Kultura rostlinných buněk jako vznikající technologie pro výrobu aktivních kosmetických ingrediencí

Kontakt: Audrey Hu Whatsapp/hp: 0086 13880143964 E-mail:audrey.hu@wecistanche.com

Vasil Georgiev1,2Anton Slavov2Ivelina Vasileva2Atanas Pavlov1,3

Rostlinybyly vždy hlavním zdrojem aktivních kosmetických ingrediencí s prokázanými zdraví prospěšnými účinky na člověka, jako jsou anti-aging, antioxidační, protizánětlivé, UV-ochranné, protirakovinné, protivráskové, pleť zklidňující, bělící, hydratační, atd. Výtažky z bylin, aromatické a/nebo léčivérostlinyjsou široce používány jako účinné aktivní složky vkosmeceutikanebo nutrikosmetika, zejména v produktech pro topickou aplikaci a formulacích pro péči o pokožku. V posledním desetiletí však vzrůstá zájem o kosmetické přísady odvozené z rostlinných buněk. Jedná se o "novou generaci" vysoce kvalitních přírodních produktů, vyráběných moderními plánovými biotechnologickými metodami, které obvykle vykazovaly silnější účinky než rostlinné extrakty získané klasickými metodami. V tomto přehledu byly shrnuty a podrobně diskutovány výhody a současný pokrok v technologii kultivace rostlinných buněk pro výrobu aktivních kosmetických přísad v rámci prezentované případové studie vývoje produktu z kmenových buněk měsíčku lékařského.

klíčová slova:Calendula officinalis L. /Kosmeceutika/ Nutrikosmetika / Rostlinné buňky / Rostlinné kmenové buňky /Polysacharidy/ Tkáně a orgánové kultury

cistanche——přírodní výživné rostliny

1. Úvod

Rostlinyjsou nejstarším zdrojem přírodních sloučenin s léčivými a kosmetickými vlastnostmi, které lidstvo prozkoumalo. Dokonce i dnes se 70 až 80 procent lidí na celém světě spoléhá na tradiční bylinnou medicínu k pokrytí svých základních zdravotních potřeb [1]. Ve skutečnosti je 11 procent existujících základních léků používaných v moderní humánní medicíně stále rostlinného původu [2]. Procento přírodních produktů rostlinného původu aplikovaných jako aktivní složky kosmetiky je mnohem vyšší. V souladu s neustálým nárůstem světové populace se očekává, že celosvětová poptávka po přírodních rostlinných přísadách bude nadále exponenciálně růst [1]. V důsledku toho jsme již svědky hromadného nadměrného využívání přírodních stanovišť některých bylinných a aromatických rostlin, které je ohrožuje nebo dokonce vede k jejich vyhynutí [3]. Tato negativní tendence je zvláště nebezpečná pro léčivarostliny, což jsou ve většině případů vzácné a endemické druhy. Tyto druhy často rostly v extrémním klimatu, jedinečném složení půdy nebo specifické zeměpisné šířce. Jejich populace se obvykle vyznačovaly nízkou úrovní genetické diverzity, což činí tyto druhy extrémně zranitelnými vůči genetické erozi a snižuje jejich šanci na přežití v případě znečištění životního prostředí [4]. Kromě toho jsou účinné látky rostlinného původu obvykle velmi složitou směsí bioaktivních molekul, které nelze snadno nahradit chemicky syntetizovanými analogy. K vyřešení výše uvedených problémů poskytla rostlinná biotechnologie nástroj, který může zajistit ekologičtější a udržitelnější dodávky cenných fytochemikálií se zdraví prospěšnými vlastnostmi, které pokrývají rostoucí požadavky kosmetického průmyslu. V posledním desetiletí byly výhody technologií rostlinných buněk a tkáňových kultur široce prozkoumány při vývoji vysoce účinných platforem pro rychlejší produkci farmaceuticky důležitých molekul rostlinného původu nebo forheterologní expresi terapeutických proteinů [5]. V dnešní době existuje mnoho kosmetických produktů, včetně oboukosmeceutikaa nutrikosmetika, která má aktivní složky, odvozené z technologie rostlinných kultur. Cílem tohoto článku je zhodnotit nedávný pokrok v technologii rostlinných buněk pro kosmetické aplikace a poskytnout krátký přehled komerčně dostupných aktivních kosmetických přísad pocházejících z rostlinných buněk na trhu. Informace v tomto přehledu byly získány pomocí průzkumného elektronického průzkumu kosmetických složek získaných z rostlinných tkáňových kultur a jejich technických specifikačních listů, provedeného vyhledáváním na technických webových stránkách hlavních dodavatelů, jako je vyhledávač Prospector-R, SpecialChem, Cosmetic Design Europe, akademické vyhledávače Scopus, ScienceDirect, Google Scholar a PubMed a populární vyhledávač Google. V prezentované případové studii vývoje produktu InnovaStemCell Calendula jsou navíc podrobně diskutovány hlavní kroky ve vývoji a charakterizaci aktivních složek pocházejících z rostlinné buněčné kultury.

celé kořeny cistanche

2 Rostlinné extrakty jako aktivní složky kosmetiky

Rostlinyjsou bohatým zdrojem bezpočtu metabolitů s potenciálním uplatněním v kosmetických přípravcích. Od nepaměti používá lidstvo různé rostliny a jejich výtažky k výrobě kosmetiky s cílem nastolit stav věčného mládí [6]. Rostlinné výtažky se v dnešní době stávají nejoblíbenějšími aktivními složkami kosmetiky kvůli stále rostoucí poptávce po přírodních sloučeniny, které kromě estetického vzhledu mohou poskytnout další zdravotní výhody. Vývoj takových produktů, známých jako „kosmeceutika", odráží nejnovější trend v moderním kosmetickém průmyslu a průmyslu osobní péče. Rostliny jsou skutečně bohaté na endogenní bioaktivní metabolity s potenciálními kosmetickými a farmaceutickými aplikacemi [7–9]. Většina těchto fytochemikálií, jako jsou polyfenoly, fenolové kyseliny, triterpeny, flavonoidy stilbeny, steroidy, karotenoidy, steroidalsaponiny, steroly, mastné kyseliny,polysacharidy,cukry, peptidy atd. lze extrahovat vhodnými rozpouštědly a použít jako aktivní složky přítomné v kosmetických přípravcích [10]. Z tohoto důvodu kosmetický průmysl prozkoumal obrovské množství rostlinných zdrojů při hledání inovativních účinných látek, které kombinují některé specifické farmakologické vlastnosti, jako jsou antioxidační, antimikrobiální, antivirové, protirakovinné, protiplísňové, protizánětlivé, antialergické, atd. a také vykazující silné hydratační účinky, účinky proti stárnutí, proti vráskám a proti UV záření [11]. Kvalita a fytochemické profily rostlinných extraktů se však lišily v širokém rozmezí v závislosti na klimatu, půdě, zeměpisné šířce, sezónních faktorech, době sklizně a praxi polního managementu, což by mohlo být výzvou pro standardizaci jejich činností [12]. Hledání nových přírodních fytochemikálií vedlo ke shromažďování bioaktivních extraktů nejen odrostliny, ale také z hub, řas a také z využití vedlejších produktů rostlinného původu [13–17]. V současné době, s rostoucím zájmem spotřebitelů o účinné a bezpečné přírodní produkty, byla v posledním desetiletí představena „nová generace“ vysoce kvalitních bioaktivních fytochemikálií, vyráběných technologií kultivace rostlinných buněk, a nyní jejich přítomnost v kosmeceutikách. trh neustále roste.

kořeny cistanche &extrakt z cistanche

3 Technologie kultivace rostlinných buněk: principy výroby aktivních kosmetických přísad

Technologie kultivace rostlinných buněk je technika pro růst rostlinných buněk za přísně kontrolovaných podmínek prostředí. Protože jsou rostlinné buňky považovány za totipotentní, mají potenciál exprimovat celý genetický aparát kódovaný v jádře, a tak jsou schopny produkovat celé spektrum charakteristických sekundárních metabolitů, které se nacházejí v matce.rostliny. Rostlinné buňky jsou přizpůsobitelné postupům správné výrobní praxe a lze je snadno množit pomocí velkoobjemových bioreaktorů nezávisle na klimatu, půdě nebo polních postupech [5, 18]. Rostlinné buňky kultivované in vitro se navíc vyznačují rychlým růstem a schopností akumulovat velké množství uniformní biomasy na krátkou dobu [19, 20]. To je velmi důležitá výhoda zejména pro produkci vzácných bioaktivních sloučenin, jako je resveratrol, paclitaxel nebo terpenoidy, které se v rostlinách běžně vyskytují v nízkých koncentracích a jejich izolace a čištění vyžaduje zpracování velkého množství rostlinné biomasy [21–25] . Technologie kultivace rostlinných buněk navíc nabízí spolehlivou a výkonnou produkční platformu pro nepřetržité dodávky fytochemicky jednotné biomasy bez kontaminace z bylinných, aromatických, léčivých a dokonce ze vzácných a ohrožených druhů rostlin [26]. Perspektiva získání přírodních fytochemikálií pomocí ekologicky udržitelné biosyntetické platformy učinila techniku ​​kultivace rostlinných buněk výjimečně atraktivní pro výrobu aktivních složek pro „zelené“ kosmetické přípravky s vysokou přidanou hodnotou [27–30]. Nutno podotknout, že aktivní kosmetická složka získaná technologií kultivace rostlinných buněk je mezi zákazníky populární pod názvem "rostlinné kmenové buňky". Zde je důležité pochopit, že termín "kmenové buňky" použitý v této frázi není vždy odkazován na skutečné rostlinné kmenové buňky. Většina existujících platforem pro produkci rostlinných buněčných kultur je ve skutečnosti vyvinuta na základě použití dediferencovaných rostlinných buněk spíše než na kultivaci skutečných rostlinných kmenových buněk. Dediferencované rostlinné buňky se získávají dediferenciací již diferencovaných zralých rostlinných buněk z různých specializovaných tkání, zatímco skutečné rostlinné kmenové buňky by nikdy neměly být během svého životního cyklu diferencovány. Protože dediferencované kultury rostlinných buněk vznikly dediferenciací diferencovaných buněk, mohly by zdědit některé epigenetické modifikace, charakteristické pro typ tkání, ze kterých byly získány, a tudíž by mohly být velmi heterogenní ve svých biosyntetických a růstových vlastnostech. Tato skutečnost umožnila generovat téměř neomezené množství rostlinných buněčných linií s jedinečnými fytochemickými profily a růstovými charakteristikami i ze stejné rostliny, které byly použity pro jejich iniciaci. Z tohoto důvodu se termíny „listové kmenové buňky“, „meristémové kmenové buňky“, „kořenové kmenové buňky“ buňky" "oddenkové kmenové buňky", "květinové kmenové buňky", "ovocné kmenové buňky" atd. lze často vidět v názvech aktivních kosmetických přísad podle INCI, ale ve skutečnosti všechny tyto označují dediferencované kultury rostlinných buněk. Na druhé straně existují technologie rostlinných buněk, které jsou vyvíjeny na základě kultivace pravých rostlinných kmenových buněk – kambiálních meristematických buněk (CMC). Tyto buňky jsou izolovány kambiální vrstvou a skládají se pouze z pravých meristémových kmenových buněk [31, 32]. Kambiální meristematické buňky se vyznačují rychlým a rovnoměrným růstem, nedostatkem epigenetických modifikací a schopností produkovat předvídatelné výtěžky sekundárních metabolitů, pokud jsou ošetřeny stimulačními faktory, jako jsou elicitory [33]. Tuto technologii používá korejská společnost "Unhwa Corp." k produkci několika aktivních kosmetických přísad pomocí patentově chráněné expresní platformy DdobyulR, vyvinuté na základě množení kambialmeristematických buněk (tabulka 1). Dalším důležitým faktem týkajícím se rostlinných buněk používaných v kosmetice je, že termín "rostlinné kmenové buňky" se často stejně používá pro aktivní složky, produkované buď kalusovými kulturami, buněčnými suspenzemi nebo vlasatými kořeny. Je důležité pochopit, že kultury kalusu jsou rostlinné buňky, kultivované na pevném médiu, zatímco kultury buněčné suspenze jsou jednotlivé rostlinné buňky nebo malé buněčné agregáty kultivované za submerzních podmínek v kapalném médiu. Jak kultury kalusu, tak buněčné suspenze by se mohly skládat z dediferencovaných nebo pravých kmenových buněk. Naproti tomu vlasaté kořeny jsou orgánové kultury, získané genetickou transformací rostlinných buněk [23, 34]. Některé aktivní kosmetické ingredience získané z technologie rostlinných buněk, které jsou v současné době dostupné na trhu, jsou uvedeny v tabulce 1.

3.1 Rostlinné kmenové buňky

Rostlinné buňky lze množit a používat pro nepřetržité dodávání čerstvé rostlinné biomasy pro kosmetické přípravky. Je však velmi důležité pochopit, že nemůžeme do kosmetických produktů zavést celé rostlinné buňky a udržet je tam při životě jako aktivní složky [30,35]. Rostlinné buňky jsou extrémně citlivé na faktory prostředí, složení živného média, osmotické a mechanické (smykové) namáhání, výměnu plynů a zásobování kyslíkem, teplotu, světlo, iontovou sílu a obsah vody, a proto nemohou přežít ani při přípravě kosmetických přípravků, ani při skladování, popř. aplikace kosmetiky na pokožku. Mohl by být vyvinut dokonce i porodní systém schopný udržovat a dodávat živé kmenové buňky, velikost a specifická struktura rostlinných buněk jim nedovolí uchytit se nebo proniknout na povrch kůže. Kvůli všem diskutovaným obavám se rostlinné kmenové buňky používají spíše jako surovina pro přípravu různých typů extraktů, které by pak mohly být zahrnuty do kosmetických přípravků jako aktivní složky. Na trhu jsou však dostupné různé produkty, které jsou založeny na sušené rostlinné buňky a standardizované na počet buněk na gram aktivní složky (tabulka 1). Takovými příklady jsou aktivní složka proti stárnutí CeltosomeTMEryngium Maritimum ST (založená na buněčné kultuře cesmíny mořské se 100 miliony buněk/g aktivní složky) a Aktivní složka zesvětlující pokožku inhibující tyrosinázu CeltosomeTM Crith mum Maritimum ST (založená na buněčné kultuře skalního samfiru s více než 1 miliardou buněk/g aktivní složky) (Tabulka 1).

3.2 Extrakty rostlinných kmenových buněk

Většina dostupných aktivních kosmetických přísad získaných technologií kultivace rostlinných buněk je prodávána ve formě různých extraktů (tabulka 1). Na rozdíl od extraktů rostlinného původu lze extrakty získané z rostlinných buněčných kultur snadno standardizovat a dokonale splňují přísné bezpečnostní požadavky, které neustále vyžaduje špičkový kosmetický trh [35]. Extrakty rostlinných buněk neobsahují patogeny, agrochemikálie, toxické látky , alergeny a znečišťující látky, protože jsou vyráběny za kontrolovaných podmínek, v souladu s postupy správné výrobní praxe. V závislosti na typu použitého rozpouštědla lze extrakty rostlinných buněk používané v kosmetice případně rozdělit na extrakty rozpustné v tucích (extrahované oleji) a rozpustné ve vodě (extrahované glycerinem), sušené extrakty (kondicionované maltodextrinem), extrakty rostlinných buněčných stěn (bohaté na peptidy a cukry ), nanoemulze nebo suspenzní extrakty [35]. Většina existujících extraktů však byla vyvinuta na základě extrakce cílové sloučeniny nebo skupiny blízce příbuzných bioaktivních sloučenin, a tak nebylo možné využít celý zdraví prospěšný potenciál extrahovaných rostlinných buněk. Některé výjimky bylo možné nalézt, kdy byly celé rostlinné buňky lyofilizovány a rozprášeny pro přímou aplikaci do kosmetických přípravků (viz některé produkty nabízené "Vytrus Biotech" a "Naolys", tabulka 1), nebo byly celé buněčné suspenze emulgovány nebo zapouzdřené v lipozomálním komplexu (viz některé produkty nabízené "Innova BM" a "Mibelle AG Biochemistry", tabulka 1) pomocí vysokotlakých homogenizátorů.

3.3 Molekulární zemědělství pro produkci rekombinantních proteinů

Rostlinyjsou vynikající produkční matrice pro expresi rekombinantních proteinů s důležitými farmaceutickými vlastnostmi [36]. Tato výkonná technika exprese rekombinantních proteinů, známá jako „molekulární farmaření“, byla široce používána pro výrobu vakcín [37–39], cytokinů [40] a dokonce i pro produkci terapeutického proteinu pro lidské použití [5, 41, 42]. klasická technologie molekulárního zemědělství je založena na genetické modifikaci rostlin pro expresi rekombinantních proteinů. To by mohlo být realizováno trvalou integrací cizích genů do hostitelské DNA za účelem vytvoření stabilních transgenních linií nebo přechodnou transformací intaktních rostlinných listů [43]. Obě metody však vyžadují pěstování celých rostlin za přísně kontrolovaných podmínek prostředí v uzavřených sklenících, splňujících přísné regulační normy [36]. Pomocí této technologie Islandská společnost „BIOEFFECT“ poprvé použila rostlinnou transgenní platformu pro velkovýrobu epidermálních růstových faktorů (EGF) pro kosmetické použití, exprimovaných v geneticky upravených semenech ječmene. Společnost nabízí širokou škálu produktů péče o pleť obsahující tento buněčný aktivátor, které přispívají ke zdravější a mladší pleti. Současné zájmy v oblasti molekulárního zemědělství se však zaměřily na přizpůsobení technologie kultivace rostlinných buněk pro produkci rekombinantních proteinů. Tato technika nabízí udržitelnou a kontinuální produkci heterologních proteinů rostlinnými buňkami rostoucími v nedostatečně řízených mikro-environmentálních podmínkách in vitro v bioreaktorech. Kultivace geneticky upravených rostlinných buněčných kultur byla uznána jako mnohem výkonnější expresní platforma ve srovnání s klasickými technikami molekulárního zemědělství, spoléhající na produkci v zemědělském měřítku pěstováním geneticky transformovaných rostlin [18, 41]. Nedávno uvedla korejská společnost „Natural Bio-Materials (NBM)“ řadu aktivních kosmetických přísad obsahujících růstové faktory (Epidermální růstový faktor, základní fibroblastový růstový faktor, inzulínu podobný růstový faktor{19}}, keratinocytový růstový faktor, fibroblastový růstový faktor -7 a Vascular Endothelial Growth Factor), exprimovaný rekombinantními rýžovými (Oryza sativa L.) buněčnými kulturami (tabulka 1). Avšak i když lidské rekombinantní proteiny vyrobené touto technologií mají nepopiratelné výhody a vyznačují se vysokou úrovní čistoty, produkcí bez zvířat, virů, bakterií a exotoxinů, stále existují někteří spotřebitelé, kteří mají obavy. používat takové produkty, protože jsou exprimovány geneticky modifikovanými organismy.

4 Případová studie: Iniciace, růst, fytochemický profil a fyzikálně-chemické charakteristiky exopolysacharidů v INNOVA StemCellCalendula

Měsíček lékařský (Calendula officinalis L.), známý jako „měsíček lékařský“, byl široce používán v tradiční bylinné medicíně a péči o pleťkosmeceutikapro topickou aplikaci [11]. Ukázalo se, že kalhotky jsou bohaté na fenolové kyseliny, flavonoidy, triterpeny, karotenoidy, aromatické sloučeniny a unikátní směs polynenasycených mastných kyselin [44–46]. Pro svou vysokou terapeutickou hodnotu a prokázané kosmetické účinky bulharská společnost "Innova BM" vyvinula a uvedla na trh dvě vysoce kvalitní aktivní kosmetické přísady, založené na dediferencované buněčné kultuře měsíčku lékařského (tabulka 1). Vývoj těchto produktů je schematicky znázorněn na obr. 1. Součástí technologických kroků je prosévání měsíčku lékařskéhorostlinys vynikajícími fytochemickými profily, selekcí, sterilizací a kultivací rostlinných explantátů na médiu pro indukci kalusů, selekcí drobivých buněčných linií s vhodnými fytochemickými profily, zahájením kultivace v tekuté buněčné suspenzi a optimalizací podmínek kultivace a složení živného média. Optimalizační krok je v naší technologii kritický, protože lze dosáhnout významného zvýšení biosyntetického potenciálu a akumulované biomasy vybrané buněčné linie (tabulka 2, obr. 2). Po optimalizaci byla vybraná linka rozšířena na velkoobjemovou kultivaci v míchaném tankovém bioreaktoru. Vyrobená buněčná suspenze (buňky a kultivační kapalina) byla poté zpracována vysokotlakým homogenizátorem za vzniku glycerinového extraktu (50 % hm.) nebo měsíčkové emulze (75 % hm. buněčné suspenze) [47]. Bylo zjištěno, že při aplikaci na pokožku má vynikající hydratační, protivráskové, hydratační a regenerační účinky. Tyto účinky jsou způsobeny vysokým obsahem vylučovaných exopolysacharidů během kultivace buněk měsíčku (obr. 2D). Bylo zjištěno, že exopolysacharidy patří k pektinovému typu. Surová frakce exopolysacharidů obsahuje 879 ug/mg neutrálních cukrů a 50 ug/mg proteinů. Jedinečná kombinacepolysacharidya peptidy učinily tuto exopolysacharidovou frakci téměř dokonalou pro aplikaci jako emulgátor v kosmetických produktech pro topickou aplikaci. Potenciální synergické interakce při aplikaci s jinými populárními emulgátory, stejně jako jejich stabilizační vlastnosti emulze jsou uvedeny v tabulce 3.polysacharidymají molekulovou hmotnost 6,7 × 104 Da a obsahují 413 ug/mg uronových kyselin. Plnomonosacharidové složení exopolysacharidové frakce bylo stanoveno jako: kyselina glukuronová (13,6 ug/mg), kyselina galakturonová (399,7 ug/mg), glukóza (185,5 ug/mg), galaktóza (179,9 ug/mg), rhamnóza (178,9 ug/mg) arabinóza (166,7 ug/mg), fukóza (0,6 ug/mg) a manóza (4,7 ug/mg). Přítomnost této exopolysacharidové frakce začleněné do produktů Innova StemCellCalendula v kombinaci s bioaktivními sloučeninami z obsahu uvolněných buněk (tabulka 2) učinila tyto produkty jedinečnými a jedinými svého druhu na trhu aktivních kosmetických přísad.

5 Závěrečné poznámky

V návaznosti na stále rostoucí poptávku po vysoce kvalitních přírodních produktech rostlinného původu pro aplikaci jako aktivní složky vkosmeceutickýformulace, technologie kultivace rostlinných buněk vyvinula výkonné produkční platformy, které mohou efektivně uspokojit potřeby zákazníků. Jsme svědky exponenciálně rostoucího počtu komercializovaných ingrediencí pocházejících z rostlinných buněk, nabízených na trhu kosmetického průmyslu, a rozmanitost využívaných rostlinných druhů, používaných k jejich výrobě, každým rokem neustále roste. Ve skutečnosti by pozorovaný zájem o produkci přísad pocházejících z rostlinných buněk pro kosmetické potřeby mohl korelovat s nedávným pokrokem ve vývoji a komercializaci technologie kultivace rostlinných buněk v technologicky vyspělých zemích. Nově vyvinuté techniky úpravy genů, metabolitového inženýrství a syntetické biologie by navíc mohly mít významný dopad na zlepšení výnosů a vývoj na míru šitých kosmetických produktů s požadovanými aktivitami. Pokrok v molekulárním zemědělství již vedl ke komerční výrobě vzácných lidských aktivátorových peptidů, cytokinů a růstových faktorů, které jsou prvním krokem ve vývoji kosmetických produktů s potenciálem prodloužit životnost pokožky pomocí samoopravných mechanismů těla. Doposud však existuje mnoho otevřených otázek týkajících se regulačních norem a dokumentace, sjednocení tvrzení o zdravotních přínosech a metodologie hodnocení účinků léčiv, které by měly být zodpovězeny, aby spotřebitelé mohli správně vybrat svůj lék.kosmeceutickýprodukt.

Extrakt z cistanche prospívá pleti