Design, synthesis and characterization of linear unnatural amino acids for skin moisturization

ObjectivesThis work aimed to design, synthesize and characterize replacement natural moisturizing factor (NMF) composed of modified hygroscopic linear amino acids to pre-empt or repair skin barrier dysfunction. MethodsFollowing synthesis and characterization, thermo-gravimetric analysis and quantum mechanics molecular modelling quantified and depicted water binding to the new compounds. Deliquescence relative humidity demonstrated the water-scavenging ability of the compounds, whereas snake skin moisturizing studies showed they increased water uptake into snake skin. ResultsFrom thermal analysis, N-hydroxyglycine showed greatest water-holding capacity followed by N-hydroxyserine, l-homoserine and -hydroxyglycine; coupled with quantum mechanics molecular modelling, between 8 and 12 molecules of water could associate with each molecule of either N-hydroxyglycine, N-hydroxyserine or l-homoserine. All of our modified amino acids were efficacious and induced similar or greater water uptake compared with the established moisturizing compounds hyaluronic acid, glycerine and urea in snake skin. Incorporated at 10% in Oilatum, N-hydroxyserine induced >200% greater moisture uptake into dry snake skin compared to treatment with water alone, with efficacy related to the molecule structure and ability to bind to 12 water molecules. Oilatum cream spiked with all our unnatural amino acid hydrotropes increased water uptake into snake skin compared with Oilatum alone. The compound series was designed to elucidate some structure - efficacy relationships. Amino acid chirality did not affect the water-holding capacity but did affect uptake into skin. Compounds with high melting points and bond energies tended to decrease water-holding capacity. With isosteric replacement, the more electronegative atoms gave greater water-holding capacities. ConclusionsThis work demonstrates the potential of unnatural amino acid hydrotropes as skin moisturizers and has developed some predictive rules' for further design and refinement of chemical structures. Resume ObjectifsCe travail vise a concevoir, synthetiser et 0 caracteriser le remplacement du Natural Moisturising Factor (NMF) compose d'acides amines lineaires hygroscopiques modifies pour anticiper ou reparer un dysfonctionnement de la barriere cutanee. MethodeApres la synthese et la caracterisation, l'analyse thermo-gravimetrique et la modelisation par la mecanique quantique moleculaire permettent de quantifier et representer les nouveaux composes lies a l'eau. A humidite relative on demontre la capacite des composes piegeant l'eau, tandis que les etudes d'hydratation de la peau de serpent ont montre qu'ils ont augmente l'absorption de l'eau dans la peau de serpent. ResultatsDe l'analyse thermique, la N-hydroxyglycine a montre la plus grande capacite de retention d'eau suivie de N-hydroxyserine, l-homoserine et -hydroxyglycine; couplee avec la modelisation mecanique quantique moleculaire, entre 8 et 12 molecules d'eau pourrait s'associer a chaque molecule de l'une des N-hydroxyglycine, N-hydroxyserine ou lL-homoserine. Tous les acides amines modifies sont efficaces et conduisent a une absorbance d'eau similaire ou superieure par rapport aux composes hydratants etablis tels que l'acide hyaluronique, la glycerine et l'uree dans la peau de serpent. Incorporee a 10% dans Oilatum, la N-hydroxyserine induit une plus grande absorption de l'humidite dans la peau de serpent seche de 200% par rapport au traitement avec de l'eau seule, avec une efficacite liee a la structure des molecules et la capacite de se lier a 12 molecules d'eau. Une creme Oilatum renforcee avec tous nos hydrotropes d'acides amines non naturels augmente l'absorption d'eau dans la peau de serpent par rapport a Oilatum seul. La serie des composes a ete concue pour elucider certaines relations structure - efficacite. La chiralite des acides amines n'a pas affecte la capacite de retention d'eau, mais a affecte l'absorption dans la peau. Les composes ayant des points de fusion et des energies de liaison ont tendance a diminuer la capacite de retention d'eau. Avec le remplacement isosterique, les atomes plus electronegatifs ont donne une plus grande capacite de retention d'eau. ConclusionsCe travail demontre le potentiel des acides amines non naturels hydrotropes comme hydratants pour la peau et a developpe des << regles >> de prediction pour poursuivre la conception et l'amelioration des structures chimiques.