin khỏi dịch dạ dày và cho phép nó giải phóng dần dần trong dịch ruột.
Trong số các phương pháp nano khác nhau, liposome, sấy phun, bay hơi dung môi, tạo gel ion, đông tụ và đông khô được sử dụng trong công thức AXT. Kiểm soát kích thước hạt và tinh chế thêm sản phẩm do sử dụng dung môi là hạn chế của các kỹ thuật nano hóa này. Gần đây, kết tủa chất lỏng siêu tới hạn là một công nghệ thân thiện với môi trường đã được sử dụng để nano hóa astaxanthin.
Trong một nghiên cứu mới, carbon dioxide siêu tới hạn (SC-CO 2 ) đã được sử dụng khi tiếp xúc với nhũ tương của astaxanthin, nước bão hòa ethyl acetate và ethyl cellulose để bao bọc astaxanthin. Phương pháp này bảo tồn hoạt tính chống oxy hóa của astaxanthin và tạo ra năng suất sản xuất cao với hiệu suất nano hóa là 84%.(6)Trong một nghiên cứu khác, nano astaxanthin được điều chế bằng công nghệ SC-CO 2 với hiệu suất nano hóa là 91,5%; AXT được hòa tan trong poly( l -axit lactic), diclometan và axeton rồi cho bay hơi thành khối SC-CO 2 .(7)Kích thước và cấu trúc của viên nang là những yếu tố quan trọng cần được tính đến khi nano hóa AXT. Cấu trúc nhiều lớp (liposome, nhũ tương dầu trong nước) với quy mô nanomet mang lại độ ổn định và hoạt động sinh học cao hơn, đồng thời cho phép giải phóng astaxanthin có kiểm soát.(số 8)
Những viên nang micro-/nano này không chỉ bảo vệ AXT chống lại quá trình tiêu hóa qua đường tiêu hóa và sau đó giải phóng trong ruột, mà cả các chất mang chứa astaxanthin nhỏ hơn (<500nm) cũng có thể được hấp thụ bằng quá trình nhập bào hoặc thông qua các miếng dán Peyer, do đó tăng cường khả dụng sinh học của AXT.(9)Do đó, các đặc tính hóa lý, chẳng hạn như kích thước, điện tích, bề mặt và thành phần của các hạt lipid, có thể bảo vệ AXT chống lại quá trình tiêu hóa bằng enzym và tăng cường tính ổn định cũng như sinh khả dụng của nó.(10)
Các hạt nano astaxanthin này, do đặc tính ưa mỡ, có thể bám vào màng và thâm nhập vào tế bào, do đó, chúng được đề xuất là chất mang AXT tuyệt vời qua hàng rào ruột. Các chất mang lipid có cấu trúc nano dường như ổn định hơn trước sự thoái hóa so với liposome khi có sự tiết axit dạ dày và lipase tuyến tụy. Ví dụ, việc sử dụng phospholipid, lipid bão hòa hoặc phytosterol có thể tăng cường tính ổn định của chất mang. Ngoài ra, các hệ thống phân phối dựa trên chất hoạt động bề mặt như niosome có khả năng chống thủy phân và môi trường axit.(11)Các vật liệu khác như alginate/gelatin và whey protein/gum Ả Rập ở pH axit dạ dày không hòa tan và ngăn ngừa sự thoái hóa nhưng ở pH đường ruột tạo điều kiện hòa tan khi Nano astaxanthin được bao bọc được giải phóng.(6)Do đó, các vật liệu được lựa chọn để nano hóa sẽ điều chỉnh sự giải phóng AXT trong ruột và gây ra sự kháng lại độ pH của nó, do đó bảo quản các viên nang vi mô/nano cho đến khi phân hủy. Ngoài ra, sự chậm trễ trong quá trình vận chuyển viên nang Nano astaxanthin qua đường tiêu hóa phụ thuộc vào đặc tính kết dính niêm mạc của vật liệu và kích thước hạt nhỏ.
Các hạt nano dựa trên chitosan mang lại lợi ích cho việc nạp astaxanthin vì chúng an toàn, có khả năng phân hủy sinh học và có ái lực cao với màng tế bào, do đó cải thiện sự vận chuyển nano astaxanthin qua các mối nối chặt chẽ của biểu mô. Tuy nhiên, các hạt nano này bị phân hủy trong điều kiện pH thấp và không thể bảo vệ AXT trong quá trình tiêu hóa qua đường tiêu hóa. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng chitosan pha trộn với casein và dextran bị oxy hóa hoặc các polyme không ion khác giúp tăng cường tính ổn định hóa lý của các hạt nano này.(12)Một tiêu chí chính để lựa chọn hệ thống bao bọc nano polyme sinh học hoặc dựa trên lipid hiệu quả và phù hợp để vận chuyển astaxanthin là cấu trúc, rào cản và thành phần tế bào của cơ quan đích (não, da và mắt, v.v.). Việc lựa chọn vật liệu nano hóa thích hợp giúp tăng cường khả năng tiếp cận sinh học, độ hòa tan và độ ổn định lâu dài của astaxanthin trong các cơ quan đích. Nhìn chung, dựa trên các nghiên cứu gần đây, chitosan (polyme sinh học carbohydrate) kết hợp với protein hoặc carbohydrate khác là chất mang có giá trị cho astaxanthin, và trong số các chất mang nano dựa trên lipid, chất béo nano và cấu trúc nano là hệ thống hiệu quả so với các hệ thống dựa trên lipid khác. Các thông số bổ sung trong việc lựa chọn chất bao nang thích hợp là tính sẵn có và giá cả hợp lý cũng như đường dùng thích hợp (uống, mắt, tiêm, v.v.).(13−16)
Mục tiêu của bài đánh giá này là làm nổi bật các đặc tính và ứng dụng Nano astaxanthin. Về vấn đề này, những hạn chế, ưu điểm và tính thực tế của những đổi mới và phát triển gần đây bao gồm hệ thống phân phối Nano astaxanthin cho các bệnh khác nhau (ví dụ như rối loạn thần kinh, mắt và da) đã được cân nhắc.
NGUỒN, CẤU TRÚC VÀ KHAI THÁC
AXT là một xanthophyll, có công thức phân tử C 40 H 52 O 4 và khối lượng mol 596,84 g/mol. Nó hiện diện tự nhiên trong nhiều sinh vật biển và sinh vật sống, cụ thể là cá hồi, tôm, nhuyễn thể, tôm hùm, vi sinh vật và một số thực vật.(17)Mặt khác, AXT tổng hợp được sản xuất bởi các sản phẩm hóa dầu theo quy trình nhiều bước. Ba phương pháp khác nhau được sử dụng để tổng hợp hóa học AXT: hydroxyl hóa canthaxanthin ( Hình 1 A), oxy hóa zeaxanthin ( Hình 1 B) và phản ứng Wittig (một dialdehyd với hai phosphonium) ( Hình 1 C). Cho đến nay, chỉ có AXT tự nhiên mới được chấp thuận cho con người sử dụng. Nó được sử dụng như một vật liệu đắt tiền cho các ứng dụng trị liệu khác nhau, trong khi việc sử dụng dạng tổng hợp chủ yếu rơi vào các thiết bị nuôi trồng thủy sản chỉ đơn thuần là phụ gia thức ăn chăn nuôi.(18)Đáng chú ý, hoạt tính chống oxy hóa của AXT tự nhiên mạnh hơn 20–50 lần so với AXT tổng hợp. Nó đã thể hiện hiệu quả điều trị tốt hơn và không có tác dụng độc hại.(19)Do đó, việc tiêu thụ Nano astaxanthin tự nhiên và nhu cầu về nó đã tăng lên đáng kể so với nhu cầu đối với chất tổng hợp. AXT tự nhiên chủ yếu có nguồn gốc từ tảo ( Haematococcus Pluvialis ), vi khuẩn ( Paracoccus haeundaensis , Paracoccus carotinifaciens ) và nấm men ( Phaffia rhodozyma/Xanthophyllomyces dendrorhous ). Haematococcus pluvialis là một loại vi tảo nước ngọt và được biết đến như một nguồn cung cấp astaxanthin tự nhiên tuyệt vời.(20,21)Nhiều công ty đang sản xuất AXT tự nhiên từ tảo do tầm quan trọng ngày càng tăng của nó trong ngành dược phẩm.(22−24)Một thách thức đáng kể trong sản xuất Nano astaxanthin bằng công nghệ sinh học là các quy trình tiếp theo. Vì AXT được sản xuất nội bào và AXT có độ tinh khiết cao cần thiết cho các ứng dụng dinh dưỡng và dược phẩm nên hầu hết đều gặp phải chi phí vận hành cao; do đó, chi phí cho các công đoạn tiếp theo chiếm gần 80% chi phí sản xuất.(25,26) Một quy trình hạ nguồn hiệu quả có thể giảm chi phí sản xuất và tăng năng suất.
Hình 1. Ba chiến lược tổng hợp hóa học của astaxanthin: (A) hydroxyl hóa canthaxanthin; (B) quá trình oxy hóa zeaxanthin; và (C) phản ứng Wittig.
AXT bao gồm hai vòng cuối được nối với nhau bằng chuỗi polyene. Phân tử này chứa hai tâm bất đối xứng nằm ở vị trí 3 và 3’ của vòng β-ionone với nhóm hydroxyl (-OH) ở hai đầu của phân tử ( Hình 2 A). Một chuỗi liên kết đôi liên hợp được kéo dài ở trung tâm của phân tử chịu trách nhiệm cho hoạt động chống oxy hóa của Nano astaxanthin.(27−30)Do sự hiện diện của oxy trong các vòng của nó, AXT có bản chất phân cực hơn, khiến nó trở thành chất chống oxy hóa mạnh vì nó có thể cho các electron và thu dọn các gốc tự do. Đáng chú ý, cấu hình của các nguyên tử cacbon lập thể ở vị trí 3 và 3’ trong các vòng này xác định các đồng phân không gian AXT là đối xứng (3S, 3S′) hoặc (3R, 3R′) hoặc là trung bình (3R, 3′S), với đồng phân đối xứng cấu hình có nhiều nhất trong tự nhiên ( Hình 2 B).
Hình 2. (A) Cấu trúc hóa học và (B) đồng phân lập thể của astaxanthin. (C) Cấu trúc của dạng đơn este và diester của astaxanthin.
Sự hiện diện của hydroxyl và carbonyl (C═O) trong mỗi vòng ionone giải thích các đặc điểm như tính chất phân cực và khả năng trải qua quá trình este hóa của nó. Dựa trên nguồn của nó, AXT có thể tồn tại ở các dạng khác nhau như đồng phân R/S quang học, đồng phân hình học và dạng este hóa hoặc dạng tự do.
Mặc dù dạng AXT chiếm ưu thế nhất trong tự nhiên là dạng este hóa, dạng không este hóa cũng có thể được tìm thấy. AXT được tìm thấy ở ba dạng khác nhau dựa trên hai nhóm hydroxyl của nó: dạng không este hóa (dạng tự do), dạng monoester hóa (một nhóm hydroxyl được este hóa bằng axit béo) và dạng diester hóa (hai nhóm hydroxyl được este hóa bằng axit béo) ( Hình 2 C ). Các nguồn tổng hợp AXT khác nhau chứa các tỷ lệ khác nhau của ba dạng này. Ví dụ, AXT được chiết xuất từ nấm men Xanthophyllomyces dendrorhous là đồng phân (3R, 3′R) ở dạng tự do, trong khi Haematococcus pluvialis sinh tổng hợp đồng phân (3S, 3′S) ở dạng đơn este hóa là chủ yếu ( Bảng 1 ).(31)
Tỷ lệ các đồng phân lập thể trong AXT tổng hợp và tự nhiên vốn đã khác nhau. AXT tổng hợp chứa (1(3R, 3′R):2(3R, 3′S):1(3S, 3′S)) là dạng tự do, trong khi các tỷ lệ biến đổi của các đồng phân lập thể cây tồn tại trong AXT tự nhiên chủ yếu ở dạng một phức hợp với protein hoặc lipid, hoặc dạng este hóa. Hoạt tính sinh học đáng chú ý của AXT bắt nguồn từ đồng phân 3S, 3′S, điều này giải thích khả dụng sinh học tốt hơn sau khi bổ sung AXT tự nhiên vào chế độ ăn so với dạng tổng hợp. Nghiên cứu được thực hiện bởi Yang và cộng sự. chỉ ra rằng AXT được diester hóa với axit bão hòa và chuỗi dài có độ ổn định cao hơn các dạng AXT khác. Họ chỉ ra rằng độ ổn định của AXT tương quan trực tiếp với mức độ este hóa, độ dài chuỗi carbon và trạng thái bão hòa của axit béo. Hơn nữa, việc giảm mức độ este hóa, giảm độ dài chuỗi carbon và tăng độ không bão hòa của axit béo của AXT có lợi cho khả dụng sinh học của nó. Trong quá trình tiêu hóa, AXT đơn thể hóa với các axit béo chuỗi ngắn và không bão hòa dễ bị thủy phân. Do đó, sinh khả dụng của AXT tự do cao hơn đáng kể so với AXT được monoester hóa, và đối với dạng monoester hóa thì lớn hơn đáng kể so với AXT được diester hóa.(33)Sau khi bổ sung AXT (tự do hoặc este hóa), dạng duy nhất được tìm thấy trong máu người là dạng tự do. Hơn nữa, các nghiên cứu ở người đã chứng minh rằng dạng AXT tự do là dạng hoạt động chính và có sinh khả dụng cao hơn dạng ester hóa.(36)Người ta suy đoán rằng lượng AXT được ester hóa tại vị trí hấp thu bị hạn chế do nhu cầu thủy phân các este này trong đường tiêu hóa trước khi hấp thụ.(37)Trong bước tinh chế của quy trình xuôi dòng, các tạp chất như muối, mảnh vụn tế bào, các carotenoid khác, dung môi, protein, este và các chất gây ô nhiễm khác được tách ra và thu được AXT tự nhiên tự do (độ tinh khiết 99% trở lên). Sau khi loại bỏ các nhóm este, AXT tự do và các đồng phân của nó có thể được phân tích dễ dàng bằng kỹ thuật sắc ký; AXT tự do sẽ tạo thành các chất chống oxy hóa dược phẩm hữu ích vì chúng có thể liên kết với các nhóm tan trong nước.(38)Mimoun-Benarroch và cộng sự. chứng minh rằng sự hấp thu AXT tự nhiên được este hóa từ H. pluvialis chậm hơn so với AXT tự do từ P. carotinifaciens và P. rhodozyma ; sự thủy phân dạng este hóa trong lòng ruột trước khi hấp thu có thể góp phần làm giảm quá trình hấp thu. Ngoài ra, các AXT được este hóa này không thể được xác định bằng phân tích sắc ký trừ khi chuỗi axit béo của chúng bị loại bỏ.(39)Tuy nhiên, một số nghiên cứu cho rằng quá trình este hóa làm cho AXT hòa tan hơn và tăng cường tính ổn định của nó đối với quá trình oxy hóa; do đó, nó có thể có đặc tính dược lý tốt hơn AXT tự do.(40)Do đó, một số nhà nghiên cứu đã tiến hành tinh chế H. pluvialis AXT và thu hồi được tỷ lệ cao AXT dạng tự do hoặc monoester đã được tinh chế.(41,42)Có thể sử dụng sắc ký pha thông thường kết hợp với sắc ký pha đảo để tách AXT tự do và este hóa (mono và dieste) trong 25 phút.(43,44)Hoạt động chống oxy hóa của các dạng AXT tự nhiên khác nhau vẫn còn được tranh luận. Người ta khẳng định rằng AXT tự do hiệu quả hơn AXT được este hóa,(45)trong khi một số người khác cho biết dạng este hóa có hoạt tính chống oxy hóa tốt hơn.(46−49)Nghiên cứu của Rao et al. trên mô hình ung thư da ở chuột cho thấy AXT được este hóa có khả năng chống oxy hóa và chống ung thư tốt hơn so với dạng tự do.(50)Ngoài ra, so sánh hai hình thức này với hiệu suất tập thể dục ở chuột cho thấy AXT được ester hóa thúc đẩy đáng kể sức bền cơ bắp, bảo vệ hồng cầu khỏi tổn thương oxy hóa và tăng thời gian chạy.(51)
Do sự hiện diện của một số liên kết đôi liên hợp, hai loại đồng phân hình học xảy ra trong phân tử AXT: đồng phân Z và toàn E ( Hình 3 ). AXT tiêu biểu nhất trong tự nhiên là đồng phân ổn định toàn E khi các nguyên tử cacbon nằm ở vị trí E ở liên kết đôi. Các đồng phân Z kém ổn định hơn nhưng có lợi hơn (hỗn hợp các đồng phân 9 Z và 13 Z ) thu được khi chiết xuất AXT bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như ion kim loại,(52)dung môi, nhiệt độ hoặc pH của môi trường phản ứng.(53)Viazau và cộng sự. đã kiểm tra quá trình đồng phân hóa của AXT trong điều kiện nhiệt và quá sáng cũng như trong cả hệ thống in vitro và in vivo ( tế bào H. pluvialis ). Trong 5 giờ đầu tiên xử lý ánh sáng ở điều kiện in vitro và với sự có mặt của metanol, cả hai đồng phân Z đều tăng lên 5% và sau đó giảm xuống, nhưng trong toàn bộ thời gian xử lý nhiệt, lượng đồng phân Z tích lũy đã tăng lên. . Ở tế bào H. pluvialis , trong điều kiện ánh sáng mạnh và natri axetat, sự tích lũy đồng phân Z lúc đầu đạt 45% sau đó giảm dần; sự khử các đồng phân có thể là do sự tổng hợp de novo của all-E-AXT và sự phân hủy oxy hóa của AXT. Để tăng tổng sản lượng AXT trong tế bào H. pluvialis , sự hiện diện của natri axetat và ánh sáng dài hạn là cần thiết, còn để tăng sản xuất đồng phân Z thì chỉ cần ánh sáng ngắn hạn là đủ.(54)Một số nghiên cứu đã nghiên cứu các tính chất có lợi của đồng phân Z so với đồng phân E của AXT. Yang và cộng sự. đã ghi nhận sự tích lũy có chọn lọc của 13 Z – AXT trong huyết tương người với khẳng định rằng các chất đồng phân Z có lợi hơn cho sức khỏe con người.(55)Vì các đồng phân Z hòa tan nhiều hơn trong dung môi hữu cơ nên quá trình chiết của chúng hiệu quả hơn khi thêm chất xúc tác tăng tốc đồng phân Z vào dung môi chiết; vì vậy chúng có khả năng chiết tốt hơn đồng phân all- E .(53)Do một số thay đổi diễn ra trong các tính chất hóa lý của AXT ở cấu hình Z , khi chúng thay đổi từ trạng thái tinh thể sang trạng thái vô định hình (dầu), các quá trình như chiết xuất, nhũ hóa và vi mô hóa được tạo điều kiện thuận lợi nhờ các dung môi an toàn và bền vững .(56)Độ phân tán và độ hòa tan cao hơn của các đồng phân AXT -Z dẫn đến khả năng tiếp cận sinh học và khả dụng sinh học cao hơn của phân tử này; 13 Z – AXT có khả năng tiếp cận sinh học cao hơn 9 Z – và toàn bộ E -AXT trong mô hình tiêu hóa in vitro .(55)Quá trình đồng phân hóa Z cũng ảnh hưởng đến các hoạt động chống ung thư, chống oxy hóa, chống viêm, chống lão hóa và chống xơ vữa động mạch của AXT.(56)Yang và cộng sự. đã chứng minh khả năng ức chế viêm cao hơn đối với các đồng phân Z , đặc biệt là 9 Z , bằng cách giảm biểu hiện của NK-κ, IL-8, TNF-α và COX2 trong mô hình đơn lớp tế bào Caco-2.(57)Hoạt tính chống lão hóa tốt hơn của 9Z-AXT được quan sát thấy khi tuổi thọ trung bình của Caenorhabditis elegans khi được cho ăn bằng chất này tăng 59,39% so với mức tăng 30,43% khi được cho ăn bằng tất cả các đồng phân E.(58)Tất cả những thay đổi về chức năng và hoạt động của các đồng phân AXT- Z là do đặc tính hóa lý của phân tử này bị thay đổi. Một số tính chất hóa lý ảnh hưởng đến quá trình đồng phân hóa E/Z là độ hòa tan, giá trị màu, độ ổn định, độ kết tinh và điểm nóng chảy. Những thay đổi về năng lượng tự do Gibbs ảnh hưởng đến tính ổn định của đồng phân Z , do đó ảnh hưởng đến đặc tính chống oxy hóa của nó.(59)Liu và Osawa đã cho thấy tác dụng chống oxy hóa mạnh mẽ của đồng phân Z (đặc biệt là 9 Z -AXT) trong hoạt động nhặt gốc tự do hiệu quả cao và cũng ngăn chặn việc sản xuất ROS trong các tế bào u nguyên bào thần kinh cũng như ức chế cảm ứng hydroperoxide.(60)Mặt khác, Yang và cộng sự, bằng các thử nghiệm hoạt tính chống oxy hóa khác nhau, cho thấy 13 Z – AXT có hoạt tính chống oxy hóa mạnh hơn so với toàn bộ E và 9 Z. (61)Đồng phân Z có độ hòa tan cao hơn trong dung môi hữu cơ, dầu thực vật và SC-CO 2 giúp tăng cường khả năng tiếp cận sinh học của chúng. Tương tự như vậy, sự hấp thu của các đồng phân Z vào axit mật được cải thiện và quá trình tiếp nhận chúng vào tế bào Caco-2 nhờ các protein vận chuyển carotenoid hiệu quả hơn ( Bảng 2 ).(55)
Chữ viết tắt: Xét nghiệm ORAC-L, xét nghiệm khả năng hấp thụ gốc oxy đối với các hợp chất ưa mỡ; Xét nghiệm PCL, xét nghiệm quang hóa phát quang; Xét nghiệm CAA, xét nghiệm hoạt động chống oxy hóa tế bào; DPPH, 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl; khả năng tiếp cận sinh học, lượng AXT có sẵn để hấp thụ trong ruột sau quá trình tiêu hóa; sinh khả dụng, lượng AXT đạt đến vị trí hoạt động sinh lý sau khi dùng.(25)
Một quy trình hạ nguồn hiệu quả sẽ giảm chi phí sản xuất và phát triển năng suất. Không có gì ngạc nhiên khi AXT tự nhiên thu được từ Haematococcus pluvialis rất đắt và chỉ chiếm 1% tổng thị phần AXT trong khi phần còn lại thuộc về loại tổng hợp.(67)Tuy nhiên, có những chiến lược mới nổi có tiềm năng tăng thị phần của AXT tự nhiên trên thị trường.
Được biết, AXT có thể tập trung ở Haematococcus pluvialis lên tới 5% trọng lượng khô của nó ở giai đoạn aplanospore trong các điều kiện không mong muốn, trong đó có thể liệt kê được độ mặn cao, nhiệt độ cao và nhiều ánh sáng hơn. Mặt khác, nếu các điều kiện không mong muốn chiếm ưu thế, nó sẽ dẫn đến sự tích lũy AXT; sự gia tăng AXT đi kèm với việc hình thành một bức tường kháng acetolysis xung quanh tế bào với độ dày lên tới 2,3 μm, một trở ngại cho quá trình chiết xuất.(68,69)Chỉ 5% AXT trong tế bào ở dạng tự do và phần còn lại liên kết với axit béo. Việc chiết xuất dạng tự do cộng với các dẫn xuất của nó đòi hỏi phải phá vỡ thành tế bào, nhưng việc bảo tồn hoạt tính sinh học của AXT trong quá trình này có tầm quan trọng sống còn, khiến nó trở thành một thách thức đáng chú ý trong lĩnh vực này.(70)Chiến lược một bước nhẹ đã được báo cáo là mang lại hiệu suất 47% trọng lượng thông qua việc thu hồi AXT từ các nang trưởng thành của Haematococcus pluvialis .
Trong phương pháp này, thành tế bào của tế bào nang bị vỡ hoàn toàn trong điều kiện nhẹ (200 vòng/phút, nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển) trong thời gian ngắn (<30 phút); chiết xuất tiếp theo được thực hiện bằng cách sử dụng các dung môi khác nhau thường được công nhận là an toàn (GRAS), ví dụ: ethanol, axeton, n -hexane, etyl axetat và rượu isopropyl). Khả năng thu hồi Astaxanthin cao nhất trong ethanol, tiếp theo là trong axeton, etyl axetat, rượu isopropyl (IPA) và hexan. Hình 4 thể hiện quy trình một bình được tối ưu hóa cùng với quy trình nghiền khô thông thường và quy trình hai bước để so sánh. Chiến lược một bước tránh được việc xử lý trước để làm vỡ thành tế bào, giúp quá trình này hiệu quả hơn so với các nghiên cứu trước đây.(71,72)Sự khác biệt giữa phương pháp khô và phương pháp ướt có thể thấy rõ trong Hình 4 B; quá trình nghiền bi khô, được áp dụng rộng rãi, gây ra sự hình thành các mảnh vụn tế bào trên các quả bóng và thành buồng, sau đó chúng sẽ kết tụ lại và do đó kém hiệu quả hơn. Trong trường hợp quy trình hai bước, quá trình nghiền ban đầu được thực hiện sau đó là chiết bằng Soxhlet, chất lỏng siêu tới hạn hoặc các phương tiện khác có năng suất thấp, trong khi quy trình một bình cho phép chiết AXT với năng suất cao trong thời gian ngắn. ở nhiệt độ môi trường xung quanh.(67)
Hình 4. (A) Sơ đồ chỉ ra chiến lược một bình để chiết xuất AXT từ Haematococcus pluvialis . (B) So sánh giữa kỹ thuật khô và ướt bằng hình ảnh máy ảnh kỹ thuật số: (i) ngay sau quá trình nghiền bi, (ii) thành thùng và (iii) các viên zirconia sau quá trình. (C) Hiệu suất AXT đối với đối chứng ( Haematococcus pluvialis đông khô thông qua chiết xuất Soxhlet bằng axeton mà không áp dụng phương pháp nghiền bi (12 giờ)), chiến lược một bình (tối đa 20 phút) và kỹ thuật hai bước (tối đa 60 phút) ). (D) Máy ảnh kỹ thuật số và ảnh SEM hiển thị các mảnh vụn tế bào (i) trước khi nghiền bi, (ii) sau phương pháp hai bước và (iii) sau phương pháp một nồi. In lại với sửa đổi từ ref (67)với sự cho phép của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Mặc dù chiến lược một bước mang lại lượng AXT cao nhất từ Haematococcus pluvialis nhưng nó được coi là một phương pháp xâm lấn vì nó đòi hỏi phải phá vỡ hoàn toàn tảo. Quá trình tinh chế sinh học vi tảo bao gồm một số bước như trồng trọt, thu hoạch và chiết xuất tiếp theo, đây là một nỗ lực tốn kém và mất nhiều thời gian. Có một chiến lược không xâm lấn có khả năng giảm cả thời gian và chi phí cho việc vắt sữa vi tảo.(73) Giống như việc vắt sữa bò, ý tưởng đằng sau quá trình này là tái sử dụng sinh khối để kéo dài thời gian sản xuất; một chiến lược đổi mới đã được áp dụng để chiết xuất AXT nhiều lần từ một tế bào Haematococcus pluvialis duy nhất . Quá trình này bắt đầu bằng việc rạch một đường trên thành tế bào thông qua một dao mổ nano vàng, sau đó chiết xuất AXT và cuối cùng là chữa lành vết thương bằng cách cung cấp chất ủ và chất dinh dưỡng.
Điều quan trọng là quá trình chiết xuất được đồng bộ hóa với sự rò rỉ chất diệp lục bên cạnh AXT. Sau quá trình chiết xuất, việc bổ sung chất dinh dưỡng đã ngừng rò rỉ các sắc tố và hàm lượng chất diệp lục tăng trở lại, điều này rất quan trọng để duy trì quá trình trao đổi chất của tế bào. Mối quan hệ giữa chất diệp lục và AXT được phát hiện là nghịch đảo; hàm lượng AXT được cải thiện lên gấp đôi so với nhóm đối chứng được nhận thấy sau quá trình trích xuất đầu tiên(74)( Hình 5 ). Tất nhiên, cần phải nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quy trình vắt sữa và rất đáng nghiên cứu vì quy trình này có thể tái sử dụng nhiều lần như mong muốn.
Hình 5. (A) Chiết xuất AXT tái sinh từ Haematococcus pluvialis thông qua máy chế tác vàng. (B) Ảnh vi mô SEM của máy thao tác vàng và tế bào được khắc. In lại từ ref (74)với sự cho phép của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Xanthophyll carotenoids, thuộc nhóm AXT, được hòa tan trong ruột non sau khi ăn vào. Quá trình này được thực hiện trong các mixen hỗn hợp có chứa axit mật, phospholipid, cholesterol và axit béo. Sau đó, các carotenoid này đi vào tế bào biểu mô bằng cách khuếch tán đơn giản và thuận lợi qua màng tế bào chất của chúng. Một khi chúng bị phá vỡ, carotenoid sẽ được lưu trữ trong gan. Tiếp theo chúng được tiết ra dưới dạng lipoprotein mật độ rất thấp, lipoprotein mật độ thấp và lipoprotein mật độ cao vào máu và vận chuyển đến các mô.
Các đầu cực của AXT làm cho nó dễ hấp thụ hơn các carotenoid không phân cực khác như lycopene. Người ta đã chứng minh rằng AXT được este hóa bị thủy phân (axit béo được loại bỏ khỏi một trong hai vòng) trước khi được vận chuyển dưới dạng lipoprotein mật độ thấp.(75,76)AXT có cấu trúc tương tự như β-caroten, trong đó chất trước có 13 liên kết đôi liên hợp, trong khi chất sau có 11; Khả năng vô hiệu hóa các gốc tự do của carotenoid được tăng cường khi tăng liên kết đôi liên hợp và sự hiện diện của một nhóm chức năng trong các vòng cuối của nó.(77)
Cực AXT trải dài qua màng, với các nhóm đầu cực của nó kéo dài về phía vùng đầu của lớp kép màng. Kết quả là, AXT ngăn chặn các phản ứng chuỗi gốc tự do và loại bỏ các gốc peroxyl lipid và ROS (ROS nội sinh) trên bề mặt màng, trong khi chuỗi polyene của nó có thể bẫy ROS ở bên trong màng.(78)Độc tính và hiệu quả của viên nang mềm AXT gốc dầu đã được Satoh et al. Theo phân tích này, không có vấn đề an toàn nào được quan sát thấy trong khi các hội chứng chuyển hóa được cải thiện. Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ và Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu đã phê duyệt AXT dưới dạng thực phẩm bổ sung, thành phần thực phẩm và chất phụ gia. Cho đến nay, AXT được chiết xuất từ H. Pluvialis và P. carotinifaciens đã được phép sử dụng cho con người với liều lượng lần lượt từ 12 đến 24 mg và 6 mg mỗi ngày trong tối đa 30 ngày.(79,80)
Chức năng Nano astaxanthin trong cơ thể con người: Hoạt động chống oxy hóa và con đường truyền tín hiệu
Nano astaxanthin đã thể hiện đặc tính chống oxy hóa. Được biết, lượng ROS thấp có lợi cho việc biểu hiện gen, truyền tín hiệu tế bào và kích thích các cơ chế bảo vệ chống oxy hóa.(81)Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng AXT mạnh hơn beta-carotene trong việc loại bỏ các gốc tự do gây ra bởi các yếu tố bên trong (viêm, lão hóa, căng thẳng và ung thư, v.v.) hoặc các nguồn bên ngoài (khói thuốc lá, chất ô nhiễm, bức xạ UV, v.v.)(82,83)và bảo tồn các metyl este của axit béo không bão hòa bằng cách ngăn chặn quá trình peroxid hóa. Ngoài ra, este AXT còn cho thấy hoạt tính peroxid hóa antilipid cao.(84,85)Tác động tăng cường sức khỏe của AXT đối với nhiều bệnh đã được chứng minh trong một số nghiên cứu, trong đó nêu bật tác dụng điều trị đầy hứa hẹn của AXT.(86,87)AXT tăng cường và điều chỉnh hệ thống miễn dịch, đồng thời tăng sản xuất kháng thể theo cách phụ thuộc vào người trợ giúp T. Do đó, nó làm tăng số lượng tế bào tiết kháng thể từ tế bào lá lách và sản xuất globulin miễn dịch bởi các tế bào máu.(88,89)Hoạt động chống oxy hóa rất mạnh của nó có thể có tác dụng bảo vệ hệ thống tim mạch.(90)Coombes và cộng sự. đã chứng minh rằng AXT không có tác dụng làm tăng tình trạng viêm, stress oxy hóa và độ cứng động mạch ở người nhận ghép thận.(91)Các nghiên cứu khác cho thấy AXT có tác dụng to lớn đối với chức năng tim, xây dựng sức mạnh khớp, hiệu suất tập thể dục và phục hồi sau tập luyện.(92)Ngoài ra ở những bệnh nhân suy tim, tiêu thụ AXT trong ba tháng có tác dụng chống oxy hóa và cải thiện khả năng chịu đựng khi tập thể dục và khả năng co bóp của tim.(93)Tác dụng chống ung thư của AXT bao gồm chống viêm,(94)chống phổ biến vũ khí hạt nhân,(95)chống oxy hóa,(96)và sự gia tăng apoptosis 95 đã được xác nhận trong nhiều nghiên cứu in vivo và in vitro . Nó cũng cải thiện chức năng của não và có thể làm giảm hoặc ngăn ngừa các bệnh về não, chẳng hạn như bệnh Parkinson, bệnh tự kỷ và bệnh Alzheimer.(97,98)AXT làm giảm nếp nhăn trên da và ngăn ngừa các đốm đồi mồi, cải thiện độ đàn hồi của da và giảm tác hại của tia cực tím do tia nắng, do đó hoạt động như một loại kem chống nắng bên trong.(99.100)
Nano astaxanthin có một vai trò quan trọng trên con đường truyền tín hiệu của tình trạng viêm, stress oxy hóa và quá trình apoptosis phụ thuộc vào oxy phản ứng bằng cách làm gián đoạn con đường truyền tín hiệu của chúng trong quá trình thoái hóa thần kinh và tổn thương liên quan đến mắt và da.(101.102)Mặc dù ROS có vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu và chức năng thần kinh, nhưng việc tạo ra ROS không chính đáng sẽ gây tử vong cho chức năng tế bào thần kinh, với quá trình oxy hóa vĩnh viễn. AXT cho thấy tác dụng bảo vệ thần kinh bằng cách giảm ROS nội bào và ngăn chặn việc tạo ra H 2 O 2 trong ty thể .(103)
Nano astaxanthin có thể ngăn ngừa tình trạng viêm bằng cách ức chế giải phóng interleukin (IL), yếu tố hoại tử khối u (TNF-α) và phân tử bám dính giữa các tế bào 1 (ICAM1) như trong Hình 6 .(101,104)Đặc tính chống viêm của AXT là do nó ức chế con đường TLR4 ngoài khả năng điều chỉnh con đường TLR4/MyD88/NF-κB,(105)điều hòa giảm biểu hiện TLR4 và MyD88, đồng thời ức chế kích hoạt con đường TLR4/MyD88/NF-κB, có vai trò đáng kể trong việc điều chỉnh tình trạng viêm mô thận do bỏng.(106)AXT có tác dụng chống viêm ở mắt bằng cách cản trở đường dẫn tín hiệu NF-kB qua việc ngăn chặn việc tạo ra TNF-α, NO và PGE2.(107)Hơn nữa, AXT đã ngăn chặn quá trình tân mạch màng đệm bằng cách điều hòa giảm ICAM-1, VEGF có nguồn gốc từ đại thực bào, MCP-1 và IL-6 như các chất trung gian gây viêm.(108)Ngoài ra, nó có thể hỗ trợ hiệu quả việc bảo vệ mô bổ sung bằng cách duy trì sự cân bằng oxy hóa/chống oxy hóa liên quan đến cấu trúc độc đáo của nó.(109)
Hình 6. Sơ đồ minh họa vai trò của Nano astaxanthin trên các con đường truyền tín hiệu về tình trạng viêm, stress oxy hóa và apoptosis bằng cách làm gián đoạn các con đường truyền tín hiệu của chúng.
Để ngăn chặn stress oxy hóa, AXT kích hoạt Nrf2/các yếu tố phản ứng chống oxy hóa (Nrf2/ARE), ức chế tỷ lệ protein kinase/protein kinase được điều hòa ngoại bào được phosphoryl hóa (p-ERK/ERK) và tăng giải phóng NAD(P)H quinine oxyoreductase-1 (NQO-1) và heme oxyase-1 (HO-1). Người ta đã chứng minh rằng protein liên quan đến ECH giống Kelch 1 (Keap1)-Nrf2-ARE có chức năng quan trọng trong phản ứng chống oxy hóa của tế bào.(101)Cơ chế chống oxy hóa AXT còn bao gồm việc điều chỉnh đường truyền tín hiệu PI3K/Akt.(110)AXT hoạt động như một lá chắn cho các tế bào cảm quang khỏi stress oxy hóa, làm giảm quá trình chết theo chương trình do kích thích đường truyền tín hiệu PI3K/Akt/Nrf2 ở điều kiện tăng đường huyết. AXT làm giảm các tế bào hạch võng mạc và tổn thương tế bào Muller thông qua việc tăng cường sản xuất HO-1. Các con đường truyền tín hiệu khác nhau được kết hợp để tăng sức đề kháng của tế bào đối với stress oxy hóa. Bằng cách này, con đường Nrf2-ARE đóng vai trò thiết yếu và duy trì chức năng tế bào ( Hình 6 ).(101.111)Một yếu tố phiên mã gắn liền với ARE là Nrf2, yếu tố này khuyến khích sự biểu hiện enzyme Giai đoạn II. Sự tương tác của Nrf2 với người đi kèm Keap1 xảy ra khi không có tổn thương oxy hóa. Ngược lại, trong điều kiện oxy hóa, Nrf2, tách ra khỏi Keap1, ở dạng kích hoạt và được chuyển vào nhân, gắn vào ARE và kích thích biểu hiện enzyme Giai đoạn II, ví dụ, heme oxyase-1 (HO-1) và NQO1.(81,104)
Nano astaxanthin thể hiện các đặc tính chống oxy hóa và có thể tạo ra lượng vết ROS thay vì dập tắt chúng, điều này kích hoạt biểu hiện HO-1 và điều chỉnh biểu thức và hoạt động GSH-Px thông qua đường dẫn tín hiệu ERK-Nrf-2/HO-1.(81)ROS được tạo ra này vô hại đối với các tế bào vì AXT nguyên sơ chứng thực sự tăng sinh của tế bào và cải thiện hoạt động của enzyme GSH-Px và SOD, đồng thời cho thấy tác dụng bảo vệ chống lại stress oxy hóa do H 2 O 2 gây ra trong HUVEC và làm giảm sản xuất ROS do H 2 gây ra Ô 2 .(81)
Ngoài ra, việc kích hoạt Nrf2 có thể hỗ trợ sự sống sót của tế bào ngoại vi võng mạc. Nano astaxanthin có thể kích hoạt con đường Nrf2-ARE, do đó tăng cường biểu hiện HO-1 và NQO1, đồng thời giảm tổn thương oxy hóa với tác dụng bảo vệ khỏi quá trình apoptosis tăng cao do glucose gây ra trong các tế bào cảm quang ( Hình 6 ).(124)
Vai trò của AXT chống lại apoptosis đã được xác định chắc chắn bằng cách chặn caspase3,9 như trong Hình 6 , cũng như cytochrome c, p-ERK/ERK và tỷ lệ Bax/Bcl2.(101.111)AXT có tác dụng điều trị trong tổn thương do thiếu máu cục bộ do tái tưới máu tủy sống và gây ra stress oxy hóa và apoptosis thần kinh bằng cách kích hoạt đường truyền tín hiệu PI3K/Akt/GSK-3β.(112)Con đường truyền tín hiệu PI3K/Akt/GSK-3β cho thấy chức năng bảo vệ thần kinh bằng cách ức chế quá trình chết theo chương trình và kích thích sự tăng sinh của tế bào.(113)
Zohreh Jafari, Ashkan Bigham, Sahar Sadeghi, Sayed Mehdi Dehdashti, Navid Rabiee*, Alireza Abedivash, Mojtaba Bagherzadeh, Behzad Nasseri, Hassan Karimi-Maleh, Esmaeel Sharifi, Rajender S. Varma và Pooyan Makvandi*