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Titelaufnahme

Titel
Alpine Lichens as Valuable Source for Anti-Inflammatory and Cancer-Chemopreventive Natural Products / vorgelegt von Sarah Katharina Öttl
VerfasserÖttl, Sarah Katharina
Begutachter / BegutachterinRollinger, Judith Maria ; Bucar, Franz
Betreuer / BetreuerinRollinger, Judith Maria
Erschienen2014
UmfangXIII, 256 Bl. : zahlr. Ill., graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Enth. u.a. 11 Veröff. d. Verf. aus den Jahren 2009 - 2014 . - Zsfassung in dt. und engl. Sprache
Datum der AbgabeNovember 2014
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Flechten / Entzündung / Krebsprevention
Schlagwörter (EN)Lichen / Inflammation / Chemoprevention / Depside / Cetrelia monachorum / Pseudevernia furfuracea / Cetraria islandica / Xanthoria elegans
Schlagwörter (GND)Flechten / Naturstoff / Bioaktive Verbindungen / Screening / Antiphlogistikum / Immunmodulation / Antioxidans / Krebs <Medizin> / Prävention
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-1597 Persistent Identifier (URN)
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 Das Werk ist frei verfügbar
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Alpine Lichens as Valuable Source for Anti-Inflammatory and Cancer-Chemopreventive Natural Products [19.87 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Pflanzeninhaltsstoffe stellen eine wichtige Quelle für die Arzneimittelforschung dar und liefern aufgrund ihrer Komplexizität an chemischen Verbindungen nach wie vor neuartige Leitstrukturen. Obwohl Flechten, symbiotische Organismen bestehend aus Algen/Cyanobakterien und Pilzen, in großer Vielfalt und in allen Klimazonen unserer Erde vorkommen, sind ihre Metaboliten bezüglich ihrer pharmakologischen Wirkungen immer noch wenig untersucht. Während des ersten Föderungszeitraums des DNTI-Projekts wurden Depside und Depsidone, charakteristische Flechtensubstanzen, als vielversprechende entzündungdshemmende Mittel entdeckt, die an dem innovativen Target mikrosomale Prostaglandin E2 Synthase (mPGES)-1 angreifen. Dieses induzierbare Zielenzym wird in pathologischen Prozessen vermehrt gebildet und wandelt Prostaglandin (PG)H2 in entzündungsförderndes PGE2 um. Die Hemmung von mPGES-1 wird daher als vorteilhalte Therapiestragtegie speziell bei chronisch-entzündlichen Krankheiten angesehen. Im Zuge eines pharmakophor-basierten virtuellen Screenings von bekannten Molekulstrukturen aus alpinen Flechtenarten und eines in vitro Extraktscreenings, wurde Cetrelia monachorum (Zahlbr.) W.L. Culb. & C.F. Culb. als Quelle vielversprechender bioaktiver Flechtensubstanzen identifiziert. Phytochemische Untersuchungen resultierten in der Isolierung und stukturellen Charakterisierung von elf Sekundarmetabolite. Die Hauptkomponenten Imbricarsaure und Perlatolsaure wiesen in vitro eine starke mPGES-1-Hemmung auf (IC50 1.9 bzw. 0.4 myM) und zeigten weiters vielversprechende inhibitorische Aktivitaten an zwei entzundungsfordernden Targets, der 5-Lipoxygenase (5-LO) und dem Nuklearfaktor kappa B (NF-kB), mit IC50-Werten im niederen mikromolaren Bereich. Somit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass Depside an drei bedeutenden Zielproteinen verschiedener Entzündungskaskaden wirkungsvoll interagieren und dadurch geeignete Kandidaten für weiterer präklinische in vivo Studien sind (siehe MANUSCRIPT 1).

Im Zuge des EU-Projektes NatProtec wurde die mögliche Wirksamkeit von Flechtensubstanzen für kosmetische Anwendungen erforscht. Dafür wurden alpine Flechtenextrakte auf ihre hautschützenden Eingenschaften und im Besonderen auf ihre antioxidative und entgiftende Wirkung untersucht. In einem Extraktscreening erhöhten die Rohextrakte von Xanthoria elegans (Link) Th. Fr. und Cetraria islandica (L.) Ach. die Aktivität des Phase-II-Enzyms Chinonreduktase (QR) bei einer Testkonzentration von 20 g/mL um das Dreifache, weshalb sie für phytochemische Untersuchungen ausgewählt wurden. Aus bioaktiven Fraktionen wurden zwei Anthrachinone und ein Parakonsäurederivat isoliert und strukturaufgeklärt. Erste pharmakologische Ergebnisse wiesen Physcion und seinem Analogon Erythroglaucin eine starke QR-induzierende Wirkung nach. Die Anthrachinone verdoppelten die Enzymaktivität bei einer Konzentration von 6.6 bzw. 5.7 M.

Eine neuartige Dereplikationsmethode, welche chromatographische, spektroskopische und bioinformatische Techniken kombiniert, ermöglichte die eindeutige Identifizierung von sechs strukturell verwandten Inhaltsstoffen der exemplarisch ausgewählten Flechte Pseudevernia furfuracea (L.) Zopf direkt im Gemisch unter Durchführung eines einzigen Fraktionierungsschritts. Diese innovative, umweltschonende Methode stellt ein erfolgreiches Verfahren und einen signifikanten Durchbruch zur raschen Charakterisierung von aktiven Vielstoffgemischen dar, wobei zeitaufwändige und Lösungsmittel-intensive Aufreinigungsverfahren sowie strukturelle Umlagerungen fragiler Flechtenmetaboliten vermieden werden können (siehe MANUSCRIPT 2).

Die vorliegende Doktorarbeit stellt ein umfassendes Screening von 20 Extrakten alpiner Flechtenarten auf entzündungshemmende, immunmodulierende, antioxidative und krebspräventive Wirkungen dar. Die Anwendung sich ergänzender Herangehensweisen, wie das virtuelle Screening von Mulitkomponentengemischen und die phytochemische Aufarbeitung von ausgewählten Flechtenarten, ermöglichte das außergewöhnliche Bioaktivitätspotential sekundärer Flechteninhaltstoffe zu erfassen und darüberhinaus diese vielversprechenden Verbindungen zielgerichtet zu isolieren und zu charakterisieren.

Zusammenfassung (Englisch)

Plant-derived natural products have always been an important source for drug discovery and still deliver novel leads due to the richness and complexity of biosynthesized chemical structures. Although lichens, symbiotic organisms consisting of algae/cyanobacteria and fungi, naturally occur in vast diversity and in all climatic regions of the world, their metabolites are still poorly investigated with respect to their pharmacological potential.

During the first funding period of the DNTI-project depsides and depsidones, characteristic lichens substances, were discovered to be promising anti-inflammatory agents potently interacting on the innovative target microsomal prostaglandin E2 synthase (mPGES)-1. This inducible enzyme is upregulated in pathological stages and converts prostaglandin (PG)H2 into pro-inflammatory PGE2. Inhibition of mPGES-1 is thus, considered to be a beneficial therapeutic strategy, especially in cases of chronic inflammatory diseases.

A virtual screening of structures known from identified Alpine lichen species using previously established pharmacophore models in combination with an in vitro extract screening revealed Cetrelia monachorum (Zahlbr.) W.L. Culb. & C.F. Culb. to be a source of promising bioactive lichen substances. Phytochemical investigations resulted in the isolation and structural characterisation of eleven compounds. The main constituents, imbricaric acid and perlatolic acid, exhibited strong mPGES-1 inhibition in vitro (IC50 1.9 and 0.4 M, respectively) and further showed promising inhibitory activitites on two pro-inflammatory targets, 5-lipoxygenase (5-LO) and nuclear factor kappa B (NF-êB) with IC50 values in the low micromolar range. Moreover, perlatolic acid inhibited the inflammatory recruitment of leukocytes in a peritonitis mouse model. Hence, it has been demonstrated successfully that depsides potently interact on three prominent targets within different inflammatory pathways and therefore be favorable candidates for further preclinical in vivo studies (MANUSCRIPT 1).

As part of the EU-project NatProtec, the potential efficacy of lichen substances in cosmetic applications was investigated. Therefore, Alpine lichens were examined for their skin-protectant properties, with a particular interest in antioxidant and detoxifying effects. Intriguingly, the crude extracts of Xanthoria elegans (Link) Th. Fr. and Cetraria islandica (L.) Ach. induced the activity of the phase II enzyme quinone reductase (QR) threefold at a test concentration of 20 g/mL and were selected for phytochemical investigations. The main compounds of the examined lichen extracts, two anthraquinones and one paraconic acid derivative, respectively, were isolated and their structures elucidated. Preliminary pharmacological results attested physcion and its analog erythroglaucin a potent QR inducing activity. The anthraquinones doubled the enzyme activity at a concentration of 6.6 M and 5.7 M, respectively.

A novel dereplication strategy combining chromatographic, spectroscopic and data mining tools facilitated the clear identification of six structurally related compounds of the selected model lichen extract of Pseudevernia furfuracea (L.) Zopf directly within mixtures by performing just one single fractionation step. This innovative green methodology is an effective strategy and a significant breakthrough for the rapid characterization of active multi-component mixtures, in avoidance of time- and solvent-consuming purification procedures and structural rearrangements of fragile lichen metabolites (MANUSCRIPT 2).

The present PhD thesis comprises a comprehensive screening of 20 unambigously identified Alpine lichen species for anti-inflammatory, immune-modulating, antioxidant and cancer-chemopreventive properties. The implementation of complementary approaches, like the virtual screening of multicomponent mixtures and phytochemical investigations of selected lichen species, enabled to conceive the extraordinary bioactivity potential emanating from lichen secondary metabolites, and, thus, to access and characterize these promising constituents.