8717887178Как получают каллусные экстракты. Какие вещества они содержат и какие эффекты изучают в лабораторных и клинических исследованиях. Объясняем различия между растительными клетками, полученными из них ингредиентами и готовым косметическим средством.
Компонент под названием «растительные стволовые клетки» часто встречается в составах современных средств по уходу за кожей и часто пугает пациентов. Однако называть такие клетки «стволовыми» (stem cells) в том смысле, в каком этот термин используют, например, для клеточных культур человека, не совсем точно. На самом деле речь идет о так называемых каллусных культурах — недифференцированной растительной ткани, которую выращивают в лаборатории и превращают в косметический ингредиент. Вместе с канд. биол. наук, председателем правления Российской парфюмерно-косметической ассоциации Татьяной Пучковой разбираемся, что стоит за надписью «стволовые клетки растений» в косметике?
Каллус — это масса клеток, которая образуется у растения в ответ на повреждение или под действием фитогормонов, обычно ауксинов и цитокининов в определенном соотношении. В природе растения используют этот механизм, например, для заживления повреждений стебля, а в лаборатории процесс запускают искусственно, чтобы получить биомассу с заданными свойствами1.
О такой уникальной способности растений восстанавливать себя из мельчайших фрагментов известно давно. Но только во второй половине прошлого века выяснилось, что ее обеспечивают так называемые инициальные клетки. Их содержит особая ткань растений — меристема, сосредоточенная в почках, молодых корешках и проростках. Меристемальные клетки и есть стволовые, то есть клетки-предшественники. Именно из меристематических клеток формируются ткани растения, растут стебли и корни. Поэтому клетки растений, которые используются сегодня в косметике, правильнее называть не стволовыми, а меристемальными.
В процессе деления одна из меристемальных клеток дифференцируется в какой-то определенный вид (это зависит от условий или микроокружения, в которое она попадает). Другая остается унипотентной стволовой. Унипотентность означает, что в дальнейшем из нее может развиться любая клетка растительного организма.
Что заставляет пациентов относиться к стволовым клеткам растений с подозрением?
«Конечно, тут же возникающая ассоциация со стволовыми клетками человека. Сегодня хорошо известно, что на них возлагаются самые большие надежды на избавление от тяжелых хронических заболеваний, восстановление органов, продление молодости. При этом смысл ведущихся исследований в массовом сознании часто сводится к возможности превратить (дифференцировать) эти клетки-предшественники в нечто полезное: сосуды, органы, новую кожу, — говорит Татьяна Пучкова. — В этом контексте “клеткопревращений” потребителей и начинают разъедать сомнения: неужели ученые додумались, как превратить нечто растительное во что-то вполне человеческое? Ну, не орган, конечно, тут все остаются реалистами. А, например, в столь необходимый коже белок коллаген. И как помещенные в баночку с кремом стволовые клетки той же яблони могут “встроиться” в биохимические процессы и обмен веществ человека? В общем, самые фантастические возникают вопросы».
«Это наиболее часто задаваемый вопрос, — продолжает Пучкова. — Первое, что нужно понять, они имеют общее базовое свойство. Это — недифференцированные, то есть одинаковые клетки, которые потом становятся дифференцированными (обладающими характеристиками определенной ткани, например, печени, мозга, кожи). Самое главное, в этих клетках заключен огромный потенциал роста, в них содержится максимальное количество необходимых для обновления веществ. Что же касается особенностей процесса дифференцировки клеток, совместимости с организмом человека, то здесь непаханое поле для исследований, какие-то выводы пока делать рано. Но в любом случае к косметическим средствам эти вопросы не имеют никакого отношения. Дело в том, что сама клеточная масса — растительные клетки целиком — в косметическое средство не идет. Производителей интересуют содержащиеся в ней активные компоненты. Для этого клеточную массу обрабатывают специальным образом, экстрагируя из клеток те вещества, которые необходимы для решения определенных проблем кожи».
Экстракты меристемальных клеток, использующиеся в косметике, получают двумя способами.
Первый предоставила сама природа, сосредоточив эти клетки в точках активного роста растения. Ранней весной собирают почки, проростки, молодые корешки и побеги и свежими их очищают, измельчают и готовят экстракты. Экстрагирующая смесь, в состав которой входят вода, глицерин, спирт, сама по себе является прекрасным консервантом. Поэтому никаких других веществ добавлять в нее не требуется. Полученные этим способом экстракты имеют особую ценность — в них сохраняется целостность межклеточных взаимоотношений и гармоничное сочетание «аутентичных» активно действующих веществ. Но у метода есть один минус — он не дает того выхода биологического материала, который необходим для широкого производства косметики.
Второй путь — биотехнологический. На кусочке растительной ткани — экспланте — делают надрез. В месте повреждения клетки начинают активно делиться, образуя бесцветную клеточную массу — тот самый каллус. Клетки каллуса обладают некоторыми признаками стволовых. Затем каллус помещают в особые жидкие среды, содержащие питательные вещества и стимуляторы, для наращивания биомассы. Завершает цикл гомогенизация клеток, экстракция необходимых компонентов и их стабилизация. После культивирования биомассу отделяют от среды, промывают и перерабатывают. В зависимости от продукта используют лизат клеток, водный или водно-спиртовой экстракт, культуральную жидкость либо выделенную фракцию внеклеточных везикул. Далее следуют фильтрация, концентрирование или лиофилизация, микробиологический контроль и стандартизация. Контролируемые условия выращивания должны снижать разброс в составе по сравнению с обычным растительным сырьем, свойства которого зависят от почвы, климата, сезона сбора и обработки пестицидами.
Основное преимущество биотехнологического способа — возможность получить большие количества стандартизированных экстрактов недифференцированных тканей растений. Но по мере совершенствования биотехнологических процессов, качество таких экстрактов становится все выше. Кроме того, в лаборатории можно контролировать и соотношение ауксинов и цитокининов, их подбирают для конкретного вида и ткани. Оно определяет скорость дедифференцировки, структуру каллуса и переход к суспензионной культуре. При масштабировании контролируют температуру, pH, освещение, аэрацию, перемешивание, концентрацию сахаров и минеральных компонентов среды2,3. В лаборатории можно направленно усиливать и синтез целевых соединений. Для этого применяют биотические элиситоры, например хитозан и компоненты клеточных стенок микроорганизмов, или абиотические сигналы: жасмоновую и салициловую кислоты, свет определенного спектра, ультрафиолетовое облучение, температурный, солевой либо осмотический стресс4.
Однако лабораторный способ получения экстракта имеет свои сложности, что делает конечный продукт достаточно дорогостоящим. Каллусные клетки вне организма растут хаотично, в процессе культивирования постепенно теряют способность к регенерации, являются генетически нестабильными (число и «качество» хромосом в них может сильно различаться).
В отличие от стволовых клеток человека все растительные стволовые клетки способны дифференцироваться в любую из клеток растения. У человека и животных этим свойством обладают только эмбриональные стволовые клетки, и то только на первых этапах процесса деления.
Кроме того, специализированные потомки стволовых клеток легко возвращаются в недифференцированное состояние, чем объясняется свойственное растениям вегетативное размножение.
«В меристемальных клетках растений заложен мощнейший потенциал роста. Это проявляется в высокой концентрации активных веществ. Когда клетки станут дифференцированными и определятся их функции, останутся лишь те вещества, которые для этой функции необходимы. Совокупность активных веществ — это гарантия будущей полноценной жизни растения: его формирования, защиты на стадии “проростка” от неблагоприятных факторов окружающей среды, сохранения генетической информации и синхронизации процессов деления клеток. К этим веществам относятся жирные кислоты, нуклеиновые и аминокислоты, пептиды, витамины и кофакторы, ферменты пролиферативной и антиоксидантной защиты, фитогормоны, антиоксиданты. Открыты целые классы веществ регуляторов, обеспечивающих процессы межклеточного взаимодействия: ауксины, гиббереллины, цитокинины, брассинолиды, жасмонаты, полиамины, пептидные гормоны. Стволовые клетки растений производят большое количество рибонуклеиновых кислот (РНК)», — отмечает Татьяна Пучкова.
Метаболитный профиль каллусной культуры зависит от вида растения, происхождения экспланта, состава среды, возраста культуры, света, элиситации и способа экстракции5,6,9. Конкретные маркеры различаются между культурами. В каллусе яблони Annurca определяли тритерпеновые и фенольные кислоты; в культурах риса — фенольные соединения, аминокислоты и гамма-аминомасляную кислоту; в каллусе груши — уридин, аденозин и гуанозин. Для льна характерны лигнаны и неолигнаны, а для Isodon rugosus — розмариновая кислота и пентациклические тритерпеноиды. Антиоксидантная активность таких экстрактов обычно связана не с одним веществом, а с сочетанием фенольных и других активных соединений (см. таблицу)10.
«Многочисленные исследования показывают, что многие участники и регуляторы процессов роста и жизнеобеспечения растений имеют сходное строение с теми, что есть в организме человека. И даже выполняют сходные функции. Например, в 2003 году группа флорентийских ученых доказала удивительное сходство стероидов растений и человека. Однако когда речь идет об экстрагировании определенных веществ для косметики, полного совпадения не требуется. Возьмем простые молекулы, те же аминокислоты, — объясняет Татьяна Пучкова. — Они одинаковы у растений и человека. Если мы говорим о каких-то биологически активных факторах, гормонах роста, то, как правило, это пептиды: короткие молекулы, которые состоят из нескольких аминокислот. Современные технологии позволяют получить с химической точки зрения совершенно одинаковые соединения. При правильно поставленном “производственном процессе” организму будет все равно, откуда взяты эти вещества. Один из таких примеров — использование гиалуроновой кислоты. Сначала ее выделяли из хрусталика быка, потом — из гребешков неполовозрелых петушков, сейчас практически всю “гиалуронку” получают путем микробиологического синтеза. Когда с ней работает производитель косметики, для него не имеет значения источник происхождения. Главное, чтобы она была качественная и хорошо очищенная».
Таблица. Исследования каллусных культур и связанных с кожей эффектов
| Культура / растение | Характерные компоненты | Что наблюдали | Модель и источник |
| Яблоня Annurca (Malus pumila cv. Miller) | Тритерпеновые и фенольные кислоты | Антиоксидантная активность, снижение воспалительного ответа и защита ДНК в условиях окислительного повреждения | Химические тесты и клеточная модель макрофагов14 |
| Рис (Oryza sativa), три сорта | Фенольные соединения, аминокислоты, ГАМК | Антиоксидантная активность, пролиферация кератиноцитов, подавление коллагеназы, воспалительного ответа и тирозиназы | Биохимические тесты и нормальные эпидермальные кератиноциты15 |
| Эдельвейс (Leontopodium alpinum) | Полифенольная фракция и другие метаболиты экстракта | Снижение УФ-B-индуцированных ROS, COX-2 и iNOS; изменения MMP-2, AQP3 и генов барьера; улучшение показателей морщин, эластичности и плотности кожи | Кератиноциты, фибробласты и 4-недельное исследование средства с участием 21 женщины16 |
| Центелла азиатская (Centella asiatica) | Антиоксидантные соединения экстракта | Защита дермальных фибробластов от H₂O₂, усиление экспрессии антиоксидантных ферментов и подавление MMP-9 | HPTLC/HPLC и первичные фибробласты кожи человека17 |
| Груша (Pyrus pyrifolia) | Уридин, аденозин, гуанозин | Антиоксидантная активность, уменьшение гликации коллагена и эластина, пролиферация клеток, синтез проколлагена I и закрытие царапины | Биохимические тесты, кератиноциты, фибробласты и модель искусственной кожи18 |
| Цитрус юдзу (Citrus junos) | p-Гидроксициннамоил-яблочная кислота | Антиоксидантная активность, подавление тирозиназы и меланогенеза, пролиферация фибробластов, синтез проколлагена и закрытие царапины | Биохимические и клеточные тесты; оценка доставки через эпидермис в нанолипосомах19 |
| Астра йомена (Aster yomena) | Комплекс из 17 идентифицированных метаболитов культуральной жидкости | Снижение УФ-B-индуцированных ROS и цитокинов; подавление эластазы и MMP-1/3/9; поддержка проколлагена и маркеров барьера | УФ-B-модель на кератиноцитах HaCaT20 |
| Лён (Linum usitatissimum) | Лигнаны и неолигнаны | Антиоксидантная активность и подавление коллагеназы, эластазы, гиалуронидазы и тирозиназы; профиль зависел от типа культуры и освещения | UPLC-HRMS и ферментные тесты21 |
Примечание: ROS — активные формы кислорода; MMP — матриксные металлопротеиназы; ГАМК — гамма-аминомасляная кислота.
Для каллусных экстрактов исследуют несколько взаимосвязанных направлений.
Современная наука уже знает, что и растения, и животные в качестве факторов роста используют сходные химические соединения. Однако, по словам Татьяны Пучковой, еще не до конца изучено, как эти физиологически активные соединения работают в организме человека и как проникают сквозь кожу. Пока эта область знаний находится на стадии экспериментов. Тем не менее использование в составе косметических средств растительных клеточных экстрактов перспективно с нескольких точек зрения:
Одно из ключевых направлений развития технологии — более точное управление биосинтезом. Метаболомика, транскриптомика и другие подходы позволяют связать условия культивирования с образованием необходимых молекул. Одновременно развивается автоматический мониторинг pH, содержания кислорода, объема биомассы и спектральных характеристик культуры1—4. Например, при культивировании каллуса эдельвейса светодиодное освещение красной части спектра повышало суммарное содержание фенольных веществ и флавоноидов примерно на 20 %, а выход внеклеточных везикул — в 2,6 раза по сравнению с выращиванием в темноте14.
Меняется и форма косметических ингредиентов. Наряду с цельными клеточными лизатами и экстрактами растет интерес к культуральным супернатантам, внеклеточным везикулам и стандартизированным фракциям. Для защиты лабильных молекул и улучшения их распределения в верхних слоях кожи такие компоненты сочетают с липосомами, твердыми липидными наночастицами и наноструктурированными липидными носителями14. Параллельно развиваются более экологичные способы переработки биомассы, включая водную экстракцию и применение природных растворителей.
Важным направлением остается развитие моделей, позволяющих оценивать действие биологически активных веществ, в том числе каллусных экстрактов, в составе готового косметического средства. Реконструированный эпидермис, трехмерные модели кожи, ткани ex vivo, диффузионные камеры и анализ распределения маркерных соединений помогают определить не только активность экстракта, но также его стабильность, высвобождение из формулы и доступность в различных слоях кожи10.
«Однако самое интересное еще впереди, — считает Татьяна Пучкова. — Если экспериментатор научится варьировать условия деления клеток, он сможет получать стандартизованные экстракты с четко определенными веществами. Например, мы знаем, что какое-то вещество стимулирует рост волос. И сможем направить процесс деления клеток так, что получим именно его. Это реальный путь получения натуральных и эффективных ингредиентов для косметики. Мне в этом подходе нравится красивый симбиоз натуральности и высоких технологий».
Культура клеток каллуса — управляемая растительная клеточная система, в которой можно воспроизводимо наращивать биомассу и управлять синтезом различных соединений.
Практическая ценность технологии связана с возможностью сочетать контролируемое выращивание, целевую настройку метаболизма и получение аналитически стандартизованных партий экстрактов.
Материалы по вашим темам и с удобной частотой — в Телеграм, MAX или на почту.
