Абстрактный:Растения являются основным источником биоактивных соединений, которые можно использовать для приготовления косметических продуктов. Экстракты растений обладают многочисленными доказанными преимуществами для здоровья, среди которых антивозрастные и ухаживающие за кожей свойства. Однако с ростом спроса на косметические продукты растительного происхождения существует важная предпосылка для создания альтернативных подходов к традиционным методам, чтобы обеспечить достаточное количество биомассы для устойчивого производства. Методы культивирования тканей растений, такие как культуры корней in vitro, микроразмножение или каллогенез, дают возможность производить значительные количества биологически активных соединений независимо от внешних факторов, которые могут влиять на их продукцию. Это производство также может быть значительно увеличено с применением других биотехнологических подходов, таких как выявление, метаболическая инженерия, питание предшественниками и/или питательными веществами, иммобилизация и пермеабилизация. Эта работа была направлена ​​на оценку потенциала биотехнологических инструментов для производства биоактивных соединений с акцентом на биологически активные соединения с антивозрастными свойствами, которые можно использовать для разработки космецевтических продуктов с зеленой этикеткой. Кроме того, рассматриваются некоторые примеры, демонстрирующие использование методов культивирования растительных тканей для производства ценных биоактивных ингредиентов для космецевтических применений, демонстрируя важность этих инструментов и подходов для устойчивого производства косметических продуктов растительного происхождения.

Гликозид цистанхе также может повышать активность СОД в тканях сердца и печени и значительно снижать содержание липофусцина и МДА в каждой ткани, эффективно удаляя различные активные кислородные радикалы (ОН-, Н₂О₂ и др.) и защищая от повреждения ДНК, вызванного ОН-радикалами. Цистанхефенилэтаноидные гликозиды обладают сильной акцепторной способностью свободных радикалов, более высокой восстановительной способностью, чем витамин С, улучшают активность СОД в суспензии сперматозоидов, снижают содержание МДА и оказывают определенное защитное действие на функцию мембран сперматозоидов. Полисахариды цистанхе могут усиливать активность СОД и GSH-Px в эритроцитах и ​​тканях легких экспериментально стареющих мышей, вызванную D-галактозой, а также снижать содержание МДА и коллагена в легких и плазме, повышать содержание эластина, хороший очищающий эффект на DPPH, продлевает время гипоксии у стареющих мышей, улучшает активность SOD в сыворотке и задерживает физиологическую дегенерацию легких у экспериментально стареющих мышей Эксперименты с клеточной морфологической дегенерацией показали, что Cistanche обладает хорошей антиоксидантной способностью и потенциально может стать лекарством для профилактики и лечения заболеваний кожи, вызывающих старение. В то же время эхинакозид в цистанхе обладает значительной способностью улавливать свободные радикалы DPPH и может улавливать активные формы кислорода, предотвращать вызванную свободными радикалами деградацию коллагена, а также оказывает хорошее восстанавливающее действие на повреждение анионов свободных радикалов тимина.

Нажмите «Как принимать цистанхе».

【Для получения дополнительной информации:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

1. Введение

Мировая косметическая индустрия переживает стремительный рост в связи с повышением осведомленности о красоте и растущим интересом к косметическим средствам, средствам защиты кожи и косметическим продуктам. С расширением этого прибыльного сектора среди потребителей появилась новая тенденция к использованию натуральных, устойчивых и экологически чистых косметических продуктов вместо синтетических, что привело к увеличению мирового рынка растительных экстрактов [1]. Например, размер этого рынка оценивался в 10,19 млрд долларов США в 2021 году и, как ожидается, вырастет в геометрической прогрессии до 22,49 млрд долларов США в 2030 году [2,3]. Этот большой интерес оправдан выдающимися терапевтическими свойствами растительных экстрактов с отсутствием или небольшим количеством побочных эффектов [4].

Растения всегда были основным источником биоактивных ингредиентов с широким спектром применения. Они доказали свою пользу для здоровья и хорошего самочувствия, в том числе обеспечивают антиоксидантами и защищают от ультрафиолетового излучения, а также обладают свойствами против морщин, рака, омолаживающими и изменяющими кожу свойствами (отбеливающими, увлажняющими или успокаивающими) [5]. Однако из-за большого спроса на косметические продукты растительного происхождения в настоящее время некоторые виды растений подвергаются чрезмерной эксплуатации (собираются в большом количестве из их естественной среды обитания) или находятся под угрозой исчезновения. Кроме того, такие проблемы, как медленный рост, сезонный сбор урожая, наличие токсичных соединений в их химическом составе и различия в биологически активных соединениях как среди растений, так и от одного урожая к другому, могут быть ограничивающими факторами для их потенциального использования в косметической промышленности. [4]. Эти ограничения можно преодолеть с помощью методов культивирования растительных тканей в сочетании с биотехнологическими инструментами и подходами.

Методы культивирования тканей растений представляют собой привлекательную альтернативу для производства биологически активных соединений. Их можно легко определить как биотехнологические методы, основанные на использовании питательных питательных сред и контролируемых асептических условиях для обеспечения культивирования и развития растительных клеток, тканей и органов [6]. Эта технология обладает многими преимуществами по сравнению с традиционными методами ведения сельского хозяйства, такими как (i) производство вторичных метаболитов, которое происходит независимо от внутренних или внешних факторов, которые могут повлиять на рост и урожайность сельскохозяйственных культур, (ii) выход желаемых фитохимических компонентов за счет обеспечения постоянного производства и (iii) производство в контролируемых условиях, что ограничивает риск загрязнения агрохимикатами (пестицидами, инсектицидами, гербицидами, химическими удобрениями) [7].

На сегодняшний день многие продукты с зеленой этикеткой (продукты растительного происхождения) были разработаны с использованием методов культивирования растительных тканей. Некоторые из них находят применение в косметике, точнее, для лечения старения кожи и кожных заболеваний, возникающих в результате воздействия на кожу внешних агентов [5,8]. Таким образом, основная цель этого всеобъемлющего обзора состоит в том, чтобы предоставить краткий обзор широкого применения методов культивирования растительных тканей и биотехнологических подходов к производству ценных биоактивных соединений, которые можно использовать в рецептурах косметических продуктов, с акцентом на о профилактике кожных заболеваний и антивозрастных молекулах кожи. Обзор также охватывает некоторые примеры косметических составов, которые были запатентованы в течение последнего десятилетия, в которых применялись методы культивирования растительных тканей для получения активных молекул в этих составах.

2. Старение кожи: значение и причины

2.1. Анатомическая структура кожи и основные функции

Кожа является основным органом человеческого тела и составляет одну шестую от общего веса человеческого тела. Кожа анатомически состоит из трех основных слоев: эпидермиса, дермы и гиподермы, также известной как подкожная клетчатка (рис. 1) [9]. Внешний слой (эпидермис) состоит из пяти отдельных слоев: базальный слой (базальный слой), шиповатый слой (шиповатый слой), зернистый слой (зернистый слой), прозрачный слой (блестящий слой) и роговой слой (роговой слой) [10]. . Дерма, представляющая собой срединный слой, неразрывно связана с эпидермисом через базальную мембрану. В отличие от эпидермиса, который состоит из различных клеточных слоев тканей, дерма в основном состоит из внеклеточного матрикса (ECM), бесклеточного компонента. Этот бесклеточный матрикс в основном образован коллагеновыми волокнами, которые составляют 75% сухой массы кожи и обеспечивают пластическую прочность и эластичность [11]. Помимо коллагена, белки ВКМ включают эластин и гликопротеины, которые включают поры пота и волосяные фолликулы и содержат лимфатическую, сосудистую и нейронную системы [9]. Третий слой, гиподерма, содержит жировые клетки (адипоциты), перестроенные в жировые дольки, образующие рыхлую соединительную ткань [12].

Кожа выполняет широкий спектр функций. Он обеспечивает химическую и физическую защиту организма от внешних повреждений, таких как патогены, УФ-излучение, химические угрозы, обезвоживание и колебания температуры [8]. Он также обеспечивает водно-электролитный баланс (потовые железы и эпидермальный барьер) и терморегуляцию (терморецепторы) и участвует в иммунном ответе (кожно-ассоциированные лимфоидные ткани (SALT)). Наличие нервных окончаний, таких как тельца Мейснера, Пачини и Руффини, наряду с луковицами Краузе и клетками Меркеля, придает коже сенсорную функцию. Другая важная функция связана с гомеостазом, метаболизмом, хранением, избирательным всасыванием и выведением веществ [12]. Помимо этих биологических функций, кожа играет роль в обеспечении физической привлекательности (рис. 1) [9].

2.2. Старение кожи

Старение кожи является одной из наиболее распространенных дерматологических проблем, влияющих на кожу человека. Он обычно характеризуется потерей эластичности и тонуса кожи, появлением мелких морщин и пигментных пятен, а также неспособностью заживлять раны. Старение кожи представляет собой многофакторный процесс, обусловленный как внутренними (генетический фон, гормоны, время и др.), так и внешними (загрязнение, воздействие УФ-излучения и др.) факторами [15]. Биологически он характеризуется изменениями эпидермиса и дермо-эпидермального соединения, а также общей деградацией дермального внеклеточного матрикса. Последнее в основном вызвано изменениями коллагеновых и эластиновых волокон [16]. Старение кожи может происходить из-за времени (хронологическое старение в результате внутренних факторов) или фотостарения (фотостарение кожи из-за внешних факторов). Хроническое старение вызывает сокращение дермального и эпидермального слоев, уменьшение количества нервных окончаний, выработку половых гормонов, что приводит к потере чувствительности. Этот процесс старения кожи происходит в основном из-за чрезмерного накопления активных форм кислорода (АФК). В целом установлено, что 1,5–5% потребляемого клетками кислорода трансформируется внутренними процессами в АФК [8]. АФК могут продуцироваться в митохондриях (кератиноциты и фибробласты), эндоплазматическом ретикулуме (цитохром Р450) и цитозоле (АФК, образующиеся в результате метаболизма арахидоновой кислоты) [17]. Производство АФК может быть вызвано гиперэкспрессией интерлейкинов. Помимо увеличения продукции АФК, старение кожи также связано с высокой и низкой экспрессией матриксных металлопротеиназ (ММП) и ингибиторов ММП (ТИМП) соответственно. Доказано, что вариации экспрессии этих специфических протеиназ связаны с вариациями количества АФК. Повышенное количество АФК приводит к усилению активности белка-активатора -1 (AP-1), что, в свою очередь, вызывает деградацию коллагена с помощью ММР и запускает активацию ядерного фактора каппа-В (NF-κB). ) и комплекс воспалительных реакций [8].

Старение кожи более выражено при фотостарении кожи с более глубокими морщинами, более заметной потерей эластичности и огрубевшей текстурой кожи [8]. В этот физиологический процесс вовлечены различные клеточные стрессоры, такие как (i) изменения в организации хроматина, (ii) укорочение теломер, (iii) митохондриальная дисфункция, (iv) активация онкогена, (v) эпигенетические нити, (vi) воспаление и (vii) ) иммуносупрессия [15,18]. Окислительный стресс, вызванный УФИ, является основной причиной фотостарения. Воздействие УФ-излучения на кожу вызывает активацию нейроэндокринной системы. Эта активация происходит либо с помощью химических медиаторов, либо посредством передачи по нервам [8]. Кроме того, ось гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая (ГГН) также активируется при фотостарении, что приводит к индукции гомеостатических реакций для облегчения повреждения. Индуцированное УФ-Р повреждение ДНК происходит из-за дисбаланса АФК, что приводит к выработке специфического маркера окислительного нарушения ДНК, 8-гидрокси-2'-дезоксигуанозина (8-OH-dG ) [19]. Кроме того, другие маркеры, такие как интерлейкин-6 (IL-6), фактор некроза опухоли (TNF-) и ферменты циклооксигеназы, также активируются АФК. На уровне экспрессии генов накопление АФК запускает экспрессию NF-κB и экспрессию индуцибельной синтазы оксида азота (iNOS), что способствует гиперпроницаемости и ангиогенезу за счет усиления фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) [20]. Помимо NF-κB, также активируются митоген-активируемые протеинкиназы (MAPK), тем самым увеличивая транскрипцию гена MMP. Активация генов MMP негативно влияет на гомеостаз ECM и запускает деградацию эластина и коллагена [8].

3. Биоактивные соединения растительного происхождения с антивозрастными свойствами

Биоактивные соединения растительного происхождения (PDBC), возникающие в результате метаболизма растений, обычно проявляют антиоксидантные, противовоспалительные и антибактериальные свойства, а также обладают многообещающими свойствами против старения [21,22]. Обычно известные как вторичные метаболиты, PDBC представляют собой химические элементы, которые не принимают непосредственного участия в нормальных процессах роста растений [21]. Обычно они производятся в ответ на ограничения окружающей среды для защиты от хищников, патогенов или ультрафиолетового излучения; для межвидовой конкуренции между видами; или для помощи в размножении (феромоны, красители и привлекательные запахи) [23]. Эти природные соединения можно разделить на витамины (витамины С и Е), полифенолы (флавоноиды, фенольные кислоты, стильбены и лигнаны) и терпеноидные группы [24].

3.1. Основные пути производства биоактивных соединений растительного происхождения

Биоактивные соединения растительного происхождения проявляют значительную биологическую активность. На протяжении веков эти ценные молекулы извлекались из растений, собранных в природе. Однако, учитывая низкую производительность производства этих молекул, с развитием синтетической химии, открытием микробной и грибковой инженерии (гетерологичное производство) и развитием методов культивирования тканей растений появилось несколько альтернатив. Коммерческие поставки PDBC обычно представляют собой серьезную проблему, связанную с доступностью соединений. Например, широко признается, что появление вторичных метаболитов часто ограничивается менее чем 1 процентом от сухой массы растения [25,26]. Таким образом, естественный сбор обычно нецелесообразен, поскольку он не может обеспечить достаточное количество желаемого соединения [27]. Например, для производства 38 мг кверцетин-3-глюкозида требуется в среднем 1 кг черники [28]. Естественный урожай также может быть ограничен сезонной доступностью растительного материала, темпами его роста и развития, а также обилием видов в природе [29]. Помимо низкого выхода биоактивных соединений, полученных из природного урожая, производство этих ценных соединений растениями обычно неудовлетворительно, поскольку их производство в некоторых случаях может быть индуцировано только в определенных условиях или на стадии развития растений [30]. ,31].

Химический синтез также может быть предложен в качестве альтернативного подхода к получению некоторых биоактивных соединений, таких как каротиноиды. Химический синтез астаксантина стоит в среднем 1000 долларов США/кг, что больше, чем стоимость естественного урожая Haematococcus pluvialis [32,33]. Однако этот альтернативный производственный маршрут показывает проблемы, связанные со строгими условиями вовлеченных химических реакций и производством нежелательных побочных продуктов и побочных продуктов [34,35].

Еще один путь производства появился с открытием и развитием микробной и грибковой биотехнологии. Эта технология, также называемая гетерологичным производством, в основном основана на использовании микроорганизмов, таких как дрожжи, грибки или бактерии. Благодаря этому процессу несколько молекул, среди которых ресвератрол, вторичный метаболит, известный своим большим лечебным и косметическим потенциалом (против старения), были успешно получены в больших количествах с использованием генетически модифицированных микробов-хозяев, таких как Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli и Lactococcus lactis или рекомбинантные дрожжи, такие как Saccharomyces cerevisiae [36–39]. Ресвератрол вырабатывается растениями в различных количествах, например 0,36 мг/кг из плодов Viti's vinifera, 1 мг/кг из корней Ampelopsis japonica и 7,95 мг/кг из надземных частей Morus alba [40], но остается ниже, чем при использовании рекомбинантных микроорганизмов. Например, производство ресвератрола может достигать 812 мг/л или 2,34 г/л при использовании рекомбинантных дрожжей или бактерий соответственно [37,41]. Обратите внимание, что успех гетерологичного производства зависит от знания и понимания путей биосинтеза желаемых биоактивных соединений, даже несмотря на то, что молекулярный каскад, участвующий в биосинтезе нескольких биоактивных соединений, уже охарактеризован. Однако основные ограничения этой технологии связаны с низкой активностью ферментов растительного происхождения в микробах-хозяевах (дрожжах, бактериях или грибках), а также с низким запасом прекурсоров. Таким образом, необходимо провести дальнейшие исследования для определения лучших ферментов-кандидатов и оптимальных условий, которые позволяют превращать промежуточные продукты метаболизма в желаемые продукты, что позволит избежать накопления промежуточных молекул в микробных хозяевах [35].

Помимо гетерологичного производства, методы культивирования растений in vitro были предложены в качестве устойчивой альтернативы для производства биоактивных соединений растительного происхождения. Эти методы предлагают ряд преимуществ по сравнению с использованием целых растений, в основном (i) удаление патогенов, (ii) увеличение производства за счет использования биореактора, как только процесс культивирования будет хорошо освоен, что может эффективно сократить эксплуатационные расходы и (iii) простота очистки и переработки натуральных продуктов [42,43]. Таким образом, на этой основе в последнее время для получения биоактивных ингредиентов стали использовать методы культивирования растительных тканей. Несколько примеров подчеркивают эффективность этих методов, таких как производство таксола, подофиллотоксина, фитоина или берберина из культур клеток Taxus sp., Podophyllum hexandrum, Citrus sinensis и Coptis japonica [44–47].

3.2. Кожно-защитное действие антиоксидантов растительного происхождения

Фотозащитные продукты, полученные из PDBC, в последние десятилетия привлекают все большее внимание, поскольку они могут предотвращать окислительный стресс, повреждение от УФА-излучения и рак кожи. Природные антиоксиданты, в том числе полифенолы, флавоноиды, витамин С и витамин Е, недавно стали использоваться в солнцезащитных кремах и в составе косметических средств благодаря их высоким антиоксидантным свойствам, которые могут образовывать защитный барьер от УФ-излучения. В таблицах 1 и 2 обобщены наиболее подходящие исследования, проведенные на клеточных линиях человека и мыши, соответственно, для изучения кожно-защитного действия эфирных масел, растительных экстрактов и экстрактов, полученных из культур тканей растений.

4. Методы культуры тканей растений для производства ценных антиоксидантов

Культуры растений in vitro могут быть использованы в качестве природных источников антиоксидантов [25]. Используя эти системы культивирования, молекулы антиоксидантов могут производиться в больших количествах независимо от условий окружающей среды. Можно использовать несколько подходов in vitro, таких как микроразмножение, культуры корней in vitro (волосатые корни) или каллюсные и клеточные суспензии.

4.1. Придаточные корни и волосатые корни

Точно установлено, что корни in vivo производят в большинстве случаев больше фитохимических веществ, чем другие органы растения. На этой основе была разработана технология производства вторичных метаболитов фармацевтических препаратов на основе культур корней in vitro [76]. In vitro придаточные корни обеспечивают способность к продукции метаболитов в течение длительного периода в системах культивирования растений in vitro без потери генетической стабильности. Это выдающееся свойство обусловлено высокодифференцированной природой культур корней in vitro [77]. Можно выделить две разные культуры корней: нетрансформированные и трансформированные культуры волосовидных корней. Нетрансформированные корни можно получить с помощью культур эксплантов в присутствии специфических фитогормонов, которые, скорее всего, являются ауксинами, такими как индолмасляная кислота (IBA), индол-3-уксусная кислота (IAA) или нафталин-уксусная кислота (NAA). ) отдельно или в некоторых случаях в сочетании с цитокининами [78]. В отличие от нетрансформированных корневых культур, трансформированные культуры получают путем инокуляции эксплантов растений Agrobacterium rhizogenes. Трансформированные волосатые корни были получены от многих видов однодольных и двудольных растений. Успех этого метода в основном связан с областью Т-ДНК в Ri-плазмиде Agrobacterium, которая играет решающую роль в эффективном введении чужеродной или внешней ДНК в ядерный геном клетки растения-хозяина [77]. Было обнаружено, что инфекционный процесс связан с наличием генов rol в области Т-ДНК. Ролевые гены включают гены rolA, rolB и rolC и отвечают за индукцию биосинтеза вторичных метаболитов, при этом rolB является наиболее мощным среди трех генов [79]. Технология трансформации предлагает возможность введения чужеродного гена, кодирующего ферменты пути вторичного метаболита терапевтического растения, в растительные клетки для повышения продукции специфического метаболита [77,79]. В некоторых исследованиях сообщается об успехе этой технологии в производстве интересующих молекул. Производство розмариновой кислоты было успешно достигнуто с использованием трансформированных волосовидных корней, полученных из культуры побегов Salvia officinalis, трансфицированных штаммами Agrobacterium rhizogenes A4 и ARCC 15834 [80]. Розмариновая кислота также была получена из элитных волосатых корней, полученных путем опосредованной Agrobacterium rhizogene трансформации растений Ocimum basilicum и Dracocephalum Moldavia [81,82]. Количество продуцируемой розмариновой кислоты незначительно варьировало в пределах вида: от 76,41 мг/г DW, полученного с использованием культуры волосатых корней Ocimum basilicum, до 78,05 мг/г DW, зарегистрированного с использованием корней Dracocephalum Moldavia A. rhizogene, трансформированных [81,82]. . Производство розмариновой кислоты ранее исследовалось Shekarchi et al. (2012) у 21 вида растений семейства губоцветных, выращенных в природе [83]. Авторы показали, что содержание розмариновой кислоты колебалось от 0 до 58,8 мг/г сухой массы для разных видов, что было ниже значений, полученных с использованием трансформированных волосовидных корней. Выход продукции с использованием этой системы культивирования in vitro был выше, чем при использовании корней, культивируемых in vivo, что обеспечивает жизнеспособную альтернативу для увеличения производства ценных соединений.

Широко установлено, что химические соединения, выделяемые корнями, представляют собой резервуар защитных молекул, используемых растениями для усиления своих естественных защитных механизмов и защиты от патогенных атак [84]. Многие культуры волосатых корней привлекли внимание благодаря своим ценным фитохимическим соединениям, таким как ресвератрол из Arachis hypogaea, индольные алкалоиды из Catharanthus roseus, артемизинин из Artemisia annua и камптотецин из Camptotheca acuminata или Ophiorrhiza pumila [85]. Сена и др. (2018) сообщили о наличии глюкозинолатов, гидроксикоричных кислот и их глюкозидных производных в культурах волосатых корней Brassica rapa. Водно-спиртовой экстракт показал мощную антимеланогенную активность, сильное ингибирование активности внутриклеточной тирозиназы и значительное снижение содержания меланина в первичных меланоцитах. Эта антимеланогенная активность была сравнима с ингибирующим потенциалом хорошо известного синтетического препарата, ингибирующего тирозиназу, койевой кислоты [71]. Кроме того, гликопротеиновый препарат, полученный из тех же культур волосовидных корней Brassica rapa, проявлял сходную гипопигментную активность и уменьшал накопление меланина за счет негативной регуляции активности тирозиназы. Он также вмешивался в каскад передачи сигналов меланогенеза и регулировал экспрессию фактора транскрипции, связанного с микрофтальмом, который известен как ключевой регулятор синтеза меланина [71]. Культуры волосатых корней женьшеня Panax ginseng со сверхэкспрессией гена PAP1 (продукция антоцианинового пигмента 1) показали повышенную продукцию полифенольных соединений, включая антоцианин [85]. Более того, водно-спиртовые экстракты, полученные из трансформированных культур волосатых корней, показали выдающиеся дермопротекторные свойства с сильным ингибирующим действием в отношении ферментов эластазы и тирозиназы [70, 86].

【Для получения дополнительной информации:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】