CC BY
212
Уникальный центр лекарственного растениеводства
Как уже сообщалось в журнале, состав НИУ Отделения защиты растений РАСХН пополнили два института — Всероссийский институт лекарственных и ароматических растений и Всероссийский НИИ сельскохозяйственной биотехнологии. О первом из них рассказывается в публикуемой ниже статье.
В.А. БЫКОВ, директор ВИЛАР, академик РАМН и РАСХН Т.А. СОКОЛЬСКАЯ, заместитель директора Н.И. СИДЕЛЬНИКОВ, заместитель директора
Всероссийский научно-исследовательский институт лекарственных и ароматических растений (ВИЛАР) -единственное в России научное учреждение, проводящее весь комплекс научных исследований от растениеводческих работ, ресурсных характеристик, разработки агротехнологий, поиска биологически активных веществ, тестирования, доклинических фармакологических и токсикологических исследований до разработки технологий получения субстанций и лекарственных препаратов. Значительную долю используемых в России медикаментов составляют фитопрепараты, разработанные в ВИЛАР
Наш институт создан на базе Научно-исследовательского бюро по лекарственным и душистым растениям Постановлением Наркомзема СССР от 16 марта 1931 г На протяжении почти 60 лет он входил в состав самых различных ведомств (Минздрав, Минмедпром и др.), в системе Россельхозакадемии - с декабря 1991 г
Вначале институт не имел собственной научно-производственной базы, и научно-исследовательские работы проводились в основном на зональных опытных станциях. Его
штат в первое время состоял из 184 человек, из них 85 - научные сотрудники. Работы велись главным образом по агротехнике и агрохимии, защите растений от вредителей и болезней, ботанике, селекции лекарственных и ароматических растений. В 1930-е годы, несмотря на переезды и реорганизации, институтом и его зональной сетью были проведены интересные исследования по ромашке далматской, белладонне, валериане лекарственной, шалфею лекарственному, базилику камфорному, мяте перечной и другим культурам.
В 1935 г. направление работы института было изменено. Из чисто растениеводческого он превратился в комплексный институт лекарственных растений - были организованы химико-технологический отдел, отделы фармакологии и дикорастущих растений.В предвоенные годы были начаты поисковые исследования, направленные на создание лечебных препаратов из растений, однако они получили развитие лишь в послевоенный период.
Осенью 1953 г. в ВИЛАР основан Ботанический сад лекарственных растений площадью 35,35 га, построены теплицы, тропическая и субтропическая оранжереи. Фонды
коллекции регионов открытого грунта Ботанического сада включают 1266 видов лекарственных и ароматических растений из 92 семейств, 255 видов древесно-кустарниковых пород, 916 видов травянистых многолетников, коллекции редких и исчезающих растений. Проведена работа по сохранению и изучению коллекций более 120 видов фитонцидных растений, используемых в гомеопатии.
В 1970-е годы закончено строительство 3 прудов, в которых культивируются лекарственные растения водной среды. На территории Ботанического сада проводятся исследования влияния лекарственных и ароматических растений на психоэмоциональное состояние жителей мегаполиса.
С середины 1960-х до конца 1980-х годов - наиболее плодотворный период деятельности института. Многочисленные экспедиции на Дальний Восток, Алтай, Кавказ, в Казахстан, Среднюю Азию заготовили сотни видов лекарственных растений, в том числе и эндемических, создали основу для их интенсивного химического и фармакологического изучения. Результатом явилась разработка нескольких десятков лекарственных препаратов, многие из
2 Защита и карантин растений № 8, 2012
которых выпускаются и в настоящее время. Институт вырос в комплексное научно-исследовательское учреждение с широко разветвленной опытной зональной сетью.
Распад СССР, разрыв хозяйственных связей не могли не сказаться на положении института - была утрачена значительная часть зональной опытной сети, свернут ряд работ. Но ВИЛАР - единственный из 6 институтов Минмедпрома - выжил и к 2000 г. преодолел кризисные явления. Создание новой зональной станции (Белгородской) и присоединение к ВИЛАР Научно-исследовательского и учебно-методического Центра биомедицинских технологий (НИЦ БМТ) позволили отчасти восполнить потерю опытных станций в бывших союзных республиках, а пересмотр структуры института и научной тематики - частично перейти на самофинансирование.
Стратегическими направлениями деятельности ВИЛАР в настоящее время являются: изучение природных ресурсов лекарственных растений и режимов их рационального использования; исследования по защите растений от вредителей, болезней и сорняков; проведение биотехнологических исследований на клеточном и тканевом уровнях; решение вопросов биобезопасности как лекарственных препаратов, так и продуктов питания и косметических изделий; разработка современных методов диагностики и врачебного контроля и др.
Институт ведет поиск видов, форм и популяций растений отечественной и зарубежной флоры с наиболее ценными хозяйственно-биологическими признаками, перспективных для разработки новых препаратов, получения исходного материала для создания высокопродуктивных сортов и сортопопуляций лекарственных и ароматических растений; изучение сырьевой базы растений, прежде всего, служащих сырьем для препаратов ВИЛАР; разработку методических руководств по оценке и картографированию их природных
запасов; сохранение и пополнение коллекционных генетических фондов и фондов гербария (в первую очередь редких растений) из отечественной флоры и зарубежных стран, создание банка данных по использованию растений в традиционной медицине различных народов мира. Ботаниками института собран гербарий, основной фонд которого насчитывает около 120 тысяч гер-барныхлистов(12тыс. видов растений), опубликованы «Атлас лекарственных растений», «Атлас ареалов и ресурсов лекарственных растений СССР», «Сборник инструкций по сбору и сушке лекарственных растений», «Методика определения запасов лекарственных растений», «Лекарственная флора советского Дальнего Востока», «Лекарственная флора Кавказа», «Травник для мужчин», «Словарь названий растений» и др.
За последние 10 лет проведено 12 экспедиций, собран посадочный и семенной материал для пополнения коллекций генофонда Ботанического сада, гербария и семенного коллектора. Селекционерами ВИЛАР созданы 76 новых сортов высокоурожайных лекарственных растений с повышенным содержанием БАВ.
Приоритетными направлениями работы НИЦ БМТ являются разработка и производство новых медицинских, вкусо-пищевых, косметических и других препаратов; создание биомедицинской технологии коррекции состояний организма(на экзогенном и эндогенном уровнях); репродукция тканей и биопротезирование; разработка биотест-систем для контроля качества и оценки биобезопасности; биорегуляция на молекулярном,клеточном,тканевом и организменном уровнях, изучение продуцентов БАВ, к которым относятся культивированные in vivo высшие лекарственные растения, культивированные in vitro ткани и клетки высших лекарственных растений, а также микроорганизмы и изучение экзогенной и эндогенной регуляции биопродуктивности изучаемых культур.
Последнее направление развивается с 1970-х годов. В институте были созданы лаборатории физиологии и биохимии лекарственных растений и культуры клеток и тканей растений, отдел биотехнологии.
Многолетние исследования позволили разработать систему гормональной регуляции модифицированной изменчивости количества и качества сырья 18 видов лекарственных и эфиромасличных растений, позволяющую без изменения наследственной основы растений повысить содержание в них БАВ. Выявлено разностороннее влияние спектрального состава света на рост, развитие и биохимический состав растений. Установлена и подтверждена в производственных условиях высокая эффективность предпосевной обработки семян 17 видов лекарственных растений фиторегуляторами, светоимпульсным и лазерным облучением. В процессе интродукции 6 видов растений исследованы актуальные проблемы их продуктивности. Совместно с селекционерами на четырех видах лекарственных растений разработаны физиолого-биохимические способы повышения урожайности и качества семян, а также методы индуцирования стерильности, преодоления межвидовой несовместимости и получения гаплоидов.
Получили дальнейшее развитие пионерские для нашей страны работы со спорыньей. Селекционированы и запатентованы новые высокопродуктивные промышленные штаммы спорыньи - продуценты эр-готамина, эргокриптинов, эргокри-стина, эргокорнина, эргометрина и совместно с растениеводами разработана уникальная для России интенсивная технология возделывания спорыньи на ржи, позволяющая обеспечивать сырьем производство лекарственных препаратов на основе эргоалкалоидов. Впервые выявлен и запатентован новый для лекарственного производства эффект ауто-ферментативной модификации стероидных гликозидов до агли-кона - соласодина, разработана и
освоена в производстве ресурсо- и энергосберегающая высокопроизводительная технология получения соласодина.
Сотрудниками отдела биотехнологии получены и исследованы на искусственных питательных средах клеточные культуры 12 видов эндемичных, тропических, трудно поддающихся окультуриванию лекарственных растений - потенциальных продуцентов ценных БАВ. Селектированы и запатентованы три новых высокопродуктивных клеточных штамма. Разработаны лабораторные и опытно-промышленные регламенты получения клеточной биомассы в качестве суперпродуцента для производства лекарственных препаратов, освоены способы микрокло-нального размножения лекарственных и эфиромасличных растений для ускоренного воспроизводства пяти видов и сортообразцов, а также с целью оздоровления посадочного материала.
Методом индуцированного мутагенеза получены генетически измененные линии сапрофитной культуры спорыньи эрготаминового и эр-гокриптинового штаммов.
Методами клеточной селекции и оптимизации состава питательной среды совершенствуется продукционный процесс при глубинном культивировании наиболее перспективных клеточных штаммов лекарственных растений. Сохраняются в жизнеспособном состоянии клеточные штаммы 8 видов лекарственных растений: маклейи сердцевидной, подофила щитовидного, василистника малого, стефании гладкой, макротомии красящей, женьшеня, родиолы розовой, ун-гернии Виктора.
Совершенствуется аппаратурнотехнологическая база для биотехнологических разработок. Создана универсальная опытно-промышленная линия, позволяющая поэтапно выращивать биомассу растительных клеток в объемах от 2 до 250 л.
Для координации исследований ряда научных коллективов РАСХН, РАМН, Московской медицинской
академии имени И.М. Сеченова и Российского университета Дружбы народов в области биологической безопасности и создания сертифицированных биотест-систем организован межведомственный Научно-исследовательский и учебно-методический Центр биомедицинских технологий.
Сотрудники ВИЛАР приступили к работам по созданию комплекса стандартных биотест-систем на молекулярном, клеточном,тканевом и организменном уровнях, обладающих высокой разрешающей способностью, экспрессивностью. Такими тест-системами могут быть стандартизированные молекулярные биомодели, культуры клеток растений, животных и человека, хранящиеся и перевиваемые в контролируемых условиях, органные растительные и животные культуры.
Использование стандартизированных биотест-систем существенно расширяет и дополняет возможности оценки активности лекарственных препаратов, определения возможного токсического действия терапевтических средств, пищевых и парфюмерно-косметических продуктов, а также существенно ускоряет и удешевляет проведение их доклинических испытаний и оценку качества. В сочетании с экспериментами на стандартизированных лабораторных животных это позволит получить более полную и достоверную информацию о биологической активности и безвредности исследуемых препаратов и продуктов.
В НИЦ БМТ для направленного поиска фармакологически активных веществ разработаны и апробированы тест-системы in vitro, в которых в качестве тест-объектов применяют ключевые или лимитирующие ферменты ацетилхолинэстеразу, пируваткиназу, супероксиддисмута-зу и др. Кроме того, для выявления БАВ, обладающих антитоксическим действием, была разработана биотест-система, включающая ключевые ферменты системы биотрансформации и детоксикации соединений в микросомах печени - цито-
хром Р-450 и глутатионтрансферазу. Лактатдегидрогеназная тест-система, позволяющая оценивать гипок-сическое состояние организма, применяется при изучении механизма фармакологического действия БАВ и выявления их побочных реакций, а также может быть использована при оценке безопасности продукции новых технологий, в частности, трансгенных продуктов и экологических воздействий.
Впервые разработан метод комплексной оценки антирадикальных свойств БАВ in vitro и проведены испытания на биотест-объектах, соответствующих основным мишеням действия свободных радикалов в организме - белок ДНК и природнолипидный комплекс (эритроциты). Все разработанные тест-системы являются приоритетными, на 6 из них получены патенты РФ.
В течение ряда лет в НИЦ БМТ совместно с Институтом молекулярной биологии имени В.А. Энгель-гардта, Институтом химической физики имени Н.И. Семенова, Институтом спектроскопии проводятся разработки по созданию биосен-сорных тест-систем на основе жидкокристаллических дисперсий двухцепочечных молекул ДНК. Разработана идеология и создана био-аналитическая система, включающая жидкокристаллические биодатчики на основе ДНК и портативный набор кругового дихроизма, а также методики определения различных классов БАВ, поддержанные программным обеспечением. Аналитические возможности этих биодатчиков продемонстрированы на примере разных классов БАВ и лекарственных веществ. Разработанные биосенсорные тест-системы позволяют не только в условиях предварительного скрининга выявлять наличие генотоксикантов, взаимодействующих с генетическим материалом клетки, оценивать безопасность наноматериалов и применяемых биотехнологий, но и в ходе фазы I метаболических превращений ксенобиотиков изучать их механизм действия. Данная
тест-система не имеет аналогов в нашей стране и за рубежом.
В составе отдела биомедицинских технологий функционирует группа «Клеточные технологии», основной задачей которой является разработка стандартизированных клеточных биотест-систем на основе культур различных клеток, в том числе и злокачественных, которые позволяют проводить скрининг новых лекарственных средств или БАВ с целью анализа безопасности и эффективности фармакологических агентов, а также изучения механизма их действия на клетки.
Почти 20 лет в группе «Биотехнология БАВ» ВИЛАР развивается научное направление, связанное с использованием микроорганизмов -продуцентов БАВ для создания новых лекарственных средств. Предложен алгоритм поиска продуцентов БАВ и проведен отбор дейтеро-мицетов из коллекции НИЦ БМТ секретирующих протеазы с керати-нолитической и коллагенолитичес-кой активностью. Разработаны научно-методические основы комплексной технологии получения БАВ из рекомбинантных штаммов - продуцентов эпидермального фактора роста (ЭФР). На основе изучения способов экзогенной регуляции микроорганизмов оптимизированы условия направленной адаптации и культивирования как генно-инженерных, так и немодифицирован-ных штаммов. Проведен поиск условий консервации продуцентов, позволяющих длительно сохранять или увеличивать их биосинтетическую активность. Разработаны методы выделения и очистки ЭФР из культуральной жидкости рекомби-натных штаммов Saccharomyces cerevisiae и Escherichia coli, а также коллагеназ и кератиназ, секретиру-емых дейтеромицетами Aspergillus flavus и Cladosporium sphaero-spermum. Предложена рецептура глазных капель с использованием ЭФР в качестве субстанции для новых лекарственных средств с ранозаживляющим действием. Доклинические исследования подтверди-
ли эффективность препарата. Разработаны математические модели для прогнозирования параметров аппликационных лекарственных систем, используемых в качестве раневых покрытий при повреждениях кожи.
Важное место в работе института занимает защита лекарственных растений от вредителей, болезней и сорняков.
В 1930-е годы основное внимание уделяли изучению видового состава вредных организмов и разработке отдельных приемов по борьбе с ними. Эти работы были обобщены в книге А.Н. Васиной «Вредители и болезни лекарственных культур» (1960 г.). В 1960-1970-е гг. были заложены основы защиты лекарственных культур при их промышленном возделывании и проведено внедрение отдельных приемов защиты мака масличного, паслена дольчатого, валерианы, шалфея, мяты, алтея, почечного чая, белладонны и др.
С 1972 г. поиск средств защиты лекарственных культур от вредителей, болезней и сорняков начал осуществляться в системе государственных испытаний. В эти годы в ВИЛАР и его зональных опытных станциях были организованы лаборатории и группы по защите растений, где изучали видовой состав вредных организмов, разрабатывали технологии применения пестицидов. Успешно внедрялись комплексные системы защиты мака масличного, подорожника большого, мяты перечной, паслена дольчатого, ромашки аптечной, ноготков лекарственных, шиповника, облепихи, пустырника и др.
Наряду с широким испытанием пестицидов для защиты лекарственных культур велась работа по определению их остаточных количеств в сырье и почве. Изучение динамики разложения пестицидов в растениях позволяло устанавливать оптимальные нормы расхода, кратность обработок, сроки ожидания, тем самым не допускать загрязнения почвы и лекарственного сырья остатками пестицидов.
Было показано, что при соблюдении разработанных регламентов применения препаратов остаточные количества пестицидов не накапливаются в лекарственных растениях.
Особое внимание уделялось лекарственным культурам, идущим на производство галеновых препаратов и используемым в качестве отваров и настоек. Для них рекомендовались в основном биологические, малотоксичные и быстроразла-гающиеся препараты, так как в этих видах сырья остаточные количества пестицидов не допускаются.
Для лекарственных культур, сырье которых идет на технологическую переработку для получения индивидуальных веществ, использовался более широкий спектр средств защиты. Специально проводившиеся в ВИЛАР исследования показали, что даже при наличии остатков пестицидов в лекарственном сырье они отсутствуют в субстанциях и готовых лекарственных формах. В связи с этим в лекарственном сырье, идущем на технологическую переработку, по решению Минздрава СССР определение остаточных количеств пестицидов не предусматривалось. Чтобы исключить загрязнение лекарственного растительного сырья остатками гербицидов, их применение на однолетних культурах проводилось лишь в довсходовый период, на многолетних - только в первый год вегетации.
С конца 1970-х годов началась разработка интегрированных систем защиты лекарственных культур, которая строилась на эколого-био-ценотических исследованиях. Изучались вопросы видового состава вредителей, болезней и сорняков, их доминирование и плотность популяций основных видов, проводились оценки комплексного использования в защите лекарственных культур организационно-хозяйственных, агротехнических мероприятий и экологически безопасных пестицидов.
Был выявлен видовой состав вредителей и болезней 54 видов лекарственных растений. Разработано
11 систем защиты основных возделываемых культур (бессмертник песчаный, валериана лекарственная, женьшень, мак масличный, мачок желтый, мята перечная, паслен дольчатый, подорожник большой, почечный чай, ромашка аптечная, шиповник) и выпущена обзорная информация «Система мероприятий по защите основных лекарственных культур от вредителей и болезней».
В эти годы также разрабатывались интегрированные системы для новых лекарственных культур - росто-ропши пятнистой, наперстянки шерстистой, маклейи сердцевидной, эхинацеи пурпурной.
В связи с широким внедрением средств защиты на лекарственных культурах в 1989 г. был разработан руководящий нормативный документ «Порядок проведения контроля лекарственного растительного сырья культивируемых растений на наличие остаточных количеств пестицидов. Методические указания» РД-81-98.
С распадом СССР были потеряны основные зоны выращивания лекарственных культур, начались работы по изучению возможности их выращивания вусловиях Нечерноземной и Черноземной зон Российской Федерации. Однако, попадая в другие почвенно-климатические условия, растения вступают в контакт с новыми организмами, возникают агробиоценозы с иными биологическими связями, и лекарственные растения в первую очередь заселяются полифагными видами вредителей, а также специализированными видами, обитающими на растениях местной флоры.
Расширенный фитосанитарный мониторинг вредных организмов в агроценозе лекарственных культур в новых зонах их произрастания установил, что опасность для посевов лекарственных культур создают 4 вида вредителей, 3 - патогенов и
12 - сорных растений. По данным исследований был написан справочник «Защита лекарственных культур от вредителей, болезней и сорняков».
В настоящее время для новых зон возделывания разрабатываются комплексные технологии защиты как традиционно возделываемых лекарственных растений, так и новых интродуцированных (лапчатка белая, зюзникевропейский, ослинник двулетний, серпуха венценосная). Основной акцент ставится на повышение устойчивости самих растений к воздействию вредных организмов. Это связано с тем, что взятые непосредственно из природы и сравнительно недавно интро-дуцированные лекарственные растения сохранили биологические особенности, присущие дикорастущим растениям. В большинстве своем они отличаются неравномерным прорастанием семян, длительным периодом от посева до появления всходов, медленным ростом в начальные периоды онтогенеза. В большей степени это характерно для многолетних лекарственных культур, которые в первый год вегетации дают лишь розетку листьев. У таких растений снижается устойчивость к вредным организмам, наблюдается наибольшее их повреждение вредителями и болезнями. Поэтому для лекарственных культур применение регуляторов роста особенно актуально.
Обработка ими семян способствует получению более ранних и дружных всходов, ускоряет процессы роста и развития, повышает конкурентоспособность к сорнякам,индуци-рует естественную устойчивость к болезням и вредителям, сопротивляемость неблагоприятным условиям среды.
Современные исследования по защите лекарственных культур от вредных объектов направлены на изучение адаптационных процессов в агробиоценозах. Использование устойчивых сортов, агротехнических приемов, повышение иммунитета растений за счет применения регуляторов роста и микроэлементов позволят минимизировать применение пестицидов (а в некоторых случаях даже полностью исключить их использование)и получатьстабиль-
ные урожаи с высоким качеством лекарственного сырья.
ВИЛАР по-прежнему является головным институтом в области лекарственного растениеводства и создания фитопрепаратов. В институте разработано свыше 100 лечебных средств, для производства фитопрепаратов и их лекарственных форм разработано около 700 регламентов. На разработки института получено 225 авторских свидетельств, около 150 патентов, 14 свидетельств на товарные знаки.
В состав ВИЛАР входят 5 научных центров (Центр растениеводства и защиты растений, Центр химии и фармацевтической технологии, Центр медицины, Научно-исследовательский и учебно-методический Центр биомедицинских технологий, Центр развития), включающих 50 отделов, лабораторий и самостоятельных специализированных научных групп, Центр обеспечения эксплуатации и три филиала (СреднеВолжский, Северо-Кавказский и Белгородский). Активно работает совместная Российско-Финская лаборатория JBL в области метаболомики.
В институте работают 370 человек, из них 160 научных сотрудников, в том числе 28 докторов наук и 67 кандидатов наук. Среди научных кадров высшей квалификации - член-корреспондент РАН, академик РАСХН, 2 академика РАМН, 8 заслуженных деятелей науки Российской Федерации, лауреат Государственных премий СССР в области науки и техники, 2 лауреата премии Правительства РФ; сотрудники института за последнее 5 лет награждены 23 орденами и медалями, в том числе иностранными.
Научный потенциал института позволяет принять участие в разработках принципиально новых биологических средств защиты растений, в исследованиях в области наук о жизни на молекулярном, клеточном, тканевом и организменном уровнях, охватывающих геномику, протеоми-ку, метаболомику и нанобиотехнологию, и других научных программах Отделения защиты растений.
