Резюме:Растенията са основният източник на биоактивни съединения, които могат да се използват за формулирането на козметични продукти. Растителните екстракти имат множество доказани ползи за здравето, сред които свойства против стареене и грижа за кожата. Въпреки това, с повишеното търсене на козметични продукти с растителен произход, има решаваща предпоставка за установяване на алтернативни подходи на конвенционалните методи за осигуряване на достатъчно биомаса за устойчиво производство. Техники за растителна тъканна култура, като in vitro коренови култури, микроразмножаване или калогенеза, предлагат възможност за производство на значителни количества биоактивни съединения, независимо от външни фактори, които могат да повлияят на тяхното производство. Това производство може също да бъде значително увеличено с прилагането на други биотехнологични подходи като предизвикване, метаболитен инженеринг, прекурсор и/или хранене с хранителни вещества, имобилизация и пермеабилизация. Тази работа имаше за цел да оцени потенциала на биотехнологичните инструменти за производство на биоактивни съединения, с фокус върху биоактивни съединения със свойства против стареене, които могат да се използват за разработването на козмецевтични продукти със зелен етикет. Освен това са разгледани някои примери, демонстриращи използването на техники за растителна тъканна култура за производство на биоактивни съставки с висока стойност за козмецевтични приложения, показващи значението на тези инструменти и подходи за устойчивото производство на козметични продукти с растителен произход.

Гликозидът на цистанхе може също така да повиши активността на SOD в сърдечните и чернодробните тъкани и значително да намали съдържанието на липофусцин и MDA във всяка тъкан, като ефективно улавя различни реактивни кислородни радикали (OH-, H₂O₂ и др.) и предпазва от увреждане на ДНК, причинено от ОН-радикали. Cistanche phenylethanoid гликозидите имат силна способност за изчистване на свободните радикали, по-висока редуцираща способност от витамин С, подобряват активността на SOD в сперматозоидната суспензия, намаляват съдържанието на MDA и имат известен защитен ефект върху функцията на мембраната на спермата. Полизахаридите Cistanche могат да повишат активността на SOD и GSH-Px в еритроцитите и белодробните тъкани на експериментално стареещи мишки, причинени от D-галактоза, както и да намалят съдържанието на MDA и колаген в белите дробове и плазмата и да увеличат съдържанието на еластин, имат добър очистващ ефект върху DPPH, удължава времето на хипоксия при стареещи мишки, подобрява активността на SOD в серума и забавя физиологичната дегенерация на белия дроб при експериментално стареещи мишки. С клетъчна морфологична дегенерация експериментите показват, че Cistanche има добра антиоксидантна способност и има потенциала да бъде лекарство за предотвратяване и лечение на заболявания, свързани със стареенето на кожата. В същото време, ехинакозидът в Cistanche има значителна способност да улавя свободните радикали DPPH и може да улавя реактивни кислородни видове, да предотвратява индуцираното от свободните радикали разграждане на колагена и също така има добър възстановителен ефект върху увреждането на аниона от свободните радикали на тимина.

Кликнете върху Как да приемате Cistanche

【За повече информация:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

1. Въведение

Глобалната козметична индустрия преживява бърз растеж поради повишаването на информираността за красотата и нарастващия интерес към грижата за красотата, защитата на кожата и козметичните продукти. С разрастването на този доходоносен сектор се появи нова тенденция сред потребителите за естествени, устойчиви и получени от зелени козметични продукти вместо синтетични, увеличавайки световния пазар на растителни екстракти [1]. Например, размерът на този пазар беше оценен на 10,19 милиарда USD през 2021 г. и се очаква да нарасне експоненциално до 22,49 милиарда USD през 2030 г. [2,3]. Този голям интерес е оправдан от изключителните терапевтични свойства на растителните екстракти без или с малко странични ефекти [4].

Растенията винаги са били основен източник на биоактивни съставки с широк спектър от приложения. Те имат доказани ползи за здравето и благосъстоянието, включително осигуряване на антиоксиданти и защита срещу ултравиолетово лъчение, както и притежаване на свойства против бръчки, рак, стареене и променящи кожата (избелващи, овлажняващи или успокояващи) свойства [5]. Въпреки това, поради голямото търсене на козметични продукти с растителен произход, в днешно време няколко растителни вида се експлоатират прекомерно (събират се в големи количества от естествените им местообитания) или са застрашени. В допълнение, предизвикателства като бавен растеж, сезонни реколти, наличие на токсични съединения в химичния им състав и вариации в биоактивните съединения както между растенията, така и от една реколта на друга, могат да бъдат ограничаващи фактори за потенциалната им употреба в козметичната индустрия. [4]. Тези ограничения могат да бъдат преодолени с прилагането на техники за растителна тъканна култура, комбинирани с биотехнологични инструменти и подходи.

Техниките за растителна тъканна култура предоставят привлекателна алтернатива за производство на биоактивни съединения. Те могат лесно да бъдат определени като биотехнологични техники, които разчитат на използването на хранителни среди и контролирани асептични условия, за да се гарантира културата и развитието на растителни клетки, тъкани и органи [6]. Тази технология показва много предимства пред конвенционалните селскостопански практики като (i) производство на вторичен метаболит, което се случва независимо от вътрешните или външните фактори, които могат да повлияят на растежа и добива на културите, (ii) добива на желаните фитохимични съставки чрез осигуряване на постоянно производство и (iii) производство при контролирани условия, като по този начин се ограничава рискът от замърсяване с агрохимикали (пестициди, инсектициди, хербициди, химически торове) [7].

Към днешна дата много продукти със зелен етикет (продукти с растителен произход) са разработени с помощта на техники за растителна тъканна култура. Някои от тях имат приложение в козметиката, по-точно за лечение на стареене на кожата и кожни заболявания, възникващи в резултат на излагане на кожата на външни агенти [5,8]. Ето защо основната цел на този изчерпателен преглед е да предостави кратък преглед на широките приложения на техниките за растителна тъканна култура и биотехнологичните подходи за производството на биоактивни съединения с висока стойност, които могат да се използват при формулирането на козметични продукти, с фокус за предотвратяване на кожни заболявания и молекули против стареене на кожата. Прегледът също така обхваща някои примери за козметични формулировки, които са били патентовани през последното десетилетие, в които са приложени техники за растителна тъканна култура за производството на активните молекули в тези формулировки.

2. Стареене на кожата: значение и причини

2.1. Анатомична структура на кожата и ключови функции

Кожата е основният орган в човешкото тяло и представлява една шеста от общото тегло на човешкото тяло. Кожата е анатомично оформена с три основни слоя: епидермис, дерма и хиподерма, известни още като подкожна тъкан (Фигура 1) [9]. Външният слой (епидермис) се състои от пет отделни слоя: основен слой (stratum basal), шиповиден слой (stratum spinosum), гранулиран слой (stratum granulosum), чист слой (stratum lucidum) и рогов слой (stratum corneum) [10] . Дермата, която е средният слой, е сложно свързана с епидермиса чрез базалната мембрана. За разлика от епидермиса, който е изграден от различни клетъчни слоеве тъкани, дермата включва основно извънклетъчния матрикс (ECM), безклетъчен компонент. Тази безклетъчна матрица се формира главно от колагенови влакна, които съставляват 75 процента от сухото тегло на кожата и предлагат пластична здравина и еластичност [11]. Освен колаген, ECM протеините включват еластин и гликопротеини, които съдържат потните пори и космените фоликули и приютяват лимфната, съдовата и невронната системи [9]. Третият слой, хиподермата, съдържа мастни клетки (адипоцити), пренаредени в мастни лобули, които образуват рехава съединителна тъкан [12].

Кожата изпълнява широк спектър от функции. Той предлага химическа и физическа защита на тялото срещу външни наранявания като патогени, UV радиация, химически заплахи, дехидратация и температурни колебания [8]. Той също така осигурява водно-електролитен баланс (потни жлези и епидермална бариера) и терморегулация (терморецептори) и участва в имунния отговор (свързани с кожата лимфоидни тъкани (SALT)). Наличието на нервни окончания, като телцата на Майснер, Пачиниан и Руфини, заедно с луковиците на Краузе и клетките на Меркел, придава сензорна функция на кожата. Друга важна функция е свързана с хомеостазата, метаболизма, съхранението, селективната абсорбция и елиминирането на вещества [12]. Освен тези биологични функции, кожата играе роля във физическата привлекателност (Фигура 1) [9].

2.2. Стареене на кожата

Стареенето на кожата е един от най-честите дерматологични проблеми, засягащи човешката кожа. Обикновено се характеризира със загуба на еластичност и тонус на кожата, поява на фини бръчки и старчески петна и невъзможност за възстановяване на рани. Стареенето на кожата е многофакторен процес, движен както от вътрешни (генетичен фон, хормони, време и т.н.), така и от външни (замърсяване, излагане на UV радиация и т.н.) фактори [15]. Биологично се характеризира с епидермални и дермално-епидермални промени във връзката, заедно с цялостно разграждане на дермалната извънклетъчна матрица. Последното се причинява най-вече от промени в колагеновите и еластиновите влакна [16]. Стареенето на кожата може да се появи поради времето (хронологично стареене в резултат на вътрешни фактори) или фотостареене (фотостареене на кожата поради външни фактори). Хронологичното стареене води до намаляване на дермалните и епидермалните слоеве, намаляване на броя на нервните окончания и производството на полови хормони, което води до загуба на чувствителност. Този процес на стареене на кожата възниква най-вече поради свръхнатрупването на реактивни кислородни видове (ROS). Като цяло е установено, че 1,5-5% от кислорода, консумиран от клетките, се трансформира чрез вътрешни процеси в ROS [8]. ROS могат да бъдат произведени в митохондриите (кератиноцити и фибробласти), ендоплазмения ретикулум (цитохром P450) и цитозола (ROS, произведени от метаболизма на арахидоновата киселина) [17]. Производството на ROS може да бъде предизвикано от свръхекспресията на интерлевкини. Освен увеличаването на производството на ROS, стареенето на кожата също е свързано с високата и ниската експресия на матрични металопротеинази (MMPs) и MMP инхибитори (TIMP), съответно. Доказано е, че вариациите в експресията на тези специфични протеинази са свързани с вариациите в количеството на ROS. Повишените количества ROS водят до регулиране на активиращия протеин -1 (AP-1), което от своя страна подтиква разграждането на колагена от MMP и задейства активирането на ядрен фактор kappa B (NF-κB ) и набор от възпалителни реакции [8].

Стареенето на кожата е по-изразено при фотостарееща кожа с по-дълбоки бръчки, по-забележима загуба на еластичност и груба текстура на кожата [8]. Различни клетъчни стресори участват в този физиологичен процес като (i) промени в организацията на хроматина, (ii) скъсяване на теломерите, (iii) митохондриална дисфункция, (iv) онкогенно активиране (v) епигенетични нишки, (vi) възпаление и (vii) ) имуносупресия [15,18]. Оксидативният стрес, предизвикан от UVR, е основната причина за фотостареенето. Излагането на кожата на UV радиация предизвиква активиране на невроендокринната система. Това активиране става или чрез химични медиатори, или чрез нервно предаване [8]. В допълнение, оста хипоталамус-хипофиза-надбъбречна (HPA) също се активира чрез фотостареене, което води до индуциране на хомеостатични реакции за облекчаване на увреждането. Индуцираното от UV-R увреждане на ДНК възниква поради дисбаланс на ROS, което води до производството на специфичен маркер за окислително увреждане на ДНК, 8-хидрокси-2′-дезоксигуанозин (8-OH-dG ) [19]. В допълнение, други маркери, като интерлевкин -6 (IL-6), фактор на туморна некроза (TNF-) и ензими циклооксигеназа, също се активират от ROS. На нивото на генна експресия, натрупването на ROS задейства експресията на NF-κB и експресията на индуцируема синтаза на азотен оксид (iNOS), която улеснява хиперпропускливостта и ангиогенезата чрез регулиране на васкуларния ендотелен растежен фактор (VEGF) [20]. Освен NF-κB, митоген-активирани протеин кинази (MAPKs) също се активират, като по този начин се увеличава транскрипцията на MMP ген. Повишаването на MMP гените влияе отрицателно върху хомеостазата на ECM и задейства разграждането на еластин и колаген [8].

3. Биоактивни съединения от растителен произход със свойства против стареене

Биоактивните съединения с растителен произход (PDBCs), произтичащи от растителния метаболизъм, обикновено показват антиоксидантни, противовъзпалителни и антибактериални свойства и също така имат обещаващи свойства против стареене [21, 22]. Обикновено известни като вторични метаболити, PDBC са химически елементи, които не участват пряко в нормалните процеси на растеж на растенията [21]. Те обикновено се произвеждат в отговор на ограниченията на околната среда като защита срещу хищници, патогени или UV радиация; за междувидова конкуренция между видовете; или за подпомагане на възпроизводството (феромони, оцветители и привлекателни миризми) [23]. Тези естествени съединения могат да бъдат разделени на витамини (витамини С и Е), полифеноли (флавоноиди, фенолни киселини, стилбени и лигнани) и терпеноидни групи [24].

3.1. Основните производствени пътища за биоактивни съединения от растителен произход

Биоактивните съединения с растителен произход показват значителни биологични активности. Векове наред тези високоценни молекули се извличат от растения, събрани от природата. Въпреки това, като се има предвид ниският добив на тези молекули, се появиха няколко алтернативи с развитието на синтетичната химия, откриването на микробно и гъбично инженерство (хетероложно производство) и развитието на техники за растителна тъканна култура. Търговската доставка на PDBC обикновено е основен проблем, свързан с наличността на съединенията. Например, широко се признава, че появата на вторични метаболити често е ограничена до по-малко от 1 процент от сухото тегло на растението [25,26]. По този начин естествената реколта обикновено е непрактична, тъй като не може да достави достатъчни количества от желаното съединение [27]. Например, средно 1 kg боровинки са необходими за производството на 38 mg кверцетин-3-глюкозид [28]. Естествената реколта може също да бъде ограничена от сезонната наличност на растителен материал, темповете на растеж и развитие и изобилието на видове в природата [29]. Освен ниския производствен добив на биоактивни съединения, получени от естествена реколта, производството на тези ценни съединения от растенията обикновено не е задоволително, тъй като тяхното производство може в някои случаи да бъде предизвикано само при специфични условия или по време на специфичен за растението етап на развитие [30]. ,31].

Химическият синтез може също да бъде предложен като алтернативен подход за производство на някои биоактивни съединения като каротеноиди. Химическият синтез на астаксантин струва средно 1000 USD/kg, което е повече от цената на естествената реколта от Haematococcus pluvialis [32,33]. Този алтернативен производствен път обаче показва проблемите, свързани със строгите условия на участващите химични реакции и производството на нежелани странични продукти и странични продукти [34,35].

Друг производствен път се появи с откриването и развитието на микробната и гъбична биотехнология. Тази технология, наричана още хетероложно производство, разчита най-вече на използването на микроорганизми като дрожди, гъбички или бактерии. Чрез този процес няколко молекули, сред които ресвератролът, вторичен метаболит, известен със своя голям медицински и козметичен потенциал (против стареене), бяха успешно произведени в големи количества с помощта на генетично модифицирани микробни гостоприемници, като Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli и Lactococcus lactis или рекомбинантни дрожди като Saccharomyces cerevisiae [36–39]. Ресвератролът се произвежда от растенията в различни количества, като 0.36 mg/kg от плодовете на Vinifera на Viti, 1 mg/kg от корените на Ampelopsis japonica и 7,95 mg/kg от надземните части на Morus alba [40], но остава по-нисък от докладвания при използване на рекомбинантни микроорганизми. Например, производството на ресвератрол може да достигне 812 mg/L или 2,34 g/L при използване съответно на рекомбинантни дрожди или бактерии [37,41]. Обърнете внимание, че успехът на хетероложното производство зависи от познаването и разбирането на биосинтетичните пътища на желаните биоактивни съединения, въпреки че молекулярната каскада, участваща в биосинтезата на няколко биоактивни съединения, вече е характеризирана. Основните ограничения на тази технология обаче са свързани с ниската активност на растителни ензими в микробните гостоприемници (дрожди, бактерии или гъбички), заедно с ниското предлагане на прекурсори. Следователно трябва да се проведат допълнителни проучвания за идентифициране на най-добрите кандидат ензими и оптималните условия, които позволяват превръщането на метаболитните междинни продукти в желаните продукти, което ще избегне натрупването на междинни молекули в микробните гостоприемници [35].

Освен хетероложното производство, техниките за растителна in vitro култура са предложени като устойчива алтернатива за производство на растителни биоактивни съединения. Тези техники предлагат редица предимства в сравнение с използването на цели растения, главно (i) отстраняване на патогени, (ii) увеличаване на производството чрез използването на биореактор, след като процесът на култивиране е добре овладян, което може ефективно да намали оперативни разходи и (iii) лесно пречистване и обработка на естествени продукти [42,43]. По този начин, на тази основа, наскоро бяха използвани техники за растителна тъканна култура за получаване на биоактивни съставки. Няколко примера подчертаха ефективността на тези техники като производството на таксол, подофилотоксин, фитоен или берберин от клетъчни култури Taxus sp., Podophyllum hexandrum, Citrus sinensis и Coptis japonica [44–47].

3.2. Дермо-протективно действие на антиоксиданти от растителен произход

Фотозащитните продукти, получени от PDBC, привличат все по-голямо внимание през последните десетилетия, тъй като те могат да предотвратят оксидативен стрес, увреждане от UVA радиация и рак на кожата. Естествените антиоксиданти, включително полифеноли, флавоноиди, витамин С и витамин Е, напоследък се използват в слънцезащитни продукти и формулиране на козметика поради техните високи антиоксидантни свойства, които могат да образуват защитна бариера срещу UV радиация. Таблици 1 и 2 обобщават най-уместните изследвания, проведени съответно върху човешки и миши клетъчни линии, за изследване на дермозащитните ефекти на етерични масла, растителни екстракти и екстракти, получени от растителни тъканни култури.

4. Техники за култивиране на растителни тъкани за производство на ценни антиоксиданти

Растителните in vitro култури могат да се използват като естествени източници на антиоксиданти [25]. С помощта на тези културни системи могат да се произвеждат антиоксидантни молекули в големи количества, независимо от условията на околната среда. Могат да се използват няколко in vitro подхода като микроразмножаване, in vitro коренови култури (космати корени) или суспензии от калус и клетки.

4.1. Случайни корени и космати корени

Добре установено е, че in vivo корените произвеждат в повечето случаи повече фитохимични вещества, отколкото други растителни органи. На тази основа е разработена in vitro технология, базирана на коренова култура, за производство на фармацевтични вторични метаболити [76]. In vitro, случайните корени осигуряват способността за производство на метаболит за продължителен период от време в системите за култивиране на растения in vitro, без да се губи генетична стабилност. Това изключително свойство се дължи на силно диференцирания характер на кореновите култури in vitro [77]. Могат да се разграничат две различни коренови култури: нетрансформирани и трансформирани космати коренови култури. Нетрансформираните корени могат да бъдат получени чрез експлантни култури в присъствието на специфични фитохормони, които е по-вероятно да бъдат ауксини като индол-маслена киселина (IBA), индол-3-оцетна киселина (IAA) или нафталин оцетна киселина (NAA) ) самостоятелно или в някои случаи се комбинират с цитокинини [78]. За разлика от нетрансформираните коренови култури, трансформираните култури се развиват чрез инокулиране на растителни експланти с Agrobacterium rhizogenes. Трансформирани космати корени са получени от много видове едносемеделни и двусемеделни растения. Успехът на този метод се дължи най-вече на Т-ДНК региона в Ri плазмида на Agrobacterium, който играе решаваща роля в ефективното въвеждане на чужда или външна ДНК в ядрения геном на растителната клетка гостоприемник [77]. Установено е, че процесът на инфекция е свързан със съществуването на rol гени в Т-ДНК региона. Ролевите гени включват гените rolA, rolB и rolC и отчитат индуцирането на биосинтеза на вторичен метаболит, като rolB е най-мощният сред трите гена [79]. Технологията на трансформация предлага възможността за въвеждане на чужд ген, кодиращ за терапевтични ензими на растителния вторичен метаболитен път, в растителните клетки, за да се повиши производството на специфичен метаболит [77,79]. Някои изследвания съобщават за успеха на тази технология при производството на представляващи интерес молекули. Производството на розмаринова киселина беше успешно постигнато с помощта на трансформирани космати корени, получени от издънкова култура на Salvia officinalis, трансфектирана с Agrobacterium rhizogenes A4 и ARCC 15834 щамове [80]. Розмариновата киселина също се произвежда от елитни космати корени, получени чрез медиирана от Agrobacterium rhizogene трансформация на растения Ocimum basilicum и Dracocephalum Moldavia [81,82]. Произведеното количество розмаринова киселина е леко променливо в рамките на вида, вариращо между 76,41 mg/g DW, получено с помощта на културата на космат корен на Ocimum basilicum, и 78,05 mg/g DW, регистрирано с помощта на корени, трансформирани с rhizogene на Dracocephalum Moldavia A. [81,82] . Производството на розмаринова киселина е изследвано преди това от Shekarchi et al. (2012) в 21 вида растения, принадлежащи към семейство Labiatae, които са отглеждани в природата [83]. Авторите показват, че съдържанието на розмаринова киселина варира между 0 и 58,8 mg/g DW за различни видове, което е по-ниско от стойностите, получени при използване на трансформирани космати корени. Производственият добив при използване на тази система за култивиране in vitro е по-висок от този, произведен при използване на култивирани in vivo корени, което осигурява жизнеспособна алтернатива за мащабно производство на съединения с висока стойност.

Широко установено е, че химичните съединения, секретирани от корените, представляват резервоар от защитни молекули, използвани от растенията, за да подобрят естествените си защитни механизми и да се предпазят от патогенни атаки [84]. Много космати коренови култури са привлекли забележително внимание поради техните фитохимични съединения с висока стойност като ресвератрол от Arachis hypogaea, индолови алкалоиди от Catharanthus roseus, артемизинин от Artemisia annua и камптотецин от Camptotheca acuminata или Ophiorrhiza pumila [85]. Sena и др. (2018) съобщават за наличието на глюкозинолати, хидроксиканелени киселини и техните глюкозидни производни в културите от корени на Brassica rapa. Екстрактът, извлечен от хидроалкохолен, показва мощна антимеланогенна активност, силно инхибиране на вътреклетъчната активност на тирозиназата и значително намаляване на съдържанието на меланин в първичните меланоцити. Тази антимеланогенна активност е сравнима с инхибиращия потенциал на добре известното синтетично лекарство, инхибиращо тирозиназата, коджикова киселина [71]. В допълнение, гликопротеиновият препарат, получен от същите култури от космати корени на Brassica rapa, показва подобна хипопигментирана активност и намалява натрупването на меланин чрез отрицателната регулация на активността на тирозиназата. Той също така се намесва в каскадата на сигналната трансдукция на меланогенезата и регулира експресията на транскрипционния фактор, свързан с микрофталмията, който е известен като ключов регулатор на синтеза на меланин [71]. Култури от космат корен на Panax ginseng, свръхекспресиращи гена PAP1 (производство на антоцианинов пигмент 1), показват увеличено производство на полифенолни съединения, включително антоцианин [85]. Освен това, хидроалкохолните екстракти, получени от трансформираните космати коренови култури, показват изключителни дермозащитни свойства, със силно инхибиращо действие срещу ензимите еластаза и тирозиназа [70, 86].

【За повече информация:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】