روشهای بیوتکنولوژی اصلاح گیاهان دارویی

مقدمه
اگرچه کاشت گياهان دارويي به هزاران سال پيش باز مي‌گردد ولي بايد گفت که در مورد اصلاح آنها تاکنون پيشرفت قابل ملاحظه‌اي صورت نگرفته است و در حال حاضر، تعداد کالتيوارهاي مفيد به‌دست آمده بر اثر اصلاح گياهان دارويي اندک است. هدف از اصلاح گياهان دارويي، افزايش کميت و کيفيت آن دسته از مواد

مؤثره در اين گياهان است که در صنايع دارويي از اهميت خاصي برخوردار هستند. در سال‌هاي اخير توجه خاصي از جانب سازمان‌هاي مختلف در کشورهاي جهان در ارتباط با اصلاح اين گياهان صورت گرفته است. در این راستا استفاده از تکنیکهای وابسته به کشت بافت و بیوتکنولوژی به منظور ارتقاء صفات کمی و کیفی و کاهش زمان اصلاح نباتات از اهمیت خاصی برخوردار است.

کشت بافت
با تکنیک کشت بافت می توان از یک سلول به یک گیاه کامل دست یافت. در این تکنیک از روشهای جنین زایی ریزازدیادی و اندام زایی استفاده میگردد.استفاده از این تکنیک به همراه موتاسیون باعث سرعت بخشیدن به تکثیر انبوه تولید گیاهان عاری از بیماری انجام کار در تمام طول سال و کاهش هزینه خواهد شد.
اولین مرحله تکثیر قسمت مورد نظر در گیاه می باشد.پس از تعیین دز مناسب و انجام تیمار پرتوتابی و تکثیر دوباره گزینش درشرایط In-vitro با اعمال تیمار تنش صورت میگیرد .گیاهان گزینش شده بعد از انتقال به گلدان جهت سازگاری و تکثیر دوباره جهت سلکسیون انتهایی در مزرعه کشت شده و سپس مورد بررسی های تغییرات زنتیکی قرار خواهند گرفت.

يکي از بخش‌هاي مهم بيوتکنولوژي “کشت بافت” است که کاربردهاي مختلف آن در زمينه گياهان دارويي، از جنبه‌هاي مختلفي قابل بررسي است:
باززايي در شرايط آزمايشگاهي ( In-Vitro Regeneration )

تکثير گياهان در شرايط آزمايشگاهي، روشي بسيار مفيد جهت توليد داروهاي گياهي باکيفيت است. روش‌هاي مختلفي براي تکثير در آزمايشگاه وجود دارد که از جملة‌ آنها، ريزازديادي است. ريزازديادي فوايد زيادي نسبت به روش‌هاي سنتي تکثير دارد. با ريزازديادي مي‌توان نرخ تکثير را بالا برد و مواد گياهي عاري از

پاتوژن توليد کرد. گزارش‌هاي زيادي در ارتباط با بکارگيري تکنيک ” کشت بافت ” جهت تکثير گياهان دارويي وجود دارد. با اين روش براي ايجاد کلون‌هاي گياهي از تيرة لاله در مدت ۱۲۰ روز بيش از ۴۰۰ گياه کوچک همگن و يک شکل گرفته شد که ۹۰ درصد آنها به رشد معمولي خود ادامه دادند. براي اصلاح گل انگشتانه، از نظر صفات ساختاري، مقدار بيوماس، ميزان مواد مؤثره و غيره با مشکلات زيادي مواجه خواهيم شد ولي با تکثير رويشي اين گياه از راه کشت بافت و سلول، مي‌توان بر آن مشکلات غلبه نمود. چنان‌که مؤسسة گياهان دارويي بوداکالاز در مجارستان از راه کشت بافت و سلول گل انگشتانه موسوم به آکسفورد، توانست پايه‌هايي کاملاٌ همگن و يک شکل از گياه مذکور به‌دست آورد.
باززايي از طريق جنين‌‌زايي سوماتيک (غيرجنسي)

توليد و توسعة مؤثر جنين‌هاي سوماتيک، پيش‌نيازي براي توليد گياهان در سطح تجاري است. جنين‌زايي سوماتيک فرآيندي است که طي آن گروهي از سلول‌ها يا بافت‌هاي سوماتيک، جنين‌هاي سوماتيک تشکيل مي‌دهند. اين جنين‌ها شبيه جنين‌هاي زيگوتي (جنين‌هاي حاصل از لقاح جنسي) هستند و در محيط کشت مناسب مي‌توانند به نهال تبديل شوند. باززايي گياهان با استفاده از جنين‌زايي سوماتيک از يک سلول، در بسياري از گونه‌هاي گياهان دارويي به اثبات رسيده است. بنابراين در اين حالت با توجه به پتانسيل متفاوت سلول‌هاي مختلف در توليد يک ترکيب دارويي، مي‌توان گياهاني با ويژگي برتر نسبت به گياه اوليه توليد نمود.

حفاظت گونه‌هاي گياهان دارويي از طريق نگهداري در سرما
با تکيه بر کشت بافت و سلول مي‌توان براي نگهداري کالتيوارهاي مورد نظر در بانک ژن يا براي نگهداري طولاني مدت اندام‌هاي تکثير گياه در محيط نيتروژن مايع، اقدام نمود. نگهداري در سرما، يک تکنيک مفيد جهت حفاظت از کشت‌هاي سلولي در شرايط آزمايشگاهي است. در اين روش با استفاده از نيتروژن مايع (۱۹۶- درجه سانتي‌گراد) فرآيند تقسيم سلولي و ساير فرآيندهاي متابوليکي و بيوشيميايي متوقف شده و در نتيجه مي‌توان بافت يا سلول گياهي را مدت زمان بيشتري نگهداري و حفظ نمود. با توجه به اينکه مي‌توان از کشت‌هاي نگهداري شده در سرما، گياه کامل باززايي کرد، لذا اين تکنيک مي‌تواند روشي مفيد

جهت حفاظت از گياهان دارويي در معرض انقراض باشد. مثلاً بر اساس گزارشات منتشر شده، روش نگهداري در سرما، روشي مؤثر جهت نگهداري کشت‌هاي سلولي گياهان دارويي توليدکنندة آلکالوئيد همچون Rauvollfia serpentine , D. lanalta , A. belladonna , Hyoscyamus spp . است. اين تکنيک، مي‌تواند جهت نگهداري طيفي از بافت‌هاي گياهي چون مريستم‌ها، بساک و دانة گرده، جنين، کالوس و پروتوپلاست به‌کار رود. تنها محدوديت اين روش، مشکل دسترسي به نيتروژن مايع است.

 

توليد متابوليت‌هاي ثانويه از گياهان دارويي
از لحاظ تاريخي، اگرچه تکنيک ” کشت بافت ” براي اولين بار، در سال‌هاي ۱۹۴۰-۱۹۳۹ در مورد گياهان به‌کار گرفته‌شد، ولي در سال ۱۹۵۶ بود که يک شرکت دارويي در کشور آمريکا ( Pfizer Inc ) اولين پتنت را در مورد توليد متابوليت‌ها با استفاده از کشت توده‌اي سلول‌ها منتشر کرد. کول و استابو (۱۹۶۷) و هبل و همکاران (توانستند مقادير بيشتري از ترکيبات ويسناجين ( Visnagin ) و ديوسجنين ( Diosgenin ) را با استفاده از کشت بافت نسبت به حالت طبيعي (استخراج از گياه کامل) به‌‌دست آورند. گياهان، منبع بسياري از مواد شيميايي هستند که به‌عنوان ترکيب دارويي مصرف مي‌شوند. فرآورده‌هاي حاصل از متابوليسم ثانويه گياهي ( Secondary Metabolite ) جزو گرانبهاترين ترکيب شيميايي گياهي ( Phytochemical ) هستند. با استفاد از کشت بافت مي‌توان متابوليت‌هاي ثانويه را در شرايط آزمايشگاهي توليد نمود. لازم به‌ذکر است که متابوليت‌هاي ثانويه، دسته‌اي از مواد شامل اسيدهاي پيچيده، لاکتون‌ها، فلاونوئيدها و آنتوسيانين‌ها هستند که به‌صورت عصاره يا پودرهاي گياهي در درمان بسياري از بيماري‌هاي شايع به‌کار برده مي‌شوند.

راهکارهاي افزايش متابوليت‌هاي ثانويه گياهي از طريق کشت بافت
۱- استفاده از محرک‌هاي ( Elicitors ) زنده و غير زنده‌اي که مي‌توانند مسيرهاي متابوليکي سنتز متابوليت‌هاي ثانويه را تحت تأثير قرار داده و ميزان توليد آنها را افزايش دهند. لازم به‌ذکر است که اين محرک‌ها در شرايط طبيعي نيز بر گياه تأثير گذاشته و باعث توليد يک متابوليت خاص مي‌شوند.

۲- افزودن ترکيب اولية ( Precursor ) مناسب به محيط‌کشت، با اين ديدگاه که توليد محصول نهايي در نتيجه وجود اين ترکيبات در محيط‌کشت، القاء شود.
۳- افزايش توليد يک متابوليت ثانويه در اثر ايجاد ژنوتيپ‌هاي جديدي که از طريق امتزاج پروتوپلاست يا مهندسي ژنتيک، به‌دست مي‌آيند.
۴- استفاده از مواد موتاژن جهت ايجاد واريته‌هاي پربازده

۵- کشت بافت ريشة گياهان دارويي (ريشه، نسبت به بافت‌هاي گياهي ديگر، پتانسيل بيشتري جهت توليد متابوليت‌هاي ثانويه دارد)
مثال‌هاي قابل ذکر آنقدر زياد است که تصور مي‌شود هر ماده‌اي با منشاء گياهي، از جمله، متابوليت‌هاي ثانويه را مي‌توان به‌وسيلة کشت‌هاي سلولي توليد کرد: از جمله ترکيباتي که از طريق کشت سلولي و کشت بافت به توليد انبوه رسيده است،‌ داروي ضد سرطان تاکسول است. اين دارو که در درمان سرطان‌هاي سينه و تخمدان به‌کار مي‌رود از پوست تنه درخت سرخدار ( Taxus brevilifolia L. ) استخراج مي‌گردد. از آنجايي‌که توليد تاکسول به‌دليل وجود ۱۰ هستة

استروئيدي در ساختار شيميايي آن بسيار مشکل است و جمعيت طبيعي درختان سرخدار نيز براي استخراج اين ماده بسيار اندک است، لذا راهکار ديگري را براي توليد تاکسول بايد به‌کار گرفت. در حال حاضر، براي توليد تاکسول از تکنيک کشت بافت و کشت قارچ‌هايي که بر روي درخت رشد کرده و تاکسول توليد مي‌کنند،‌ استفاده مي‌گردد.

سولاسودين ( Solasodine ) نيز از ترکيبات ديگري است که از طريق کشت سوسپانسيون سلولي گياه Solanum eleganifoliu به‌دست مي‌آيد. از جمله متابوليت‌هاي ديگري که از طريق تکنيک کشت بافت و در مقياس تجاري توليد مي‌شود، شيکونين ( Shikonin ) (رنگي با خاصيت ضد حساسيت و ضد باکتري) است. مثال‌هاي زير گوياي کارايي تکنيک کشت بافت در توليد متابوليت‌هاي ثانويه است.

توليد آلکالوئيد پيروليزيدين ( Pyrolizidine ) از کشت بافت ريشة Senecio sp ، سفالين ( Cephaelin ) و امتين ( Emetine ) از کشت کالوس Cephaelis ipecacuanha ، آلکالوئيد کوئينولين ( Quinoline ) از کشت سوسپانسيون سلولي Cinchona ledgerione و افزايش بيوسنتز آلکالوئيدهاي ايندولي با استفاده از کشت سوسپانسيون سلولي گياه Catharanthus roseus .

 

استفاده از بيورآکتورها در توليد صنعتي متابوليت‌هاي ثانويه
توليد متابوليت ثانوية گياهي با خصوصيات دارويي در شرايط آزمايشگاهي، فوايد زيادي در مقايسه با استخراج اين ترکيبات از گياهان، تحت شرايط طبيعي دارد. کنترل دقيق پارامترهاي مختلف، سبب مي‌شود که کيفيت مواد حاصل در طول زمان تغيير نکند. درحالي که در شرايط طبيعي مرتباٌ تحت تأثير شرايط آب و هوايي و آفات است. تحقيقات زيادي در زمينة استفاده از کشت‌هاي سوسپانسيون و سلول گياهي براي توليد متابوليت‌هاي ثانويه صورت گرفته است. از جمله ابزارهايي که براي کشت وسيع سلول‌هاي گياهي به‌کار رفته‌اند، بيورآکتورها هستند. بيورآکتورها، مهمترين ابزار در توليد تجاري متابوليت‌هاي ثانويه از طريق روش‌هاي بيوتکنولوژيک، محسوب مي‌شوند.

مزاياي استفاده از بيورآکتورها در کشت انبوه سلول‌هاي گياهي عبارتند از:
۱- کنترل بهتر و دقيق‌تر شرايط خاص مورد نياز براي توليد صنعتي ترکيبات فعال زيستي از طريق کشت سوسپانسيون سلولي
۲- امکان تثبيت شرايط در طول مراحل مختلف کشت سلولي در بيورآکتور
۳- جابجايي و حمل‌ونقل آسان‌تر کشت (مثلاً، برداشتن مايه‌کوبه در اين حالت راحت است)
۴- با توجه به اينکه در شرايط کشت سوسپانسيون، جذب مواد غذايي به‌وسيلة سلول‌ها افزايش مي‌يابد، لذا نرخ تکثير سلول‌ها زياد شده و به‌تبع آن ميزان محصول (ترکيب فعال زيستي) بيشتر مي‌شود.

۵- در اين حال، گياهچه‌ها به آساني توليد و ازدياد مي‌شوند.
سيستم بيورآکتور براي کشت‌هاي جنين‌زا و ارگانزاي چندين گونة گياهي به‌کار رفته است که از آن‌جمله مي‌توان به توليد مقادير زيادي سانگئينارين ( sanguinarine ) از کشت سوسپانسيون سلولي Papaver somniferum با استفاده از بيورآکتور، اشاره کرد. با توجه به اينکه بيورآکتورها، شرايط بهينه را براي توليد متابوليت‌هاي ثانويه از سلول‌هاي گياهي فراهم مي‌آورند، لذا تغييرات زيادي در جهت بهينه‌سازي اين سيستم‌ها، براي توليد مواد با ارزش دارويي (با منشأ گياهي) همچون جينسنوسايد ( ginsenoside ) و شيکونين صورت گرفته است.
نشانگرهاي مولکولي

بخش مهم بعدي داراي کاربرد فراوان در حوزة گياهان دارويي، “نشانگرهاي مولکولي” است. قبل از اينکه به موارد کاربرد نشانگرهاي مولکولي پرداخته شود، لازم است دلايل لزوم استفاده از نشانگرهاي مولکولي در زمينة گياهان دارويي ذکر شود:

دلايل استفاده از نشانگرهاي مولکولي در زمينة گياهان دارويي
فاکتورهايي همچون خاک و‌ شرايط آب و هوايي، بقاي يک گونة خاص و همچنين محتواي ترکيب دارويي اين گياه را تحت تأثير قرار مي‌دهند. در چنين حالاتي علاوه بر اينکه بين ژنوتيپ‌هاي مختلف يک گونه تفاوت ديده مي‌شود از لحاظ ترکيب دارويي فعال نيز با هم فرق مي‌کنند. در هنگام استفادة تجاري، از اين گياه دو فاکتور، کيفيت نهايي داروي استحصالي از اين گياه را تحت تأثير قرار مي‌دهند:
۱- تغيير محتواي يک ترکيب دارويي خاص در گياه مورد نظر
۲- اشتباه گرفتن يک ترکيب دارويي خاص با اثر کمتر که از گياهان ديگر به‌دست آمده است. به‌جاي ترکيب دارويي اصلي که از گياه اصلي به‌دست مي‌آيد.
چنين تفاوت‌هايي، مشکلات زيادي را در تعيين و تشخيص گياهان دارويي خاص، با استفاده از روش‌هاي سنتي (مرفولوژيکي و ميکروسکوپي)، به‌دنبال خواهد داشت. براي روشن‌شدن موضوع به مثال زير توجه کنيد:

کوئينون يک ترکيب دارويي است که از پوست درخت سينکونا ( cinchona ) به‌دست مي‌آيد. پوست درختان سينکونا که در جلگه‌ها کشت شده‌اند، حاوي کوئيوني است که از لحاظ دارويي فعال است. گونه‌هاي مشابهي از اين درخت وجود دارند که به‌روي تپه‌ها و زمين‌هاي شيبدار رشد مي‌کنند و از لحاظ مرفولوژيکي (شکل ظاهري) مشابه گونه‌هايي هستند که در جلگه‌ها رشد مي‌کنند، اما در اين گونه‌ها کوئيون فعال وجود ندارد.

در طول دهه‌هاي گذشته، ابزارهايي که براي استانداردسازي داروهاي گياهي به‌وجود آمده‌اند، شامل ارزيابي ماکروسکوپيک و ميکروسکوپيک و همچنين تعيين نيمرخ شيميايي ( Chemoprofiling ) مواد گياهي بوده‌اند. قابل ذکر است که نيمرخ شيميايي، الگوي شيميايي ويژه‌اي براي يک گياه است که از تجزية عصارة‌ آن گياه به‌وسيلة تکنيک‌هايي چون TLC و HPTLC و HPLC به‌دست آمده است. ارزيابي ماکروسکوپيک مواد گياهي نيز بر اساس پارامترهايي چون شکل، اندازه، رنگ، بافت،‌ خصوصيات سطح گياه، مزه و غيره صورت مي‌گيرد. علاوه بر اين، بسياري از تکنيک‌هاي آناليز، همچون آناليز حجمي ( Volumetric Analysis )، کروماتوگرافي گازي (Gas Chromatography )، کروماتوگرافي ستوني ( Column Chromatography ) و روش‌هاي اسپکتروفتومتريک نيز براي کنترل کيفي و استانداردسازي مواد دارويي گياهي، مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

گرچه در روش‌هاي فوق، اطلاعات زيادي در مورد يک گياه دارويي و ترکيبات دارويي موجود در آن فراهم آيد، ولي مشکلات زيادي نيز به‌همراه دارد. مثلاً براي اينکه يک ترکيب شيميايي به‌عنوان يک نشانگر ( Marker ) جهت شناسايي يک گياه دارويي خاص، مورد استفاده قرار گيرد، بايد مختص همان‌گونة گياهي خاص باشد، در حالي‌که همة گياهان دارويي، داراي يک ترکيب شيميايي منحصربه‌فرد نيستند. همچنين بين بسياري از مولکول‌هاي شيميايي که به‌عنوان نشانگر و يا ترکيب دارويي خاص مدنظر هستند، هم‌پوشاني معني‌داري وجود دارد؛ اين موضوع در مورد ترکيبات فنولي و استرولي حادتر است.

يکي از عوامل مهم ديگري که استفاده از نيمرخ شيميايي را محدود مي‌سازد، ابهام در داده‌هاي حاصل از انگشت‌نگاري شيميايي (Chemical Fingerprinting) است. اين ابهام، در اثر تجمع مواد مصنوعي در پروفيل شيميايي حادث مي‌شود. علاوه بر اين، فاکتورهاي ديگري، پروفيل شيميايي يک گياه را تغيير مي‌دهند. که از جمله اين فاکتورها مي‌توان فاکتورهاي دروني چون عوامل ژنتيکي و فاکتورهاي بروني چون کشت، برداشت، خشک‌کردن و شرايط انبارداري گياهان دارويي

را ذکر نمود. مطالعات شيموتاکسونوميکي (طبقه‌بندي گياهان بر اساس ترکيبات شيميايي موجود در گياه) که به‌طور معمول در آزمايشگاه‌هاي مختلف استفاده مي‌شوند، تنها مي‌توانند به‌عنوان معيار کيفي در مورد متابوليت‌هاي ثانويه، مورد استفاده قرار مي‌گيرند و براي تعيين کمي اين ترکيبات، استفاده از نشانگرهاي ويژه (شيميايي) که به‌کمک آن به آساني بتوان گونه‌هاي گياهان دارويي را از يکديگر تشخيص داد، يک الزام است. در اين رابطه، همان‌طور که در فوق ذکر شد، در هرگياه يک نشانگر منحصر به فرد را نمي‌توان يافت.

مشکلي که در شناسايي گونه‌هاي گياهان دارويي با استفاده از صفات مرفولوژيک وجود دارد، وجود نام‌هاي گياهشناسي متفاوت در مورد يک گياه در نواحي مختلف جهان است. در اين حالت ممکن است گونه‌هاي گياهان دارويي نادر و مفيد، با گونه‌هاي ديگري که از لحاظ مرفولوژيکي به گياه اصلي شبيه‌اند، اشتباه فرض شوند.

بنابراين، با توجه به مشکلات موجود در زمينة شناسايي گياهان دارويي با استفاده از روش‌هاي سنتي و با توجه به پيشرفت محققين در زمينة ايجاد نشانگرهاي DNA ‌،‌ استفاده از اين تکنيک‌هاي نوين مي‌تواند ابزاري قدرتمند در استفاده کارا از گونه‌هاي مؤثر دارويي محسوب شود. از جمله مزاياي اين نشانگرها، عدم وابستگي به سن و شرايط فيزيولوژيکي و محيطي گياه دارويي است. پروفيلي که از انگشت نگاري DNA يک گياه دارويي به‌دست مي‌آيد، کاملاً به همان گونه اختصاص دارد. همچنين براي استخراج DNA به‌عنوان مادة آزمايشي در آزمايشات نشانگرهاي مولکولي، علاوه بر بافت تازه، مي‌توان از بافت

خشک نيز استفاده نمود و از اين رو، شکل فيزيکي نمونه براي ارزيابي آن گونه، اهميت ندارد. نشانگرهاي مختلفي بدين منظور ايجاد شده‌اند که از آن جمله مي‌توان به روش‌هاي مبتني بر هيبريداسيون (مانند RFLP )، روش‌هاي مبتني بر RCR (مانند AFLP ) و روش‌هاي مبتني بر توالي‌يابي (مانند ITS ) اشاره کرد.