Flavonoider-makromolekyler interaktioner i menneskelige sygdomme med fokus på Alzheimer, åreforkalkning og kræft

Nå e-mail:tina.xiang@wecistanche.comFor mere information

Abstrakt: Flavonoider, en klasse af polyfenoler, der indtages dagligt i vores kost, er forbundet med en reduceret risiko for oxidativt stress (OS)-relaterede kroniske sygdomme, såsom hjerte-kar-sygdomme, neurodegenerative sygdomme, kræft ogbetændelse. Inddragelsen af ​​flavonoider med OS-relaterede kroniske sygdomme er traditionelt blevet tilskrevet deres antioxidantaktivitet. Imidlertid tyder beviser fra nyere undersøgelser på, at flavonoiders gavnlige virkning kan tilskrives deres interaktion med cellulære makromolekyler, snarere end at udøve en direkte antioxidanteffekt. Denne gennemgang giver et overblik over den seneste udvikling af forskning om interaktioner mellem flavonoider og lipoproteiner, proteiner, kromatin, DNA og cellesignalmolekyler, der er involveret i de OS-relaterede kroniske sygdomme; den fokuserer på de mekanismer, hvorved flavonoider dæmper udviklingen af ​​de førnævnte kroniske sygdomme via de direkte og indirekte effekter på genekspression og cellulære funktioner. Den aktuelle gennemgang opsummerer data fra litteraturen og fra vores nyere forskning og sammenligner derefter specifikke flavonoiders interaktioner med deres mål, med fokus påflavonoidstruktur-aktivitet relationer. Derudover præsenteres de forskellige metoder til evaluering af flavonoid-protein- og flavonoid-DNA-interaktioner. Vores mål er at kaste lys over flavonoidernes virkning i kroppen, ud over deres veletablerede, direkte antioxidantaktivitet, og at give indsigt i de mekanismer, hvorved disse små molekyler, som indtages dagligt, påvirker cellulære funktioner.

Nøgleord:flavonoid; antioxidant; oxidativt stress; betændelse; Alzheimer; åreforkalkning; Kræft

1. Introduktion

Flavonoiderer en klasse af polyfenoler i planter, som er almindeligt indtaget i vores kost. De har en generel C6–C3–C6 strukturel rygrad, hvor de to C6 enheder (Ring A og Ring B) er af phenolisk karakter. Flavonoider kan opdeles i forskellige undergrupper, såsom flavoner, flavonoler, flavanoner, flavanonoler, flavan-3-oler og anthocyaniner (figur 1). Mens ring B i de fleste flavonoider er knyttet til C2-positionen af ​​ring C, er ring B i nogle, såsom isoflavoner og isoflavaner, forbundet i C3-positionen [1].

Diætflavonoiderer naturlige produkter, der er vidt udbredt i planteriget. Mange fødevarer og drikkevarer, såsom frugt, grøntsager, bælgfrugter, fuldkorn, chokolade, krydderier, te og vin, er rige kilder til flavonoider [1]. I løbet af årtier er forskere og fødevareproducenter blevet mere og mere interesserede i flavonoider på grund af deres antioxidantegenskaber, deres store overflod i vores kost og deres foreslåede rolle i forebyggelsen af ​​forskellige sygdomme, der er forbundet med OS, såsom kræft, kardiovaskulær og neurodegenerative sygdomme [2-5]. Nyere litteratur giver et voksende bevis på, at flavonoiders virkninger er medieret af andre mekanismer end den klassiske antioxidantaktivitet drevet af deres kemiske egenskab ved at donere en elektron eller chelatere overgangsmetaller [6,7]. Udforskning af deres grundlæggende virkemåder kan give ny indsigt i de mekanismer, hvorved flavonoider påvirker biologiske funktioner.

2. Flavonoids biologiske aktiviteter

2.1. Flavonoider som antioxidanter

Med hensyn til deres antioxidantaktivitet,flavonoidermenes at forhindre sygdomme, der er relateret til OS via direkte fjernelse af reaktive oxygenarter (ROS) gennem donation af et brintatom, aktivering af antioxidantenzymer, metal (såsom jern og kobber)-chelaterende aktivitet og lindring af oxidativ stress, der er forårsaget af nitrogenoxid (NO) [1,8-11]. Antioxidantaktivitet kan dog ikke være den eneste forklaring på flavonoidernes in vivo cellulære virkninger, da antioxidantaktiviteten udtrykkes ved flavonoidkoncentrationer, der er over 10 µM, men deres koncentration i kredsløbet ikke overstiger 2 µM [12]. Kostens flavonoider absorberes dårligt fra tarmen, metaboliseres i høj grad eller elimineres hurtigt. I løbet af absorptionen konjugeres flavonoider i tyndtarmen og senere i leveren. Denne proces omfatter hovedsageligt methylering, sulfatering og glucuronidering. Dette er en metabolisk afgiftningsproces, der er fælles for mange xenobiotika, der begrænser deres potentielle toksiske virkninger og letter deres galde- og urineliminering ved at øge deres hydrofilicitet [13]. Nylige undersøgelser har antydet, at de biologiske virkninger af flavonoider kan være medieret af forskellige mekanismer, som endnu ikke er fuldt ud undersøgt. Denne gennemgang fokuserer på flavonoiders virkemåde gennem deres interaktion med makromolekyler, såsom lipoproteiner, celle- og serumproteiner og DNA og RNA (Figur 2）

2.2. Flavonoid-interaktioner med makromolekyler

2.2.1. Flavonoid-protein interaktioner

Molekylær interaktion mellem proteiner og nukleinsyrer med lavmolekylære forbindelser er et område af fundamental interesse [14]. Ved lave koncentrationer kan molekyler, såsom ioner, metabolitter og osmolytter, påvirke proteiner, såsom enzymer, receptorer, antistoffer og transkriptionsfaktorer [15]. Effekten kan være på det strukturelle, funktionelle eller konformationelle niveau [7]. Kostflavonoider er et godt eksempel på små molekyler, der medierer cellulære effekter, som er centrale for intracellulære signalkaskader [16]. Effekterne af flavonoid-enzymkomplekser dannet af flavonoiders interaktion med for eksempel hydrolaser, oxidaser og kinaser på enzymets struktur og aktivitet er blevet udforsket bredt. Undersøgelser har antydet, at flavonoider selektivt interagerer med forskellige komponenter af proteinkinaser og ændrer deres phosphoryleringstilstand og dermed regulerer flere cellesignalveje [17]. Tilsvarende har flavonoider vist sig at fungere som ligander for nukleare receptorer, hvilket forårsager deres proliferation eller aktivering og modulerende energihomeostase. Apigenin og kaempferol undertrykte direkte interaktionen mellem østrogen-relateret receptor (ERR) og dens coactivator peroxisomproliferators aktiverede receptor coactivator-1 (PGC-1). I modsætning hertil undertrykte luteolin PGC-1-aktivitet ved at fremme nedbrydningen af ​​PGC-1, hvilket førte til undertrykt ERR-aktivitet i HeLa-celler [7,18]. Flavonoider, såsom glabridin og glabrene, kan også interagere med og modulere de endogene aktiviteter af østrogenreceptorer i humane endotelceller og glatte muskelceller og kan derved bremse og endda forebygge hjerte-kar-sygdomme og udviklingen af ​​bryst- og ovariecancer hos postmenopausale kvinder [19]. Derudover er flavonoidernes evne til at interagere med serumalbumin og andre serumproteiner også blevet undersøgt [20,21]. De reversible eller irreversible protein-flavonoid-interaktioner afhænger af pH, temperatur og protein- og flavonoidkoncentrationer [22]. Selvom den biologiske skæbne for protein-flavonoidkomplekser in vivo stadig er ukendt, blev flavonoider fundet at påvirke forskellige menneskelige sygdomme, der var relateret til OS, såsom cancer og kardiovaskulære og neurodegenerative sygdomme [23-25].

Metoder til karakterisering af flavonoid-protein-interaktioner

Adskillige undersøgelser er blevet udført for at karakterisere interaktionerne mellem kostflavonoider og proteiner, hovedsageligt serum og fødevarerelaterede proteiner, for eksempel serumalbuminer og -kasein [26-30]. Flavonoid-protein-interaktioner forekommer hovedsageligt ved ikke-kovalent binding, der er afledt af hydrofob, van der Waals, hydrogenbrobinding og ion-interaktioner, som kan ændre proteinkonformationer og enzymaktiviteter [31]. Ikke-kovalente interaktioner mellem flavonoider og proteiner er svage og reversible. Undersøgelser har også givet information om de kovalente reaktioner mellem flavonoider og proteiner. Flavonoider kan let oxidere og kovalent reagere med amino- og thiolsidekæderne i et protein ved irreversibel binding [32]. Talrige metoder, for det meste spektroskopiske, er blevet udviklet til at karakterisere de ikke-kovalente interaktioner mellem flavonoider og proteiner (tabel 1) [33-36].

UV-synlig spektroskopi bruges til at forudsige flavonoid-protein-interaktioner og give information om arten af ​​disse interaktioner. Proteinabsorption ved 280 nm er relateret til de aromatiske aminosyrer tryptophan, tyrosin og phenylalanin, som kan stimuleres yderligere ved interaktion med flavonoider [37]. Cirkulær dikroismespektroskopi bruges til kvantitativ analyse af de konformationelle ændringer, -helix- og -sheet-ændringer, i proteiner på grund af ikke-kovalente interaktioner med små molekyler, såsom flavonoider [38]. Fourier transform infrarød spektroskopi bruges også til at bestemme ændringerne i proteiners sekundære struktur som følge af flavonoid-interaktioner. Denne metode giver mulighed for at fortolke den sekundære struktur ud fra formen af ​​amid I-båndet, placeret omkring 1650-1660 cm [38]

Termodynamiske egenskaber af bindingsinteraktionen mellem flavonoider og proteiner kan studeres ved hjælp af isotermisk titreringskalorimetri, en metode, der er baseret på måling af den varme, der udviklede sig under den molekylære association [39]. Vitali et al. evaluerede bindingsinteraktionerne mellem fire flavonoider (kaempferol, luteolin, quercetin og resveratrol) og humant serumalbumin og glutathion S-transferase Pi isoform 1 ved hjælp af Taylor dispersionsoverfladeplasmonresonans (SPR) - en meget følsom, etiketfri teknik til at studere ikke-kovalente interaktioner af biomolekyler, især mellem proteiner, og mellem proteiner og små molekyler [40].

Tryptophan (Trp)-fluorescens-quenching-assay er en anden følsom, selektiv og udbredt metode til at bestemme interaktioner mellem flavonoider og proteiner [21,41,42]. Excitationen af ​​proteiner ved 280-290 nm inducerer emissionen af ​​fluorescens i området 340-350 nm på grund af tilstedeværelsen af ​​Trp. fluorescensslukning i dette område kan tilskrives flavonoidbinding. Mens du bruger denne metode, kan quenching-mekanismen - statisk (kompleks dannelse mellem polyphenol og protein) eller dynamisk (kollision af fluoroforen med quencheren) - bestemmes ved hjælp af Stern-Volmer-ligningen og beregning af Stern-Volmer-konstanten og quenching-hastighedskonstanten . Til statisk quenching kan bindingskonstanten og antallet af bindingssteder i proteinmolekylet beregnes, og derefter kan termodynamiske egenskaber karakteriseres. Endelig kan docking-beregninger bruges til at forudsige tilpasningen af ​​den evaluerede ligand i proteinet, hvor formen er komplementær til bindingsstedet. Beregningsmodellering supplerer de eksperimentelle data om flavonoid-proteinbinding, og det giver mulighed for storskala screening for forskellige proteinmål valgt fra de strukturer, der er tilgængelige i Protein Data Bank (PDB) [43].

2.2.2. Flavonoid-interaktioner med DNA og kromatin

Der er en hel del beviser i den videnskabelige litteratur for genomregulering af flavonoider via genekspression og kromosomale ændringer [24,51], selvom den præcise virkningsmekanisme forbliver uklar [48,52]. Flavonoider, såsom quercetin og EGCG, har vist sig at penetrere cellemembraner og akkumuleres i kernen af ​​humane tarm- og leverceller [53,54]. Strukturen af ​​quercetin tillader hydrofob naturtype-interkalation af dets mest hydrofobe segment i det indre af DNA-helixen [55]. Quercetin interkalerer med DNA- og RNA-duplekser og binder fortrinsvis til triplex- og tetraplex-DNA i humane prostatacancerceller (DU 145) [53]. Selvom det samme antal OH-grupper, som hovedsageligt er involveret i hydrogenoverførselsmekanismen, er til stede i kaempferol og luteolin, udviser sidstnævnte en lidt højere affinitet til DNA. Dette kan skyldes tilstedeværelsen af ​​OH i dets 30-position. Struktur-aktivitetsforhold i flavonoid-DNA-interaktioner er faktisk blevet detekteret bredt. Det foreslås, at flavonoiders affinitet til DNA stiger langs den samme sekvens som den, der udvises af deres biologiske aktivitet [44]. Ved DNA-behandling med EGCG eller quercetin blev forskellige virkninger, herunder DNA-skader, i humane perifere lymfocytter noteret [56,57]. Undersøgelser viser, at EGCG hæmmer aktiviteterne af forskellige kromatinproteiner, såsom cAMP respons element-bindende protein, DNA polymerase, DNA methyltransferase og DNA topoisomerase i humane lunger og kolorektale adenomceller og i mus lever, lunger og nyrer [6,24 ]. Disse reaktioner er sandsynligvis påvirket af EGCG-binding til DNA'et og RNA'et eller til de proteiner, der er knyttet til nukleinsyrer i forskellige typer af interaktion. Mens interaktionerne mellem flavonoider, såsom resveratrol, quercetin, EGCG og genistein, med DNA, er kendt, er den præcise placering af flavonoidbindingsstederne på DNA'et, interaktionsmåden og dens funktion i genomet ikke fuldt ud. forstået.

Metoder til karakteriseringFlavonoid– DNA-interaktioner
Kovalent binding af små molekyler til DNA blev først observeret i begyndelsen af ​​1980'erne [58]. Efter den kovalente binding af [14C], quercetin til DNA blev bestemt, blev det hævdet, at flavonoider har modstridende biokemiske aktiviteter (mutagen effekt på den ene side og anticarcinogen effekt på den anden side) [44]. Ud over kovalent binding kan flavonoider interagere med DNA ved interkalation, groove-binding og backbone-binding. Adskillige metoder er blevet brugt til at belyse de ikke-kovalente interaktioner mellem flavonoider og DNA, herunder elektrokemiske og SPR-teknikker, lineær dikroisme, absorption, fluorescens og nuklear magnetisk resonansspektroskopi [44-46]. Bindingen af ​​10 aglyconer og flavonoidglycosider med DNA-duplekser blev undersøgt under anvendelse af elektrosprayioniseringsmassespektrometri (ESI-MS) [47]. ESI-MS-analyse og SPR viste, at præcis tre molekyler af EGCG binder til poly(dT) 18-mer enkeltstrengede DNA-oligomerer via en hydroxylgruppe i trihydroxyphenylgruppen i EGCG. Efter binding beskyttede EGCG dobbeltstrengede DNA-oligomerer fra smeltning til enkeltstrenget DNA [59].

I dag anvendes beregningssimulering og spektroskopi hovedsageligt til at udforske biofysisk information (f.eks. interaktionstilstand) om interaktionerne mellem flavonoider og DNA [60]. Eksperimenter, der blev udført i de senere år, har foreslået specifikke konsensus-DNA-bindingssteder for flavonoider. Quercetin binder for eksempel til dodecamer duplex-sekvensen CGCGAATTCGCG, hvis ubundne struktur blev løst for mange år siden (PDB ID: 1BNA) [61]. I øjeblikket kan en organismes komplette genom afsløres ved hjælp af næste generations sekventeringsteknologier (NGS), såsom Illumina eller Sanger massivt parallelle sekventeringsmaskiner. Desuden er det efter specialiserede protokoller muligt at ekstrahere DNA'et i specifikke regioner eller med specifikke funktioner og derefter bruge NGS til at opnå DNA-sekvensen. Chem-seq (kemisk affinitetsindfangning koblet med massivt parallel DNA-sekventering) er en ny NGS-applikation, som for nylig blev brugt til at ekstrahere og sekventere DNA-regioner, der var bundet til små molekyler. Denne metode giver mulighed for at fange kromatinregioner bundet til små molekyler uden forudgående information, dvs. med en upartisk, uspecifik markør [49]. De seneste undersøgelser har allerede illustreret evnen til at isolere kendte lægemiddel-kromatin-interaktioner ved hjælp af Chem-seq [49,50]. Atrahimovich et al. brugte Chem-seq-teknikken til at karakterisere interaktionerne mellem quercetin og cellulært DNA og demonstrerede dens efterfølgende effekt på nedstrøms transkription [48]. Resultaterne viser, at quercetin binder til monocytters kromatin og modulerer ekspressionen af ​​gener, der er involveret i cellecyklus og celleudvikling [48]. Ved hjælp af Chem-seq-applikation kan flavonoiders interaktioner med DNA og kromatin bestemmes for at studere deres betydning. Denne evne kan være yderst vigtig for medicin og menneskers sundhed og gavnlig for udformningen af ​​passende diætinterventioner og lægemidler til kræftbehandling.

3. Flavonoider dæmper menneskelige sygdomme via direkte interaktioner med proteiner, lipoproteiner og DNA

3.1. Flavonoider interaktioner med nøgleproteiner involveret i inflammation

Betændelsekarakteriserer immunsystemets beskyttende respons, der involverer produktionen af ​​forskellige proinflammatoriske cytokiner og kemokiner, som øger produktionen af ​​interferon-, proteaser, NO og ROS [62]. Cytokiner inducerer også ekspressionen af ​​cyclooxygenase-2 (COX-2), et enzym, der katalyserer produktionen af ​​prostaglandiner (PG'er), som er vigtige mediatorer af inflammation [63]. Xanthinoxidase (XO) er en anden kritisk kilde til ROS, der bidrager til inflammation. Inflammatoriske tilstande fører til øgede XO-niveauer og dermed øget ROS-dannelse og peroxynitritdannelse. Peroxynitrit er en kraftig reaktiv nitrogenart (RNS) ledsaget af OS, som produceres ved reaktion af NO og superoxidradikaler [64].

Adskillige virkningsmekanismer er blevet foreslået for at forklare flavonoiders antiinflammatoriske aktivitet in vivo, såsom antioxidantaktivitet og modulering af produktionen af ​​proinflammatoriske cytokiner og genekspression [11]. Interessant nok påvirker flavonoider den inflammatoriske proces ikke kun ved at reducere ekspressionen af ​​cytokiner og andre relaterede inflammatoriske markører, men også ved at interagere med proteiner, der er relateret tilbetændelse. Flavonoider har vist sig at modulere aktiviteten af ​​arachidonsyre (AA)-metaboliserende enzymer, såsom phospholipase A2 (PLA2), COX og lipoxygenase (LOX) og det NO-producerende enzym nitrogenoxidsyntase (NOS). Flavonoidernes hæmning af disse enzymer reducerer produktionen af ​​AA, PG, leukotrien og NO, som er afgørende mediatorer afbetændelse. Flavonoidhæmning af disse enzymer er således absolut en af ​​de vigtige cellulære mekanismer for anti-inflammation [65].

Quercetin var den første opdagede flavonoidhæmmer af PLA2 fra humane neutrofiler. Quercetin blev vist at selektivt hæmme gruppe II sekretorisk PLA2 [66]. Ligeledes hæmmede rutin selektivt human PLA2-II fra ledvæske, mens det var en svag hæmmer af human PLA2-I fra pancreasjuice. Når forskellige flavonoider blev sammenlignet for deres evne til at hæmme PLA2, så små ændringer i strukturen ud til at påvirke både den samlede PLA2-hæmning og gruppe II-selektivitet. Placeringen af ​​hydroxylgrupperne viste sig at være et vigtigt aspekt af C-ringen-2, 3-dobbeltbindingen. Hydroxylgrupperne i 3'- og 4'-positionerne på B-ringen syntes at være vigtige for den selektive inhibering af PLA2-II, hvorimod 5-hydroxylgruppen på A-ringen, umættetheden , og 4-oxy'en på C-ringen syntes at være vigtig for flavonoidernes samlede evne til at hæmme PLA2-aktivitet [67]; inhiberingen af ​​PLA2 var meget afhængig af hydroxylgruppernes position på ringene A, B og C, mens hydroxylgrupperne i positionerne 5, 6 og 7 på A-ringen blev antaget at være nødvendige for binding til PLA2'er. Således viste quercetin, kaempferol og galangin høj hæmmende aktivitet på PLA2, mens naringin viste en lavere hæmmende aktivitet [68].

COX producerer PG'er og thromboxaner og findes i mindst to forskellige isoformer, COX-1 og COX-2. COX-1 er et konstitutivt enzym, der findes i næsten alle celletyper. Mens COX-2 er et inducerbart enzym, der er stærkt udtrykt ibetændelse-relaterede celletyper, herunder makrofager og mastceller [69]. Fordi det producerer PG'er, er COX-2 tæt forbundet med akutte såvel som kroniske typer af inflammatoriske lidelser. Nogle flavonoider, såsom luteolin, 3',4'-dihyroxyflflavon, galangin og morin, catechin og epicatechin, har vist sig at hæmme rottenyremærven COX med IC50 på 100-130 µM [70]. I humane thrombin-aggregerede blodplader blev visse flflavonoider, såsom chrysin og apigenin, afsløret som COX-hæmmere med IC50 på 13 og 18 µM, mens myricetin og quercetin ved 10 µM udøver en stærk hæmning af LOX. Især reduktionen af ​​C-2, 3-dobbeltbindingen og glycosylering reducerede flavonoidernes hæmmende aktiviteter [71]. In-silico-analyse viste, at quercetin delvist kunne hæmme COX-2-enzymet ved at binde til underenhed A, som har peroxidaseaktivitet og fungerer som en ROS-kilde [72].

Generelt,flavonoiderkan hovedsagelig være involveret ibetændelseproces via hæmning og regulering af enzymer, der modulerer pro-inflammatoriske cytokiner eller små molekyler, såsom ROS og RNS.

3.2. Flavonoider interaktioner med nøgleproteiner i Alzheimers sygdom (AD)

AD er en udbredt neurodegenerativ sygdom, som er karakteriseret ved neurofibrillære sammenfiltringer, senile plaques og synaptisk tab, hvilket til sidst resulterer i neuronal død [78,79]. AD er en form for demens, som er karakteriseret ved progressivt hukommelsestab, et fald i sprogfærdigheder og andre kognitive svækkelser, og det rammer oftest ældre [80]. AD's ætiologi er uklar; dog tages der hensyn til en række faktorer i sygdommens patofysiologi, såsom dannelsen af ​​amyloid-protein (A) plaques, lave niveauer af acetylcholin, oxidativt stress og unormale posttranslationelle modifikationer af tau-protein [81,82]. Den sekventielle spaltning af amyloid-precursorprotein danner aggregater af A-peptider på 39-43 aminosyrer, som klæber til neuronerne som uopløselige amyloidplaques. A genereres ud fra amyloid-precursorproteinet af -site amyloid-precursorprotein-spaltningsenzym-1 (BACE-1, -secretase) og -secretaser [83,84]. Således antages hæmningen af ​​BACE-1 at spille en vigtig rolle i forebyggelsen af ​​AD [85].

Neurotransmitteren acetylcholin spiller en vigtig rolle i processen med indlæring og hukommelse i hippocampus. To enzymer, acetylcholinesterase (AChE) og butyrylcholinesterase (BChE) er involveret i hydrolysen af ​​acetylcholin, hvilket sænker dets niveau under udviklingen af ​​AD. Derfor er inhiberingen af ​​AChE og BChE en yderst ønskværdig strategi til behandling af AD [86-88]. De klinisk godkendte lægemidler tacrin, donepezil, galantamin og rivastigmin forbedrede korttidshukommelsen og kognitive niveauer via hæmning af AChE. Ulemperne ved disse lægemidler og deres gradvise bivirkninger, såsom perifere bivirkninger, hepatotoksicitet og mave-tarmkanalen, har tilskyndet forskere til at udvikle mere effektive AChE-hæmmere [89-91].
Flavonoider er lovende naturlige produkter med neurobeskyttende potentiale, som enten forhindrer opståen eller bremser udviklingen af ​​aldersrelaterede neurodegenerative sygdomme. Mekanismen, hvorved flavonoider forhindrer eller bremser udviklingen af ​​AD, kan være via direkte interaktion med nøgleenzymer, der er involveret i denne sygdom [81,85,92-95]. Shimmyo et al. undersøgte flavonolers og flavoners potentiale til at hæmme BACE-1. De fandt ud af, at fire flavonoler: myricetin, quercetin, kaempferol og morin, og en flavon: apigenin, direkte hæmmer BACE-1-enzymaktivitet på en koncentrationsafhængig måde med IC50-værdier på 2,8, 5,4, 14,7, 21,7, og 38,5 µM henholdsvis [95]. Undersøgelser i ældre TASTPM-transgene mus (en model af AD) viste, at oral administration af (-)-epicatechin reducerer A-patologi gennem indirekte, ikke-katalytisk BACE-1-hæmning og ikke gennem modulering af enten - eller -sekretaseaktivitet [96 ]. Epigallocatechin-3-gallat (EGCG) og curcumin viste sig at reducere A-medieret BACE-1-opregulering i neuronale kulturer, hvilket interessant nok øgede den ikke-namyloidogene behandling af amyloid-precursorproteinet ved at øge -sekretase-spaltning [95 ]. Pueyo et al. gennemgået litteraturen om naturlige og syntetiske flavonoider med AChE-hæmmende aktivitet. De fandt 128 sådanne flflavonoider: 41 flflavoner, 21 flflavanoner, 35 flflavonoler, 25 isofflavoner og seks chalconer. Blandt dem hæmmede otte syntetiske flavonoider AChE med IC50 < 100="" nm.="" tre="" naturlige="" flavonoider,="" acaciin="" fra="" chrysanthemum="" indicum-blomster="" og="" desmethylanhydroicaritin="" og="" kaempferol="" fra="" sophora="" flavescens-rødder,="" hæmmede="" ache="" med="" ic50-værdier="" på="" henholdsvis="" 3,2,="" 6,7="" og="" 3,3="" nm="" [97].="" orhan="" et="" al.="" screenede="" forskellige="" flavonoidderivater="" for="" deres="" inhibering="" af="" ache="" og="" bche.="" ved="" en="" koncentration="" på="" 1="" mg/ml="" var="" quercetin="" det="" mest="" effektive="" mod="" ache="" med="" 76,2="" procent="" hæmning,="" og="" genistein="" viste="" den="" højeste="" hæmning="" (65,7="" procent)="" af="" bche="" efterfulgt="" af="" luteolin-7-o-rutinosid="" og="" silibinin="" (54,9)="" procent="" og="" 51,4="" procent="" henholdsvis)="" [98,99].="" i="" en="" anden="" undersøgelse="" havde="" citrus="" junos="" en="" signifikant="" hæmmende="" effekt="" på="" ache="" in="" vitro="" og="" in="" vivo,="" og="" den="" aktive="" forbindelse="" blev="" identificeret="" som="" naringenin,="" et="" væsentligt="" flavanonderivat="" [100].="" lee="" et="" al.="" undersøgte="" den="" hæmmende="" effekt="" af="" citrusflavanoner="" på="" bace-1,="" ache="" og="" bche.="" blandt="" alle="" de="" undersøgte="" flflavanoner="" viste="" hesperidin="" den="" bedste="" hæmning="" af="" bace-1,="" ache="" og="" bche="" med="" ic50-værdier="" på="" henholdsvis="" 10,02,="" 22,80="" og="" 48,09="" µm.="" kinetiske="" undersøgelser="" viste,="" at="" alle="" flavanonerne="" var="" ikke-kompetitive="" hæmmere="" af="" bace-1="" og="" cholinesterase="">

Hyperphosphorylering af tau-proteiner med efterfølgende akkumulering som neurofibrillære sammenfiltringer er en væsentlig bidragyder til kognitive dysfunktioner og en af ​​de tidligste AD-markører. Adskillige kinaser, såsom GSK-3b og CDK5/p25, er kendt for at bidrage til phosphoryleringen af ​​tau-proteiner, og de er impliceret i patogenesen af ​​AD. Flavonoider, der hæmmer aktiviteterne af flere kinaser, kan bruges til AD-forebyggelse. Terapi med flavonoid morin har vist sig at reducere tau-hyperphosphorylering in vitro og in vivo i hippocampale neuroner fra transgene dyr (3xTg-AD-mus) [103]. Quercetin hæmmede PI3-kinaseaktiviteten, og Cyanidin 3-O-glucosid gav også betydelig beskyttelse mod kognitive dysfunktioner, der induceres af administrationen af ​​A i dyremodeller, medieret af moduleringen af ​​GSK{{9} }b/tau. [104,105].

Samlet set kan flavonoider udøve deres potentielle neurobeskyttende virkninger ved at interagere med nøgleproteiner, der er involveret i AD. Bedre forståelse af flavonoid-protein-interaktionerne i AD kunne være en lovende strategi for udvikling af nye neurobeskyttende terapier til forebyggelse og behandling af neurodegenerative sygdomme.

3.3. Flavonoiders interaktioner med nøgleproteiner og lipoproteiner i åreforkalkning

Aterosklerose er en anden sygdom, som flavonoider har vist sig at svække. Det første trin i åreforkalkning er akkumuleringen af ​​lavdensitetslipoprotein (LDL), den vigtigste kolesterolbærer, i arterievæggen. High-density lipoproteins (HDL), på den anden side, er en vigtig antiaterogen faktor i blodet, som holder hele kroppens niveau af kolesterol i en stabil tilstand. Over 80 proteiner er blevet identificeret i HDL-proteomet, hvor apolipoproteinerne A1 og A2 tegner sig for henholdsvis cirka 65 procent og 15 procent af proteinmassen. De andre proteiner omfatter en række enzymer, såsom paraoxonase 1 (PON1). PON1 er ansvarlig for mange af HDL's anti-aterogene egenskaber. Korrelationer mellem PON1, HDL og aterosklerose, både in vivo og in vitro, er blevet veletableret [106,107]. Bortset fra kolesteroludstrømning har HDL andre potente biologiske aktiviteter: antioxidativ [108], anti-inflammatorisk [109], anti-apoptotisk [110] og vasodilaterende [111]. Disse aktiviteter afhænger ikke nødvendigvis af HDL-mængden, men de afhænger sandsynligvis af dets kvalitet [112,113]. Med hensyn til kardiovaskulær sundhed har vi tidligere vist, at flavonoidet glabridin, udvundet af lakridsrod, fungerer som en fremragende antioxidant og udviser additive antioxidanter og antiaterogene egenskaber. Glabridin binder sig til rekombinant PON1 (rePON1) og beskytter dets Cys284 mod oxidation af den aterosklerotiske komponent linolsyrehydroperoxid (LA-OOH). Denne specifikke kapacitet af glabridin er unik; detflavonoidcatechin viser ingen bindingsaffinitet til rePON1 [21]. Forbindelsen mellem flavonoider struktur og deres virkninger på rePON1 aktivitet blev yderligere undersøgt. Interaktionerne mellem 12 repræsentative flavonoider fra forskellige kemiske underklasser med rePON1 blev karakteriseret [42]. Derudover blev potentialet for rePON1-flavonoidkomplekser til at forhindre oxidation af LDL, en nøgleproces i aterogenese, undersøgt. Catechin, som ikke binder til rePON1, accelererede LDL-oxidation; i modsætning hertil viste glabridin en høj bindingsaffinitet til rePON1 og forbedrede dets beskyttende effekt mod LDL-oxidation [42]. Desuden har vi konsekvent observeret interaktioner af specifikke flavonoider med HDL-partiklen eller dens bundne proteiner, apolipoprotein A1 og PON1. Vi har vist, at quercetin og punicalagin binder til HDL-partiklen og øger dens anti-inflammatoriske egenskaber [41], hvorimod punicalagin efter binding til LDL-partiklen eller til dets bundne apolipoprotein B100 inducerede LDL-tilstrømning til makrofag J774A.1-celler, som kan reducere de cirkulerende LDL-niveauer [114]. Overordnet set har flflavonoider og polyphenoler generelt vist sig at hæmme symptomer på åreforkalkning og reducere dets udvikling via specifikke flflavonoid-interaktioner med celle- og serumproteiner og lipoproteiner.

3.4. Flavonoider som anticancermidler via interaktion med DNA og kromatin

Flavonoiders anticanceraktiviteter kan være et resultat af disse naturlige forbindelsers interaktion med biomolekyler (DNA, RNA og protein). Vi erkender, at flavonoider i kosten kan binde DNA'et specifikt eller stokastisk og ændre dets funktion [115]. Omfattende in vitro undersøgelser tyder på, at flavonoider effektivt reducerer celleproliferation, inducerer apoptose og sænker risikoen for metastaser [24]. De kemo-forebyggende virkninger af flavonoider, herunder luteolin, epigallocatechingallat, quercetin, apigenin og chrysin, blev vist med fokus på beskyttelse mod DNA-skader, der er forårsaget af forskellige kræftfremkaldende faktorer. Disse flavonoider beskytter selektivt normale celler og inducerer celledødsmekanismer i cancerceller i humane lunger og kolorektale adenomceller under kemoterapi eller strålebehandling [24]. Det blev fundet, at flavonoider, nemlig quercetin, myricetin, kaempferol, apigenin og luteolin, som er lipidopløselige og svagt sure, frit kan diffundere over cellemembranen og specifikt akkumuleres inde i K562 leukæmiceller [116]. Derfor,

det antydes, at flavonoider er mere tilbøjelige til at binde DNA eller proteiner i cancercellekernen og specifikt afbryde cancergenomreguleringen. Derudover har in-silico resultater vist, at især quercetin interagerer godt med G-quadruplex DNA, som er relateret til telomerase. Quercetin virker som et terapeutisk anti-cancermiddel via reguleringen af ​​telomeraseaktivitet [117]. Ved at sammenligne beregningsmæssige og eksperimentelle bindingsprofiler bekræftede en ny undersøgelse, at quercetin har den stærkeste bindingsaffinitet til DNA blandt de undersøgte flavonoider. Desuden afslørede undersøgelsen, at flavonoider kan ændre konformationen af ​​DNA og hæmme DNA-amplifikation, de viser imponerende induktion af cellecyklusstandsning, og de kan fremme apoptose i HepG2, MCF-7 og A549 cancerceller [60] .For at opnå de effektive terapeutiske doser, der anvendes i prækliniske undersøgelser, skal der lægges vægt på forbedrede og målrettede lægemiddelleveringsteknikker for at opnå maksimal effektivitet med minimale uønskede bivirkninger. Fremskridt inden for nanoteknologi-baserede lægemiddelleveringssystemer åbner op for bedre muligheder for at øge opløseligheden, forbedre biotilgængeligheden og forbedre flavonoidernes målretningsevner [118]. Nanopartikler baseret på liposomer, polyethylenglycolliposomer, nikkelbaserede, lecithinbaserede og nanobånd er egnede molekylære bærere til levering af flavonoidlægemidler til målvæv. Det blev rapporteret, at nanopartikler med succes blev brugt til at levere quercetin til solide tumorer in vitro og in vivo-modeller af kræft i centralnervesystemet, lunger, tyktarm, lever og bryster [119].
Således understøtter talrige undersøgelser potentialet af flavonoider som naturlige sundhedsprodukter i cancer kemoforebyggelse. Der er imidlertid behov for flere undersøgelser for at konfigurere deres virkningsmekanisme for at forbedre vores forståelse af epigenetiske processer, der kan give et mere rationelt grundlag for at kombinere specifikke diætforbindelser i et klinisk miljø [24].

Dana Atrahimovich 1,2, Dorit Avni 3 og Soliman Khatib 1,2,*

1 laboratorium for naturlige forbindelser og analytisk kemi, MIGAL-Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Israel; Danaa@migal.org.il
2 Institut for bioteknologi, Tel-Hai College, Upper Galilee 12210, Israel
3 Lab for sphingolipider, bioaktive metabolitter og immunmodulering, MIGAL—Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Israel; dorita@migal.org.il* Korrespondance: solimankh@migal.org.il; Tlf.: plus 972-4-6953512; Fax: plus 972-4-6944980

4 konklusioner

Forfatterbidrag:DA (Dana Atrahimovich), skrivning - originalt udkast til forberedelse og redigering, DA (Dorit Avni) skriver afsnittet 'Flavonoiders interaktioner med nøgleproteiner involveret i inflammation' og redigerer; SK supervision, skrivning — gennemgang og redigering. Alle forfattere har læst og accepteret den offentliggjorte version af manuskriptet.
Finansiering:Denne forskning modtog ingen ekstern finansiering.
Interessekonflikt:Forfatterne erklærer ingen interessekonflikt.

Dana Atrahimovich 1,2, Dorit Avni 3 og Soliman Khatib 1,2,*

Referencer

1. Procházková, D.; Boušová, I.; Wilhelmová, N. Antioxidante og prooxidante egenskaber af flflavonoider. Fitoterapia 2011, 82, 513-523. [CrossRef]

2. Duthie, GG; Duthie, SJ; Kyle, JAM Plantepolyfenoler i cancer og hjertesygdomme: Implikationer som ernæringsmæssige antioxidanter. Nutr. Res. Rev. 2000, 13, 79-106. [CrossRef] [PubMed] 3. Ramos, S. Cancer kemoforebyggelse og kemoterapi: Diætetiske polyfenoler og signalveje. Mol. Nutr. Food Res. 2008, 52, 507-526. [CrossRef] [PubMed] 4. Jaeger, BN; Parylak, SL; Gage, FH Mekanismer for diætisk flavonoidvirkning i neuronal funktion og neuroinflammation. Mol. Aspekter Med. 2018, 61, 50-62. [CrossRef] [PubMed] 5. Devi, S.; Kumar, V.; Singh, SK; Dubey, AK; Kim, JJ Flavonoider: Potentielle kandidater til behandling af neurodegenerative lidelser. Biomedicines 2021, 9, 99. [CrossRef] 6. Williams, RJ; Spencer, JPE; Rice-Evans, C. Flavonoider: Antioxidanter eller signalmolekyler? Fri Radik. Biol. Med. 2004, 36, 838-849. [CrossRef] 7. Virgili, F.; Marino, M. Regulering af cellulære signaler fra ernæringsmolekyler: En specifik rolle for fytokemikalier ud over antioxidantaktivitet. Fri Radik. Biol. Med. 2008, 45, 1205-1216. [CrossRef] 8. Grotewold, E. The Science of Flavonoids; Springer: Columbus, OH, USA, 2006; ISBN 9780387288215. 9. Agati, G.; Brunetti, C.; Fini, A.; Gori, A.; Guidi, L.; Landi, M.; Sebastiani, F.; Tattini, M. Er flavonoider effektive antioxidanter i planter? Tyve år af vores undersøgelse. Antioxidanter 2020, 9, 1098. [CrossRef] 10. Liu, Y.; Weng, W.; Gao, R.; Liu, Y.; Monacelli, F. Ny indsigt i cellulære og molekylære mekanismer for aldring og aldring-relaterede sygdomme: urtemedicin som potentiel terapeutisk tilgang. Oxid. Med. Celle. Longev. 2019, 2019. [CrossRef] 11. Rolt, A.; Cox, LS Strukturelt grundlag for anti-aldringseffekterne af polyphenoler: Afbødning af oxidativt stress. BMC Chem. 2020, 14, 1-13. [CrossRef] 12. Manach, C.; Scalbert, A.; Morand, C.; Rémésy, C.; Jiménez, L. Polyphenoler: fødekilder og biotilgængelighed. Er. J. Clin. Nutr. 2004, 79, 727-747. [CrossRef] 13. Thilakarathna, SH; Vasantha Rupasinghe, HP Flavonoid biotilgængelighed og forsøg på forbedring af biotilgængelighed. Næringsstoffer 2013, 5, 3367–3387. [CrossRef] [PubMed] 14. Haq, I. Termodynamik af lægemiddel-DNA-interaktioner. Arch. Biochem. Biofys. 2002, 403, 1-15. [CrossRef] 15. Uversky, VN Intrinsisk forstyrrede proteiner og deres miljø: Effekter af stærke denatureringsmidler, temperatur, pH, modioner, membraner, bindingspartnere, osmolytter og makromolekylær crowding. Protein J. 2009, 28, 305-325. [CrossRef] 16. Hou, D.-X.; Kumamoto, T. Flavonoider som proteinkinaseinhibitorer til cancerkemoforebyggelse: Direkte binding og molekylær modellering. Antioxid. Redox signal. 2010, 13, 691-719. [CrossRef] 17. Spencer, JPE Beyond antioxidants: De cellulære og molekylære interaktioner af flavonoider, og hvordan disse underbygger deres handlinger på hjernen. Proc. Nutr. Soc. 2010, 69, 244-260. [CrossRef] [PubMed] 18. Huang, Z.; Fang, F.; Wang, J.; Wong, C.-W. Strukturelt aktivitetsforhold mellem flavonoider og østrogen-relateret receptor gamma. FEBS Lett. 2010, 584, 22-26. [CrossRef] [PubMed] 19. Somjen, D.; Knoll, E.; Vaya, J.; Stern, N.; Tamir, S. Østrogenlignende aktivitet af lakridsrodsbestanddele: Glabridin og glabrene, i vaskulært væv in vitro og in vivo. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 2004, 91, 147-155. [CrossRef] 20. Jin, X.-L.; Wei, X.; Qi, F.-M.; Yu, S.-S.; Zhou, B.; Bai, S. Karakterisering af hydroxykanelsyrederivater, der binder til bovint serumalbumin. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 3424-3431. [CrossRef] 21. Atrahimovich, D.; Vaya, J.; Tavori, H.; Khatib, S. Glabridin beskytter paraoxonase 1 mod linolsyrehydroperoxidhæmning via specifik interaktion: En fluorescensdæmpende undersøgelse. J. Agric. Food Chem. 2012, 60, 3679-3685. [CrossRef] 22. Luck, G.; Liao, H.; Murray, NJ; Grimmer, HR; Warminski, EE; Williamson, MP; Lilley, TH; Haslam, E. Polyphenoler, astringens og prolinrige proteiner. Phytochemistry 1994, 37, 357-371. [CrossRef] 23. Ciumărnean, L.; Milaciu, MV; Runcan, O.; Vesa, SC; Răchisan, AL; Negrean, V.; Perné, MG; Donca, VI; Alexescu, TG; Para, I.; et al. Effekten af ​​flavonoider i hjerte-kar-sygdomme. Molecules 2020, 25, 4320. [CrossRef] [PubMed] 24. Cijo, V.; Dellaire, G.; Rupasinghe, HPV ScienceDirect Planteflavonoider i cancerkemoforebyggelse: Rolle i genomets stabilitet. J. Nutr. Biochem. 2017, 45, 1-14. [CrossRef] 25. Maher, P. Flavonoiders potentiale til behandling af neurodegenerative sygdomme. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 3056. [CrossRef] [PubMed] 26. Gecibesler, IH; Aydin, M. Plasmaproteinbinding af urte-flavonoider til humant serumalbumin og deres anti-proliferative aktiviteter. An. Acad. BH'er. Cienc. 2020, 92, 1-16. [CrossRef] 27. Lin, CZ; Hu, M.; Wu, AZ; Zhu, CC Undersøgelse af forskellene mellem fire flavonoider med lignende struktur, der binder til humant serumalbumin. J. Pharm. Anal. 2014, 4, 392-398. [CrossRef] 28. Mondal, P.; Bose, A. Spektroskopisk oversigt over quercetin og dets Cu(II) kompleks interaktion med serumalbuminer. BioImpacts 2019, 9, 115-121. [CrossRef] 29. Geng, R.; Ma, L.; Liu, L.; Xie, Y. Indflydelse af bovint serumalbumin-flavonoid-interaktion på antioxidantaktiviteten af ​​diæt-flavonoider: Nyt bevis fra elektrokemisk kvantificering. Molecules 2019, 24, 70. [CrossRef] [PubMed] 30. Ma, CM; Zhao, XH Viser den ikke-kovalente interaktion af valleproteiner med galangin eller genistein ved hjælp af multispektroskopiske teknikker og molekylær docking. Foods 2019, 8, 360. [CrossRef] 31. Tang, F.; Xie, Y.; Cao, H.; Yang, H.; Chen, X.; Xiao, J. Føtalt bovint serum påvirker stabiliteten og bioaktiviteten af ​​resveratrolanaloger: En polyphenol-protein-interaktionstilgang. Food Chem. 2017, 219, 321-328. [CrossRef]