Luonnon monimuotoisuuden merkitys uusien lääkeaineiden löytämisessä kasveista saatavat lääkeaineet Kirsi-Marja Oksman-Caldentey

Transkriptio

1 Luonnon monimuotoisuuden merkitys uusien lääkeaineiden löytämisessä kasveista saatavat lääkeaineet Kirsi-Marja ksman-caldentey Photo Jouko Lehmuskallio Photo Jouko Lehmuskallio Photo Jouko Lehmuskallio

2 11/02/ Kasvien monimuotoisuus ihmisen hyväksi

3 11/02/ oo Sokrates teki itsemurhan myrkkykatkolla oo

4 11/02/ Kahvipensaan marjasta saadaan kofeiinia Maailman eniten käytetty piriste Kofeiini valmistetaan nykyisin synteettisesti

5 11/02/ Kokapensaan lehdistä saadaan kokaiinia Kokaiini on voimakas paikallispuudute Kokaiinia on käytetty mallina uusille puuduteaineille

6 11/02/ Monet Apiaceae heimon kasvit sisältävät kumariineja Kumariinit yhdessä auringonvalon kanssa aiheuttavat vakavia palovammoja ja ihovaurioita Kumariineja käytetään lääkkeellisiin tarkoituksiin mm. psoriasiksen hoitoon

7 11/02/ pium-unikosta saadaan morfiinia Morfiini eristetään edelleen kasveista Se on voimakas kipulääke Morfiinista valmistetaan kodeiinia Kodeiinia käytetään yskänlääkkeenä ja kipulääkkeenä

8 11/02/ Kasvien tärkeys lääkemolekyylien tuottajina Maailmassa arvioidaan olevan noin korkeampaa kasvilajia Näistä vain 5-10% on tutkittu kemiallisesti edes jollakin tavalla ikea kolmiulotteinen rakenne, hankala syntetisoida kemiallisesti Usein vaikea löytää hyvää synteettistä korvaavaa yhdistettä, jolla sama aktiivisuus, spesifisyys ja lääkkeellinen vaikutus Kasveista mahdollista löytää uusia lääkemolekyylejä

9 11/02/ Kasvit ovat tärkeitä lääkeaineiden lähteitä myös tänään Tänä päivänä noin neljännes kaikista reseptilääkkeistä sisältää vaikuttavina aineinaan yhdisteitä, jotka ovat peräisin luonnosta. Ne on eristetty joko puhtaina yhdisteinä tai niistä on tehty puolisynteettiset/synteettiset johdannaiset. pium alkaloidit (morfiini) Kipulääke Seskviterpeenit (artemisiniini) Malarialääke Tropa alkaloidit (skopolamiini) Matkapahoinvointi ja silmälääke Lignaanit (etoposidi) Syöpälääke Kinoliinialkaloidit (kiniini) Malarialääke Diterpeenit (paklitakseli) Syöpälääke Steroidiglykosidit (digoksiini) Sydänlääke

10 11/02/ Kasvien merkitys uusien lääkemolekyylien lähteenä tänään Jo markkinoilla olevien lääkkeiden, jotka sisältävät kasveista peräisin olevia yhdisteitä, arvo on suuri Esimerkiksi yksinomaan USA:ssa se on yli 30 miljardia dollaria Uusia lääkemolekyylejä saatiin markkinoille vuosina kaikkiaan 1355 Näistä neljään merkittävimpään terapiaryhmään kuului noin 37 % (499 molekyyliä), joista lähes puolet oli saatu luonnosta Kasvien osuus uusien molekyylien lähteenä on siis edelleen erittäin merkittävä $ $

11 11/02/ Uudet markkinoille hyväksytyt lääkeaineet N ND NS B S Total N+ND+NS (%) Antimikrobiaineet Bakteerilääkkeet Sienilääkkeet Viruslääkkeet Parasiittilääkkeet Syöpälääkkeet Verenpainelääkkeet Tulehduslääkkeet Yhteensä Lyhenteet: N, natural product; ND, derived from natural product, semisynthetic product; NS, synthetic but pharmacophore is from a natural product; B, biological origin, usually a large protein or peptide either isolated from an organism or cell line or produced by biotechnological means in a heterologous host; S, derived from total chemical synthesis. Modified according to Newman & Cragg (2012): J. Natr. Prod.

12 11/02/ Catharanthus roseus (punatalvio) N CH 3 N H CH 3 CH 3 N Vinkristiini H N H H H CH 3 CH 3 H CH 3 Käyttö: Hodgkinin tauti, akuutti leukemia, rintasyöpä, munasarjasyöpä Pitoisuudet kasveissa: Lehdissä n % (Kasvimateriaalia tarvitaan 500 kg, jotta saadaan eristetyksi 1g vinkristiiniä) Vuosittainen markkina-arvo: ~ 1000 M$ Hinta: ~ /g

13 11/02/ Marjakuusesta saadaan paklitakselia Taxus brevifolia Paklitakseli (taxol) syöpälääke Tarvitaan tonnia marjakuusen kuorta (= puuta), jotta saadaan 2,5 kg paklitakselia Tällä hetkellä yli 90 % paklitakselista saadaan kasvien soluviljelmistä (Phyton)

14 11/02/ Podophyllum- ja Linum-lajit H H Podofyllotoksiini H H CH 3 CH 3 CH 3 Podofyllotoksiinista valmistetaan puolisynteettisiä johdannaisia: Etoposidi, Etophos ja Teniposidi Käyttö: akuutti lymfaattinen leukemia, pienisoluinen keuhkosyöpä, kivessyöpä ja lasten aivokasvaimet Pitoisuus kasvissa: noin 0.02 % Maailman markkinat vuodessa: ~ 400 milj. dollaria Hinta: 1400 /g

15 11/02/ Mesimarja Rubus arcticus Vadelma Rubus idaeus, var. ttawa Musta viinimarja Ribes nigrum, var. Öjeby Aronia Aronia melanocarpa, var. Viking Pensasmustikka Vaccinium corymbosum Karpalo Vaccinium oxycoccus Mustikka Vaccinium myrtillus Puolukka Vaccinium vitis-idaea Lakka Rubus chamaemorus Variksenmarja Empetrum nigrum Pihlajamarja Sorbus aucuparia Tyrni Hippophae rhamnoides Mansikka Fragaria ananassa, var. Senga sengana

16 11/02/ Miksi VTT on kiinnostunut marjatutkimuksesta? Marjojen käytöllä pitkä perinne kansanlääkinnässä mustikka: vatsan hyvinvointi ja silmän terveys karpalo: virtsateiden terveys Kotimaisia syötäviä marjoja lähes 40 Luonnonmarjojen vuotuisat sadot Suomessa 500 Mkg: puolukka 244 Mkg; mustikka 168 Mkg; lakka, karpalo, mesimarja, kaarnikka, pihlajanmarja, luonnon vadelma, tyrnimarja jne. 100 Mkg Marjat ainutlaatuinen, mutta pitkälti hyödyntämätön luonnonvara Suomalainen marjatutkimus varsin aktiivista yli 10 viimeisen vuoden ajan! Potentiaalisia käyttöalueita: elintarvikkeet, kosmetiikka, luontais- ja rohdosvalmisteet, lääkkeet

17 Marjojen fenolisten yhdisteiden jaottelu 11/02/ Flavonoids Phenolic acids Lignans Stilbenes Complex phenolic polymers (polymeric tannins) Anthocyanidins Pelargonidin Cyanidin Delphinidin Peonidin Petunidin Malvidin H + Flavonols Quercetin Myricetin Kaempferol H Flavanols (Catechines) H Cyanidin (+)-Catechin (-)-Epicatechin Gallocatechin Epigallocatechin Quercetin (+)-Catechin Cinnamic acids Caffeic acid p-coumaric acid Ferulic acid H H Caffeic acid Benzoic acids Protocatechuic acid p-hydroxybenzoic acid Gallic acid Gallic acid Puupponen-Pimiä et al BioFactors 23:243 H H 3 C H 3 C H H CH 33 Secoisolariciresinol H Resveratrol H H H H Ellagitannins H H H H H C C C C C Casuarictin Proanthocyanidins H H Procyanidin trimer (flavanol)

18 11/02/ Marjojen antimikrobiset vaikutukset Photo Jouko Lehmuskallio

19 11/02/ Antimikrobisuus Marjat ja marjafenolit omaavat voimakkaat selektiiviset antimikrobiset vaikutukset suolistopatogeeneja ja pilaajabakteereita vastaan Marjafenolit eivät estä hyödyllisten maitohappobakteerien kasvua Vaikutukset perustuvat ellagitanniineihin ja antosyaaneihin Monet vaikutusmekanismit vastaavat antimikrobisuudesta 10 9 Cloudberry against Staphylococcus aureus cfu/ml control freeze-dried (10 mg ml -1 ) phenolic extract (1 mg ml -1 ) ellagitannin fraction (1 mg ml -1 ) growth period (h)

20 11/02/ Kliinisen kokeen tulokset Mustikalla oli tulehduksia hillitsevää vaikutusta Lakalla, vadelmalla ja mansikalla oli edullinen vaikutus kolesteroliarvoihin ja yleensäkin rasva-aineenvaihduntaan Kaikki marjat lisäsivät kuidunsaantia Kaikista marjoista voi olla hyötyä korkeaan verenpaineeseen Tummilla marjoilla saattaa olla diabetesta ehkäisevää vaikutusta Lakalla, vadelmalla ja mansikalla saattaa olla edullinen vaikutus suolistomikrobistoon Pitkäaikainen ja säännöllinen marjojen syönti saattaa ennaltaehkäistä tai hidastaa kroonisten sairauksien syntyä. Marjojen monipuolinen nauttiminen olisi parasta, sillä siten voisi parhaiten varmistua eri marjojen hyödyistä.

21 11/02/ Kliinisen kokeen tulokset Antosyaaneilla on positiivisia vaikutuksia krooniseen tulehdukseen Ellagitanniinien hyväksikäytettävyys näyttää riippuvan voimakkaasti suoliston mikrobikoostumuksesta

22 11/02/ Käyttömahdollisuuksia Kasvit, kasvijakeet, uutteet tai eristetyt puhtaat yhdisteet Kasvien kantasoluviljelmät Tunnetut lääkeaineet ja uudet lääkeaineaihiot Luonnolliset antioksidantit, väri- ja makuaineet Kallisarvoiset kemikaalit Kosmetiikka- ja elintarvikesovellukset

23 11/02/ ngelmat ja mahdollisuudet Kasveista eristäminen Matalat pitoisuudet, kasvatusongelmat, epästabiili tuotto, harvinaisten kasvilajien ylikerätys Kemiallinen synteesi Erittäin monimutkaiset, stereokemialliset rakenteet ja siten kemiallinen synteesi ei usein ole mahdollinen tai taloudellisesti kannattava Biotekninen tuotto käyttäen kasvien soluviljelmiä

24 11/02/ Kasvibiotekniikan mahdollisuudet Kasvibioteknisillä menetelmillä tarkoitetaan kasvisolujen, -solukkojen ja kasvin osien kasvattamista synteettisessä kasvatusliuoksessa steriileissä olosuhteissa Kyseessä ovat biologiset prosessit, jotka voidaan täysin kontrolloida Laboratorio-olosuhteista siirrytään suuren mittakaavan teolliseen taloudellisesti kannattavaan tuotantoon

25 11/02/ VTT:n kasvibiotekninen tutkimus VTT keskittyy tutkimuksissaan mahdollisuuksiin hyödyntää kasvien soluviljelmiä kallisarvoisten pienmolekyylien tuottamiseksi Meillä on lähes 30 vuoden kokemus ja olemme maailman johtavia laboratorioita tällä alueella Pystymme kasvattavaan erilaisia kasvisoluja laboratoriosta pilotskaalaan ja muokkaamaan soluja eri tarkoituksiin solutehtaiksi

26 11/02/ Suuren mittakaavan tuotanto CBNBiotech, South Korea, 2006 Wave reaktori, VTT, 2010

27 11/02/ Biosynteesireitit kasvissa Sekundäärimetabolian reitit usein pitkiä ja monimutkaisen säätelyjärjestelmän alla Kasvisolu 5 Säätelijät Hajoamistuotteet Täydelliset biosynteesireitit kartoitettu flavonoideista ja isokinolidiinialkaloideista Primaarimetaboliitti 2 A B C D E a b c d 1 Lääkekasveilla puutteelliset geenisekvenssidatapankit 4 G f 7 F e 6 TP 3 Vapautunut tuote

28 11/02/ EU SmartCell-projekti Rational design of plant systems for sustainable generation of value-added industrial products Main goal is to develop comprehensive understanding and enabling technology to control and engineer plants and plant cells towards rational production of secondary metabolites for industrial use. Focus on terpenoid pathway in Catharanthus roseus Coordinator VTT Kirsi-Marja ksman 14 academic partners from leading European universities and research institutes and four industrial partners Budget 8.5 M (EU's part 6 M ) VTT s share 1.8 M FP7-KBBE Green Factory

29 11/02/ Vihreä älykäs solutehdas N CH 3 N H CH 3 CH 3 N H CH 3 Tunnetut molekyylit N H H H CH 3 H CH 3 Uudet molekyyliaihiot

30 Teknologiasta liiketoimintaa 11/02/