© Borgis - Postępy Fitoterapii 2/2016, s. 145-151
Kamila Masirek, *Beata Olas
Rośliny jako źródło środków terapeutycznych
Plants as the source of therapeutic compounds
Katedra Biochemii Ogólnej, Uniwersytet Łódzki
Kierownik Katedry: dr hab. Paweł Nowak, prof. nadzw. UŁ
Summary
The use of plants for medicinal purpose dates back thousands years. Biotechnology medicines, which used plants play an important role in modern pharmacotherapy and treatment or prevention of many different civilization diseases, including cardiovascular disorders, including inhibiting blood platelet activation, lowering cholesterol concentration and blood pressure, and providing antioxidant property, and various cancers. Plants have also antiviral and antibacterial activity. Moreover, different parts of plants (i.e. leaves, fruits) may be the source various compounds, including vitamins and phenolic compounds. Present, about 1/4 all medicines are produced in plants, and biotechnology give a new chance utilizing of biological properties of plants and may be factors of biomedical preparations.
Wstęp
Na przestrzeni kilkunastu ostatnich lat obserwowane jest odrodzenie się zainteresowania roślinami leczniczymi spowodowane rosnącymi cenami tradycyjnych leków chemicznych oraz ich niewystarczającą skutecznością w leczeniu wielu chorób (1). Rośliny okazały się cennym i tanim źródłem, zarówno rekombinowanych białek (wykorzystywanych jako leki i szczepionki), jak również naturalnych metabolitów wtórnych, będących cennymi związkami o wielorakiej aktywności biologicznej (mającymi znaczenie w profilaktyce i leczeniu chorób, m.in. cywilizacyjnych) (2-4).
W celu poprawy wydajności produkcji cennych metabolitów przez organizmy roślinne stosuje się szereg technik biotechnologicznych oraz metod inżynierii genetycznej (5). Produkcja biofarmaceutyków roślinnych jest korzystniejsza niż wytwarzanie tych samych białek w systemach komórek zwierzęcych lub bakteryjnych. Oprócz niższych kosztów i produkcji na skalę przemysłową, istnieje możliwość ekspresji tych substancji w jadalnych częściach roślin, co stanowi obiecującą perspektywę podawania środków leczniczych (zwłaszcza szczepionek) (6-8).
Charakterystyka leków chemicznych a biotechnologicznych
Leki biotechnologiczne stanowią 20% wszystkich preparatów farmaceutycznych sprzedawanych na świecie (9). Obecnie około 150 nowych preparatów biotechnologicznych przeszło badania kliniczne i zostało dopuszczonych do sprzedaży i użycia u ludzi (10). Biofarmaceutyki znajdują zastosowanie w diagnostyce, profilaktyce oraz terapii ludzi i zwierząt, ponadto rozszerzyły one możliwości zwalczania wielu chorób, w leczeniu których leki chemiczne były nieskuteczne (11, 12). Dane piśmiennictwa dostarczają wielu określeń biofarmaceutyków. Niektórzy autorzy biofarmaceutyki definiują jako leki oparte na źródle biologicznym, pozyskane w wyniku stosowania metod inżynierii genetycznej (tzw. biologiczne produkty lecznicze), inni rozszerzają ten termin jako odnoszący się do wszystkich środków wytwarzanych przy udziale organizmów żywych, a jeszcze inni zaliczają do tej kategorii wszystkie leki generowane przez sektor biotechnologii (leki biotechnologiczne). Biofarmaceutykami możemy zatem nazwać np. białka lub związki chemiczne uzyskiwane w systemach biologicznych za pomocą metod biotechnologicznych, w tym manipulacji genetycznych (np. rekombinowane białka, przeciwciała monoklonalne), jak również surowce pozyskiwane od żywych organizmów bez stosowania technik inżynierii genetycznej (czynniki krzepnięcia krwi, metabolity wtórne).
Modelowa definicja biofarmaceutyków, używana w dyscyplinach badawczych oraz w przemyśle, charakteryzuje te substancje lecznicze jako farmaceutyki będące produktami biologicznymi, których podłożem jest układ biologiczny i są one wytwarzane z użyciem technik biotechnologicznych, w odróżnieniu od tradycyjnych farmaceutyków uzyskiwanych w wyniku procesów chemicznych (13).
Leki biofarmaceutyczne różnią się od tradycyjnych środków chemicznych pod wieloma względami, m.in. źródłem, sposobem wykrywania, strukturą, składem, mechanizmem działania oraz metodą wytwarzania (11, 14). W związku z tym, że biofarmaceutyki są wytwarzane przez żywe komórki, ich struktura jest dużo bardziej złożona i różnorodna niż leków syntetycznych powstających jako produkty syntez chemicznych. Leki biotechnologiczne, będące w większości białkami lub polimerami, składają się z dużo większej liczby atomów oraz mają około 100-1000-krotnie większą masę cząsteczkową niż leki chemiczne. Skomplikowana budowa biofarmaceutyków w dużej mierze zależy od przyjmowanej przez nie konformacji przestrzennej. Mogą przyjmować struktury drugo-, trzecio-, a także czwartorzędowe. W związku z tym ostateczna postać leków biologicznych jest trudna do odwzorowania na poziomie atomowym w przeciwieństwie do struktury leków chemicznych, którą można przedstawić za pomocą wzoru chemicznego. Wyraźne różnice występują również w mechanizmie działania tych dwóch grup farmaceutyków, leki chemiczne wpływają zwykle tylko na kilka procesów w organizmie, natomiast leki biologiczne, będąc w swojej postaci końcowej mieszaniną różnych lizoform, wykazują bardziej złożony, wielokierunkowy mechanizm działania.
Duży wpływ na właściwości strukturalne, skuteczność i bezpieczeństwo biofarmaceutyków ma metoda ich wytwarzania. Proces wytwarzania determinuje konformację przestrzenną, wielkość, oddziałuje również na tworzenie się polimerów, agregację cząsteczek, powstawanie wewnątrz- i międzyłańcuchowych wiązań disiarczkowych, a także na proces glikozylacji i inne potranslacyjne modyfikacje. Metody produkcji leków biotechnologicznych, wykorzystywany sprzęt i wymagana infrastruktura są bardziej zróżnicowane i kosztowniejsze niż w przypadku wytwarzania leków chemicznych. Ponadto leki biologiczne są wrażliwe na temperaturę oraz promienie słoneczne (co wiąże się z przechowywaniem ich w specjalnych warunkach), a także wymagają skomplikowanych systemów stabilizacyjnych (11, 13, 14).
Ochrona własności intelektualnej leków chemicznych i biologicznych jest także odmienna. Podczas gdy leki chemiczne są chronione patentami, opierającymi się na ich strukturze chemicznej, biofarmaceutyki są strzeżone przez patenty podmiotów biologicznych (np. wektorów, linii komórkowych, genów), a także dotyczące procesów wytwarzania lub sposobów wykorzystywania (11, 13). Biorąc pod uwagę wygasanie patentów chroniących wiele oryginalnych leków biotechnologicznych, spodziewane jest pojawienie się produktów zastępujących te produkty. Określa się je mianem leków biopodobnych (ang. biosimilars) lub biofarmaceutyków naśladowczych (ang. follow-on-biologics). Niewskazane jest wobec tego stosowanie wobec tej grupy preparatów terminu genetyki, jak to ma miejsce w przypadku środków będących kopiami leków chemicznych, ze względu na niemożliwość dokładnego odwzorowania mechanizmów działania oraz procesów wytwarzania i oczyszczania leków biologicznych. Lek biopodobny nigdy nie będzie miał identycznej struktury i właściwości jak lek oryginalny, mogą wystąpić także różnice we właściwościach farmakokinetycznych i farmakodynamicznych (11, 13).
Biofarmaceutyki roślinne
Korzystanie z roślin, jako źródła leków wykorzystywanych w leczeniu różnorakich chorób, ma miejsce od początku istnienia cywilizacji (4). Rosnące zapotrzebowanie na skuteczne białka terapeutyczne oraz związany z nim rozwój przemysłu biotechnologicznego spowodowały zwrócenie uwagi na rośliny jako potencjalne źródło nowych farmaceutyków (4). Szacuje się, że 1/4 obecnie dostępnych leków na receptę jest pochodzenia roślinnego (4, 15). Rośliny zaopatrywały ludzkość w związki biologicznie aktywne od kilku tysięcy lat, ale produkcja rekombinowanych białek w roślinach jest możliwa mniej więcej od ćwierć wieku. Pierwszym roślinnym lekiem biotechnologicznym był ludzki hormon wzrostu pochodzący z transgenicznego tytoniu. Następnie w 1989 roku otrzymano pierwsze przeciwciała, których producentem również była ta roślina. Od tego momentu różnorodne uprawy roślin są wykorzystywane do produkcji biofarmaceutyków (4).
Biofarmaceutyki roślinne mogą być wytwarzane przez hodowle in vitro, a także przez rośliny rosnące na polach uprawnych (ang. molecular pharming) (4, 5, 16). Wytwarzanie leków biologicznych przez hodowle komórkowe roślin nie jest uzależnione od zmian w środowisku naturalnym, jak ma to miejsce w przypadku roślin uprawianych na polach, gdzie wydajność białka zależy od warunków środowiska. Uprawy polowe narażone są na zanieczyszczenia mikotoksynami, herbicydami oraz wymagają bardziej skomplikowanej procedury izolacji i oczyszczenia produktu (4). Hodowle komórkowe uprawia się natomiast w bioreaktorach z wykorzystaniem płynnej pożywki wzbogaconej regulatorami wzrostu roślin (4).
Za sprawą dostępnych technik inżynierii genetycznej w roślinach może być wytwarzane wiele białek terapeutycznych, m.in. substytuty krwi, szczepionki, hormony, cytokiny, przeciwciała monoklonalne, białka osocza, czynniki wzrostu, enzymy. Co istotne, mogą być one produkowane na skalę przemysłową przy stosunkowo niewielkich kosztach (tab. 1) (10, 12, 15, 17).
Tab. 1. Wybrane biofarmaceutyki uzyskiwane w komórkach roślinnych i ich wykorzystanie w leczeniu chorób człowieka (wg 15)
| Białko | Roślina transgeniczna | Zastosowanie |
| Erytropoetyna | tytoń | anemia |
| Czynnik stymulujący kolonie granulocytów i makrofagów (GM-CSF) | tytoń | neutropenia |
| Interferon α | ryż | zapalenie wątroby typu B i C |
| Hemoglobina | tytoń | substytut krwi |
| α-1-Antytrypsyna | ryż | mukowiscydoza, krwotoki |
| Albumina surowicy | ziemniak | marskość wątroby |
| Aprotynina | kukurydza | inhibitor trypsyny |
| Hirudyna | gorczyca etiopska | inhibitor trombiny |
| Białko C | tytoń | antykoagulant |
| Glukocerebrozydaza | tytoń | choroba Gauchera |
Rośliny jako źródło biofarmaceutyków
Powyżej zamieściliśmy fragment artykułu, do którego możesz uzyskać pełny dostęp.
Mam kod dostępu
- Aby uzyskać płatny dostęp do pełnej treści powyższego artykułu albo wszystkich artykułów (w zależności od wybranej opcji), należy wprowadzić kod.
- Wprowadzając kod, akceptują Państwo treść Regulaminu oraz potwierdzają zapoznanie się z nim.
- Aby kupić kod proszę skorzystać z jednej z poniższych opcji.
Opcja #1
29 zł
Wybieram
- dostęp do tego artykułu
- dostęp na 7 dni
uzyskany kod musi być wprowadzony na stronie artykułu, do którego został wykupiony
Opcja #2
69 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 30 dni
- najpopularniejsza opcja
Opcja #3
129 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 90 dni
- oszczędzasz 78 zł
Piśmiennictwo
1. Hoareau L, DaSilva E-J. Medicinal plants: a re-emerging health aid. Electronic J Biotechnol 1999; 2:56-70. 2. Fischer R, Stoger E, Schillberg S i wsp. Plant-based production of biopharmaceuticals. Current Opinion Plant Biol 2004; 7:152-8. 3. http://www.eioba.pl/a78573/rosliny_najstarsze_zrodlo_lekow. 4. Olas B. Antyoksydanty obecne w diecie w walce z miażdżycą. Kosmos 2003; 52:249-58. 5. Jelaska S, Mihaljević S, Bauer N. Production of biopharmaceuticals and edible vaccines in transgenic plants. Curr Stud Biotechnol 2005; 4:121-7. 6. Fischer R, Emans NJ, Twyman RM i wsp. Molecular farming in plants: Technology platforms. Encycl Plant Crop Sci 2004; 753-6. 7. Nagle PC, Gerdes LA, Schmeichel CJ i wsp. Characteristics and trends in the late-stage biopharmaceutical pipeline. Am J Manag Care 2008 14:226-9. 8. Jarecka M, Borowicz P. Terapeutyczne i rynkowe perspektywy rekombinowanych leków. Biotechnol 2005; 4:7-27. 9. Szlichcińska J. Odbiór społeczny innowacyjnych terapii i biofarmaceutyków w Polsce i Europie. Biotechnol 2007; 2:128-36. 10. Knablein J. Plant-based expression of biopharmaceuticals. Encycl Molec Cell Biol Molec Med 2005; 2:385-410. 11. Nowicki M, Zimmer-Nowicka J. Biofarmaceutyki oryginalne i leki biopodobne – co należy o nich wiedzieć, aby zapewnić bezpieczeństwo leczenia? Onkol Prakt Klin 2007; 3:120-27. 12. Chikwamba RK, Mason HS, Mahoney R i wsp. Transgenic plants: A new biopharmaceutical manufacturing platform. The 8th International Symposium on the Biosafety of Genetically Modified Organisms, Montpellier, 26-30 Sept 2004: 144-8. 13. Rader AR. (Re)defining biopharmaceutical. Nat Biotechnol 2008; 26:743-51. 14. Mundae MK, Ostor AJK. The long road of biopharmaceutical drug development: from inception to marketing. QJ Med 2010; 103:3-7. 15. Goldstein DA, Thomas JA. Biopharmaceuticals derived from genetically modified plants. QJ Med 2004; 97:705-16. 16. Dobrowolska A. Wykorzystanie roślin do wytwarzania biofarmaceutyków. Kosmos 2004; 53:201-6. 17. Abdullah MA, Anisa ur Rahmah Rha CK. Cell engineering and molecular pharming for biopharmaceuticals. Open Med Chem J 2008; 2:49-61. 18. Daniell H, Streatfield SJ, Wycoff K. Medical molecular farming: production of antibodies, biopharmaceuticals and edible vaccines in plants. Trends Plant Sci 2001; 6:219-26. 19. Giddings G, Allison G, Brooks D i wsp. Transgenic plants as factories for biopharmaceuticals. Nat Biotechnol 2000; 18:1151-5. 20. Namdeo AG. Plant cell elicition for production of secondary metabolites: a review. Pharmacogn Rev 2007; 1:69-79. 21. Vanisree M, Lee Ch-Y, Lo S-F i wsp. Studies on the production of some important secondary metabolites from medicinal plants by plant tissue cultures. Botan Bull Acad Sinica 2004; 45:1-22. 22. Tran TLM, Vu Thi D, Mignard B i wsp. Hydroponics as a model technology for producing plant root secondary metabolites. Proceedings of International Workshop on Biotechnology in Agriculture, Nong Lam University Ho Chi Minh City, 20-21 Oct 2006; 188-91. 23. Szpitter A, Królicka A. Stymulujący wpływ elicytorów biotycznych na produkcję farmakologicznie czynnych metabolitów wtórnych w roślinnych kulturach in vitro. Biotechnol 2005; (4):82-108. 24. Strzelecka H. Lek roślinny – stan obecny i perspektywa rozwoju. Panacea 2002; 1, http://www.panacea.pl/articles.php?id=12,. 25. Lutomski J. Znaczenie ziół w terapii i dietetyce. Post Fitoter 2001; (3):3-8. 26. Samochowiec L. Lek roślinny w świetle nowoczesnej farmakoterapii. Post Fitoter 2001; (1):2-6. 27. Gawrońska-Szklarz B. Ocena farmakokinetyczna preparatów roślinnych ze szczególnym uwzględnieniem dostępności biologicznej. Post Fitoter 2001; (1):25-8. 28. Lutomski J. Zioła, fitofarmaceutyki i nutraceutyki. Post Fitoter 2000; (1):4-6. 29. Hołderna-Kędzia E, Kędzia B, Mścisz A. Poszukiwanie wyciągów roślinnych o wysokiej aktywności antybiotycznej. Post Fitoter 2009; (1):3-11.
