A review of current research in the field of chemistry and pharmacology of algae

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Microalgae represent a large group of prokaryotic and eukaryotic, mainly photoautotrophic, single-cell or colony-forming microorganisms. These microorganisms are recognized as renewable, sustainable and economically profitable sources of biofuels and biologically active compounds for the production of drugs and food additives. Microalgae compounds, such as carbohydrates, peptides, lipids and carotenoids, attract particular attention in pharmaceutical biotechnology and medicine due to their antitumor, anti-inflammatory, antibacterial, antiviral and antioxidant properties. In addition, microalgae are suitable organisms for the production of recombinant proteins/ peptides, such as monoclonal antibodies and vaccines. In this work, we aim to review publications by domestic and foreign researchers on the pharmacological effects of biologically active microalgal compounds. The literature search was performed using the ResearchGate, PubMed, Web of Science, ScienceDirect, Scopus, Google Scholar and eLibrary databases covering the period from 2000 to 2022. The article provides information on a wide range of pharmacological effects of biologically active compounds of microalgae, which are shown to exhibit antibacterial, antiviral, antitumor, antioxidant, regenerating, hypotensive, immune-stimulating and anti-inflammatory activity. The mechanisms of the main pharmacological effects are described. The main pharmacological effect was established to be the antimicrobial action. The data presented in this review can be useful when determining promising directions for the development of drugs based on algae extracts.

About the authors

A. V. Mitishev

Penza State University

Email: span2361@rambler.ru

O. A. Vodopyanova

Penza State University

Email: ol.vodopjanova@yandex.ru

E. E. Kurdyukov

Penza State University

Email: e.e.kurdyukov@mail.ru

E. F. Semenova

Medical Academy named after S.I. Georgievsky of Vernadsky Crimean Federal University

Email: sef1957@mail.ru

A. S. Fednina

Penza State University

Email: fedninaa@mail.ru

References

  1. Napolitano G., Fasciolo G., Salbitani G., Venditti P. Chlorella sorokiniana dietary supplementation increases antioxidant capacities and reduces ROS release in mitochondria of hyperthyroid rat liver // Antioxidants. 2020. Vol. 9. P. 883. https://doi.org/10.3390/antiox9090883.
  2. Wu J., Gu X., Yang D., Xu Sh., Wang Sh., Chen X., et al. Bioactive substances and potentiality of marine microalgae // Food Science & Nutrition. 2021. Vol. 9, no. 9. P. 5279–5292. https://doi.org/10.1002/fsn3.2471.
  3. Papavasileiou P., Koutras S., Tarsanis T., Koutra E., Kornaros M. Chemical pretreatment and biotechnological exploitation of rice hull with microalgae towards the production of natural phenolic compounds // Journal of Biomedical Research & Environmental Sciences. 2021. Vol. 6.
  4. Zanella L., Alam M.A. Extracts and bioactives from microalgae (Sensu Stricto): opportunities and challenges for a new generation of cosmetics. In: Microalgae biotechnology for food, health and high value products. Springer: Singapore, 2020. P. 295–349. https://doi.org/10.1007/978-981-15-0169-2_9.
  5. Pereira L., Critchley A.T. The COVID 19 novel coronavirus pandemic 2020: Seaweeds to the rescue? Why does substantial, supporting research about the antiviral properties of seaweed polysaccharides seem to go unrecognized by the pharmaceutical community in these desperate times? // Journal of Applied Phycology. 2020. Vol. 32, no. 3. P. 1875–1877. https://doi.org/10.1007/s10811-020-02143-y.
  6. Li Y., Aiello G., Fassi E.M.A., Boschin G., Bartolomei M., Bollati C., et al. Investigation of Chlorella pyrenoidosa protein as a source of novel angiotensin I-converting enzyme (ACE) and dipeptidyl peptidase-IV (DPP-IV) inhibitory peptides // Nutrients. 2021. Vol. 13, no. 5. P. 1624. https://doi.org/10.3390/nu13051624.
  7. Ameri E., Shariati F.P., Amrei H.D. The effect of different light conditions on antimicrobial activity of the Microalgae Chlorella sp. ethanolic extract against Streptococcus mutans // Journal of Biomedical Research & Environmental Sciences. 2021. Vol. 2, no. 6. P. 532–537. https://doi.org/10.37871/Jbres1272.
  8. Khavari F., Saidijam M., Taheri M., Nouri F. Microalgae: therapeutic potentials and applications // Molecular Biology Reports. 2021. Vol. 48, no. 5. P. 4757–4765. https://doi.org/10.1007/s11033-021-06422-w.
  9. Shannon E., Abu-Ghannam N. Antibacterial derivatives of marine algae: an overview of pharmacological mechanisms and applications // Marine Drugs. 2016. Vol. 14, no. 4. P. 81. https://doi.org/10.3390/md14040081.
  10. Sato H., Feix J.B. Lysine-enriched cecropin-mellitin antimicrobial peptides with enhanced selectivity // Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 2008. Vol. 52, no. 12. P. 4463–4465. https://doi.org/10.1128/AAC.00810-08.
  11. Seghiri R., Kharbach M., Essamri A. Functional composition, nutritional properties, and biological activities of moroccan Spirulina microalga // Journal of Food Quality. 2019. Vol. 2019. P. 1–11. https://doi.org/10.1155/2019/3707219.
  12. Парахонский А.П. Регуляция адгезии как способ профилактики инфекционного процесса // Международный журнал прикладных фундаментальных исследований. 2009. N 5. С. 126–130.
  13. Смолина Т.П., Черных С.В., Горшкова Р.П., Назаренко Е.Л. Снижение адгезии микроорганизмов на клетках уроэпителия с помощью полисахарида, выделенного из морских протеобактерий Pseudoalteromonas nigrifaciens // Журнал микробиологии эпидемиологии и иммунобиологии. 2006. N 3. С. 58–61.
  14. Ермак И.М., Барабанова А.О., Кукарских Т.А. Природный полисахарид каррагинан как ингибитор токсического действия эндотоксинов грамотрицательных бактерий // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2006. Т. 141. N 2. С. 191–193.
  15. Raposo M.F., de Morais R.M., Bernardo de Morais A.M. Bioactivity and applications of sulphated polysaccharides from marine microalgae // Marine Drugs. 2013. Vol. 11, no. 1. P. 233–252.
  16. Vijayabaskar P., Vaseela N., Thirumaran G. Potential antibacterial and antioxidant properties of a sulfated polysaccharide from the brown marine algae Sargassum swartzii // Chinese Journal of Natural Medicines. 2012. Vol. 10, no. 6. P. 421–428. https://doi.org/10.1016/S1875-5364(12)60082-X.
  17. Rodrigues D., Alves C., Horta A., Pinteus S., Silva J., Culioli G., et al. Antitumor and antimicrobial potential of bromoditerpenes isolated from the red alga, Sphaerococcus coronopifolius // Marine Drugs. 2015. Vol. 13, no. 2. P. 713–726. https://doi.org/10.3390/md13020713.
  18. Plaza A., Keffer J.L., Bifulco G., Lloyd J.R., Bewley C.A. Chrysophaentins A-H, antibacterial bisdiarylbutene macrocycles that inhibit the bacterial cell division protein FtsZ // Journal of the American Chemical Society. 2010. Vol. 132, no. 26. P. 9069–9077. https://doi.org/10.1021/ja102100h.
  19. Золотарева О.К., Порванов В.В., Дубина Д.В. Полифенольные соединения макрофитов и их экологическое значение // Украинский ботанический журнал. 2017. Т. 74. N 4. С. 373–384. https://doi.org/10.15407/ukrbotj74.04.373.
  20. Gorniak I., Bartoszewski R., Kroliczewski J. Comprehensive review of antimicrobial activities of plant flavonoids // Phytochemistry Reviews. 2019. Vol. 18. P. 241–272. https://doi.org/10.1007/s11101-0189591-z.
  21. Al-Saif S.S., Abdel-Raouf N., El-Wazanani H.A., Aref I.A. Antibacterial substances from marine algae isolated from Jeddah coast of Red sea Saudi Arabia // Saudi Journal of Biological Sciences. 2014. Vol. 21, no. 1. P. 57–64. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2013.06.001.
  22. Mayer A.M.S., Guerrero A.J., Rodríguez A.D., Taglialatela-Scafati O., Nakamura F., Fusetani N. Marine pharmacology in 2014–2015: Marine compounds with antibacterial, antidiabetic, antifungal, antiinflammatory, antiprotozoal, antituberculosis, antiviral, and anthelmintic activities; affecting the immune and nervous systems, and other miscellaneous mechanisms of action // Marine Drugs. 2020. Vol. 18, no. 1. P. 5. https://doi.org/10.3390/md18010005.
  23. Raihan T., Rabbee M.F., Roy P., Choudhury S., Baek K.-H., Azad A.K. Microbial metabolites: the emerging hotspot of antiviral compounds as potential candidates to avert viral pandemic alike COVID-19 // Frontiers in Molecular Biosciences. 2021. Vol. 8. P. 256. https://doi.org/10.3389/fmolb.2021.732256.
  24. Шнюкова Е.И., Золотарева Е.К. Экологическая роль экзополисахаридов Bacillariophyta. Обзор // Альгология. 2017. Т. 27. N 1. С. 22–44.
  25. Hans N., Malik A., Naik S. Antiviral activity of sulfated polysaccharides from marine algae and its application in combating COVID-19: mini review // Bioresource Technology Reports. 2021. Vol. 13. P. 100623. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2020.100623.
  26. Chen X., Han W., Wang G., Zhao X. Application prospect of polysaccharides in the development of anti-novel coronavirus drugs and vaccines // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 164. P. 331–343. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.07.106.
  27. Запорожец Т.С., Ермакова С.П., Звягинцева Т.Н., Беседнова Н.Н. Противоопухолевое действие сульфатированных полисахаридов из морских бурых водорослей // Фукоиданы – сульфатированные полисахариды бурых водорослей. Структура, ферментативная трансформация и биологические свойства. Владивосток: Дальнаука, 2014. С. 294–310.
  28. Yim J.H., Kim S.J., Ahn S.H., Lee Ch.K., Rhie K.T., Lee H.K. Antiviral effects of sulfated exopolysaccharide from the marine microalga Gyrodinium impudicum strain KG03 // Marine Biotechnology. 2004. Vol. 6, no. 1. P. 17–25. https://doi.org/10.1007/s10126-003-0002-z.
  29. Millet J.K., Séron K., Labitt R.N., Danneels A., Palmer K.E., Whittaker G.R., et al. Middle East respiratory syndrome coronavirus infection is inhibited by griffithsin // Antiviral Research. 2016. Vol. 133. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.antiviral.2016.07.011.
  30. Yang X., Yu Y., Xu J., Shu H., Xia J., Liu H., et al. Clinical course and outcomes of critically ill patients with SARS-CoV-2 pneumonia in Wuhan, China: a single-centered, retrospective, observational study // The Lancet Respiratory Medicine. 2020. Vol. 8, no. 5. P. 475–481. https://doi.org/10.1016/S2213-2600(20)30079-5.
  31. Lee C. Griffithsin, a highly potent broad-spectrum antiviral lectin from red algae: from discovery to clinical application // Marine Drugs. 2019. Vol. 17, no. 10. P. 567. https://doi.org/10.3390/md17100567.
  32. Montero-Lobato Z., Vázquez M., Navarro F., Fuentes J.L., Bermejo E., Garbayo I. Chemically-induced production of anti-inflammatory molecules in microalgae // Marine Drugs. 2018. Vol. 16, no. 12. P. 478. https://doi.org/10.3390/md16120478.
  33. Nascimento T.C., Cazarin C.B.B., Maróstica M.R., Mercadante A.Z., Jacob-Lopes E., Zepka L.Q. Microalgae carotenoids intake: influence on cholesterol levels, lipid peroxidation and antioxidant enzymes // Food Research International. 2020. Vol. 128. P. 108770. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2019.108770.
  34. Bilal M., Iqbal H.M.N. Biologically active macromolecules: extraction strategies, therapeutic potential and biomedical perspective // International Journal of Biological Macromolecules. 2020. Vol. 151. P. 1–18. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.02.037.
  35. Talukdar J., Bhadra B., Dattaroy T., Nagle V., Dasgupta S. Potential of natural astaxanthin in alleviating the risk of cytokine storm in COVID-19 // Biomedicine & Pharmacotherapy. 2020. Vol. 132. P. 110886. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2020.110886.
  36. Sharma J., Sarmah P., Bishnoi N.R. Market perspective of EPA and DHA production from microalgae. In: Nutraceutical fatty acids from oleaginous microalgae. John Wiley & Sons, 2020. P. 281–297. https://doi.org/10.1002/9781119631729.ch11.
  37. Conde T.A., Neves B.F., Couto D., Melo T., Neves B., Costa M., et al. Microalgae as sustainable bio-factories of healthy lipids: evaluating fatty acid content and antioxidant activity // Marine Drugs. 2021. Vol. 19, no. 7. P. 357. https://doi.org/10.3390/md19070357.
  38. Rey F., Lopes D., Maciel E., Monteiro J., Skjermo J., Funderud J., et al. Polar lipid profile of Saccharina latissima, a functional food from the sea // Algal Research. 2019. Vol. 39. P. 101473. https://doi.org/10.1016/j.algal.2019.101473.
  39. Lauritano C., Andersen J.H., Hansen E., Albrigtsen M., Escalera L., Esposito F., et al. Bioactivity screening of microalgae for antioxidant, anti-inflammatory, anticancer, anti-diabetes, and antibacterial activities // Frontiers in Marine Science. 2016. Vol. 3. P. 1–18. https://doi.org/10.3389/fmars.2016.00068.
  40. Gutiérrez-Pliego L.E., Martinez-Carrillo B.E., Resendiz-Albor A.A., Arciniega-Martínez I.M., Escoto-Herrera J.A., Rosales-Gómez C.A., et al. Effect of supplementation with n-3 fatty acids extracted from microalgae on inflammation biomarkers from two different strains of mice // Journal of Lipids. 2018. Vol. 2018. P. 4765358. https://doi.org/10.1155/2018/4765358.
  41. Couto D., Melo T., Conde T.A., Costa M., Silva J., Rosário M.M.D., et al. Chemoplasticity of the polar lipid profile of the microalgae Chlorella vulgaris grown under heterotrophic and autotrophic conditions // Algal Research. 2021. Vol. 53. P. 102128. https://doi.org/10.1016/j.algal.2020.102128.
  42. Takahashi N., Kake T., Hasegawa S., Imai M. Effects of post-administration of β-carotene on diet-induced atopic dermatitis in hairless mice // Journal of Oleo Science. 2019. Vol. 68, no. 8. P. 793–802. https://doi.org/10.5650/jos.ess19092.
  43. Shih M.F., Cherng J.Y. Protective effects of chlorella-derived peptide against UVC-induced cytotoxicity through inhibition of Caspase-3 activity and reduction of the expression of phosphorylated FADD and cleaved PARP-1 in 42 skin fibroblasts // Molecules. 2012. Vol. 17, no. 8. P. 9116–9128. https://doi.org/10.3390/molecules17089116.
  44. Беседнова Н.Н., Запорожец Т.С., Макаренкова И.Д., Кузнецова Т.А., Крыжановский С.П., Звягинцева Т.Н.. Противовоспалительные эффекты сульфатированных полисахаридов из морских бурых водорослей // Успехи современной биологии. 2012. Т. 132. N 3. С. 312–320.
  45. Hussein H.A., Abdullah M.A. Anticancer compounds derived from marine diatoms // Marine Drugs. 2020. Vol. 18, no. 7. P. 356. https://doi.org/10.3390/md18070356.
  46. Имбс Т.И., Красовская Н.П., Ермакова С.П., Макарьева Т.Н., Шевченко Н.М., Звягинцева Т.Н. Сравнительное исследование химического состава и противоопухолевой активности водно-этанольных экстрактов бурых водорослей Laminaria сichorioides, Costaria costata и Fucus evanescens // Биология моря. 2009. Т. 35. N 2. С. 140–146.
  47. Jiang L., Wang Y., Liu G., Liu H., Zhu F., Ji H., et al. C-Phycocyanin exerts anti-cancer effects via the MAPK signaling pathway in MDA-MB-231 cells // Cancer Cell International. 2018. Vol. 18. P. 12. https://doi.org/10.1186/s12935-018-0511-5.
  48. Jinendiran S., Dahms H.-U., Kumar B.S.D., Ponnusamy V.K., Sivakumar N. Diapolycopenedioic-acid-diglucosyl ester and keto-myxocoxanthin glucoside ester: Novel carotenoids derived from Exiguobacterium acetylicum S01 and evaluation of their anticancer and anti-inflammatory activities // Bioorganic Chemistry. 2020. Vol. 103. P. 104149. https://doi.org/10.1016/j. bioorg.2020.104149.
  49. Storniolo C.E., Sacanella I., Lamuela-Raventos R.M., Moreno J.J. Bioactive compounds of Mediterranean cooked tomato sauce (sofrito) modulate intestinal epithelial cancer cell growth through oxidative stress/arachidonic acid cascade regulation // ACS Omega. 2020. Vol. 5, no. 28. P. 17071–17077. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b04329.
  50. Lee N.Y., Kim Y., Kim Y.S., Shin J.-H., Rubin L.P., Kim Yu. β-Carotene exerts anti-colon cancer effects by regulating M2 macrophages and activated fibroblasts // Journal of Nutritional Biochemistry. 2020. Vol. 82. P. 108402. https://doi.org/10.1016/j.jnutbio.2020.108402.
  51. Kim D., Lim J.W., Kim H. β-Carotene inhibits expression of c-Myc and cyclin E in Helicobacter pylori-infected gastric epithelial cells // Journal of Cancer Prevention. 2019. Vol. 24, no. 3. P. 192–196. https://doi.org/10.15430/JCP.2019.24.3.192.
  52. Chen H.-Y., Yang Ch.-M., Chen J.-Y., Yueh T.-Ch., Miao-Lin H. Multicarotenoids at physiological levels inhibit metastasis in human hepatocarcinoma SK-Hep-1 cells // Nutrition and Cancer. 2015. Vol. 67, no. 4. P. 676–686. https://doi.org/10.1080/01635581.2015.1019633.
  53. Baraya Y.S., Yankuzo H.M., Wong K.K., Yaacob N.S. Strobilanthes crispus bioactive subfraction inhibits tumor progression and improves hematological and morphological parameters in mouse mammary carcinoma model // Journal of Ethnopharmacology. 2021. Vol. 267. P. 113522. https://doi.org/10.1016/j.jep.2020.113522.
  54. Luan R.L., Wang P.C., Yan M.X., Chen J. Effect of lutein and doxorubicin combinatorial therapy on S180 cell proliferation and tumor growth // European Review for Medical and Pharmacological Sciences. 2018. Vol. 22, no. 5. P. 1514–1520. https://doi.org/10.26355/eurrev_201803_14501.
  55. Ferdous U.T., Yusof Z.N.B. Medicinal prospects of antioxidants from algal sources in cancer therapy // Frontiers in Pharmacology. 2021. Vol. 12. P. 116. https://doi.org/10.3389/fphar.2021.593116.
  56. Shao Y., Ni Y., Yang J., Lin X., Li J., Zhang L. Astaxanthin inhibits proliferation and induces apoptosis and cell cycle arrest of mice H22 hepatoma cells // Medical Science Monitor. 2016. Vol. 22. P. 2152–2160. https://doi.org/10.12659/MSM.899419.
  57. Kim J.H., Park J.-J., Lee B.J., Joo M.K., Chun H.J., Lee S.W., et al. Astaxanthin inhibits proliferation of human gastric cancer cell lines by interrupting cell cycle progression // Gut and Liver. 2016. Vol. 10, no. 3. P. 369–374. https://doi.org/10.5009/GNL15208.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».