Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/48622

TitleUnravelling and modulating human hair morphology features
Author(s)Cruz, Célia Freitas da
Advisor(s)Cavaco-Paulo, Artur
Issue date19-Jul-2017
Abstract(s)Hair is a defining characteristic of an individual with an irrefutable significance in the society. Cosmetic development is possible due to a continuous scientific understanding of hair properties and characteristics as well as of the underlying modulation mechanisms on existing and novel hair product, together with their effects on hair fibre and consumer’s health. This Ph.D. thesis aimed to uncover information of the morphology of different types of hair, supporting the development of new strategies for hair properties modulation using cysteinecontaining peptides. Hair’s three major components are proteins, lipids and water. We characterised the content and distribution of the lipids among different ethnic hair types (African, Asian and Caucasian hair) with a complete set of analytical tools. African hair was found to have a higher internal lipids content. From those results, a higher concentration of internal lipids, such as in African hair, has been proposed to influence and interfere with the structure of the hair keratin and their typical packing arrangement. Also, hair’s capacity to absorb water is well-known, yet the behaviour of different types of hair was still underexplored. Hence, Caucasian and Asian hair were also evaluated regarding their change in hair tress volume in variable relative humidity conditions. Caucasian hair showed a higher volume change in high relative humidity conditions which goes accordingly to its inherent endocuticle properties. For the development of new modulating strategies of the hair properties, we looked to proteins and their derivatives that have been long used in the composition of hair care products. Keratin is a family of proteins with high substantivity to the hair and consequently with a high potential for hair cosmetics. Hence, a set of 1235 cysteine-containing peptides (10- and 11-mer) were selected from the known human proteome of keratins and keratin associated proteins. These peptides were screened using protein microarray technology regarding their affinity to the hair, specifically hair keratin, as future potential hair cosmetic candidates. To further enlighten the interaction mechanisms of these peptides with the hair keratin, we analysed their physicochemical properties, including the content of cysteine, of amino acid side chains (hydrophobic, polar, basic, acidic, aromatic rings, amide, alcohol side chains), isoelectric point, and net charge. Content of cysteine, hydrophobic and polar amino acids, including amino acids containing alcohol in their side chains, was found to have significant diferences regarding the different degrees of binding of the peptides with the hair keratin. These results evidence the importance of the formation of hydrophobic interactions and disulphide bonds as the driving forces for the interaction. As for novel hair products, chemical hair straightening is one of the most damaging techniques to the hair fibre, consumer’s and stylist’s health, being, therefore, one of the hair cosmetics areas that needs further improvements. To develop novel advanced functional straightening hair products, seven of the peptides with higher affinity to hair keratin were selected from the microarray of peptides, together with a peptide previously identified by the research group. These peptides were further characterised regarding their potential to straighten curly hair fibres. This work showed that all peptides penetrated and bonded to the hair fibre and provided a high straightening efficiency of curly hair. Some of the peptides (PepE, PepG, and KP) were further tested while being incorporated in a hair formulation and under a high temperature treatment, showing a further improvement on the straightening efficiency. The potential of the selected peptides to repair and improve the elasticity and strength of chemically damaged hair, through over-bleaching, was also analysed. All peptides showed a good ability to recover hair fibre properties from chemical damage. One of the peptides, KP, was also analysed regarding its ability to control hair volume change in response to environmental humidity conditions, while incorporated in two hair volume control formulations. The peptide drastically improved the formulations ability to avoid hair volume changes under high relative humidity conditions. This thesis provides valuable scientific data about the morphology of the different types of hair based on hair’s major components. Moreover, we also proposed which characteristics of cysteine-containing peptides lead to a higher affinity to human hair keratin. The application of these peptides to control different hair features, such as curliness, volume and strength, demonstrated the high potential of the peptides for the development of innovative and environment friendly hair cosmetic treatments.
O cabelo é uma característica pessoal importante e com uma relevância irrefutável na sociedade. Os desenvolvimentos da cosmética têm sido possíveis devido ao contínuo estudo científico das propriedades e das características do cabelo, bem como uma melhor compreensão dos mecanismos de modulação dos produtos de cabelo e dos seus efeitos na fibra do cabelo, sem esquecer a saúde do consumidor. Assim, esta tese de doutoramento pretendia estudar a morfologia de diferentes tipos de cabelos, servindo de suporte para o desenvolvimento de novas estratégias para a modulação das propriedades do cabelo usando péptidos contendo cisteína. Os três principais componentes do cabelo são as proteínas, os lípidos e a água. Através da caracterização do conteúdo e da distribuição dos lípidos nos cabelos de diferentes tipos de etnias (cabelo africano, asiático e caucasiano), o cabelo africano apresentou o maior teor de lípidos internos. Neste estudo foi também proposto que uma maior concentração de lípidos internos, tal como a existente no cabelo africano, pode influenciar e interferir com a estrutura da queratina do cabelo. A capacidade de absorção de água no cabelo está já bem caracterizada, mas o comportamento dos diferentes tipos de cabelo em diferentes ambientes de humidade ainda se encontrava por explorar. Assim, os cabelos caucasiano e asiático também foram avaliados quanto à sua alteração no volume do cabelo em condições variáveis de humidade relativa. O cabelo caucasiano foi o que apresentou uma maior variação de volume em condições de humidade elevada, o que se encontra de acordo com as propriedades inerentes da endocutícula. Para o desenvolvimento de novas estratégias de modulação das propriedades do cabelo, consideramos as proteínas e derivados, que têm sido utilizadas na composição de produtos cosméticos desde civilizações antigas. A queratina é uma família de proteínas com elevada afinidade ao cabelo e, consequentemente, com elevado potencial para cosméticos. Nesse sentido, 1235 péptidos contendo cisteínas (10 a 11 aminoácidos, no total), codificados pelo proteoma humano de queratinas e proteínas associadas à queratina, foram avaliados utilizando um microarray de péptidos para analisar a sua afinidade ao cabelo, e mais especificamente, à queratina do cabelo humano. Os mecanismos de interação destes péptidos com a queratina foram examinados através do estudo das suas propriedades físico-químicas, incluindo o conteúdo em cisteínas, das cadeias laterais de aminoácidos (anéis hidrofóbicos, polares, básicas, ácidas, aromáticas, contendo amidas, e álcool), ponto isoelétrico e carga. Verificou-se que o teor em cisteína, aminoácidos hidrofóbicos e polares, incluindo aminoácidos contendo álcool, apresentaram diferenças significativas em relação aos diferentes graus de ligação dos péptidos à queratina do cabelo. Estes resultados apontam a importância das interações hidrofóbicas e pontes dissulfídicas como as principais forças responsáveis pela interação destes péptidos com a queratina de cabelo. Voltando-nos para produtos inovadores de cabelo, o alisamento químico é uma das técnicas mais danosas para a fibra do cabelo, bem como para a saúde do consumidor, sendo uma das áreas que mais necessita de inovação. Com base na análise do microarray de péptidos, sete péptidos com maior afinidade à queratina do cabelo foram selecionados e analisados, em conjunto com um péptido que foi previamente identificado no grupo de investigação. Este estudo demonstrou que todos os péptidos foram capazes de penetrar e ligar-se à fibra capilar. Estes péptidos demonstraram uma elevada eficiência de alisamento do cabelo encaracolado. Alguns dos péptidos (PepE, PepG e KP) foram adicionalmente testados a uma temperatura mais elevada, quando incorporados numa formulação cosmética de cabelo. Estas alterações demonstraram uma melhoria adicional da eficiência de alisamento. O potencial dos péptidos selecionados para reparar e melhorar a elasticidade e resistência de cabelos quimicamente danificados (excesso de branqueamento) também foi analisado. Todos os péptidos demonstraram capacidade de promover a recuperação dos danos do tratamento químico tanto na elasticidade como na resistência do cabelo ao stress. Um dos péptidos, KP, foi também analisado quanto à sua capacidade para controlar a alteração do volume do cabelo em condições variáveis de humidade relativa, quando incorporado em duas formulações de controlo de volume de cabelo. O péptido melhorou drasticamente a capacidade das formulações para evitar as alterações de volume do cabelo em condições de elevada humidade relativa. Esta tese fornece importante informação científica acerca da morfologia dos diferentes tipos de cabelo em relação a dois dos seus principais componentes. Além disso, também são propostas as características de péptidos contendo cisteína baseados em proteínas naturais ao cabelo para uma melhor afinidade ao cabelo humano, bem como a aplicação eficiente de péptidos em diferentes procedimentos cosméticos, destacando o seu potencial promissor para tratamentos cosméticos inovadores.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica
URIhttp://hdl.handle.net/1822/48622
AccessEmbargoed access (3 Years)
Appears in Collections:CEB - Teses de Doutoramento / PhD Theses
BUM - Teses de Doutoramento

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