A Safe-by-Design Approach to the Suistainable Development of Cosmetic ingredients

La realizzazione del concetto di "Safe and Sustainable by Design" dei materiali è una delle principali sfide globali e un concetto presente in diversi progetti di ricerca dell'UE. In questo lavoro, due diversi casi d'uso vengono studiati e proposti come strategia "safer by design" per controllare e migliorare la funzionalità degli ingredienti attivi. Una proposta rappresenta il modo più promettente per armonizzare e controllare la reattività su scala nanometrica, per ridurre la reattività biologica delle nanoparticelle di TiO2. Abbiamo applicato un rivestimento di biosurfattante (SS) utilizzando un metodo di autoassemblaggio. Analizzando le caratteristiche fisico-chimiche (FTIR-ATR, distribuzione delle dimensioni delle particelle e misure di potenziale ζ, TGA/DSC, polverosità), la morfologia (TEM e SEM) e l'attività fotocatalitica attraverso una caratterizzazione multi-tecnica del TiO2 modificato, sono state valutate le prestazioni del miglior prodotto rivestito ottimizzato per valutarne la reattività biologica sulla pelle umana in vivo ed ex vivo. Il P25@SS è stato in grado di prevenire i marcatori di stress ossidativo indotto dai raggi UV e la perossidazione lipidica (4-HNE), la perdita di proteine legate alla struttura e alla differenziazione della pelle (Involucrina, Filaggrina), lo stato infiammatorio della pelle legato all'espressione della COX2 ed anche il danno al DNA (livelli di 8-OHdG). Inoltre, la compromissione dell'omeostasi cutanea senza l'applicazione topica di P25@SS è risultata più evidente dopo l'esposizione agli UV, misurata eseguendo le colorazioni Fontana Masson ed Ematossilina Eosina. Infine, è stata effettuata una valutazione preliminare dell'SPF in vitro per una formulazione standard di protezione solare contenente il prototipo P25@SS, adattando la norma ISO 24443:2012. I risultati hanno suggerito il ruolo chiave dell'approccio SbD nel prevenire la fototossicità delle NPs di TiO2, aumentando la capacità di prevenzione dei danni infiammatori e ossidativi della pelle indotti dai raggi UV. La seconda proposta di SbD riguarda la ricerca di un'alternativa ai tensioattivi convenzionali, sfruttando la coniugazione di isolati proteici (PPI) estratti dal pisello verde attraverso la reazione di Maillard come potenziale soluzione per migliorare la solubilità e le proprietà funzionali delle proteine evitando i potenziali rischi per la salute associati ai reagenti chimici. La formazione di coniugati ha il potenziale di aumentare la solubilità delle proteine attraverso il legame covalente con polisaccaridi idrofili, migliorare le proprietà di emulsione e la stabilità al calore rispetto alla proteina originale. Per questo motivo, la gomma guar depolimerizzata (BIB819) è stata scelta per essere coniugata con le proteine del pisello verde e la lisina, in quanto ampiamente applicata nell'industria alimentare e cosmetica. È stato studiato il miglior set-up sperimentale, limitandosi alla prima fase della reazione di Maillard (composti di Amadori) per evitare la formazione di melanoidine. La durata di reazione, il rapporto tra specie reattive e la applicati per la "Maillard secca" sono stati confermati dall'esame degli spettri FTIR-ATR, del grado di glicosilazione e dell'indice di imbrunimento. Inoltre, i prodotti coniugati sono stati testati in termini di vitalità cellulare mediante saggio LDH, MTT e CyQuant. I risultati forniranno informazioni pratiche per migliorare il DG%, senza generare composti tossici. I saggi CyQuant, LDH e MTT seguono un andamento simile, non mostrando un calo considerevole della vitalità delle cellule in esame a entrambe le dosi. Le indagini future potranno comprendere le loro proprietà funzionali e la loro capacità di migliorare la stabilità fisica come emulsionanti.

The implementation of the “Safe and Sustainable by Design” concept of materials is one of the main global challenges and a concept among several EU research projects. In this work, two different user cases are investigated and proposed as a “safer by design” strategy for controlling and improving the functionality of the active ingredients. One proposal represents the most promising way to harmonize and control nanoscale reactivity, to reduce the biological reactivity of TiO2 nanoparticles. We applied a coating of biosurfactant (SS) using a self-assembly method. Investigating physicochemical features (FTIR-ATR, particle size distribution and ζ-potential measurements, TGA/DSC, dustiness), morphology (TEM and SEM), and photocatalytic activity via a multi-technique characterization of modified TiO2, the performance of the best optimized coated product was evaluated for assessing its biological reactivity on in vivo and ex vivo human skin. P25@SS was able to prevent markers of oxidative stress UV-induced and lipid peroxidation (4-HNE), loss of protein related to skin structure and differentiation (Involucrin, Filaggrin), skin inflammatory condition related to the expression of COX2 and furthermore DNA-damage (8-OHdG levels). Of note, also the impairment of skin homeostasis without P25@SS topical application was more evident after the exposure of UV, measured by performing Fontana Masson and Hematoxylin Eosin staining. Finally, a preliminary evaluation on SPF in vitro for a standard sunscreen formulation containing the P25@SS prototype was performed adapting the ISO 24443:2012. Results suggested the key role of the SbD approach to prevent phototoxicity of TiO2 NPs, by enhancing the prevention ability against inflammatory and oxidative skin damage induced by UV rays. The second proposal of SbD regards the research of an alternatives to conventional surfactants, by exploiting the conjugation of protein isolates (PPI) extracted from green pea through Maillard reaction as a potential solution to improve the solubility and functional properties of protein avoiding the potential health risks associated with chemical reagents. Conjugate formation has the potential to increase the proteins solubility by covalently linking with hydrophilic polysaccharides, improve emulsification properties, and heat stability compared to original protein. For this reason, depolymerized Guar Gum (BIB819) has been selected to be conjugated with green pea proteins and lysine, since it has been extensively applied into food and cosmetic industry. The best experimental set-up was investigated, limiting to the first step of Maillard reaction (Amadori compounds) to avoid the formation of Melanoidins. Time, ratio, and heating of a “dry-Maillard” were confirmed by examination of FTIR-ATR spectra, glycosylation degree and browning index. Furthermore, the conjugated products were tested in terms of cell viability perming LDH, MTT and CyQuant assay. The results would provide practical information to make improvements in DG%, without generating toxic compounds. CyQuant, LDH and MTT assays follow a similar pattern not showing a considerable drop in test cell viability at both doses. Future investigations will be able to understand their functional properties and their ability to enhance physical stabilities as emulsifiers.