Deel 1: Effecten van isorhamnetine op diabetes en de bijbehorende complicaties: een overzicht van in vitro en in vivo studies en een post-hoc transcriptoomanalyse van de betrokken moleculaire route
Mar 29, 2022
Voor meer informatie. contacttina.xiang@wecistanche.com
Abstract: suikerziektemellitus, met name type 2 (T2DM), is wereldwijd een groot probleem voor de volksgezondheid. DM wordt gekenmerkt door hoge niveaus van glycemie en insulinemie als gevolg van verminderde insulinesecretie en insulinegevoeligheid van de cellen, bekend als insulineresistentie. T2DM veroorzaakt meerdere en ernstige complicaties zoals nefropathie, neuropathie en retinopathie die celoxidatieve schade veroorzaken in verschillende interne weefsels, met name de pancreas, het hart, het vetweefsel, de lever en de nieren. Plantenextracten en hun bioactieve fytochemicaliën winnen aan belangstelling als nieuwe therapeutische en preventieve alternatieven voor T2DM en de bijbehorende complicaties. In dit opzicht is isorhamnetine, een plantflavonoïde, is al lang onderzocht vanwege de mogelijke antidiabetische effecten. Deze review beschrijft de impact ervan op het verminderen van diabetesgerelateerde aandoeningen door het verlagen van de glucosespiegels, het verbeteren van de oxidatieve status, het verlichten van ontstekingen en het moduleren van het lipidemetabolisme en de differentiatie van adipocyten door de betrokken signaalroutes te reguleren die zijn gerapporteerd in de in vitro en in vivo onderzoeken. Daarnaast nemen we een post-hoc transcriptoomanalyse van het hele genoom op van de biologische activiteiten van isorhamnetine met behulp van een op stamcellen gebaseerd hulpmiddel.
Trefwoorden: isorhamnetine; quercetine; biologische activiteiten; suikerziekte; moleculaire routes; microarray
1. Inleiding
Planten worden sinds de oudheid op bijna alle continenten van de wereld gebruikt als traditionele medicijnen. Wetenschappelijk onderzoek naar de redenen voor hun medicinale gebruik heeft geleid tot de verkenning van bioactieve moleculen. Extremofiele planten die in extreme omgevingsomstandigheden groeien, worden beschouwd als een goede potentiële bron van bioactieve moleculen van belang. In feite zijn deze omgevingsbeperkingen de oorzaak van een disfunctioneel zuurstofmetabolisme, wat leidt tot oxidatieve stress door het verhogen van reactieve zuurstofsoorten (ROS) [1,2]. Sommige planten, zoals halofyten, hebben een krachtigeantioxidantsysteem om deze schadelijke verbindingen te elimineren. Onder de bioactieve moleculen die van belang zijn, zijn er fenolische verbindingen. Verschillende onderzoeken hebben planten die rijk zijn aan polyfenolen gewaardeerd met of zonder beperkende omstandigheden in het laboratorium [3-10]. Er worden verschillende biologische effecten toegeschreven aan extracten die rijk zijn aan polyfenolen, zoals ontstekingsremmende en kankerbestrijdende activiteiten [11-13]. Andere studies toonden de antioxiderende, antimicrobiële [8,14-16] en anti-obesitas, anti-diabetische en anti-hepatische steatotische [17-19] effecten van isorhamnetine aan. Onder deze polyfenolen,flavonoïdenworden onderscheiden. Deze groep omvat verschillende subgroepen, zoals flavonolen. Isorhamnetine is een van de belangrijkste verbindingen van flavonolen. Isorhamnetine is een monomethoxyflavon of een O-gemethyleerde flavonol uit de klasse van flavonoïden. Het isquercetinewaarin een methoxygroep de hydroxygroep op positie 3' vervangt. Sommige isorhamnetinederivaten komen in de natuur voor, zoals isorhamnetine 3-O- -d-glucopyranoside, isorhamnetine 3-O-neohesperidoside en isorhamnetine 3-O-rutinoside van Calendula officinalis L [20]. Isorhamnetine heeft significante biologische eigenschappen zoals antioxidant [21], antikanker [22], antimicrobiële [23], antivirale [24], ontstekingsremmende en antidiabetische effecten [21,25-33].
In deze review ligt de eerste focus op de oorsprong, chemische structuur, isolatie en extractiemethoden, evenals het fytochemische aspect van isorhamnetine. Vervolgens richten we ons in het tweede deel op het beschrijven van de mogelijke antidiabetische effecten van deze flavonol door het verminderen van diabetesgerelateerde aandoeningen door het verlagen van de glucosespiegels, het verbeteren van de oxidatieve status, het verlichten van ontstekingen en het moduleren van het lipidenmetabolisme en de differentiatie van adipocyten. Ten slotte hebben we een secundaire analyse uitgevoerd van onze eerder gepubliceerde microarraygegevens van het hele genoom om diabetesgerelateerde bioactiviteiten van isorhamnetine in een op stamcellen gebaseerd hulpmiddel te onderzoeken. We willen ook het effect van dit molecuul op de regulatie van de betrokken signaalroutes benadrukken door de in vitro en in vivo studies die op dit onderzoeksgebied worden gebruikt, te rapporteren. In deze review hebben we de kenmerken van de antidiabetische activiteit van isorhamnetine blootgelegd in vergelijking metquercetinedat wordt beschouwd als een metaboliet van isorhamnetine en een belangrijke referentie bij de natuurlijke behandeling van diabetes.
2. Algemeen overzicht van bioactieve moleculen in het bijzonder polyfenolen en flavonoïden
2.1. Oxidatieve stress als oorsprong van bioactieve moleculen in planten
Verschillende planten kunnen worden blootgesteld aan verschillende omgevingsomstandigheden (zoutgehalte, droogte, UV-stralen, zware metalen, extreme temperaturen, tekort aan voedingsstoffen, luchtvervuiling en aanvallen van ziekteverwekkers). Deze beperkingen liggen aan de basis van disfuncties van het zuurstofmetabolisme, die oxidatieve stress veroorzaken door het verhogen van reactieve zuurstofsoorten (ROS). Het zuurstofmolecuul (O2) speelt een belangrijke rol in fotosynthetische organismen. Oorspronkelijk vindt in hogere planten en algen gasuitwisseling met elektronen plaats in chloroplasten door overdag koolstofdioxide op te vangen en zuurstof te produceren. Bij deze gasuitwisseling zijn elektronen betrokken. In het geval van ernstige omgevingsbeperkingen wordt inderdaad een groot deel van de zuurstof niet gereduceerd en kan het dus ROS genereren in sommige organellen van plantencellen [1,2] als gevolg van een onbalans in de goede werking van chloroplasten en de overdracht van elektronen [ 1]. Bovendien worden onder de hierboven genoemde milieubeperkingen veel ROS's geproduceerd, zoals hydroxylradicaal (OH), het superoxide-anionradicaal (O,-), alkoxyl- en peroxylradicalen (respectievelijk RO: en RO2), waterstofperoxide (H2O2, ), hypochlorietradicaal (-OCl), singletzuurstof (O2), stikstofoxideradicaal (NO) en andere lipideperoxiden (zoals malondialdehyde en 4-hydroxynonenal)[2,34,35]. Soms kan ROS een rol spelen bij celsignalering in het fysiologische gedrag van planten, bijvoorbeeld in het proces van zaadgroei en -ontwikkeling, ontwikkeling van weefsels en de overgang van cellulaire proliferatie naar celverlenging tijdens de eerdere stadia van differentiatie [36] . Op hoog niveau veroorzaken deze moleculen moleculaire schade zoals lipideperoxidatie van membranen, wijziging van eiwitten en DNA, en celdood [1,35,37]. Sommige planten, zoals halofyten, hebben het vermogen om zich goed aan deze omstandigheden aan te passen door middel van een krachtig antioxidantsysteem. Van halofyten is bekend dat ze een bron zijn van secundaire metabolieten zoals polyfenolen [3-10]. Deze auteurs laten zien dat onder zware omstandigheden polyfenolen worden gesynthetiseerd om een belangrijke rol te spelen bij de bescherming tegen door stress veroorzaakte oxidatieve schade. De biosynthese, de inhoud en de activiteiten van deze fenolische verbindingen zijn een functie van verschillende extrinsieke (licht, temperatuur, zoutgehalte en droogheid) en intrinsieke (genotype, orgaan en ontwikkelingsstadium) parameters die hun inhoud en distributie in planten beïnvloeden [ 8,38,39]. In Pyracantha coccinea zijn bijvoorbeeld sommige flavonoïden zoals flavanonen, flavonen en flavonolen aanwezig in de scheuten tijdens de vegetatieve fase en in de wortels uitsluitend tijdens de reproductieve fase 40]. Aan de andere kant hebben verschillende auteurs aangetoond dat deze fenolische verbindingen andere biologische eigenschappen hebben, zoals ontstekingsremmende en kankerbestrijdende activiteiten [11-13]. Andere studies toonden de antioxiderende, antimicrobiële [8,14-16] en antidiabetische [18,41,42] effecten van fenolische extracten aan.
2.2. Classificatie van natuurlijke antioxidanten
Het antioxidantsysteem kan volgens de aard van deze componenten worden ingedeeld in enzymatische of niet-enzymatische verbindingen. De eerste omvatten superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), ascorbaatperoxidase en glutathionreductase [1,3542-44]. De genen met betrekking tot deze enzymen onthulden hun belang tijdens de fysiologische achteruitgang van de opslagwortel na de oogst en als reactie op osmotische stress en abscisinezuur, evenals Xanthomonas axonopodis-infectie [44]. De tweede groep bevat voornamelijk fenolische verbindingen, carotenoïden, vitamines en osmolyten [1]. Fenolische verbindingen worden gekenmerkt door de aanwezigheid van een of meer benzeenringen en verschillen in de complexiteit van het basismolecuul, het aantal en de locatie van het hydroxyl en de mate van polymerisatie. Deze verbindingen zijn secundaire metabolieten die in drie brede groepen vallen: fenolzuren (derivaten van benzoëzuur en kaneelzuur), flavonoïden (flavonolen, flavonolen, flavanonen, flavonen, anthocyanines) en tannines (hydrolyseerbare tannines en proanthocyanidinen). Naast deze moleculen worden ook stilbenen, lignanen en coumarinen onderscheiden [45].
2.3. Oorsprong en biochemische structuur van flavonoïden, in het bijzonder isorhamnetin
Fenolverbindingen zijn secundaire metabolieten die veel voorkomen in planten. Deze verbindingen hebben een aromatische ring met een of meer hydroxylgroepen (OH) en bevatten moleculen variërend van eenvoudige fenolzuren tot gepolymeriseerde verbindingen zoals tannines. De synthese van fenolische verbindingen is een complex proces dat verschillende stadia doorloopt. Fenolverbindingen zijn bioactieve moleculen met twee oorsprongsroutes: aan de ene kant het shikiminezuur en aan de andere kant de fenylpropanoïde moleculen. De biosynthese van flavonoïden zoals isorhamnetine is gebaseerd op deze routes. In feite geeft shikimaat enerzijds het basisskelet van polyfenolen die een of meer benzeenringen (C6) hebben die een of meer hydroxylfuncties dragen. Aan de andere kant is er de synthese van de C6-C3-base gevormd door de condensatie van fenylalanine tot kaneelzuur (Figuur 1)[46].
Om precies te zijn, shikiminezuur ligt aan de basis van verschillende reacties, die het skelet vertegenwoordigen van aromatische aminozuren, die de initiators zijn van fenolische verbindingen. De eerste stap bestaat uit een combinatie van twee moleculen: fosfoenolpyruvaat en erythrose 4-fosfaat, die na vier reacties leiden tot de vorming van het eerste skelet van fenolen: het shikimaat of shikiminezuur (CHoOs). Dit presenteert later de eerste ring, die fenolen kenmerkt met twee hydroxylgroepen. Het shikimaat ondergaat zes reacties die eindigen in het eerste aminozuur: fenylalanine. Dankzij twee sleutelenzymen, fenylalanine-ammonia-lyase (PAL) en cinnamaat-4-hydroxylase (C4H), vormt fenylalanine achtereenvolgens cinnamaat en p-coumaraat. In deze stap kon het niveau van PAL-activiteit de accumulatie van fenolische verbindingen. Het p-coumaraatmolecuul ligt aan de oorsprong van coumarinederivaten. De route voor de synthese van fenylpropanoïde moleculen wordt gekenmerkt door de aanwezigheid van een sleutelenzym genaamd 4-coumaraat CoA-ligase (4CL), dat in aanwezigheid van de thiolfunctie van het co-enzym A(CoA) de p-coumarine katalyseert. zuur in 4-coumaroyl CoA(C30Ha2N-O18P, S). De aromatische A-ring van flavonoïden zorgt door condensatie van drie moleculen malonyl-CoA (-C6).
Vervolgens produceerde het 4-coumaroyl-CoA de naringenine-chalcon, wat het verband tussen de aromatische B-ring en de 3C-ring van chalcon (C6-C3-) verklaart. Chalcon is een sleutelelement in dit onderwerp omdat het een voorloper is van alle flavonoïden op basis van een skelet van vijftien koolstoffen dat bestaat uit twee benzeenringen. Daarna wordt chalcon omgezet in naringenine (ook wel flavanon of trihydroxyflavon genoemd) door de werking van chalcon-isomerase (CHI). synthase (FNS). Aan de andere kant worden verschillende flavonolen en barnsteenzuurverbindingen geproduceerd uit naringenine in aanwezigheid van twee enzymen; flavanon 3-dioxygenase (F3D) en flavonolsynthase (FS). Naast flavonolderivaten worden ook andere verbindingen geproduceerd, zoals kaempferol, myricetine en quercetine. Door een methylgroepoverdracht van het S-adenosyl-L-methionine wordt het isorhamnetine geproduceerd in aanwezigheid van het flavon 3'-O-methyltransferase (FMT)[47,48]. Dan is isorhamnetine een monomethoxyflavon of een O-gemethyleerde flavonol uit de klasse van flavonoïden. Het is quercetine (voorloper) waarin de hydroxygroep op positie 3' is vervangen door een methoxygroep. Sommige isorhamnetinederivaten komen in de natuur voor, zoals isorhamnetine 3-O- -d-glucopyranoside, isorhamnetine 3-O-neohesperidoside en isorhamnetine 3-O-rutinoside van Calendula officinalis L .[20].
In feite worden flavonoïden beschouwd als een van de belangrijkste groepen van de polyfenolfamilie. Ze hebben een structuur gebaseerd op een difenylpropaantype met twee benzeenringen (ring A en B, zie figuur 2) verbonden door een drie-koolstofketen die een gesloten pyranring (C-ring) vormt. Daarom wordt hun structuur C6-C3-C6 genoemd. O-glycosyleringsposities zijn C7 in flavonen, isoflavonen, flavanonen en flavonolen, en C3 in flavonolen en anthocyanidinen. C-glycosyleringsposities zijn C6 en C8 in flavonen [49]. Bovendien is het belang van de antioxiderende rol van fenolische verbindingen gerelateerd aan de mate van hydroxylering van het molecuul. Flavonoïden omvatten de isoflavonen, flavonen, flavanonen en hun glycosiden en flavonolen als isorhamnetine, dat ook 3'-methoxyquercetine en 3-methylquercetine [50] wordt genoemd. In planten is een enzym, de UDP-afhankelijke glycosyltransferasen, verantwoordelijk voor de glycosidevorm van isorhamnetine (isorhamnetine 3-O-glucoside). Dit enzym gebruikt nucleotidedifosfaatsuikers, meestal uridinedifosfaat (UDP)-suikers, om de methylgroep naar de cyclus over te brengen en de glycosidefunctie te associëren met isorhamnetine [51].
2.4.Isolatie en analyses van ilsorhamnetine afkomstig van geneeskrachtige planten
De distributie van isorhamnetine in geneeskrachtige planten is zeer breed en de extractie- en analysemethoden zijn gevarieerd. Vooral isorhamnetinederivaten zijn gewenst. De hydroxyl- en methylgroepen helpen bij hun karakterisering. Sommige methoden worden gebruikt om isorhamnetine te extraheren, waaronder op basis van fractionering, met behulp van chemometrische benaderingen, enzym- en superkritische vloeistofextractie (SFE-CO2). Ten eerste kan fractionering worden gebruikt om de extractie te vereenvoudigen door alle olie- en lipofiele pigmenten uit lipidebevattende monsters te verwijderen. Het ontvette monster wordt ook gesoniceerd voor maceratie in een mengsel van methanol en water. Chromatografie kan dan worden gebruikt voor analyses van fenolische verbindingen, met name flavonoïden [49]. Voor deze laatste verbindingen wordt LC-MS gebruikt en zowel elektrospray-ionisatie (ESI) als chemische ionisatie onder atmosferische druk worden vaak toegepast, en de beste gevoeligheid voor flavonoïden wordt over het algemeen bereikt in de negatieve-ionenmodus [49]. De fytochemie van Calligonum Azel Maire-plantfracties, verzameld uit de Tunesische woestijn, is bijvoorbeeld beoordeeld en een ultrahoge vloeistofchromatografie gekoppeld aan viervoudige vluchttijd-massaspectrometrie UHPLC-ESI-QTOF werd gebruikt om fenolen onder hen flavonen te identificeren en flavanolen, de meest voorkomende fenolische verbindingen die werden geïdentificeerd [52]. Meer specifiek werd de aanwezigheid van isorhamnetineglucoside en isorhamnetineglucosyl-rhamnoside bevestigd als de belangrijkste verbindingen in de bladeren van de eetbare halofyt Mesembryanthemum edule met behulp van LC/ESI-MS/MS-technologie [3]. Dit werk werd gevolgd door anderen die LC-ESI-TOF-MS hebben gebruikt om veel polyfenolen te karakteriseren; onder hen werden flavonoïden geïdentificeerd uit bovengrondse delen van de volledige bloeifase van halofyten zoals Arthrocnemum indicum [5], Tamarix gallica [16], Glaucium flavum [13] en Salsola kali [8]. Net als bij de laatste werken, werden LC-ESI-TOF-MS- en GC-MS-profilering van Artemisia-kruiden uitgevoerd om fenolen te identificeren, zoals flavonen, flavonolen en flavonoïde alkaloïden [7]. Een ander werk werd uitgevoerd op Pancratium maritimum en de analyse door HPLC-DAD-ESI/MS onthulde de aanwezigheid van flavonoïden waaronder flavonol als isorhamnetine met hun pentoxide en hexoside-conjugaten zoals isorhamnetine di-hexoside [53].
Als een niet-vette verbinding kunnen flavonolen worden geïsoleerd door hexaan. Vervolgens kan een polair oplosmiddel zoals ethanol worden gebruikt. Een onderzoek naar Limoniastrum guyonianum met behulp van HPLC toonde de aanwezigheid van veel fenolen aan, waaronder isorhamnetine-3-O-rutinoside [54].
Verre van fenolische extracten, worden fenolische verbindingen ook aangetroffen in oliën zoals olijfolie [55]. Deze verbindingen hebben het vermogen oliën te beschermen tegen oxidatie en de voedingswaarde van de olie te verbeteren. Isorhamnetine, als een fenolische verbinding, is ook aangetroffen in een olie-extract van Tunesische zwarte komijnzaad (Nigella sativa L.) verkregen met een groen oplosmiddel zoals 2-methyltetrahydrofuran (MeTHF) als alternatief voor petroleum of hexaan -gebaseerd oplosmiddel om met olie verrijkte fenolische verbindingen te extraheren [10]. De aanwezigheid van isorhamnetine werd goedgekeurd door HPLC-analyse. Analyses met behulp van vloeistofchromatografie met Diode Array Detector (LC-DAD) onthulden een grote hoeveelheid isorhamnetine variërend tussen 6,3 en 6,6 ug/g olie） na olie-extractie uit zwarte komijn met respectievelijk MeTHF en hexaan. Bovendien, met behulp van H-kernmagnetische resonantie (HNMR) en C-kernmagnetische resonantie (CNMR), sommige flavonolglycosiden zoals kaempferol-3-O-rutinoside (nicotiflorine) en isorhamnetine-3-O-rutinoside (narcisme) werden gekarakteriseerd vanuit de bovengrondse delen van Peucedanum aucheri Boiss, verzameld in de stad Marivan, provincie Koerdistan, Iran [56]. De NMR-methode detecteert de eigenschap dat bepaalde atoomkernen van de verbinding interageren met een magnetisch veld. Deze eigenschap, namelijk het produceren van magnetische resonantie bij een bepaalde frequentie, geeft informatie over de structuur van het molecuul. Ten tweede worden wiskundige modellen gekozen om de efficiëntie van flavonolextractie te evalueren, vooral om de beste manier te begrijpen om isorhamnetine-3-O-rutinoside [20] te verkrijgen. Een multivariate factoriële analyse werd uitgevoerd met bloemen van Calendula officinalis. Lineaire, kwadratische, volledig kubieke en speciale kubieke modellen werden geanalyseerd. De laatste volledige kubieke was de meest geschikte, waardoor een grotere efficiëntie bij de extractie van isorhamnetine-3-O-rutinoside met 60 procent mogelijk was. Voor deze studie werden de enzymen Rapides Maxi Fruit en Viscozyme gebruikt onder een aantal belangrijke factoren die de enzymactiviteit onder superkritische CO2-omstandigheden beïnvloeden, zoals druk, temperatuur, pH, tijd en waterige ethanoloplossing. Ten slotte werd de superkritische vloeistofextractiemethode gebruikt om fenolische verbindingen zoals flavonolen te extraheren. Vele jaren geleden werd de superkritische vloeistofextractieprocedure voor het eerst gebruikt op de Eucalyptus globulus-schors, waarbij zuivere en gemodificeerde CO2 met water, ethylacetaat en ethanol werd gebruikt [57]. De auteurs toonden aan dat het superkritische CO2 in combinatie met ethanol aanzienlijke hoeveelheden fenolische verbindingen, waaronder isorhamnetine, kan extraheren. HPLC-MS-kwantificering bepaalde enkele flavonolen, zoals isorhamnetine-hexoside (0,26 gg-I extract) en eenvoudig isorhamnetine (14,29 mg:gI extract). Ethanol werd gebruikt als co-oplosmiddel. De kwantificering werd uitgevoerd met hogedrukvloeistofchromatografie uitgerust met een fotodiodearraydetector. Isorhamnetine 3-O-glucosyl-rhamnosyl-rhamnoside, isorhamnetine 3-O-glucosyl-rhamnosyl-pentoxide, isorhamnetine 3-O-glucosyl-rhamnoside en isorhamnetine 3-O-glucosyl -pentoxide waren de meest voorkomende flavonolen die werden geëxtraheerd uit superkritische extracten van O. ficus-indica. Zoals eerder vermeld, is hogedrukvloeistofchromatografie of HPLC een veelgebruikte methode voor het analyseren van fenolische verbindingen. In appelsap en perensap werd isorhamnetine 3-O-glucoside gedetecteerd. In feite onthulde de scheiding van de flavonolglycosiden in een "Brettacher"-appelextract door HPLC en massaspectrometrie de aanwezigheid van twee glycosidevormen zoals isorhamnetine 3-O-glucose en isorhamnetine 3-O-galactoside [ 58].
