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.