Cultivo de células vegetales como tecnología emergente para la producción de ingredientes cosméticos activos

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Vasil Georgiev1,2Anton Slavov2Ivelina Vasileva2Atanas Pavlov1,3

Plantassiempre han sido la principal fuente de ingredientes cosméticos activos, con efectos beneficiosos para la salud comprobados en humanos, como antienvejecimiento, antioxidante, antiinflamatorio, protector UV, anticancerígeno, antiarrugas, suavizante de la piel, blanqueador, humectante, etc. Extractos de hierbas, aromáticos y/o medicinalesplantashan sido ampliamente utilizados como ingredientes activos efectivos encosmecéuticoso nutricosméticos, especialmente en productos de aplicación tópica y formulaciones para el cuidado de la piel. Sin embargo, durante la última década, ha habido un interés creciente por los ingredientes cosméticos activos derivados del cultivo de células vegetales. Estos son "nueva generación" de productos naturales de alta calidad, producidos por los métodos modernos de biotecnología plan, que generalmente mostraron actividades más fuertes que los extractos de plantas obtenidos por los métodos clásicos. En esta revisión, las ventajas y el progreso actual en la tecnología de cultivo de células vegetales para la producción de ingredientes cosméticos activos se han resumido y discutido en detalle dentro de un estudio de caso presentado para el desarrollo de productos de células madre de caléndula.

Palabras clave:Caléndula officinalis L. /cosmecéuticos/ Nutricosmética / Células vegetales / Células madre vegetales /polisacáridos/ Cultivos de tejidos y órganos

cistanche——plantas nutritivas naturales

1. Introducción

Plantasson la fuente más antigua de compuestos naturales con propiedades medicinales y cosméticas explorada por la humanidad. Incluso hoy en día, entre el 70 y el 80 por ciento de las personas en todo el mundo confían en la medicina tradicional a base de hierbas para cubrir sus necesidades básicas de atención médica [1]. De hecho, el 11 por ciento de los medicamentos esenciales existentes que se utilizan en la medicina humana moderna todavía son de origen vegetal [2]. El porcentaje de productos naturales de origen vegetal, aplicados como principios activos en cosmética, es muy superior. De acuerdo con el continuo aumento de la población mundial, se espera que la demanda mundial de ingredientes naturales para las plantas continúe su crecimiento exponencial [1]. Como resultado, ya somos testigos de la sobreexplotación masiva de los hábitats naturales de algunas plantas herbarias y aromáticas, poniéndolas en peligro o incluso provocando su extinción [3]. Esta tendencia negativa es especialmente peligrosa para los medicamentos.plantas, que en la mayoría de los casos son especies raras y endémicas. Estas especies a menudo crecieron en climas extremos, en una composición única del suelo o en una latitud específica. Sus poblaciones generalmente se han caracterizado por bajos niveles de diversidad genética, lo que hace que estas especies sean extremadamente vulnerables a la erosión genética y disminuyen sus posibilidades de supervivencia en caso de contaminación ambiental [4]. Además, los ingredientes activos derivados de plantas suelen ser una mezcla muy compleja de moléculas bioactivas, que no se pueden reemplazar fácilmente por análogos sintetizados químicamente. Para resolver los problemas anteriores, la biotecnología vegetal ha proporcionado la herramienta que puede asegurar un suministro más ecológico y sostenible de valiosos fitoquímicos con propiedades beneficiosas para la salud, para cubrir las crecientes demandas de la industria cosmética. Durante la última década, las ventajas de las tecnologías de cultivo de células y tejidos vegetales han sido ampliamente exploradas en el desarrollo de plataformas altamente eficientes para la producción más rápida de moléculas farmacéuticamente importantes de origen vegetal o para la expresión heteróloga de proteínas terapéuticas [5]. Hoy en día, hay muchos productos cosméticos, incluidos amboscosmecéuticosy nutricosméticos, que tienen ingredientes activos, derivados de la tecnología de cultivo de células vegetales. El objetivo de este documento es revisar el progreso reciente en la tecnología de células vegetales para aplicaciones cosméticas y proporcionar una breve descripción de los ingredientes cosméticos activos derivados de cultivos de células vegetales comercializados disponibles en el mercado. La información de esta revisión se recuperó mediante una encuesta electrónica exploratoria de los ingredientes cosméticos derivados del cultivo de tejidos vegetales y sus hojas de datos de especificaciones técnicas, realizada mediante una búsqueda en los sitios web técnicos de los principales proveedores, como el motor de búsqueda Prospector-R, SpecialChem, Cosmetic Design Europe, la motores de búsqueda académicos Scopus, ScienceDirect, Google Scholar y PubMed, y el popular motor de búsqueda Google. Además, los pasos principales en el desarrollo y la caracterización de los ingredientes activos derivados del cultivo de células vegetales se analizan detalladamente en el estudio de caso presentado para el desarrollo del producto InnovaStemCell Calendula.

raíces enteras de cistanche

2 Extractos de plantas como principios activos en cosmética

Plantasson una rica fuente de innumerables metabolitos con potencial aplicación en productos cosméticos. Desde tiempos inmemoriales, la humanidad ha utilizado diferentes plantas y sus extractos para crear cosméticos con el objetivo de establecer un estado de eterna juventud [6]. Hoy en día, los extractos de plantas se están convirtiendo en los ingredientes activos más populares de los cosméticos debido a la demanda cada vez mayor de productos naturales. compuestos que además del aspecto estético pueden proporcionar beneficios adicionales para la salud. El desarrollo de tales productos, conocidos como "cosmecéuticos", refleja una tendencia más reciente en las industrias modernas de cosméticos y cuidado personal. De hecho, las plantas son ricas en metabolitos bioactivos endógenos con posibles aplicaciones cosméticas y farmacéuticas [7–9]. La mayoría de estos fitoquímicos, como polifenoles, ácidos fenólicos, triterpenos, flavonoides , estilbenos, esteroides, carotenoides, esteroides, saponinas, esteroles, ácidos grasos,polisacáridos,azúcares, péptidos, etc., podrían extraerse con solventes apropiados y usarse como ingredientes activos presentes en formulaciones cosméticas [10]. Debido a esto, la industria cosmética ha explorado un gran número de fuentes vegetales en busca de ingredientes activos innovadores que combinen algunas propiedades farmacológicas específicas, como antioxidantes, antimicrobianos, antivirales, anticancerígenos, antifúngicos, antiinflamatorios, antialérgicos, etc., y también muestra fuertes efectos hidratantes, antienvejecimiento, antiarrugas y protectores UV [11]. Sin embargo, la calidad y los perfiles fitoquímicos de los extractos de plantas variaron en un amplio rango, dependiendo del clima, el suelo, la latitud, los factores estacionales, el momento de la cosecha y la práctica de manejo del campo, lo que podría ser un desafío para estandarizar sus actividades [12]. La búsqueda de nuevos fitoquímicos naturales ha llevado a la recolección de extractos bioactivos no solo porplantas, pero también de hongos, algas y también, por la utilización de subproductos de origen vegetal [13-17]. Hoy en día, con el creciente interés de los consumidores por productos naturales efectivos y seguros, en la última década se ha introducido una "nueva generación" de fitoquímicos bioactivos de alta calidad, producidos por la tecnología de cultivo de células vegetales, y ahora, su presencia en los cosmecéuticos El mercado ha ido constantemente en aumento.

raíces de cistanche yextracto de cistanche

3 Tecnología de cultivo de células vegetales: principios para la producción de ingredientes cosméticos activos

La tecnología de cultivo de células vegetales es una técnica para el crecimiento de células vegetales en condiciones ambientales estrictamente controladas. Debido a que las células vegetales se consideran totipotentes, tienen el potencial de expresar la maquinaria genética completa codificada en el núcleo y, por lo tanto, pueden producir el espectro completo de metabolitos secundarios característicos que se encuentran en la madre.plantas. Las células vegetales son susceptibles a los procedimientos de buenas prácticas de fabricación y se pueden propagar fácilmente mediante el uso de biorreactores de gran volumen, independientemente del clima, el suelo o las prácticas de manejo del campo [5, 18]. Además, las células vegetales cultivadas in vitro se caracterizan por un crecimiento rápido y la capacidad de acumular una gran cantidad de biomasa uniforme durante un corto período de tiempo [19, 20]. Esta es una ventaja muy importante, especialmente para la producción de compuestos bioactivos raros, como el resveratrol, el paclitaxel o los terpenoides, que generalmente se encuentran en bajas concentraciones en las plantas y su aislamiento y purificación requiere el procesamiento de grandes cantidades de biomasa vegetal [21–25]. . Además, la tecnología de cultivo de células vegetales ofrece una plataforma de producción confiable y poderosa para un suministro continuo de biomasa libre de contaminación y fitoquímicamente uniforme de hierbas, aromáticas, medicinales e incluso de especies de plantas raras y amenazadas [26]. La perspectiva de obtener fitoquímicos naturales mediante el uso de una plataforma biosintética ambientalmente sustentable hizo que la técnica de cultivo de células vegetales fuera excepcionalmente atractiva para la producción de ingredientes activos para formulaciones cosméticas "verdes" de alto valor agregado [27–30]. Cabe señalar que el ingrediente cosmético activo, obtenido mediante la tecnología de cultivo de células vegetales, se populariza entre los clientes con el nombre de "células madre vegetales". Aquí es importante entender que el término "células madre" utilizado en esta frase no siempre se refiere a células madre vegetales reales. De hecho, la mayoría de las plataformas de producción de cultivos de células vegetales existentes se desarrollan sobre la base del uso de células vegetales desdiferenciadas más que sobre el cultivo de las verdaderas células madre vegetales. Las células vegetales desdiferenciadas se obtienen por desdiferenciación de células vegetales maduras ya diferenciadas de diferentes tejidos especializados, mientras que las verdaderas células madre vegetales nunca deben diferenciarse en su ciclo de vida. Porque surgidos de la desdiferenciación de células diferenciadas, los cultivos de células vegetales desdiferenciadas podrían heredar algunas modificaciones epigenéticas, propias del tipo de tejidos de los que se han obtenido, y por tanto, podrían ser muy heterogéneas en sus propiedades biosintéticas y de crecimiento. Este hecho hizo posible generar un número casi ilimitado de líneas de células vegetales con perfiles fitoquímicos y características de crecimiento únicos, incluso a partir de la misma planta utilizada para su iniciación. "células madre de rizoma", "células madre de flores", "células madre de frutas", etc. pueden verse a menudo en los nombres INCI de ingredientes cosméticos activos, pero de hecho, todos estos se refieren a cultivos de células vegetales desdiferenciadas. Por otro lado, existen tecnologías de células vegetales, que se desarrollan sobre la base del cultivo de células madre vegetales verdaderas, las células meristemáticas cambiales (CMC). Estas células están aisladas por la capa cambial y consisten solo en células madre meristemáticas verdaderas [31, 32]. Las células meristemáticas cambiales se caracterizan por un crecimiento rápido y uniforme, la falta de modificaciones epigenéticas y la capacidad de producir rendimientos predecibles de metabolitos secundarios cuando se tratan con factores estimulantes como los elicitores [33]. Esta tecnología ha sido utilizada por la empresa coreana “Unhwa Corp”. para producir varios ingredientes cosméticos activos, utilizando la plataforma de expresión protegida por patente DdobyulR, desarrollada sobre la base de la propagación de células meristemáticas cambiales (Tabla 1). Otro hecho importante, con respecto a las células vegetales utilizadas para cosméticos, es que el término "células madre vegetales" se usa a menudo igualmente para ingredientes activos, producidos por cultivos de callos, suspensiones celulares o raíces peludas. Es importante entender que los cultivos de callos son células vegetales cultivadas en un medio sólido, mientras que los cultivos de suspensión celular son células vegetales individuales o pequeños agregados de células cultivadas bajo condiciones sumergidas en un medio líquido. Tanto los cultivos de callos como las suspensiones celulares podrían consistir en células madre desdiferenciadas o verdaderas. Por el contrario, las raíces peludas son cultivos de órganos, obtenidos por transformación genética de células vegetales [23, 34]. Algunos de los principios activos cosméticos derivados de la tecnología de cultivo de células vegetales, actualmente disponibles en el mercado, se revisan en la Tabla 1.

3.1 Células madre vegetales

Las células vegetales se pueden propagar y utilizar para un suministro continuo de biomasa vegetal fresca para formulaciones cosméticas. Sin embargo, es de gran importancia entender que no podemos introducir las células vegetales enteras en los productos cosméticos y mantenerlas vivas como ingredientes activos allí [30,35]. Las células vegetales son extremadamente sensibles a los factores ambientales, la composición del medio nutritivo, el estrés osmótico y mecánico (cizallamiento), el intercambio de gases y el suministro de oxígeno, la temperatura, la luz, la fuerza iónica y el contenido de agua, por lo que no pueden sobrevivir ni durante la preparación de los productos cosméticos ni durante el almacenamiento o aplicación de cosméticos en la piel. Incluso podría desarrollarse un sistema de administración, capaz de mantener y suministrar células madre vivas, el tamaño y la estructura específica de las células vegetales no les permitirá adherirse o penetrar en la superficie de la piel. Debido a todas las preocupaciones discutidas, las células madre vegetales se utilizan más bien como materia prima para preparar diferentes tipos de extractos, que luego podrían incluirse en formulaciones cosméticas como ingredientes activos. Sin embargo, existen varios productos, disponibles en el mercado, que se basan en células vegetales secas y estandarizadas en el recuento de células por gramo de ingrediente activo (Tabla 1). Tales ejemplos son el ingrediente activo antienvejecimiento CeltosomeTMEryngium Maritimum ST (basado en cultivo de células de acebo marino con 100 millones de células/g de ingrediente activo), y el Ingrediente activo inhibidor de tirosinasa para aclarar la piel CeltosomeTM Crith mum Maritimum ST (basado en cultivo de células de hinojo marino con más de mil millones de células/g de ingrediente activo) (Tabla 1).

3.2 Extractos de células madre vegetales

La mayoría de los principios activos cosméticos disponibles, obtenidos mediante tecnología de cultivo de células vegetales, se comercializan en forma de diferentes extractos (Tabla 1). A diferencia de los extractos derivados de plantas, los extractos obtenidos de cultivos de células vegetales se pueden estandarizar fácilmente y cumplen perfectamente con los estrictos requisitos de seguridad que el mercado cosmético de alta gama exige constantemente [35]. Los extractos de células vegetales están libres de patógenos, agroquímicos, sustancias tóxicas. , alérgenos y contaminantes porque se producen en condiciones controladas, cumpliendo con los procedimientos de las buenas prácticas de fabricación. Según el tipo de disolvente utilizado, los extractos de células vegetales utilizados en cosmética se pueden dividir de forma contingente en extractos liposolubles (extraídos con aceites) e hidrosolubles (extraídos con glicerina), extractos secos (acondicionados con maltodextrina), extractos de paredes celulares vegetales (ricos en péptidos y azúcares). ), nanoemulsiones o extractos en suspensión [35]. Sin embargo, la mayoría de los extractos existentes se han desarrollado sobre la base de la extracción de un compuesto objetivo o un grupo de compuestos bioactivos estrechamente relacionados y, por lo tanto, no se podría utilizar todo el potencial beneficioso para la salud de las células vegetales extraídas. Se pueden encontrar algunas excepciones, donde las células vegetales enteras fueron liofilizadas y pulverizadas para aplicación directa en formulaciones cosméticas (ver algunos productos ofrecidos por "Vytrus Biotech" y "Naolys", Tabla 1), o las suspensiones de células enteras han sido, emulsionadas o encapsulado en complejo liposomal (ver algunos productos ofrecidos por "Innova BM" y "Mibelle AG Bioquímica", Tabla 1) mediante el uso de homogeneizadores de alta presión.

3.3 Cultivo molecular para la producción de proteínas recombinantes

Plantasson excelentes matrices de producción para la expresión de proteínas recombinantes con importantes propiedades farmacéuticas [36]. Esta poderosa técnica de expresión de proteínas recombinantes, conocida como "cultivo molecular", ha sido ampliamente utilizada para la producción de vacunas [37–39], citocinas [40] e incluso para la producción de proteínas terapéuticas para uso humano [5, 41, 42]. La tecnología clásica de cultivo molecular se basa en la modificación genética de plantas para la expresión de proteínas recombinantes. Esto podría lograrse mediante la integración permanente de genes extraños en el ADN del huésped para generar líneas transgénicas estables, o mediante la transformación transitoria de hojas de plantas intactas [43]. Sin embargo, ambos métodos requieren el cultivo de plantas enteras bajo condiciones ambientales estrictamente controladas en invernaderos cerrados, cumpliendo con los estrictos estándares regulatorios [36]. Mediante el uso de dicha tecnología, The Iceland Company "BIOEFFECT" ha aplicado por primera vez una plataforma transgénica basada en plantas para la producción a gran escala de factores de crecimiento epidérmico (EGF) para uso cosmético, expresados ​​en semillas de cebada modificadas genéticamente. La compañía ofrece una amplia gama de productos para el cuidado de la piel que contienen este activador celular, que contribuyen a una piel más sana y joven. Sin embargo, los intereses recientes en la agricultura molecular se han centrado en la adaptación de la tecnología de cultivo de células vegetales para la producción de proteínas recombinantes. Esta técnica ofrece una producción sostenible y continua de proteínas heterólogas por parte de células vegetales que crecen en condiciones microambientales in vitro controladas con precisión en biorreactores. El cultivo de cultivos de células vegetales modificadas genéticamente ha sido reconocido como una plataforma de expresión mucho más poderosa, en comparación con las técnicas clásicas de cultivo molecular, que se basan en la producción a escala agrícola mediante el cultivo de plantas transformadas genéticamente [18, 41]. Recientemente, la empresa coreana "Natural Bio-Materials (NBM)", ha lanzado una serie de ingredientes cosméticos activos que contienen factores de crecimiento (factor de crecimiento epidérmico, factor de crecimiento de fibroblastos básico, factor de crecimiento similar a la insulina-1, factor de crecimiento de queratinocitos, factor de crecimiento de fibroblastos -7, y VascularEndothelial Growth Factor), expresado por cultivos de células de arroz recombinante (Oryza sativa L.) (Tabla 1). Sin embargo, a pesar de que las proteínas recombinantes humanas producidas por esta tecnología tienen ventajas innegables y se caracterizan por un alto nivel de pureza, producción libre de animales, virus, bacterias y exotoxinas, todavía hay algunos consumidores que tienen preocupaciones. utilizar dichos productos porque están expresados ​​por organismos modificados genéticamente.

4 Estudio de caso: Iniciación, crecimiento, perfil fitoquímico y características fisicoquímicas de exopolisacáridos en INNOVA StemCellCalendula

La caléndula (Calendula officinalis L.), conocida como "caléndula", ha sido ampliamente utilizada en la medicina herbal tradicional y el cuidado de la piel.cosmecéuticospara aplicación tópica [11]. Se demostró que el pantalón es rico en ácidos fenólicos, flavonoides, triterpenos, carotenoides, compuestos aromáticos y una mezcla única de ácidos grasos poliinsaturados [44–46]. Por su alto valor terapéutico y los efectos cosméticos probados, la empresa búlgara "Innova BM" ha desarrollado y lanzado al mercado dos ingredientes activos cosméticos de alta calidad, basados ​​en cultivo celular desdiferenciado de Caléndula (Tabla 1). El desarrollo de estos productos se presenta esquemáticamente en la Fig. 1. Los pasos tecnológicos incluyen una selección de caléndulaplantascon perfiles fitoquímicos superiores, selección, esterilización y cultivo de explantes de plantas en medio de inducción de callos, selección de líneas celulares friables con perfiles fitoquímicos apropiados, inicio de cultivos en suspensión de células líquidas y optimización de las condiciones de cultivo y la composición del medio de nutrientes. El paso de optimización es crítico en nuestra tecnología ya que se puede lograr un aumento significativo en el potencial biosintético y la biomasa acumulada de la línea celular seleccionada (Tabla 2, Fig. 2). Después de la optimización, la línea seleccionada se amplió a un cultivo a gran escala en un biorreactor de tanque agitado. La suspensión celular producida (células y líquido de cultivo) se procesó luego en un homogeneizador de alta presión para producir extracto de glicerina (50 % en peso) o emulsión de caléndula (75 % en peso de suspensión celular) [47]. Los ingredientes activos producidos han sido Se encontró que tiene efectos humectantes, antiarrugas, hidratantes y regeneradores superiores cuando se aplica a la piel. Estos efectos se deben al alto contenido de exopolisacáridos secretados, durante el cultivo de células de caléndula (Fig. 2D). Se ha identificado que los exopolisacáridos pertenecen al tipo pectina. La fracción de exopolisacáridos crudos contiene 879 ug/mg de azúcares neutros y 50 ug/mg de proteínas. La combinación única depolisacáridosy los péptidos hicieron que esta fracción de exopolisacárido fuera casi perfecta para su aplicación como emulsionante en productos cosméticos para aplicación tópica. Las posibles interacciones sinérgicas, cuando se aplican con otros emulsionantes populares, así como sus propiedades de estabilización de la emulsión, se presentan en la Tabla 3.polisacáridostienen un peso molecular de 6,7 × 104 Da y contienen 413 ug/mg de ácidos urónicos. La composición completa de monosacáridos de la fracción de exopolisacáridos se determinó como: ácido glucurónico (13,6 ug/mg), ácido galacturónico (399,7 ug/mg), glucosa (185,5 ug/mg), galactosa (179,9 ug/mg), ramnosa (178,9 ug/mg) , arabinosa (166,7 ug/mg), fucosa (0,6 ug/mg) y manosa (4,7 ug/mg). La presencia de esta fracción de exopolisacáridos incorporada en los productos Innova StemCellCalendula, en combinación con los compuestos bioactivos del contenido celular liberado (Tabla 2), hizo que estos productos fueran únicos y únicos en el mercado de ingredientes activos cosméticos.

5 Observaciones finales

A raíz de la demanda cada vez mayor de productos naturales de alta calidad de origen vegetal para su aplicación como ingredientes activos encosmecéuticoformulaciones, la tecnología de cultivo de células vegetales ha desarrollado poderosas plataformas de producción que pueden satisfacer efectivamente las necesidades de los clientes. Somos testigos de un número exponencialmente creciente de ingredientes derivados de células vegetales comercializados, ofrecidos en el mercado de la industria cosmética y la diversidad de especies de plantas utilizadas para su producción ha seguido aumentando cada año. De hecho, el interés observado en la producción de ingredientes derivados de células vegetales para necesidades cosméticas podría estar correlacionado con el reciente avance en el desarrollo y comercialización de tecnología de cultivo de células vegetales en países tecnológicamente avanzados. Además, las técnicas recientemente desarrolladas de edición de genes, ingeniería de metabolitos y biología sintética podrían tener un impacto significativo en la mejora de los rendimientos y el desarrollo de productos cosméticos hechos a medida con las actividades deseadas. El avance en la agricultura molecular ya ha llevado a la producción comercial de raros péptidos activadores humanos, citocinas y factores de crecimiento, que son el primer paso en el desarrollo de productos cosméticos con el potencial de prolongar la vida de la piel mediante el uso de los mecanismos de autorreparación del cuerpo. Sin embargo, hasta el momento existen muchas interrogantes abiertas, concernientes a los estándares regulatorios y la documentación, la unificación de las declaraciones de beneficios para la salud y la metodología para la evaluación de los efectos farmacéuticos, que deben ser respondidas para ayudar a los consumidores a realizar la elección correcta de sus medicamentos.cosmecéuticoproducto.

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