בשנים האחרונות גוברת הדרישה לתרופות מן הצומח בארצות המערב. כמו כן משתמשים בכמויות גדלות והולכות של צמחים, לשם הפקה של חומרי טבע לרפואה. איסוף לא מוגבל של צמחי בר, גורם לדלדול מוגבר של אוכלוסיות צמחים, ויש מינים שנמצאים בסכנת הכחדה. לא תמיד ניתן לגדל צמחי מרפא כגידול חקלאי בצורה טובה, ועל כן יש עניין רב בבחינת האפשרות לגדל צמחים בתרבית רקמה.
כבר בתחילת המאה העשרים, עשה הבוטנאי הברלנדט ניסיונות ראשוניים לגדל תאי צמחים בתרבית רקמה, כלומר בתנאי מעבדה. מאז הייתה התפתחות עצומה בתחום הביוטכנולוגיה של הצמח ופותחו טכנולוגיות לגידול תאים, איברים ורקמות צמחיות. היום קיימות ברחבי העולם הרבה מעבדות המתמחות בגידול צמחים בתרבית.
במאמר זה, ברצוני לדון בשימוש בטכניקה מתקדמת זו, למטרה המוצהרת של גידול צמחי מרפא והפקת חומרים פעילים לשימוש רפואי.
השיטות הנהוגות לגידול צמחים בתרבית רקמה
הקמת תרביות סטריליות
באופן תיאורטי ניתן לתרבת כל חלק של הצמח, אך באופן מעשי יש להשתמש ברקמות צעירות. גזע או חלק צמח מבוגר אינו מתאים. כיוון שחלקי צמחים המיועדים לתירבות עשירים במיקרואורגניזמים, השלב הראשון הוא סטריליזציה של הצמח – בעזרת אתנול, נתרן היפוכלורי או כספית כלורית – בשאיפה שהרקמה הצמחית לא תינזק.
השלב השני הוא הנבטת חלק הצמח הסטרילי וגידולו על משטח מזון, המכיל את כל המרכיבים החיוניים לצמח, כולל ויטמינים והורמוני צמיחה. ההכנה של הרכב מזון מתאים היא אמנות בפני עצמה, והיא שונה מצמח לצמח ומרקמה לרקמה. הרבה מהמחקר הקשור לכך מתבצע כניסוי וטעייה – ממש כך!
לאחר תקופת גידול של בין ארבעה לשמונה שבועות, מעבירים את הרקמה למשטח מזון חדש. בנקודת זמן זו אפשר לחלק את הרקמה ולהרבות אותה שוב.
גידול מאורגן וגידול לא מאורגן
תרביות מאורגנות מכילות איבר או מבנה צמחי מוגדר, כגון עלה או שורש. הן משמשות לריבוי צמחים אחיד בקנה מידה מסחרי. תרביות מאורגנות יכולות לשמש גם להפקת חומרי טבע פעילים.
תרביות לא מאורגנות הן, בעצם, תרביות של תאים פרימיטיביים, הנקראים תאי קאלוס (Callus). תרביות קאלוס נחקרו באינטנסיביות מאז שנות ה-60 של המאה ה-20. תחילה הניחו, שתאים לא ממוינים כאלה, אינם מסוגלים לסנתז חומרי טבע פעילים. אולם התברר, שאם בוחרים שורות תאים (cell lines) פוריים ומתאימים להם תנאי גידול הולמים, הם יכולים ליצור חומרי טבע באותה מידה כמו צמחים שלמים – ואף יותר!
ברוב המקרים שנחקרו עד כה, בתנאים מתאימים, ניתן לשחזר צמחים שלמים מרקמה של תאי קאלוס.
ריבוי צמחים בשיטות מעבדה
מאז פיתוח השיטות לגידול צמחים בתרבית רקמה, התפתחה תעשייה של ריבוי צמחים במעבדה, שנקרא micropropagation. התפוקה של תעשייה זו מוערכת היום בכמיליארד צמחים בשנה. ריבוי במעבדה הוא יקר ומשמש בעיקר לריבוי צמחי נוי וצמחים נדירים ויקרים, בהם חשובה אחידות הגידול, כמו אננס או בננות.
ריבוי צמחי מרפא במעבדה הוא רק חלק קטן מתעשייה זו. דוגמאות לצמחי מרפא שמגודלים בדרך זו: peppermint, spearmint, , מיני הדרים (בעיקר כמקור לשמנים ארומטיים) וכן מעט מיני קרדמון (הל), פלפל שחור וזנגביל. כיוון שבשיטה זו משמש צמח בודד כמקור לשתילונים החדשים – הרי שמגיעים לאחידות מקסימלית של החומר הגנטי – דבר המתבטא באיכות צמחי המרפא ובתכולה אחידה של החומרים הפעילים.
טבלה 1: דוגמאות נבחרות של צמחי מרפא המגודלים בשיטות מעבדתיות (in vitro propagation)
| שם בוטני | שם עברי | מקורות |
| Achillea asplenifolia | אכיליאה אספלניפוליה | Wawrosch et al. 19941 |
| Aconitum carmichaeli | רוש קרמיכאלי | Hatano et al. 19882 |
| Aloe barbadensis | אלוי ברבדנסיס | Castorena Sanchez et al. 19883 |
| Atropa belladonna | אטרופה בלדונה | Benjamin et al. 19874 |
| Azadirachta indica | אזדירקטה הודית (נים) | Su et al. 19965 |
| Bacopa monniera | פשטה שרועה | Tiwari et al. 20016 |
| Catharanthus roseus | וינקה רוזאה | Alen and Jain 19977 |
| Cephaelis ipecacuanha | איפקאק | Rout et al. 20018 |
| Charybdis (Urginea) sp. | מיני חצב | Kongbangkerd et al. 20029 |
| Dioscorea composita | דיוסקוראה קומפוסיטה | Ammirato 198210 |
| Eleutherococcus sessiliflorus | אליטרוקוקוס ססיליפלוריס | Choi et al. 200211 |
| Ephedra sp. | מיני אפדרה | O´Dowd and Richardson 199312 |
| Ginkgo biloba | גינקו בילובה | Laurain et al. 199613 |
| Panax ginseng | פנקס ג’ינסנג | Arya et al. 199314 |
| Trichopus zeylanicus | טריכופוס צילוני | Krishnan et al. 199515 |
| Vinca minor | וינקה קטנה | Stapfer and Heuser 198516 |
שיטות אלו, של תרבות צמחים, משמשות לא רק לריבוי אלא גם לשיפור האיכות של צמחי מרפא וכמו כן לשימור זנים נכחדים. להלן כמה דוגמאות:
ולריאנה Valeriana officinalis1
שורשי הוולריאנה משמשים להרגעה. למרות המחקרים הרבים, עדיין לא זוהו חומרי הטבע הפעילים הנמצאים בשורשים. תעשיית התרופות מעדיפה להשתמש בשורשים בעלי ריכוז גבוה של שמן ארומטי וחומצה וולרנית, וריכוז נמוך של וולפוטריאטים (valepotriates), בגלל חשש להשפעות לוואי כתוצאה מריכוז גבוה של הוולפוטריאטים. בשיטות טיפוח רגילות, לא ניתן להשפיע על ריכוז החומרים בשורשים, ואילו בעזרת יצירת קווים בעלי ריכוז רצוי וריבוים בתרבית רקמה, התאפשר הפיתוח של קווים רצויים אלה.
לענה חד-שנתית Artemisia annua
לענה זו נחקרה בסין. היא מכילה את הלקטון ארטמיזנין, הפעיל נגד מלריה, ומשמש כיום כתרופה המועדפת לטיפול במלריה. סינתיזה של ארטמיזנין אינה אפשרית, ומשום כך הצמח הוא המקור הבלעדי לתרופה. נמצאו תנודות גדולות בתכולת הארטמיזנין בצמח, במקומות גידול שונים ובקווים שונים. בשיטת המיקרו פרופוגציה הצליחו לגדל בשוויץ קלונים המכילים פי 5 יותר ארטמיזנין מאשר בחומר צמחי מקורי. קלונים כאלה גודלו בהצלחה גם בברזיל, שם נדרש החומר למלחמה במלריה.
טוסילגו פרפרה Tussilago farfara – coltsfoot
צמח זה ידוע זה שנים בפעילותו כנוגד שיעול, הודות לתכולת פוליסכרידים. בנוסף מכיל הצמח גם פירוליזידינים, הנחשבים לקרצינוגנים, ונוכחותם בצמח אינה רצויה. משום כך, החל מבצע לחיפוש חומר גנטי נקי מפירוליזידינים. נסקרו למעלה מ-120 מיני בר של טוסילגו. לאחר עבודה מאומצת, נמצא גנוטיפ אחד, שאין בו פירוליזידינים. צמח זה גודל בשיטות מעבדתיות ונבחן במשך כמה שנים. כיום זהו קו מאושר לגידול, המייצר בקביעות בגרמניה ובצ’ילה ונחשב להצלחה גדולה.
פרע מחורר Hypericum perforatum
מיצויים של פרע משמשים לטיפול בדיכאון, ויש לצמח ביקוש רב. לא קל לגדל אותו. בשיטות המיקרו פרופוגציה הצליחו להרבות אותו, ולאחר מכן לגדל אותו במערכת הידרופונית (על תמיסה מימית). בשיטה זו, התקבלו חומרים פעילים (היפריצין, פסידוהיפריצין והיפרפורין) בעלי איכות טובה יותר מזו שנמצאה בצמחים שגדלו בשדה.
גידול בתרבית לשם שימור מינים הנמצאים בסכנת הכחדה
לאחר שנים של איסוף אינטנסיבי ובלתי מבוקר של צמחי מרפא מן הבר, הפכו מספר לא קטן של צמחי מרפא למינים בסכנת הכחדה. פיתוח ושימוש בטכניקות של שימור וריבוי צמחים בתרבית, מבטיחים דרכים יעילות לשימור צמחים. כך ניתן לפתור בעיות של פריחה נדירה, ייצור זרעים בעלי איכות ירודה או צמיחה איטית. לאחרונה דווח על שימור של מינים נדירים של שום, שושן ועוד.
גידול צמחים בתרבית רקמה לשם הפקת חומרי טבע
מטרות:
- לפתח אי תלות בארצות המגדלות את חומרי הגלם, גם אם המחיר גבוה יותר.
- לפתח אי תלות בצמח, בעונת הגידול, באקלים, בקרקע ובהשקיה.
לדוגמה: חיידקים שעברו ביו-טרנספורמציה מסוגלים לסנטז במדויק את החומר הנדרש (אינסולין).
יתרונות:
- החומרים הנדרשים ניתנים להפקה בתנאים מבוקרים, ללא תלות באקלים או בקרקע.
- התנאים בתרבית נקיים מחיידקים וחרקים.
- ניתן לגדל תאים של צמחים טרופיים או אלפיניים בתנאים רגילים ולהפיק חומר טבע ספציפי.
- אוטומציה ורגולציה של תהליכים מטבוליים יפחיתו עבודה וישפרו ייצור.
ומה קורה בשטח? – במאות מעבדות ברחבי העולם נעשתה עבודה אדירה. לדוגמה, הצמח וינקה רוזאה ( Catharanthus roseus) ) נחקר רבות, והספרות המחקרית כוללת למעלה מ-500 מאמרים.
התוצאה מאכזבת, שכן בתרבית התקבלו אלקלואידים בעלי פעילות נוגדת סרטן, בכמות נמוכה מדי להפקה מסחרית. החוקרים הסיקו, שחסרה עדיין הבנה של התהליכים הביוכימיים המפקחים על ייצור האלקלואידים. מסקנה זו משקפת את המצב ברוב המוחלט של מיני הצמחים שנחקרו, ולכן רק מעט חומרי טבע מופקים כיום באופן מסחרי בדרך זו.
בנוסף לבעיית ריכוזם הנמוך של חומרים בתרבית, לעתים חומרים אלו אינם זהים לחומרי הטבע שבצמח השלם.
הניסיונות שבדרך:
Cassia tora המשמש כמשלשל ביפן – קיבלו פי 10 אנטרקינונים (6%) בתרבית רקמה מאשר בצמח השלם. ידוע שקשה במיוחד ליצור אלקלואידים בתרבית תאים מסיבה לא ברורה. יתכן שקיים מחסום במהלך הביוסינטזה.בטבלה 2 מוצגות דוגמאות של צמחים, שמהם הצליחו להפיק חומרים בכמויות סבירות.
טבלה 2: הפקת מטבוליטים משניים בתרביות רקמה
| שם הצמח | מרכיב | מקורות |
| Catharanthus roseus | ajmalicine | Schlatmann et al. 1995xvii |
| Chrysanthemum cinerariaefolium | pyrethrins | Dhar and Pal 1993xviii |
| Coptis japonica | berberine | Hara et al. 1988xix |
| Digitalis lanata | ß-methyldigoxin* | Alfermann et al. 1985xx |
| Papaver somniferum | sanguinarine | Park et al. 1992xix |
| Taxus chinensis | taxuyunnanine | C Wang and Zhong 2002xxii |
* biotransformation of ß-methyldigitoxin
מסקנות
במשך דורות רבים שימשו צמחים כמקור לחומרי טבע פעילים, בעלי השפעות בריאותיות על האדם. מספר לא מבוטל של תרופות חשובות, עדיין מופקות מצמחים. דרישה גוברת והולכת, גם לכמות גדולה יותר וגם לאיכות גבוהה יותר, יוצרת את הצורך בטכנולוגיות חדשות, לגידול צמחים ולהפקת חומרי טבע. ואכן, בעשרות השנים האחרונות, התפתחה הביוטכנולוגיה בצעדי ענק, והיא עומדת לשירות הגידול וההפצה של צמחי מרפא.
ובאשר להפקה של חומרי טבע בשיטות ביו טכנולוגיות – הדרך עוד ארוכה, אם כי נעשתה התקדמות רבה בהבנת התהליכים הביוכימיים ובמנגנוני הבקרה שלהם בצמח השלם.
הבנה זו היא תנאי הכרחי ומקדים בדרך, להצלחה גם בשטח זה.
מקורות
מאמר זה נכתב בהסתמך על: Christoph Wawrosch (2005). In Vitro cultivation of medicinal plants, in: Handbook of Medicinal Plants. Zohara Yaniv and U. Bachrach (Eds). The Haworth Press, New York. Chapter 13, pp 261-273. מקורות לטבלה מס. 1: 1. Wawrosch, C., Kopp, B. and Kubelka, W., (1994). In vitro propagation of Achillea asplenifolia VENT. through multiple shoot regeneration, Plant Cell Reports 14(2/3): 161-164. 2. Hatano, K., Kamura, K., Shoyama, Y. and Nishioka, I., (1988). Clonal multiplication of Aconitum carmichaeli by tip tissue culture and alkaloid contents of clonally propagated plant, Planta Medica 54: 152-155. 3. Castorena Sanchez, I., Natali, L. and Cavallini, A., (1988). In vitro culture of Aloe barbadensis Mill.: morphogenetic ability and nuclear DNA content, Plant Science 55: 53-59. 4. Benjamin, B.D., Roja, P.C., Heble, M.R. and Chadha, M.S., (1987). Multiple shoot cultures of Atropa belladonna: effect of physico-chemical factors on growth and alkaloid formation, Journal of Plant Physiology 129(1-2): 129-135. 5. Su, W.W., Hwang, W.-I., Kim, S.Y. and Sagawa, Y., (1996). Induction of somatic embryogenesis in Azadirachta indica, Plant Cell, Tissue and Organ Culture 50(2): 91-95. 6. Tiwari, V., Tiwari, K.N. and Singh, B.D., (2001). Comparative studies of cytokinins on in vitro propagation of Bacopa monniera, Plant Cell, Tissue and Organ Culture 66(1):9-16. 7. Alen, K.H. and Jain, S.M., (1997). In vitro multiplication of Catharanthus roseus, Acta Horticulturae 447: 167-169. 8. Rout, G.R., Saxena, C. and Das, P., (2001). Somatic embryogenesis in Cephaelis ipecacuanha A. Richard: Effect of growth regulators and culture conditions, Journal of Herbs, Spices & Medicinal Plants 8(1): 59-68. 9. Kongbangkerd, A., Wawrosch, C. and Kopp, B., (2002). In vitro clonal propagation of Charybdis sp. through nodule culture in liquid medium, Revista de Fitoterapia 2(Suppl. 1): 330. 10. Ammirato, P.V., in Fujiwara, A. (ed.), Plant tissue culture 1982, Growth and morphogenesis in cultures of the monocot Yam, Dioscorea (Tokyo: Marizen Co., Ltd., 1982), pp. 169-170. 11. Choi, Y.E., Ko, S.K., Lee, K.S. and Yoon, E.S., (2002). Production of plantlets of Eleutherococcus sessiliflorus via somatic embryogenesis and successful transfer to soil, Plant Cell, Tissue and Organ Culture 69(2): 201-204. 12. O´Dowd, N.A. and Richardson, D.H.S., (1993). In vitro micropropagation of Ephedra, Journal of Horticultural Science 68: 1013-1020. 13. Laurain, D., Chenieux, J.-C. and Tremouillaux-Guiller, J., (1996). Somatic embryogenesis from immature zygotic embryos of Ginkgo biloba, Plant Cell, Tissue and Organ Culture 44(1): 19-24. 14. Arya, S., Arya, I.D. and Eriksson, T., (1993). Rapid multiplication of adventitious somatic embryos of Panax ginseng, Plant Cell, Tissue and Organ Culture 34: 157-162. 15. Krishnan, P.N., Sudha, C.G. and Seeni, S., (1995). Rapid propagation through shoot tip culture of Trichopus zeylanicus Gaertn., a rare ethnomedicinal plant, Plant Cell Reports 14: 708-711. 16. Stapfer, R.E. and Heuser, C.W., (1985). In vitro propagation of periwinkle, HortScience 20(1): 141-142. מקורות לטבלה מס. 2: xvii. Schlatmann, J.E., Moreno, P.R.H., Selles, M., Vinke, J.L., ten Hoopen, H.J.G., Verpoorte, R. and Heijnen, J.J., (1995). Two-stage batch process for the production of ajmalicine by Catharanthus roseus: the link between growth and production stage, Biotechnology and Bioengineering 47(1): 53-59. xviii. Dhar, K. and Pal, A., (1993). Factors influencing efficient pyrethrin production in undifferentiated cultures of Chrysanthemum cinerariaefolium, Fitoterapia 64(4): 336-340. xix. Hara, Y., Yoshioka, T., Morimoto, T., Fujita, Y. and Yamada, Y., (1988). Enhancement of berberine production in suspension cultures of Coptis japonica by gibberellic acid treatment, Journal of Plant Pysiology 133(1): 12-15. xx. Alfermann, A.W., Spieler, H. and Reinhard, E., in Neumann, K.-H., Barz, W. and Reinhard, E. (eds.), Primary and Secondary Metabolism of Plant Cell Cultures, Biotransformation of cardiac glycosides by Digitalis cell cultures in airlift reactors (Berlin, Heidelberg: Springer, 1985), pp. 316-322. xxi. Park, J.M., Yoon, S.Y., Giles, K.L., Songstad, D.D., Eppstein, D., Novakovski, D., Freisen, L. and Roewer, I., (1992). Production of sanguinarine by suspension culture of Papaver somniferum in bioreactors, Journal of Fermentation and Bioengineering 74(5): 292-296. xxii. Wang, Z.-H. and Zhong, J.-J., (2002). Repeated elicitation enhances taxane production in suspension cultures of Taxus chinensis in bioreactors, Biotechnology Letters 24: 445-448.
