Compusi medicinali produsi in celulele plantelor

Introducere

Importanța plantelor ca o sursă de compusi medicinali este larg recunoscut în zilele

noastre, aproximativ 80% din populația lumii depinde de medicina pe bază de plante ca o

asistenta medicala primara, conform Organizatiei Mondiale a Sanatatii (Vines 2004). Acest

lucru determină o presiune considerabilă asupra multor specii, deoarece majoritatea

materialului este colectat din plante sălbatice. La nivel global, aproximativ două treimi din

totalul de 50,000-70,000 specii de plante utilizate în scopuri medicinale sunt colectate din

sălbăticie (Schippmann et al., 2006), și chiar în Europa, doar 10% din speciile medicinale

utilizate în scop comercial sunt cultivate (Vines, 2004). Din păcate, cantitatea limitată de

metaboliți activi din plante, ritmul lent de creștere și distrugerea rezervelor naturale sunt

problemele întâlnite în timpul operațiunii de exploatare a plantelor pentru scopuri medicale.

Astfel, sisteme alternative de producție durabile și regenerabile sunt urgent necesare pentru a

proteja și conserva diversitatea de plante.

Plantele au fost utilizate ca medicamente pentru mii de ani. Morfina, produsa de mac, a fost

izolata pentru prima data din plante în secolul al 19-lea (Samuelsson, 2004). De atunci multe

medicamente importante, cum ar fi artemisinin, atropină, camptotecină, cocaina, codeina,

digoxină, papaverina, pilocarpină și podofilotoxina, au fost descoperite in plante. Drug

Discovery (descoperirea de medicamente) din plante medicinale a jucat un rol important în

special în lupta împotriva cancerului, cu cele mai multe aplicatii clinice de metaboliți

secundari din plante fiind orientate în tratamentul cancerului (Butler, 2004). Informații

furnizate de medicina tradițională a fost de mare valoare pentru descoperirea a numeroase

medicamente noi și sute de moduri farmacologic active pentru modificări sintetice. În prezent,

un număr mare de produse naturale sunt fabricate exclusiv de cantități masive de piese din

plante întregi.(intreaga planta). Producerea metaboliților din plante pe plan farmaceutic este o

țintă pentru aplicarea în practică a culturi de celule de plante de mai multe decenii. Cu toate

acestea, doar câtiva compusi au ajuns la scara de producție comercială, inclusiv shikonin și

paclitaxel.

Prima proteina recombinantă, albumină serică umană, produsă în centrale a fost

raportată în urmă cu aproape 20 de ani (Sijmons și colab., 1990). De atunci, un număr de

proteine recombinante au fost produse în culturi de celule de plante. Primele proteine

recombinante produse în plante pentru a fi comercializate au fost avidina, tripsină și β-

glucuronidază. Dovada-concept a fost, de asemenea, stabilit pentru producția pe bază de

plante de multe proteine terapeutice, inclusiv anticorpi, produse din sânge, citokine, factori de

creștere, hormoni, enzime recombinante și vaccinuri. În prezent, mai multe produse

farmaceutice produse în plante sunt în studiile clinice și se apropie de lansare comercială, în

următorii câțiva ani, insulina și glucocerebrozidaza fiind, probabil, exemplele cele mai

avansate.

Selectarea sistemului de producție

Alegerea sistemului de producție este prima și cea mai importantă decizie ce trebuie să

se facă și depinde în mare măsură de compusul ce urmeaza a fi produs. Având în vedere calea

lungă și costisitoare a producției pana a ajunge pe piață, prin stadii clinice si aprobarea de

reglementari, decizia privind sistemul de producție trebuie să se facă într-un stadiu foarte

timpuriu (Fig. 2.1). ;;;;;;;;

Sistemul de producție poartă un impact de lungă durată, deoarece aceasta afectează

viabilitatea întregului lanț. Procesul de fabricație ales nu poate fi schimbat mai târziu, fără

pierderi economice substanțiale.

Diferitele gazde de producție oferă diferite argumente pro și contra, și acești factori

trebuie să fie evaluati în raport cu proprietățile produsului final și costurile totale de producție.

Figura 2.2 prezintă avantajele prezentate de diferite gazde de producție care urmează să fie

luate în considerare atunci când alegem un sistem de producere a compușilor biomedicali.

Diversi metaboliți secundari din plante sunt utilizati ca substanțe active , ca urmare a

acțiunilor lor fiziologice . Astfel , s-au făcut multe eforturi pentru a-i produce în culturi

celulare vegetale în mediu controlat , în bioreactoare , deoarece acești compuși adesea se

acumulează în cantități foarte mici ( mai puțin de 1 % greutate uscată ) în plante întregi . Mai

mult decât atât , producția și acumularea lor este de obicei specifica unui organ sau sunt

produse numai în stadii de dezvoltare specifice. Mulți compuși farmaceutici derivati din

plante sunt din famili sau chiar specii diferite , ca de exemplu, alcaloizi și terpenoidele. Pe de

altă parte ,aplicatiile de producere a proteinei recombinante au fost efectuat în principal

folosind plante de tutun ca gazde de expresie . Cu toate acestea , de-a lungul dezvoltării

sistemelor de culturi celulare vegetale , culturi celulare de tutun BY-2 ( Nagata și colab . ,

2004) și NT-1 ( Nagata și Kumagai , 1999) au servit ca gazde de producție într- o mare

majoritate a cazurilor .

In plus fata de culturile celulare vegetale, sisteme alternative de producție a

metaboliților secundari și proteine recombinante au fost dezvoltate ca recoltarea și extracția

compușilor doriți din plante întregi sau utilizarea celulelor microbiene ca gazde de producție.

Fig. 2.1. Dezvoltarea de produse farmaceutice de la descoperire la lansare pe piață.

Descoperire (2-10 ani) -- Teste preclinice, Teste de laborator și pe animale -- Dezvoltare

sistemelor de fabricație →Faza I- cu 20-80 voluntari sanatosi, siguranță și dozaj → Faza II

- cu 100-300 de pacienti, eficacitate și efecte secundare → Faza III - cu 1000-5000 de

pacienti, reacție adversă în utilizarea pe termen lung → Aprobare - revizuirea reglementari

→Marketing (timp de redare).

Celulele animale au fost până acum gazda cea mai utilizata in producția de proteină

recombinantă. Pe de altă parte, metaboliți secundari pot fi sintetizati chimic sau prin

semisinteză. Fiecare metodă oferă avantaje și dezavantaje distincte, în funcție de compusul de

interes, iar acest lucru va fi discutat în continuare în secțiunile care urmează.

Producție în gazde microbiene

Datorită dimensiunilor mici a genomului, gradul de complexitate în microorganisme

este semnificativ mai mic decât în celulele plantelor, iar aceasta a generat un interes

considerabil în exploatarea lor în sinteza metaboliților din plante cu valoare ridicata.

Microorganismele au mai puține organite intracelulare, comparativ cu celulele plantelor, și,

astfel, metabolitul și enzimă compartimentare poate fi neglijabil (Leonard et al., 2009). În

plus, exploatarea celulelor microbiene oferă posibilitatea de a utiliza surse de carbon ieftine în

procesele de producție, care permite utilizarea mijloacelor simple, sintetic. Când vine vorba

de cultivarea pe scară largă, celule microbiene sunt mai putin sensibile la stres decat celulele

plantelor, care să permită o selecție mai largă de bioreactoare. Mai mult decât atât, timpul mai

scurt de dublare a celulelor microbiene oferă rate de producție mai rapida.

O producție eficientă a unui medicament de origine vegetală de o mare valoare a fost

realizat cu artemisinin, care este utilizat pentru tratamentul malariei. Cererea la nivel mondial

a dus la deficite severe de surse de artemisinin naturale. Artemisinin nu a fost încă produs cu

succes în celule plantelor sau culturi de țesuturi cu randamente economice. Tehnologia de

producere a artemisininei și derivații ei într-un sistem microbian combinat cu strategiile de

sinteză chimică a fost stabilită prin exprimarea genelor bacteriene, de drojdie și de plante în

Escherichia coli (Chang et al, 2007;.. Hale și colab, 2007) și drojdie (Ro și colab., 2006).

Pentru a ilustra importanța acestui tip de dezvoltare a tehnologiei, Fundația Bill și Melinda

Gates a acordat 42.6 milioane dolari de fonduri în 2004, la această abordare biologia sintetică,

cu scopul de a obține artemisinin semi-sintetic în țările sărace din Asia și Africa până în 2012.