L'uso di estratti vegetali in contesti farmaceutici e cosmetici risale a tempi antichi (1). I costituenti attivi delle piante sono responsabili di diverse attività sulla cute, tra cui idratazione, nutrimento, fotoprotezione, antiossidante, antirughe, astringenza, pulizia e sbiancamento (2, 3, 4, 5). Il crescente interesse per i prodotti vegetali ha portato ad un aumento della domanda di questi prodotti e ha sviluppato un mercato in rapida crescita. La produzione convenzionale di materie prime vegetali dipende fortemente dalle condizioni climatiche, dalla composizione del suolo e dal patrimonio genetico delle piante stesse. Pertanto, risulta difficile ottenere materie prime uniformi per la produzione farmaceutica e cosmetica (6). Grazie ai progressi tecnologici, la biotecnologia moderna consente la produzione di biomassa vegetale, indipendente da fattori climatici, stagionali e geografici utilizzando cellule vegetali totipotenti (cellule meristematiche) in sospensione. Questo approccio garantisce un'alta qualità, una produzione rapida, costante e fornisce al contempo una biomassa uniforme, conforme alle buone pratiche di laboratorio e alle buone pratiche di produzione (7).

La piattaforma biotecnologica basata sulle colture di cellule vegetali in sospensione rappresenta un’alternativa sostenibile per lo sviluppo e la produzione di innovativi ingredienti cosmetici.

L’utilizzo di questa tecnologia sta guadagnando una crescente attenzione da parte delle industrie cosmetiche e alimentari. Il crescente interesse è dovuto alla ricerca di fonti sostenibili alternative di ingredienti vegetali a basso impatto ambientale. Il cambiamento climatico globale, l’offerta alimentare limitata, l’accesso limitato all’acqua dolce, la crescente domanda di energia e la continua perdita di biodiversità sono tra le sfide critiche che l’umanità deve affrontare. Questa tecnologia ha il potenziale per affrontare alcune di queste sfide (8).

Nelle piante superiori, sia gimnosperme che angiosperme, esistono tessuti caratterizzati da cellule indifferenziate in rapida moltiplicazione. Questi tessuti sono detti meristematici e sono caratterizzati da cellule di piccole dimensioni e dalle pareti sottili. Il citoplasma è ricco di ribosomi, protoplasmi e mitocondri, mentre il reticolo endoplasmico è poco sviluppato. Il nucleo è molto voluminoso rispetto alle dimensioni cellulari. Le cellule meristematiche (staminali) nelle piante superiori, dopo molteplici divisioni mitotiche, danno vita a cellule differenziate, morfologicamente e fisiologicamente a seconda della posizione e del tessuto di cui faranno parte, perdendo inoltre la capacità di attiva proliferazione. Le cellule meristematiche hanno perciò caratteristiche di cellule staminali di tipo embrionale con potenzialità di differenziazione e sviluppo “totipotenti”. Queste caratteristiche “embrionali” possono essere riassunte da cellule differenziate quando, ad esempio, il tessuto viene danneggiato. In questo caso le cellule differenziate tornano ad avere un’attività simile a quella meristematica e producono un tessuto di riparazione detto comunemente “callo”. Mentre normalmente il fenomeno si verifica per cause naturali, a scopo scientifico il tessuto calloso viene indotto operando delle incisioni nei tessuti delle piante. Le tecniche attuali consentono di coltivare le cellule meristematiche, impedendone la differenziazione, inoltre, variando la composizione dei terreni di coltura, è possibile selezionare linee cellulari con diverse caratteristiche biochimiche e metaboliche. Il mantenimento di caratteristiche embrionali avviene principalmente per azione di sostanze ormonali, detti “fattori di crescita” che sono in grado di mantenere in vita l’attività meristematica. Queste sostanze sono prodotte dalla pianta stessa e sono in grado di dare risposte fisiologiche molto ampie e complesse dalla maturazione della frutta, all’induzione del tessuto di abscissione delle foglie, all’induzione della dormienza delle gemme. In particolare, l’attività meristematica viene mantenuta da due gruppi di sostanze: le “auxine” quale l’acido indolacetico e le “citochinine” quale la chinetina. La combinazione dell’effetto sulla crescita cellulare dovuto alle auxine e dell’effetto sulla moltiplicazione cellulare causato dalle citochinine è sufficiente per avere il mantenimento dello stato indifferenziato e dell’attività di proliferazione delle cellule meristematiche. Oltre alla presenza di “fattori di crescita” è necessario fornire alle cellule un adatto mezzo colturale e le opportune condizioni climatiche. Il terreno di coltura deve contenere le sostanze necessarie al mantenimento del metabolismo cellulare, prima fra tutte una fonte di carbonio organico, che generalmente è costituita da saccarosio. Le cellule in coltura ed incubate al buio, infatti, perdono la capacità fotosintetica e necessitano di una fonte energetica e di carbonio esogena. Inoltre, devono essere forniti, in forma sia organica che inorganica, anche i macroelementi necessari alla crescita: azoto, fosforo, zolfo ed una serie di microelementi minerali quali ferro, manganese rame, zinco e cobalto oltre che alcune vitamine.

L’induzione della linea cellulare vegetale viene ottenuta utilizzando piccole porzioni di tessuto vegetale (foglie, gemme, radici o altre parti di tessuto). I tessuti vegetali raccolti vengono sanitizzati (utilizzando soluzioni di etanolo/acqua e/o ipoclorito di sodio) e successivamente tagliati, con l’ausilio di un bisturi, in piccoli frammenti sub-centrimetrici che vengono deposti sulla superficie di terreni colturali solidi (contenenti i nutrienti per la crescita delle cellule vegetali) contenuti in Piaste Petri. I frammenti sanitizzati deposti sui terreni colturali vengono incubati a 25°C e al buio. Dopo circa 4-8 settimane di incubazione compaiono le prime cellule de-differenziate nelle aree corrispondenti al taglio. Le cellule de-differenziate totipotenti vengono successivamente selezionate e trasferite in terreno colturale liquido, contenuto in beute con capacità crescenti da 50 ml fino ad 1 litro, allo scopo di incrementare il volume della biomassa cellulare. In questa fase vengono identificati i metaboliti primari e secondari presenti nelle cellule (utilizzando analisi di spettrometria di massa e NMR) e selezionati i metaboliti bioattivi più rappresentati (metaboliti markers). Successivamente si procede con la messa a punto di un metodo analitico, generalmente basato sulla cromatografia liquida, allo scopo di quantificare i metaboliti markers. Nella fase di sviluppo successiva si applicano alle sospensioni cellulari degli stress (ad esempio: variazione della temperatura, stress osmotico, aggiunta di estratto di lievito, modifiche delle concentrazioni dei nutrienti, ecc.) in modo da incrementare la biosintesi dei metaboliti markers. Una volta ultimata la fase di studio della crescita in terreno colturale liquido si trasferiscono i parametri ottimizzati su scala di laboratorio in bioreattore per l’espansione della biomassa cellulare vegetale.

Il passaggio fondamentale per consentire l’industrializzazione del processo produttivo è l’adattamento della linea selezionata alla crescita in terreno liquido in bioreattori di capacità sempre maggiori (scale up) così da ottenere un notevole aumento della biomassa disponibile. Alla fine del ciclo di crescita cellulare, nel quale è importante non solo la composizione del terreno di coltura ma anche l’ottimizzazione dei parametri fisici quali ossigenazione, temperatura, modalità e velocità di agitazione, la biomassa espansa viene lavorata al fine di ottenere i prodotti finali. Al termine della crescita delle cellule vegetali in bioreattore si filtra la sospensione cellulare, si raccoglie la biomassa vegetale e si prepara il prodotto finito attraverso processi di lisi e di essiccazione.

I vantaggi dell’utilizzo della tecnologia basata sulle colture cellulari vegetali in sospensione sono i seguenti:

• disponibilità: consente la produzione di principi attivi vegetali senza potenziali limiti quantitativi; indipendenza completa da variazioni stagionali, tempi balsamici e limiti geografici. Questa tecnologia permette di accorciare i tempi della filiera e aumentare così l’offerta in termini di quantità e disponibilità sul mercato;
• sicurezza: garantisce per processo l’assenza di solventi, conservanti, inquinanti e contaminanti ambientali quali pesticidi, fertilizzanti, metalli pesanti e aflatossine. Il prodotto è OGM free;
• eco-sostenibilità: la tecnologia utilizzata garantisce una riduzione del consumo di suolo, di acqua ed evita il depauperamento della flora rispettando il delicato equilibrio della biodiversità;
• standardizzazione: il processo permette di produrre ingredienti stabili e standardizzati ad alto contenuto di metaboliti attivi avvalendosi di approcci multidisciplinari. Tale tecnologia garantisce la riproducibilità lotto su lotto della composizione e dell’efficacia dei prodotti.

Negli ultimi anni la tecnologia basata sulle colture di cellule vegetali si è affermata come un metodo affidabile e sostenibile per la produzione di ingredienti cosmetici di alta qualità, efficacia e sicurezza. La produzione di questi ingredienti in ambienti controllati garantiscono la sostenibilità ed il rispetto del delicato equilibrio della biodiversità. I più recenti rapporti di ricerca e di opinione dei consumatori (RNCOS, Business Consultant Services) prevedono che la tecnologia basata sulle colture di cellule vegetali darà impulso al mercato globale dei cosmetici in quanto offre una enorme potenzialità per lo sviluppo di prodotti innovativi, efficaci e sostenibili. Sebbene tale tecnologia offra un grande potenziale per il mercato dei cosmetici, gli elevati costi di ricerca e produzione rimangono una sfida (9). Tuttavia, il continuo miglioramento dei processi di produzione e la continua evoluzione della ricerca in questo settore biotecnologico offriranno soluzioni più convenienti nel prossimo futuro.

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TECNOLOGIE IN SUPPORTO ALLA SOSTENIBILITÀ

GIOVANNA PRESSI

Scientific Direction, Aethera Biotech Srl, Italia

L’utilizzo di estratti vegetali in ambito cosmetico e farmaceutico affonda le sue radici nella tradizione, ma l’impiego delle colture di cellule vegetali in sospensione rappresenta oggi un’alternativa innovativa, sostenibile e tecnologicamente avanzata. Questa piattaforma biotecnologica consente la produzione controllata e standardizzata di ingredienti attivi, superando i limiti legati alla stagionalità, alla variabilità genetica e alle condizioni ambientali. Le cellule meristematiche, grazie alla loro totipotenza, vengono coltivate in ambienti sterili e ottimizzati per stimolare la biosintesi di metaboliti bioattivi. I vantaggi includono disponibilità costante, sicurezza, eco-sostenibilità e riproducibilità. Sebbene i costi di produzione siano ancora elevati, i progressi scientifici rendono questa tecnologia una promettente frontiera per lo sviluppo di cosmetici efficaci e rispettosi della biodiversità.