Cultura de celule vegetale ca tehnologie emergentă pentru producerea de ingrediente cosmetice active

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

Vasil Georgiev1,2Anton Slavov2Ivelina Vasileva2Atanas Pavlov1,3

Planteau fost întotdeauna principala sursă de ingrediente cosmetice active, având efecte benefice dovedite asupra sănătății asupra oamenilor, cum ar fi anti-îmbătrânire, antioxidante, antiinflamatorii, protectoare UV, anticancerigene, antirid, liniștitoare ale pielii, albire, hidratare, etc. Extracte din plante, aromatice și/sau medicinaleplantelorau fost utilizate pe scară largă ca ingrediente active eficiente încosmeceuticesau nutricosmetice, în special în produsele pentru aplicare locală și formulări de îngrijire a pielii. Cu toate acestea, în ultimul deceniu, a existat un interes din ce în ce mai mare pentru ingredientele cosmetice active derivate din culturile de celule vegetale. Acestea sunt „noua generație” de produse naturale de înaltă calitate, produse prin metodele biotehnologice moderne, care au prezentat de obicei activități mai puternice decât extractele din plante obținute prin metodele clasice. În această revizuire, avantajele și progresul actual în tehnologia culturii de celule vegetale pentru producția de ingrediente cosmetice active au fost rezumate și discutate în detaliu într-un studiu de caz prezentat pentru dezvoltarea de produse cu celule stem de calendula.

Cuvinte cheie:Calendula officinalis L. /Cosmeceutice/ Nutricosmetică / Celule vegetale / Celule stem vegetale /Polizaharide/ Culturi de țesuturi și organe

cistanche——plante naturale hranitoare

1. Introducere

Plantesunt cea mai veche sursă de compuși naturali cu proprietăți medicinale și cosmetice explorate de omenire. Chiar și în zilele noastre, între 70 și 80% dintre oameni din întreaga lume se bazează pe medicina tradițională pe bază de plante pentru a-și acoperi nevoile de bază de asistență medicală [1]. De fapt, 11% dintre medicamentele esențiale existente utilizate în medicina umană modernă sunt încă de origine vegetală [2]. Procentul de produse naturale derivate din plante, aplicate ca ingrediente active in cosmetice, este mult mai mare. În conformitate cu creșterea continuă a populației mondiale, cererea globală de ingrediente naturale din plante este de așteptat să își continue creșterea exponențială [1]. Drept urmare, suntem deja martori la supraexploatarea în masă a habitatelor naturale ale unor plante aromatice și ierboase, punând în pericol moartea sau chiar ducând la dispariția lor [3]. Această tendință negativă este deosebit de periculoasă pentru medicamenteplantelor, care în cele mai multe cazuri sunt specii rare și endemice. Aceste specii au crescut adesea sub climat extrem, compoziție unică a solului sau latitudine specifică. Populațiile lor au fost de obicei caracterizate de niveluri scăzute de diversitate genetică, ceea ce face ca aceste specii să fie extrem de vulnerabile la eroziunea genetică și le scade șansele de supraviețuire în caz de poluare a mediului [4]. Mai mult, ingredientele active derivate din plante sunt de obicei un amestec foarte complex de molecule bioactive, care nu pot fi înlocuite cu ușurință cu analogi sintetizați chimic. Pentru a rezolva problemele de mai sus, biotehnologia plantelor a oferit instrumentul, care poate asigura o aprovizionare mai ecologică și durabilă de fitochimice valoroase cu proprietăți benefice pentru sănătate, pentru a acoperi cerințele în creștere ale industriei cosmetice. În ultimul deceniu, avantajele tehnologiilor de cultură a celulelor și țesuturilor vegetale au fost explorate pe scară largă în dezvoltarea de platforme extrem de eficiente pentru producția mai rapidă de molecule importante din punct de vedere farmaceutic de origine vegetală sau expresia foreterologă a proteinelor terapeutice [5]. În zilele noastre, există multe produse cosmetice, inclusiv ambelecosmeceuticeși nutri-cosmetice, care au ingrediente active, derivate din tehnologia culturii de celule vegetale. Scopul acestei lucrări este de a revizui progresele recente în tehnologia celulelor vegetale pentru aplicarea cosmetică și de a oferi o scurtă prezentare generală a ingredientelor cosmetice active derivate din culturile de celule vegetale comercializate, disponibile pe piață. Informațiile din această revizuire au fost preluate printr-un studiu electronic exploratoriu al ingredientelor cosmetice derivate din culturile de țesuturi vegetale și a fișelor de date tehnice ale acestora, efectuat prin căutare pe site-urile web tehnice ale furnizorilor majori, cum ar fi motorul de căutare Prospector-R, SpecialChem, Cosmetic Design Europe, motoarele de căutare academice Scopus, ScienceDirect, Google Scholar și PubMed și popularul motor de căutare Google. În plus, pașii principali în dezvoltarea și caracterizarea ingredientelor active derivate din culturi de celule vegetale sunt discutați îndeaproape în studiul de caz prezentat pentru dezvoltarea produsului InnovaStemCell Calendula.

rădăcini întregi de cistanche

2 Extracte de plante ca ingrediente active incosmetice

Plantesunt o sursă bogată de nenumărați metaboliți cu potențial aplicare în produsele cosmetice. Din timpuri imemoriale, omenirea a folosit diferite plante și extractele lor pentru a crea produse cosmetice cu scopul de a stabili o stare de tinerețe veșnică [6]. În zilele noastre, extractele de plante devin cele mai populare ingrediente active ale cosmeticelor datorită cererii din ce în ce mai mari de produse naturale. compuși care, pe lângă aspectul estetic, pot oferi beneficii suplimentare pentru sănătate. Dezvoltarea unor astfel de produse, cunoscute sub numele de "cosmeceutice", reflectă o tendință cea mai recentă în industria cosmetică și de îngrijire personală modernă. Într-adevăr, plantele sunt bogate în metaboliți bioactivi endogeni cu potențiale aplicații cosmetice și farmaceutice [7–9]. Majoritatea acestor fitochimice, cum ar fi polifenoli, acizi fenolici, triterpene, flavonoide. , stilbene, steroizi, carotenoizi, steroidalsaponine, steroli, acizi grași,polizaharide,zaharurile, peptidele, etc., ar putea fi extrase cu solvenți adecvați și pot fi utilizate ingrediente asactive prezente în formulările cosmetice [10]. Din acest motiv, un număr imens de surse vegetale au fost explorate de industria cosmetică în căutarea unor ingrediente active inovatoare care combină unele proprietăți farmacologice specifice, precum antioxidante, antimicrobiene, antivirale, anticancerigene, antifungice, antiinflamatorii, antialergice, etc. și, de asemenea, prezintă efecte puternice de hidratare, anti-îmbătrânire, antirid și de protecție UV [11]. Cu toate acestea, calitatea și profilurile fitochimice ale extractelor de plante au variat într-o gamă largă, în funcție de climă, sol, latitudine, factori sezonieri, momentul recoltării și practica de management pe teren, ceea ce ar putea reprezenta o provocare pentru standardizarea activităților lor [12]. Căutarea de noi fitochimice naturale a condus la colectarea de extracte bioactive nu numai prinplantelor, dar și din ciuperci, alge și, de asemenea, din utilizarea secundară a subproduselor de origine vegetală [13–17]. În zilele noastre, odată cu creșterea interesului consumatorilor pentru produse naturale eficiente și sigure, în ultimul deceniu a fost introdusă o „nouă generație” de fitochimice bioactive de înaltă calitate, produse prin tehnologia culturii de celule vegetale, iar acum, prezența lor în cosmeceutice. piața a fost în continuă creștere.

rădăcini de cistanche &extract de cistanche

3 Tehnologia culturii celulare vegetale: principii pentru producerea ingredientelor cosmetice active

Tehnologia culturii de celule vegetale este o tehnică de creștere a celulelor vegetale în condiții de mediu strict controlate. Deoarece celulele vegetale sunt considerate totipotente, ele au potențialul de a exprima întregul mecanism genetic codificat în nucleu și, prin urmare, sunt capabile să producă întregul spectru de metaboliți secundari caracteristici, găsiți în mamă.plantelor. Celulele vegetale sunt susceptibile de procedurile de bune practici de fabricație și pot fi propagate cu ușurință prin utilizarea bioreactoarelor cu volum mare, independent de climă sau sol sau practicile de management al câmpului [5, 18]. În plus, celulele vegetale cultivate in vitro sunt caracterizate prin creștere rapidă și capacitatea de a acumula o cantitate mare de biomasă uniformă pentru o perioadă scurtă de timp [19, 20]. Acesta este un avantaj foarte important în special pentru producerea de compuși bioactivi rari, cum ar fi resveratrolul, paclitaxelul sau terpenoizii, care se găsesc de obicei în concentrații scăzute în plante, iar izolarea și purificarea lor necesită prelucrarea unor cantități mari de biomasă vegetală [21–25] . În plus, tehnologia culturii de celule vegetale oferă o platformă de producție fiabilă și puternică pentru o furnizare continuă de biomasă fără contaminare, uniformă fitochimic din plante medicinale, aromatice, medicinale și chiar din specii de plante rare și amenințate [26]. Perspectiva de a obține fitochimice naturale prin utilizarea unei platforme biosintetice durabile din punct de vedere ecologic a făcut ca tehnica de cultură a celulelor vegetale să fie excepțional de atractivă pentru producerea de ingrediente active pentru formulări cosmetice „verzi” cu valori adăugate ridicate [27–30]. Trebuie remarcat faptul că ingredientul cosmetic activ, obținut prin tehnologia culturii de celule vegetale, este popularizat în rândul clienților sub denumirea de „celule stem vegetale”. Aici este important să înțelegem că termenul „celule stem” folosit în această expresie nu se referă întotdeauna la celulele stem ale plantelor reale. Cele mai multe dintre platformele de producție de culturi celulare existente sunt de fapt dezvoltate pe baza utilizării celulelor de plante dediferențiate mai degrabă decât pe cultivarea celulelor stem de plante adevărate. Celulele vegetale dediferențiate sunt obținute prin dediferențierea celulelor vegetale mature deja diferențiate din diferite țesuturi specializate, în timp ce adevăratele celule stem vegetale nu ar trebui să fie niciodată diferențiate în ciclul lor de viață. Deoarece rezultate din dediferențierea celulelor diferențiate, culturile de celule vegetale dediferențiate ar putea moșteni unele modificări epigenetice, caracteristice tipului de țesut din care au obținut și, astfel, ar putea fi foarte eterogene în proprietățile lor de biosinteză și de creștere. Acest fapt a făcut posibilă generarea unui număr aproape nelimitat de linii celulare vegetale cu profile fitochimice unice și caracteristici de creștere chiar și din aceeași plantă, utilizate pentru inițierea lor. Din acest motiv, termenii „celule stem frunzelor”, „celule stem meristeme”, „tulpină rădăcină”. celule" "celule stem rizom", "celule stem de flori", celule stem de fructe" etc. ar putea fi adesea văzute în denumirile INCI ale ingredientelor active cosmetice, dar, de fapt, toate acestea se referă la culturi de celule vegetale dediferențiate. Pe de altă parte, există tehnologii de celule vegetale, care sunt dezvoltate pe baza cultivării de adevărate celule stem vegetale – celulele meristematice cambiale (CMC). Aceste celule sunt izolate de stratul cambial și constau numai din celule stem meristeme adevărate [31, 32]. Celulele meristematice cambiale sunt caracterizate prin creștere rapidă și uniformă, lipsa modificărilor epigenetice și capacitatea de a produce randamente previzibile de metaboliți secundari atunci când sunt tratate cu factori stimulatori, cum ar fi elicitorii [33]. Această tehnologie a fost folosită de compania coreeană „Unhwa Corp”. pentru a produce mai multe ingrediente cosmetice active, prin utilizarea platformei de expresie protejată de brevet DdobyulR, dezvoltată pe baza propagării celulelor cambialmeristematice (Tabelul 1). Un alt fapt important, referitor la celulele vegetale utilizate pentru cosmetice, este că termenul „celule stem vegetale” este adesea folosit în mod egal pentru ingredientele active, produse fie prin culturi de calus, suspensii celulare, fie rădăcini păroase. Este important de înțeles că culturile de calus sunt celule vegetale, cultivate pe un mediu solid, în timp ce culturile în suspensie de celule sunt celule de plante unice sau agregate de celule mici cultivate în condiții de scufundare într-un mediu lichid. Atât culturile de calus, cât și suspensiile de celule ar putea consta din celule stem dediferențiate sau adevărate. Dimpotrivă, rădăcinile păroase sunt culturi de organe, obținute prin transformarea genetică a celulelor vegetale [23, 34]. Unele dintre ingredientele cosmetice active derivate din tehnologia culturii de celule vegetale, disponibile în prezent pe piață, sunt analizate în Tabelul 1.

3.1 Celulele stem din plante

Celulele vegetale pot fi propagate și utilizate pentru aprovizionarea continuă cu biomasă vegetală proaspătă pentru formulări cosmetice. Cu toate acestea, este de mare importanță să înțelegem că nu putem introduce celulele vegetale întregi în produsele cosmetice și să le păstrăm în viață ca ingrediente active acolo [30,35]. Celulele vegetale sunt extrem de sensibile la factorii de mediu, compoziția mediului nutritiv, stresul osmotic și mecanic (de forfecare), schimbul de gaze și furnizarea de oxigen, temperatură, lumină, puterea ionică și conținutul de apă și, astfel, nu pot supraviețui nici în timpul preparării produselor cosmetice, nici în timpul depozitării sau depozitării. aplicarea produselor cosmetice pe piele. Chiar și un sistem de livrare, capabil să mențină și să furnizeze celule stem vii, ar putea fi dezvoltat, dimensiunea și structura specifică a celulelor vegetale nu le va permite să se atașeze sau să pătrundă pe suprafața pielii. Din cauza tuturor preocupărilor discutate, celulele stem din plante sunt mai degrabă folosite ca materie primă pentru prepararea diferitelor tipuri de extracte, care apoi ar putea fi incluse în formulările cosmetice ca ingrediente active. Cu toate acestea, există diferite produse, disponibile pe piață, care se bazează pe întreg. celule vegetale uscate și standardizate pe numărul de celule per gram de ingredient activ (Tabelul 1). Astfel de exemple sunt ingredientul activ anti-îmbătrânire CeltosomeTMEryngium Maritimum ST (bazat pe cultura de celule de ilac de mare cu 100 de milioane de celule/g de ingredient activ) și Ingredientul activ de iluminare a pielii inhibitor de tirozinaza CeltosomeTM Crith mum Maritimum ST (pe baza culturii de celule de samfir cu mai mult de 1 miliard de celule/g de ingredient activ) (Tabelul 1).

3.2 Extracte de celule stem din plante

Majoritatea ingredientelor cosmetice active disponibile, obținute prin tehnologia culturii celulare vegetale sunt comercializate sub formă de diferite extracte (Tabelul 1). Spre deosebire de extractele derivate din plante, extractele obținute din culturi de celule vegetale pot fi ușor standardizate și respectă perfect cerințele stricte de siguranță pe care piața cosmetică de ultimă generație le cere în mod constant [35].Extractele de celule vegetale sunt lipsite de agenți patogeni, substanțe agrochimice, toxice. , alergeni și poluanți deoarece sunt produși în condiții controlate, respectând procedurile bunei practici de fabricație. În funcție de tipul de solvent utilizat, extractele de celule vegetale utilizate în cosmetică pot fi împărțite în mod contingent în extracte liposolubile (extrase cu uleiuri) și hidrosolubile (extrase cu glicerină), extracte uscate (condiționate cu maltodextrină), extracte din pereții celulari vegetali (bogate în peptide și zaharuri). ), nanoemulsii sau extracte în suspensie [35]. Cu toate acestea, majoritatea extractelor existente au fost dezvoltate pe baza extracției unui compus țintă sau a unui grup de compuși bioactivi strâns înrudiți și, astfel, nu ar putea fi utilizat întregul potențial benefic pentru sănătate al celulelor vegetale extrase. S-au putut găsi unele excepții, în cazul în care celulele vegetale întregi au fost liofilizate și pudrate pentru aplicare directă în formulări cosmetice (vezi unele produse oferite de „Vytrus Biotech” și „Naolys”, Tabelul 1), sau toate suspensiile celulare au fost, emulsionate sau încapsulat în complex lipozomal (vezi unele produse oferite de „Innova BM” și „Mibelle AG Biochemistry”, Tabelul 1) prin utilizarea omogenizatoarelor de înaltă presiune.

3.3 Agricultura moleculară pentru producerea de proteine ​​recombinante

Plantesunt matrice de producție excelente pentru exprimarea proteinelor recombinante cu proprietăți farmaceutice importante [36]. Această tehnică puternică de exprimare a proteinelor recombinante, cunoscută sub numele de „agricultura moleculară” a fost utilizată pe scară largă pentru producerea de vaccinuri [37–39], citokine [40] și chiar pentru producerea de proteine ​​terapeutice pentru uz uman [5, 41, 42]. tehnologia clasică de agricultură moleculară se bazează pe modificarea genetică a plantelor pentru exprimarea proteinelor recombinante. Acest lucru ar putea fi realizat prin integrarea permanentă a genelor străine în ADN-ul gazdă pentru a genera linii transgenice stabile, sau prin transformarea tranzitorie a frunzelor intacte de plante [43]. Cu toate acestea, ambele metode necesită creșterea plantelor întregi în condiții de mediu strict controlate în sere izolate, respectând standardele stricte de reglementare [36]. Folosind o astfel de tehnologie, compania islandeză „BIOEFFECT” a aplicat pentru prima dată o platformă transgenică pe bază de plante pentru producția la scară largă de Factori de creștere epidermică (EGF) pentru uz cosmetic, exprimați în semințe de orz modificate genetic. Compania oferă o gamă largă de produse de îngrijire a pielii care conțin acest activator celular, care contribuie la o piele mai sănătoasă și mai tânără. Cu toate acestea, interesele recente în agricultura moleculară s-au concentrat pe adaptarea tehnologiei culturii de celule vegetale pentru producerea de proteine ​​recombinante. Această tehnică oferă o producție durabilă și continuă de proteine ​​heterologe de către celulele vegetale care cresc în condiții de micro-mediu in vitro subcontrolate în bioreactoare. Cultivarea culturilor celulare de plante modificate genetic a fost recunoscută ca o platformă de expresie mult mai puternică, în comparație cu tehnicile clasice de agricultură moleculară, bazându-se pe producția la scară agricolă prin creșterea plantelor transformate genetic [18, 41]. Recent, compania coreeană „Natural Bio-Materials (NBM)”, a lansat o serie de ingrediente cosmetice active care conțin factori de creștere (Factor de creștere epidermic, factor de creștere a fibroblastelor de bază, factor de creștere asemănător insulinei-1, factor de creștere a keratinocitelor, factor de creștere a fibroblastelor). -7 și factorul de creștere endotelial vascular), exprimat prin culturi de celule de orez recombinat (Oryza sativa L.) (Tabelul 1). Cu toate acestea, chiar dacă proteinele umane recombinante, produse prin această tehnologie, au avantaje incontestabile și se caracterizează printr-un nivel ridicat de puritate, producție fără animale, fără viruși, fără bacterii și fără exotoxine, există totuși unii consumatori care au îngrijorări. să utilizeze astfel de produse deoarece sunt exprimate de organisme modificate genetic.

4 Studiu de caz: Inițierea, creșterea, profilul fitochimic și caracteristicile fizico-chimice ale exopolizaharidelor în INNOVA StemCellCalendula

Calendula (Calendula officinalis L.), cunoscută sub numele de „gălbenele”, a fost utilizată pe scară largă în medicina tradițională pe bază de plante și îngrijirea pieliicosmeceuticepentru aplicare locală [11]. S-a demonstrat că pantalonul este bogat în acizi fenolici, flavonoide, triterpene, carotenoide, compuși aromatici și un amestec unic de acizi grași polinesaturați [44-46]. Datorită valorii sale terapeutice ridicate și efectelor cosmetice dovedite, compania bulgară „Innova BM” a dezvoltat și lansat pe piață două ingrediente active cosmetice de înaltă calitate, bazate pe culturi celulare dediferențiate de Calendula (Tabelul 1). Dezvoltarea acestor produse este prezentată schematic în Fig. 1. Etapele tehnologice includ o screening de gălbenele.plantelorcu profile fitochimice superioare, selecția, sterilizarea și cultivarea explantelor de plante pe mediu de inducție a calusului, selecția liniilor celulare friabile cu profiluri fitochimice adecvate, inițierea culturii în suspensie de celule lichide și optimizarea condițiilor de cultivare și a compoziției mediului nutritiv. Etapa de optimizare este critică în tehnologia noastră, deoarece se poate obține o creștere semnificativă a potențialului de biosinteză și a biomasei acumulate a liniei celulare selectate (Tabelul 2, Fig. 2). După optimizare, linia selectată a fost extinsă la cultivare la scară largă în bioreactor cu rezervor agitat. Suspensia celulară produsă (celule și lichid de cultură) a fost apoi procesată cu un omogenizator de înaltă presiune pentru a produce extract de glicerină (50% în greutate) sau emulsie de gălbenele (75% în greutate suspensie de celule) [47]. Ingredientele active produse au fost s-a dovedit a avea efecte superioare de hidratare, antirid, hidratare și regenerare atunci când este aplicată pe piele. Aceste efecte se datorează conținutului ridicat de exopolizaharide secretate, în timpul cultivării celulelor de gălbenele (Fig. 2D). Exopolizaharidele au fost identificate ca aparținând tipului de pectină. Fracția de exopolizaharide brute conține 879 ug/mg zaharuri neutre și 50 ug/mg proteine. Combinația unică depolizaharideiar peptidele au făcut această fracțiune de exopolizaharidă aproape perfectă pentru aplicarea ca emulgator în produsele cosmetice pentru aplicare locală. Interacțiunile sinergice potențiale, atunci când sunt aplicate cu alți emulgatori populari, precum și proprietățile lor de stabilizare a emulsiei sunt prezentate în Tabelul 3.polizaharideau o greutate moleculară de 6,7 × 104 Da și conțin 413 ug/mg de acizi uronici. Compoziția monozaharidă completă a fracției de exopolizaharide a fost determinată ca: acid glucuronic (13,6 ug/mg), acid galacturonic (399,7 ug/mg), glucoză (185,5 ug/mg), galactoză (179,9 ug/mg), ramnoză (178,9 ug/mg) , arabinoză (166,7 ug/mg), fucoză (0,6 ug/mg) și manoză (4,7 ug/mg). Prezența acestei fracțiuni de exopolizaharide încorporate în produsele Innova StemCellCalendula, în combinație cu compuși bioactivi din conținutul de celule eliberate (Tabelul 2) a făcut ca aceste produse să fie unice și unul de genul pe piața ingredientelor active cosmetice.

5 Observații finale

Ca urmare a cererii în continuă creștere pentru produse naturale de înaltă calitate de origine vegetală pentru aplicare ca ingrediente active încosmeceuticăformulări, tehnologia culturii de celule vegetale a dezvoltat platforme de producție puternice care pot satisface în mod eficient nevoile clienților. Suntem martorii unui număr în creștere exponențial de ingrediente comercializate derivate din celule vegetale, oferite pe piața industriei cosmetice, iar diversitatea speciilor de plante utilizate, utilizate pentru producerea lor a continuat să crească în fiecare an. De fapt, interesul observat în producția de ingrediente derivate din celule vegetale pentru nevoi cosmetice ar putea fi corelat cu progresul recent în dezvoltarea și comercializarea tehnologiei de cultură a celulelor vegetale în țările avansate din punct de vedere tehnologic. Mai mult, tehnicile nou dezvoltate de editare a genelor, ingineria metaboliților și biologia sintetică ar putea avea un impact semnificativ asupra îmbunătățirii randamentelor și dezvoltării de produse cosmetice personalizate cu activități dorite. Progresul în agricultura moleculară a condus deja la producția comercială de peptide, citokine și factori de creștere umani rari, care reprezintă primul pas în dezvoltarea produselor cosmetice cu potențialul de a prelungi viața pielii prin utilizarea mecanismelor de auto-reparare ale organismului. Cu toate acestea, până acum există multe întrebări deschise, referitoare la standardele de reglementare și la documentație, unificarea mențiunilor privind beneficiile pentru sănătate și metodologia de evaluare a efectelor farmaceutice, la care ar trebui să se răspundă pentru a ajuta consumatorii să aleagă corectcosmeceuticăprodus.

Extractul de Cistanche aduce beneficii pielii