Риск-ориентированный подход при получении и анализе свойств суспензионных культур клеток шлемника байкальского

Введение. В условиях пандемии использование биологически активных компонентов шлемника байкальского (Scutellaria baicalensis Georgi) приобретает особое значение. Ценность растения становится причиной чрезмерной эксплуатации подземных органов шлемника, что приводит к сокращению ареала распространения популяции и ненадлежащих условий сбора и заготовки. Для предотвращения угрозы исчезновения вида перспективной технологией становится культивирование клеток растения в условиях in vitro. Благодаря этому появляются перспективы исследования физиологии и биохимии растительных клеток, направленной регуляции синтеза ценных вторичных метаболитов и создания лекарственных средств без вмешательства в естественную среду обитания. Современные технологии открывают возможности автоматизации культивирования клеток с целью сведения к минимуму вмешательства человека на протекание процесса. Тем не менее, культивирование растительных клеток – вероятностный процесс, зависящий от ряда факторов. Использование инструментов риск-менеджмента позволит снизить число нежелательных последствий, приводящих к опасным и критическим состояниям клеточных культур.

Цель. Анализ рисков, возникающих при культивировании in vitro шлемника байкальского (Scutellaria baicalensis Georgi).

Материалы и методы. Объект исследования – суспензионные культуры Scutellaria baicalensis, полученные из рыхлых каллусов растения. Выращивание суспензий клеток шлемника проводили в плоскодонных конических колбах объемом 250 мл в условиях постоянного перемешивания на шейкере (скорость вращения 100 об/мин). Цикл субкультивирования составляет 21 сутки. Для микроскопии клеточной биомассы использовали прижизненный краситель 0,1 % нейтральный красный (НК) и 0,025 % раствор Эванса голубого (ЭГ). Оценку рисков процесса проводили с помощью диаграммы причинно-следственных связей (диаграммы Исикавы).

Результаты и обсуждение. Установлено, что для клеток в суспензионных культурах шлемника характерна вытянутая овальная форма. Первичные суспензии характеризовались наличием клеток преимущественно паренхимного типа (70 ± 2,0 %). Для первичных суспензий характерна крупная агрегированность. Диаметр агрегатов достигал порядка 8–15 мм. Отмечена зависимость ростовых свойств суспензии шлемника байкальского от плотности инокулята. При уменьшении количества пересаживаемой биомассы клетки проявляли склонность к деструкции. Полученные результаты обозначили необходимость анализа рисков лабораторной технологии суспензионного культивирования шлемника байкальского. Выделено пять наиболее значимых факторов при культивировании растительных клеток: качество каллуса, качество приготовленной жидкой питательной среды, исправность и пригодность оборудования, действия оператора и пригодность технологии получения клеточных культур и отбора проб для анализа показателей жизнеспособности биомассы.

Заключение. Предложен алгоритм анализа защищенности суспензионной культуры шлемника байкальского. На основании оценки рисков можно сделать вывод о вероятности нежелательных последствий и их влиянии на процесс. Инструментарий риск-менеджмента создает основу для модернизации существующей технологии и автоматического оснащения процесса.

1. Гудима Г. О., Хаитов Р. М., Кудлай Д. А., Хаитов М. Р. Молекулярно-иммунологические аспекты диагностики, профилактики и лечения коронавирусной инфекции. Иммунология. 2021;42(3):198–210. DOI: 10.33029/0206-4952-2021-42-3-198-210.

2. Jiang S., Du L., Shi Z. An emerging coronavirus causing pneumonia outbreak in Wuhan, China: calling for developing therapeutic and prophylactic strategies. Emerging Microbes & Infections. 2020;9(1):275–277. DOI: 10.1080/22221751.2020.1723441.

3. Смолянова Т. И., Багаева Н. С., Колганова М. А., Шохин И. Е., Николаева А. М., Вязникова Т. В., Панкратова А. А., Быкова Е. А. Изучение фармакокинетики препарата «КОВИД-глобулин» (специфический иммуноглобулин человека против COVID-19) (АО «Нацимбио», Россия) в рамках фазы I клинического исследования. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2022;11(2):180–186. DOI: 10.33380/2305-2066-2022-11-2-180-186.

4. Zhao T., Tang H., Xie L., Zheng Y., Ma Z., Sun Q., Li X. Scutellaria baicalensis Georgi. (Lamiaceae): a review of its traditional uses, botany, phytochemistry, pharmacology and toxicology. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 2019;71(9):1353–1369. DOI: 10.1111/jphp.13129.

5. Yan B., Xu W., Su S., Zhu S., Zhu Z., Zeng H., Zhao M., Qian D., Duan J. A., Duan J. Comparative analysis of 15 chemical constituents in Scutellaria baicalensis stem-leaf from different regions in China by ultra-high performance liquid chromatography with triple quadrupole tandem mass spectrometry. Journal of Separation Science. 2017;40:3570–3581.

6. Zhao Q., Yang J., Cui M. Y. The reference genome sequence of Scutellaria baicalensis provides insights into the evolution of Wogonin biosynthesis. Molecular Plant. 2019;12:935–950.

7. Wang Z.-L., Wang S., Kuang Y. A comprehensive review on phytochemistry, pharmacology, and flavonoid biosynthesis of Scutellaria baicalensis. Pharmaceutical Biology. 2018;56(1):465–484. DOI: 10.1080/13880209.2018.1492620.

8. Dinda B., Dinda S., Dassharma S., Banik R., Chakraborty A., Dinda M. Therapeutic potentials of baicalin and its aglycone, baicalein against inflammatory disorders. European Journal of Medicinal Chemistry. 2017;131:68–80. DOI: 10.1016/j.ejmech.2017.03.004.

9. Hassanin M., Tolba M., Tadros M. Wogonin a Promising Component of Scutellaria baicalensis: A Review on its Chemistry, Pharmacokinetics and Biological Activities. Archives of Pharmaceutical Sciences Ain Shams University. 2019;3(2):170–179, DOI: 10.21608/aps.2019.18854.1016.

10. Кунакова Р. В., Зайнуллин Р. А. Природные соединения растительного происхождения в борьбе с коронавирусом. Вестник Академии наук Республики Башкортостан. 2020;2(98):87–92. DOI: 10.24411/1728-5283-2020-10210.

11. Lawson S. K., Satyal P., Setzer W. N. Phytochemical Analysis of the Essential Oils From Aerial Parts of Four Scutellaria "Skullcap" Species Cultivated in South Alabama: Scutellaria baicalensis Georgi, S. Barbata D. Don, S. Incana Biehler, and S. Lateriflora L. Natural Product Communications. 2021;16(8):1934578X2110259. DOI: 10.1177/1934578X211025930.

12. Song J.-W., Long J.-Y., Xie L., Zhang L.-L., Xie Q.-X., Chen H.-J., Deng M., Li X.-F. Applications, phytochemistry, pharmacological effects, pharmacokinetics, toxicity of Scutellaria baicalensis Georgi. and its probably potential therapeutic effects on COVID-19: a review. Chinese Medicine. 2020;15(1):102. DOI: 10.1186/s13020-020-00384-0.

13. Xu N., Meng F., Zhou G., Li Yu., Wang B., Lu H. Assessing the suitable cultivation areas for Scutellaria baicalensis in China using the Maxent model and multiple linear regression. Biochemical Systematics and Ecology. 2020;90:104052. DOI: 10.1016/j.bse.2020.104052.

14. Иващук О. А., Щербинина Н. В., Забнин С. А. Нейросетевой подход при автоматизации подбора питательной среды для выращивания растений в условиях in vitro. Современные наукоемкие технологии. 2019;7:30–34.

15. Дзержинская А. А., Спиридонова А. А., Хомутова Е. Г. Системный подход к управлению рисками перекрестной контаминации при производстве лекарственных средств. Разработка и регистрация лекарственных средств. 2022;11(1):149–158. DOI: 10.33380/2305-2066-2022-11-1-149-158.

16. Titova M. V., Popova E. V., Konstantinova S. V., Kochkin D. V., Ivanov I. M., Klyushin A. G., Titova E. G., Nebera E. A., Vasilevskaya E. R., Tolmacheva G. S., Kotenkova E. A., Nosov A. M., Paek K.-Y. Suspension Cell Culture of Dioscorea deltoidea—A Renewable Source of Biomass and Furostanol Glycosides for Food and Pharmaceutical Industry. Agronomy. 2021;11(2):394. DOI: 10.3390/agronomy11020394.

17. Glagoleva E. S., Konstantinova S. V., Kochkin D. V., Ossipov V., Titova M. V., Popova E. V., Nosov A. M., Paek K.-Y. Predominance of oleanane-type ginsenoside R0 and malonyl esters of protopanaxadiol-type ginsenosides in the 20-year-old suspension cell culture of Panax japonicus C.A. Meyer. Industrial Crops and Products. 2022;177:114417. DOI: 10.1016/j.indcrop.2021.114417.

18. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Юдина О. Н. Научный анализ рисков в жизнеобеспечении человека, общества и государства. Проблемы анализа риска. 2019;16(2):70–86. DOI: 10.32686/1812-5220-2019-16-2-70-86.