• Nenhum resultado encontrado

Biological activities of Plectranthus barbatus aqueous extracts : in vitro and in vivo studies of activity, bioavailability and metabolism

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Biological activities of Plectranthus barbatus aqueous extracts : in vitro and in vivo studies of activity, bioavailability and metabolism"

Copied!
176
0
0

Texto

(1)

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E BIOQUÍMICA

BIOLOGICAL ACTIVITIES OF

Plectranthus barbatus

AQUEOUS EXTRACTS.

IN VITRO

AND

IN VIVO

STUDIES OF ACTIVITY,

BIOAVAILABILITY AND METABOLISM.

Pedro Luis Vieira Falé

DOUTORAMENTO EM BIOQUÍMICA

(Bioquímica Farmacêutica e Toxicológica)

2011

 

(2)
(3)

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E BIOQUÍMICA

BIOLOGICAL ACTIVITIES OF Plectranthus barbatus

AQUEOUS EXTRACTS.

IN VITRO AND IN VIVO STUDIES OF ACTIVITY,

BIOAVAILABILITY AND METABOLISM.

Pedro Luis Vieira Falé

DOUTORAMENTO EM BIOQUÍMICA

(Bioquímica Farmacêutica e Toxicológica)

Tese orientada por

Prof. Doutora Maria Luísa Mourato Oliveira Marques Serralheiro

Prof. Doutora Lia Maria Pereira de Ascensão Santos e Sousa

(4)
(5)

                                                    The work presented in this thesis was performed in the  Centro de Química e Bioquímica da Faculdade de  Ciências da Universidade de Lisboa, with the financial  support of Fundação para a Ciência e a Tecnologia  (SFRH/BD/37547/2007)         

(6)
(7)

v   

De  acordo  com  o  disposto  no  Artigo  nº  41  do  Regulamento  de  Estudos  Pós‐Graduados  da  Universidade  de  Lisboa,  Deliberação  nº  1506/2006,  publicada  no  Diário  da  República,  2ª  série—Nº  209—30  de  Outubro  de  2006,  foram  incluidos  nesta  dissertação  resultados  dos  seguintes artigos: 

 

Falé  PL,  Borges  C,  Madeira  PJA,  Ascensão  L,  Araújo  MEM,  Florêncio  MH,  Serralheiro  MLM.  2009. 

Rosmarinic  acid,  scutellarein  4’‐methyl  ether  7‐O‐glucuronide  and  (16S)‐coleon  E  are  the  main  compounds  responsible  for  the  antiacetylcholinesterase  and  antioxidant  activity  in  herbal  tea  of 

Plectranthus barbatus (‘‘falso boldo”). Food Chem. 114: 798–805. 

 

Porfirio  S,  Falé  PL,  Madeira  PJA,  Florêncio  H,  Ascensão  L,  Serralheiro  MLM.  2010.  Antiacetylcholinesterase  and  antioxidant  activities  of  Plectranthus  barbatus  tea,  after  in  vitro  gastrointestinal metabolism, Food Chem. 122: 798–805. 

 

Falé  PL,  Madeira  PJ,  Florêncio  MH,  Ascensão  L,  Serralheiro  MLM.  2011.  Function  of  Plectranthus 

barbatus herbal tea as neuronal acetylcholinesterase inhibitor. Food Funct. 2: 130‐136. 

 

Falé PL, Ascensão L, Serralheiro MLM, Haris PI. 2011. Interaction between Plectranthus barbatus herbal 

tea  components  and  human  serum  albumin  and  lysozyme:  binding  and  activity  studies.  Spectroscopy.  26: 79–92. 

 

Falé  PL,  Ascensão  L,  Serralheiro  MLM,  Haris  PI.  Interaction  between  Plectranthus  barbatus  herbal  tea 

components and acetylcholinesterase: binding and activity studies. Submitted to Food Funct.    

Falé  PL,  Ascensão  L,  Serralheiro  MLM.  Bioavailability  of  rosmarinic  acid,  luteolin,  apigenin‐modelling 

plant herbal teas through Caco‐2 cell monolayers. To be submitted to Food Chem.   

Falé PL, Filipe MA, Ascensão L, Serralheiro MLM, Mira L. Activity of Plectranthus barbatus extract against 

inflammatory response in human neutrophils. To be submitted to Plant Food Hum. Nutr. 

 

No  cumprimento  do  disposto  na  referida  deliberação,  esclarece‐se  serem  da  minha  responsabilidade  a  execução  das  experiências  que  estiveram  na  base  dos  resultados  apresentados, assim como a interpretação e discussão dos mesmos. 

       

(8)
(9)

vii

Aknowledgements

Many people have contributed, directly or indirectly, to the successful completion of this work. First, I would like to express my deepest gratitude to Professor Maria Luísa Serralheiro for her guidance and counseling, all the challenges, the knowledge and, most of all, the practical (engineer-like) point of view. The elaboration of this work under her guidance was not only a scientifically rewarding experience, but also a pleasant one.

I would like also to thank to Professor Lia Ascensão for the guidance and attention to details the elaboration of this work. I would also like to thank her for the support, friendship, and continuous encouragement all these years.

To Professor Parvez Haris, his group, and staff at the De Montfort University, in Leicester, I would like to thank for the hospitality and for all the support in the studies developed there.

To Professor Maria Helena Florêncio I would like to thank the expertise in the compound identification by mass spectrometry. To Paulo Madeira I would also like to thank, not only the help in mass spectrometry anlysis, but also for the lighter moments and all his patience for listening expressions such as “Are you sure about this structure? I don’t like it!”.

I would also like to thank to Sara Porfírio, Ines Sousa Lima, Rita Carilho, Susana Santos, Catarina Costa, Leticia Silva, Pedro Cleto, Neusa Figueiredo, Ana Margarida Rodrigues, Francesca Amaral and Catarina Ferreira, the Master students that helped, even if only by their enthusiasm.

Last, but not least, I am grateful to my friends from the “family of C4 library”, for providing the encouragement and a stable (geek) environment. To Charlie, for lightening (and enlightening) my life even in the toughest moments. And to my family, especially my Mother, for the support through this period, but also in my dedication to such an odd area as Science, instead of Arts.

(10)
(11)

ix   

Summary 

The  Plectranthus  barbatus  herbal  tea  is  traditionally  used  to  treat  a  wide  range  of  health  conditions,  including  psychiatric  problems,  gastrointestinal  disturbances  and  inflammation‐related conditions. The aim of this work was to determine if P. barbatus herbal  tea may be useful in the treatment of acetylcholinesterase or inflammation related diseases,  such as Alzheimer’s disease. 

In  vitro  activities  of  the  P.  barbatus  aqueous  extract  were  determined,  namely  anti‐ 

acetylcholinesterase  activity,  antioxidant  activity  as  radical  scavenger  and  preventing  lipid  peroxidation,  and  anti‐inflammatory  activity  by  decreasing  the  amount  of  hypochlorous  acid  produced  by  activated  neutrophils.  The  values  obtained  for  the  in  vitro  activities  were  very  promising and related with its content in rosmarinic acid, flavonoid glucuronides and abietane  diterpenoids.  After  in  vitro  digestion  with  gastric  and  pancreatic  juices,  bacterial   β‐glucuronidase  and  metabolization  by  Caco‐2  cells,  the  anti‐acetylcholinesterase  activity  of  the plant extract suffered a slight decrease due to the loss of one active diterpenoid.   

The bioavailability of the plant extract was determined by administering it to rats and  analyzing the rat plasma and brain. The extract components suffered glucuronidation, sulfation  and methylation by the intestine and by the liver, but the plant compounds were found in rat  brains  and  brain  acetylcholinesterase  activity  showed  an  inhibition  reaching  30%.  As  the  bioavailability of rosmarinic acid was not the same  when in the  extract and  when alone,  the  interference  of  plant  phenolics  on  the  permeability  of  each  other  was  tested  in  Caco‐2  monolayers using rosmarinic acid and two flavonoids, apigenin and luteolin. This study showed  that  the  compounds  have  higher  intestinal  permeability  when  in  a  mixture  due  to  the  inhibition of the efflux transporters that limit their bioavailability. 

The  compounds  from  the  P.  barbatus  extract  can  bind  to  the  protein  structure  of  acetylcholinesterase,  human  serum  albumin  and  lysozyme  by  weak  interactions  such  as  hydrophobic  interactions  and  hydrogen  bonds.  These  interactions  are  the  cause  of  the  reversible inhibition of the enzymatic activity of acetylcholinesterase and lysozyme; therefore  the compounds are less susceptible to cause side effects when used therapeutically.   

The P. barbatus herbal tea may be used to treat cholinesterase‐related problems such  as gastrointestinal conditions and Alzheimer’s disease as its active components may reach the  target  organs,  and  brain  acetylcholinesterase  inhibition  was  detected.  The  compounds  may  circulate  in  the  plasma  bound  to  albumin  and  lysozyme,  and  may  decrease  inflammation  by  their radical  scavenger activity, by decreasing neutrophil‐produced hypochlorous acid and by  inhibiting lysozyme activity. 

(12)

x   

Keywords:  Acetylcholinesterase;  Antioxidant;  Bioavailability;  Plectranthus  barbatus; 

Rosmarinic acid.                                                                 

(13)

xi   

Resumo 

Infusões e decocções de Plectranthus barbatus são usadas tradicionalmente para uma  grande  diversidade  de  fins  terapeuticos,  incluido  o  tratamento  de  problemas  psiquiátricos,  distúrbios gastro‐intestinais e doenças relacionadas com processos inflamatórios. O objectivo  deste  estudo  é  determinar  se  o  extracto  aquoso  de  P.  barbatus,  preparado  como  decocção,  poderá  ser  útil  no  tratamento  de  problemas  relacionados  com  a  actividade  do  enzima  acetilcolinesterase ou com processos inflamatórios. 

Um  extracto  aquoso  de  P.  barbatus  foi  preparado  como  decocção  e  foram  determinadas, in vitro, as actividades anti‐acetilcolinesterase, antioxidante e anti‐inflamatória.  Nestas  actividades  in  vitro  foram  obtidos  resultados  muito  promissores,  com  valores  de  IC50  baixos para a inibição da actividade do enzima acetilcolinesterase, actividade antioxidante no  sequestro  de  radicais  livres  e  protegendo  lipidos  de  peroxidação,  e  na  actividade  anti‐ inflamatória  pela  diminuição  da  quantidade  de  ácido  hipocloroso  produzido  por  neutrófilos  activados.  Estas  actividades  estavam  relacionadas  com  a  composição  do  extracto  de  P. 

barbatus,  sendo  ácido  rosmarinico  o  composto  maioritário,  mas  encontrando‐se  também 

presentes  flavonóides  glucuronados  (apigenina  7‐O‐glucurónido,  luteolina  7‐O‐glucurónido  e  acacetina 7‐O‐glucurónido) e diterpenoides. Após a digestão in vitro do extracto vegetal com  sucos gástrico e pancreático artificiais, da acção de β‐glucuronidase de bactérias da microflora  intestinal e da metabolização por células Caco‐2, como modelo de células intestinais humanas,  a actividade do extracto sofreu uma diminuição devido à perda de um diterpenoide activo, no  entanto os outros compostos activos permaneceram intactos.   

A  biodisponibilidade  da  decocção  de  P.  barbatus  foi  determinada  por  administração  intragástica e intraperitoneal a ratos, recolhendo‐se e analisando‐se o plasma e o cérebro dos  ratos por HPLC. Os componentes da decocção foram metabolisados no intestino e no fígado,  sofrendo  glucuronidação,  sulfatação  e  metilação.  Encontrou‐se  ácido  rosmarínico  no  cérebro  dos  ratos  após  a  administração  do  extracto,  e  o  cérebro  apresentava  uma  inibição  da  actividade  da  acetilcolinesterase  atingindo  aproximadamente  30%,  sugerindo  que  outros  compostos  ou  metabolitos  dos  componentes  da  decocção  pudessem  estar  presentes  em  quantidades  inferiores  ao  limite  de  detecção,  mas  que  mesmo  assim  iriam  influenciar  a  actividade enzimática. Como se encontraram algumas alterações entre a biodisponibilidade do  ácido  rosmarínico  administrado  no  extracto  ou  administrado  isolado,  procedeu‐se  ao  estudo  da  interferência  que  compostos  fenólicos  possam  ter  na  permeabilidade  uns  dos  outros  quando  administrados  em  misturas,  em  membranas  de  células  Caco‐2.  Nesse  estudo   recorreu‐se  ao  método  de  “central  composite  design”  CCD  para  determinar  se  existiriam 

(14)

xii   

diferenças entre a permeabilidade e metabolização de ácido rosmarínico, apigenina e luteolina  em membranas de células Caco‐2, induzidas pela presença uns dos outros. Foram também co‐ administrados  substractos  de  dois  sistemas  transportadores  conhecidos,  o  transportador  de  ácidos  monocarbóxilicos  (MCT)  e  a  glicoproteina‐P  (Pgp),  e  concluiu‐se  que  os  compostos  da  decocção de P. barbatus tinham maior permeabilidade por estarem em conjunto, uma vez que   uns  compostos  inibiam  os  transportadores  de  efluxo  dos  outros.  A  biodisponibilidade  dos  substratos  dos  transportadores  de  efluxo  presentes  na  membrana  apical  aumenta  com  a  inibição  dos  transportadores,  pois  estes  transportam  activamente  os  seus  substratos  para  o  lúmen do intestino, limitando assim a passagem para a circulação sanguínea. 

A  interacção  entre  os  compostos  do  extracto  de  P.  barbatus  e  proteinas  foi  avaliado  através de técnicas de espectrometria de fluorescência e FTIR. Os componentes da decocção  de  P.  barbatus  têm  a  capacidade  de  se  ligar  à  estrutura  proteica  da  acetilcolinesterase,  da  albumina  de  soro  humano  e  da  lisozima  através  de  interacções  fracas,  nomeadamente  interacções hidrofóbicas e pontes de hidrogénio. Por se tratarem de ligações fracas e não se  terem  encontrado  alterações  da  estrutura  secundária  das  proteinas,  estas  interacções  serão  responsáveis  pela  inibição  reversivel  da  actividade  enzimática  da  acetilcolinesterase  e  da  lisozima. Este tipo de interacções são as mais recomendadas para compostos a ser utilizados  para fins terapeuticos pois evitam efeitos secundários resultantes da inibição destes enzimas  por  inibidores  que  formam  complexos  através  de  ligações  mais  fortes,  como  ligações  covalentes, e induzem alterações profundas na estrutura proteica levando à desnaturação. 

Decocções  de  P.  barbatus  poderão  ser  utilizadas  para  tratar  problemas  relacionados  com  a  actividade  da  acetilcolinesterase,  como  a  doença  de  Alzheimer,  pois  após  a  administração os seus componentes poderão ser encontardos a a nivel do intestino, plasma e  cérebro, inibindo a actividade da acetilcolinesterase no cérebro. Os componentes da decocção  poderão circular na corrente sanguínea associados à albumina e à lisozima, e poderão reduzir  processos  inflamatórios  devido  à  sua  actividade  sequestradora  de  radicais  livres,  à  sua  capacidade  de  diminuir  a  quantidade  de  àcido  hipocloroso  produzido  por  neutrófilos  activados, e por inibir a atividade enzimática da lisozima.  

 

Palavras‐chave:  Acetilcolinesterase;  Ácido  Rosmarínico;  Antioxidante;  Biodisponibilidade; 

Plectranthus barbatus. 

       

(15)

xiii   

Table of Contents 

Acknowledgments

vii 

Summary 

ix 

Resumo 

xi 

Table of Contents 

xiii 

Figure List 

xvii 

Table List 

xx 

Abbreviations 

xxii 

 

 

CHAPTER 1 – GENERAL INTRODUCTION

1. Literature Review 1.1. Plectranthus species and their ethnobotanical uses  3  1.2. Herbal tea components and their bioavailability  4  1.2.1. Phenolic acids  4  1.2.2. Flavonoids  6  1.3. Biological activities of herbal teas and their components  9  1.3.1. Acetylcholinesterase inhibitors  9  1.3.1.1. Acetylcholinesterase inhibitors and Alzheimer’s disease  10  1.3.1.2. Acetylcholinesterase inhibitors to treat gastrointestinal disorders  13  1.3.1.3. Finding acetylcholinesterase inhibitors ‐ from in vitro to in vivo studies  14  1.3.2. Inflammation and Antioxidants  16  2. Thesis overview  19 

 

 

CHAPTER 2 – MATERIALS AND METHODS

21  1. Plant material  23  2. Animals  23  3. Chemicals  23  4. Extract preparation  24  5. Acetylcholinesterase inhibition  24  6. Determination of antioxidant activity  25  7. HPLC analysis  26  8. NMR spectroscopy  26  9. Mass spectrometry experiments  26  10. In vitro intragastric metabolism assays  27  10.1. In vitro metabolism by the gastric juice  27  10.2. In vitro metabolism by pancreatic juice  27  10.3. Glucuronidase activity  28  10.4. Metabolism by the Caco‐2 cells  28  10.5. Antiacetylcholinesterase and antioxidant activities of the digested extracts  28  11. In vitro conjugation studies for metabolites identification  29  11.1. Preparation of cell‐free extracts  29  11.2. Glucuronidation assay  29 

(16)

xiv    11.3. Synthesis and identification of methyl rosmarinic acid  29  12. In vivo studies protocol  30  12.1. Intragastric and intraperitoneal administration  30  12.2. Plasma and brain sample preparation  30  12.3. Determination of glucuronidated and sulfated metabolites  30  12.4. Preparation of samples for HPLC analysis  31  12.5. Determination of acetylcholinesterase activity in brain samples  31  13. Protein fluorescence measurements  31  14. FTIR measurements  32  15. Lysozyme activity measurements  33  16. Measurement of hypochlorous acid in activated human neutrophils  33  16.1. Isolation of human neutrophils  33  16.2.Measurement of hypochlorous acid formation by human neutrophils  33  17. Caco‐2 bioavailability experiments  34  17.1. Study of the permeability and the metabolism of rosmarinic acid, luteolin and  apigenin  34  17.2. Study of the effect of transport systems (MCT and Pgp) on the permeation of  apigenin, luteolin and rosmarinic acid  35  17.3. HPLC analysis and bioavailability quantification  35  18. Statistical analysis  36 

 

 

CHAPTER III ‐ SCREENING FOR ANTIACETYLCHOLINESTERASE AND 

ANTIOXIDANT ACTIVITIES IN PLECTRANTHUS SPECIES. IN VITRO METABOLISM 

AND ANTI‐INFLAMMATORY STUDIES 

37  1. Screening for antiacetylcholinesterase and antioxidant activities in Plectranthus  species  39  1.1. Introduction  39  1.2. Materials and Methods  40  1.3. Results  40  1.3.1. General  40  1.3.2. Acetylcholinesterase inhibition  41  1.3.3. Antioxidant Activity  42  1.3.4. Identification of the main component of the Plectranthus extracts,  responsible for the enzyme inhibition activity  42  1.4. Discussion  45  1.5. Conclusion  46  2. In vitro Digestion Activities of Plectranthus barbatus Aqueous Extract and Activities  of the Digested Product  47  2.1. Introduction  47  2.2. Materials and Methods  48  2.3. Results and Discussion  48  2.3.1. Main composition of P. barbatus herbal tea  48  2.3.2. In vitro metabolism of the extract by the gastric and pancreatic juices.  Biological activity of the resulting products  50 

(17)

xv 2.3.3. Metabolism of the plant extract by Caco-2 cells and biological activity of

the final products 53

2.3.4. Metabolism of the plant extract by the β-glucuronidase from E. coli,

biological activities and Caco-2 cells permeation of the final products 55

2.4. Conclusion 57

3. Activity of Plectranthus barbatus extract against inflammatory response in human

neutrophils 59

3.1. Introduction 59

3.2. Materials and Methods 60

3.3. Results and Discussion 60

3.4. Conclusions 63

4. Conclusions 64

CHAPTER IV – BIOAVAILABILITY STUDIES IN RATS AND CACO-2 CELL

MONOLAYERS

65

1. Plectranthus barbatus aqueous extract bioavailability and resulting neuronal

acetylcholinesterase inhibition in rats 67

1.1. Introduction 67

1.2. Materials and Methods 68

1.3. Results and Discussion 68

1.3.1. Intragastric administration of P. barbatus extract 68 1.3.2. Intraperitoneal administration of P. barbatus extract 71

1.4. Conclusions 76

2. Bioavailability of mixtures of rosmarinic acid, luteolin and apigenin through Caco-2 cell monolayers, modeling the bioavailability of plant herbal teas. 77

2.1. Introduction 77

2.2. Material and Methods 78

2.3. Results 78

2.3.1. Bioavailability of Plectranthus barbatus herbal tea 79 2.3.2. Bioavailability of a mixture of the standards rosmarinic acid, apigenin and

luteolin 80

2.3.4. Effect of MCT and Pgp transporter systems on the bioavailability of the

polyphenol mixture 82

2.4. Discussion 86

2.5 Conclusions 89

3. Conclusions 91

CHAPTER V – INTERACTIONS BETWEEN THE Plectranthus barbatus HERBAL

TEA AND THE PROTEINS ACETYLCHOLINESTERASE, HUMAN SERUM ALBUMIN

AND LYSOZYME

93

1. Interaction between the Plectranthus barbatus extract and acetylcholinesterase. Binding of herbal tea components to the protein structure and inhibition of

enzymatic activity 95

1.1. Introduction 95

1.2. Materials and Methods 96

1.3. Results 97

1.3.1. Fluorescence studies on the binding of P. barbatus water extract to

(18)

xvi

1.3.2. Analysis of binding equilibria of P. barbatus water extract to

acetylcholinesterase 99

1.3.3. Determination of interaction forces between P.barbatus extract and

AChE 101

1.3.4. Determination of protein structure changes caused by P. barbatus

extract and its plasma metabolites by FTIR spectroscopy 102

1.4. Discussion 105

1.5. Conclusions 107

2. Interaction between Plectranthus barbatus herbal tea components and human

serum albumin and lysozyme: binding and activity studies 109

2.1. Introduction 109

2.2. Material and Methods 110

2.3. Results 110

2.3.1 Binding of P. barbatus to albumin and lysozyme 110 2.3.2. Analysis of binding equilibria 112 2.3.3. Determination of interaction forces between P. barbatus extract

metabolites and HSA and lysozyme 115

2.3.4. Determination of protein structure changes caused by P. barbatus

extract and its plasma metabolites by FTIR 116 2.3.5. Effect of P. barbatus extract on lysozyme activity 118

2.4. Discussion 118

2.5. Conclusions 122

3. Conclusions 123

CHAPTER VI – GENERAL DISCUSSION AND CONCLUSIONS

125

(19)

xvii   

Figure List 

Figure 1.1. Plectranthus barbatus  4 Figure 1.2. Chemical structures of some common phenolic acids. 5 Figure 1.3. Basic chemical structures of the main classes of flavonoids. 7 Figure 1.4. Structures of (a) quercetin, (b) apigenin and (c) luteolin. 7 Figure 1.5. Active gorge of acetylcholinesterase (Abu‐Donia, 2003). 10 Figure 1.6. Tacrine binding to the active gorge of acetylcholinesterase, and details showing the  amino acid residues involved in the interaction between the two molecules (PDB 1ACJ, Harel   et al., 1993).  11  Figure 1.7. Biochemical pathways associated with the formation of amyloid plaques and  neurofibrillary tangles in Alzheimers’s Disease patients. (www.calbiochem.com/alzheimers).  12  Figure 1.8. Reaction associated with the Ellman assay to quantify acetylcholinesterase activity.  The final product TNB can be spectrofotometrically detected due to its absorption at a  wavelength of 405 nm. (adapted from Frasco et al., 2005)  15  Figure 1.9. Antioxidant strategies in Alzheimer’s disease. Solid arrows represent the  mechanisms of the disease and dashed arrows represent the mechanisms of  antioxidant  therapy (Adapted from Dumond and Bael (2011)).  18      Figure 3.1. HPLC chromatogram of decoctions: (a) Plectranthus barbatus and (b) Plectranthus  verticillatus.    43  Figure 3.2. UV spectra obtained by HPLC‐diode array of (a) compounds with retention time   19.2 min and (b) caffeic acid.  43  Figure 3.3. NMR spectra of (a) Plectranthus barbatus extract, (b) Plectranthus verticillatus  extract and (c) rosmarinic acid standard.  44  Figure 3.4. Structure of the compounds with retention time 19.2 min, rosmarinic acid.  44 Figure 3.5. Overlay of UV spectra obtained by HPLC‐diode array of compounds with a retention  time 19.2 min (——) and the standard rosmarinic acid (___).  45  Fig. 3.6. HPLC chromatogram of Plectranthus barbatus herbal tea: 1, luteolin 7‐O‐glucuronide  (retention time 8.68 min); 2, rosmarinic acid (RT: 9.38); 3, apigenin 7‐O‐glucuronide (RT: 10.11);  4, hydrolysed abietane (RT: 12.58); 5, acacetin 7‐O‐glucuronide (RT: 13.62); 6, abietane  diterpenoid (RT: 14,15); 7, (16S)‐coleon E (RT: 18.54).  49  Figure 3.7. Chemical structure of compounds present in P. barbatus herbal tea:  1, luteolin 7‐O‐ glucuronide; 2, rosmarinic acid; 3, apigenin 7‐O‐glucuronide; 4, hydrolysed  abietane; 5, acacetin 7‐O‐glucuronide; 6, abietane diterpenoid; 7, (16S)‐coleon E.  50         

(20)

xviii    Figure 3.8. HPLC chromatograms before and after the incubation of Plectranthus barbatus  extract with: (a) gastric juice, (b) pancreatic juice. *Indicates the residue of pancreatin. For the  identification of the peak numbers, refer to Figure 3.4.      51  Figure 3.9. Variations in peak areas of compounds present in herbal tea after 4 h digestion with  artificial pancreatic juice. () Luteolin 7‐O‐glucuronide; () rosmarinic acid;   () apigenin 7‐O‐glucuronide; () hydrolysed abietane; (○) acacetin 7‐O‐glucuronide; (●)  abietane diterpenoid.  53  Figure 3.10. Chromatograms of compounds inside the Caco‐2 cells (homogenates) after 6 h  contact with (a) P. barbatus extract, (b) rosmarinic acid standard. 2, rosmarinic acid; *, residual  peak from the Caco‐2 cells.  55  Figure 3.11. HPLC chromatogram after the action of β‐glucuronidase from E. coli on the herbal  tea. Compounds identified with numbers 1–7, refer to Figure 3.6. Peaks signaled with arrows: 8,  luteolin; 9, apigenin; 10, acacetin.  56  Figure 3.12. Variations in peak areas of: (a) apigenin and (b) luteolin. Each figure shows the  metabolites after 6 h in the presence of Caco‐2 cells. Peak areas are presented as percentage of  the initial area. () aglycones and () glucuronides.  57  Figure 3.13. Decrease of taurine chloration in the presence of several concentrations of   P. barbatus extract (a and b) or standard rosmarinic acid (b). The concentration of P. barbatus is  expressed in µg.mL‐1 (a) or by its content in rosmarinic acid in µM (b).  61      Figure 4.1. HPLC analysis, 30 and 60 min after intraperitoneal administration of P. barbatus  extract, of (a) plasma and (b) brain. 1: luteolin 7‐O‐glucuronide (retention time 9.6 min); 2:  rosmarinic acid (RT: 10.4); 3: apigenin 7‐O‐glucuronide (RT: 11.2); 4: abietane diterpenoid (RT:  13.8); 5: acacetin 7‐O‐glucuronide (RT: 15.1); 2m: monomethylated rosmarinic acid; 1g: luteolin 

glucuronide derivative; 3’: apigenin.  72  Figure 4.2. Permeation surfaces for (a) rosmarinic acid, (b) luteolin and (c) apigenin with  different concentrations of the other two components, built with the CCD experimental plan.  The relative errors are 0.930 (a), 0.718 (b), and 0.817 (c).  81  Figure 4.3.  Glucuronidation surfaces for (a) luteolin and (b) apigenin with different  concentrations of rosmarinic acid and of the other flavonoid, built with the CCD experimental  plan. The relative errors are 0.981 (a), and 0.766 (b).  82  Figure 4.4. Distribution of (a) rosmarinic acid, (b) luteolin and (c) apigenin six hours after being  placed in the apical side of a Caco‐2 cell monolayer. The effects of co‐administration of digoxin  and benzoic acid were analysed. Statistical analysis: c ‐ different from the control (P<0.05); c* ‐  different from the control (P<0.1); s – different from the other substrate (P<0.05).    83         

(21)

xix    Figure 4.5. Distribution of (a) benzoic acid and (b) digoxin six hours after being placed in the  apical side of a Caco‐2 cell monolayer. The effects of co‐administration of a standard mixture  (SM) with rosmarinic acid, luteolin and apigenin, 50µM each, was analysed. Statistical analysis:   * ‐ different from the control (P<0.05).        84  Figure 4.6. Glucuronidation of (a) luteolin and (b) apigenin six hours after being placed in the  apical side of a Caco‐2 cell monolayer. The effects of co‐administration of digoxin and benzoic  acid were analysed. Statistical analysis: c ‐ different from the control (P<0.05); c* ‐ different  from the control (P<0.1); s – different from the other substrate (P<0.05).  85     

Figure 5.1. Molecular structure of (a) rosmarinic acid, (b) quercetin, (c) luteolin, and (d) 

apigenin.  96  Figure 5.2. Fluorescence emission spectra of acetylcholinesterase with the addition of   P. barbatus aqueous extract. Arrow points to increasing concentrations of P. barbatus plant  extract, ranging 0; 0.5; 1; 5; 10; 33; 50; 100 µg.ml‐1.  97  Figure 5.3. Stern‐Volmer plot (a) and plot of log(F0‐F)/F vs. log[Q] (b) of acetylcholinesterase  with P. barbatus aqueous extract. [Q] is the concentration of P. barbatus extract in mg.ml‐1.  99  Figure 5.4. FTIR spectra of the acetylcholinesterase alone, with P. barbatus extract, rosmarinic  acid (RA), luteolin (Lut), apigenin (Api) and quercetin (Quer). The spectra obtained are shown (a)  in the form of absorbance spectra and (b) the second derivative spectra (negative peaks).  103  Figure 5.5. Percentage of decrease of hydrogen‐deuterium exchange rate of AChE in the  presence of P. barbatus extract, rosmarinic acid, luteolin, apigenin and quercetin.  104 

Figure 5.6. Fluorescence emission spectra of (a) HSA and (b) lysozyme with the addition of  

P. barbatus aqueous extract. Arrow points to increasing concentrations of P. barbatus plant 

extract, ranging 0; 0.5; 0.75; 1; 2.5; 5; 7.5; 100 μg.ml−1.  111 

Figure 5.7. Stern–Volmer plots of HSA and lysozyme with P. barbatus aqueous extract. [Q] is the 

concentration of P. barbatus in μg.ml−1.  112 

Figure 5.8. Plots of log([F0 − F]/F) vs. log[Q] for HSA and lysozyme with P. barbatus aqueous 

extract. [Q] is the concentration of P. barbatus in g.l−1.  114  Figure 5.9. FTIR spectra of the proteins alone, with P. barbatus extract, rosmarinic acid (RA),  luteolin (Lut) and apigenin (Api). The absorbance spectra obtained for HSA are shown in (a) and  the second derivatives are in (c). The absorbance spectra obtained for lysozyme are shown in (b)  and the second derivatives are in (d).  117  Figure 5.10. Percentage of change in protein (HSA and lysozyme) hydrogen–deuterium  exchange rate, determined from the analysis of the amide II band, in the presence of   P. barbatus extract, rosmarinic acid, luteolin or apigenin, in comparison with the   hydrogen–deuterium exchange rate of the protein alone.  118   

(22)

xx   

Table List 

Table  2.1.  Concentrations  of  rosmarinic  acid,  luteolin  and  apigenin  used  in  the  phenolic 

mixtures  to  determine  the  bioavailability  by  Caco‐2  cells,  according  to  the  CCD  experimental 

plan.  35 

   

Table 3.1. Amount of dry plant extract obtained. 40

Table  3.2.    Inhibition  of  AChE  activity  (%),  antioxidant  activity  and  rosmarinic  acid  content  of 

water extracts of the leaves of several Plectranthus species.  41 

Table 3.3. Detected ions and attribution errors (ppm) for the collected fractions corresponding 

to peaks 1, 3, 4, 5, 6 and 7.  49 

Table  3.4.  Antiacetylcholinesterase  and  antioxidant  activity  of  P.  barbatus herbal  tea  after  in 

vitro gastrointestinal digestion. The action of the pancreatic juice on the inhibition activity of  rosmarinic acid (RA) is also shown.  52      Table 4.1. Concentration of rosmarinic acid, its metabolites and flavonoid glucuronide  derivatives in the plasma and in the brain, 30 and 60 min after the intragastric and  intraperitoneal administration of P. barbatus extract.  69 

Table  4.2.  Brain  acetylcholinesterase  inhibition  (%)  30  and  60  min  after  administration 

(intragastric and intraperitoneal) of rosmarinic acid and P. barbatus extract. Results significantly  different  from  the  control  are  marked  with  *  (P  <  0.05)  and  **  (P  <  0.1).  Values  that  are  not  significantly different (P < 0.05) are marked from a to d.  70  Table 4.3. Retention time of compounds from the P. barbatus extract found in plasma and their  decrease from 30 to 60 min after the extract intraperitoneal administration.  74  Table 4.4. Permeation of the P. barbatus aqueous extract constituents through the Caco‐2 cell  monolayer.  79     

Table 5.1. Stern‐Volmer binding parameters (KSV, Kq), binding equilibria parameters (Kb, n) and 

thermodynamic parameters (ΔHo, ΔSo, ΔGo) for the binding of P. barbatus extract, rosmarinic  acid (RA), luteolin (Lut), apigenin (Api) and quercetin (Quer) to acetylcholinesterase (R2>0.99 to  all linear regressions). Rates of Amide II/Amide I variation, reflecting the rate of hydrogen  deuterium exchange in the presence of similar amount of RA, Lut, Api and Quer or 10mg/mL of 

P. barbatus extract (for AChE without ligand, ‐2.345mAU.min‐1).  IC50 values for the inhibition of 

acetylcholinesterase activity by P. barbatus, RA, Lut and Api. (*) and Quer for P. barbatus  extract the values are expressed in l.mg‐1, l.mg‐1s‐1, and mg.ml‐1 but the molarity was estimated  based on the content of rosmarinic acid,  luteolin and apigenin (1.1122 mmol.g‐1).  100 

   

   

(23)

xxi   

Table 5.2. Binding parameters (KSV, Kq, Kb, n) and thermodynamic parameters (ΔHo, ΔSo, ΔGo) for 

the binding of P. barbatus extract, rosmarinic acid (RA), luteolin (Lut) and apigenin (Api) to HSA  and  to  lysozyme  (R2>0.99  to  all  linear  regressions).  Rates  of  Amide  II/Amide  I  variation  in  the  presence  of  similar  amount  of  RA,  Api  and  Lut,  or  10mg/mL  of  P.  barbatus  extract  (without  ligand,  ‐0.716  for  HSA  and  ‐1.815  for  lysozyme).    IC50  values  for  the  inhibition  of  lysozyme 

activity. For P. barbatus extract the values are expressed in l.mg‐1(a), l.mg‐1s‐1(b) and mg.l‐1(c).            113                                                         

(24)

xxii   

Abbreviations 

  ABC transporters  ATP‐binding cassette transporters  AChE  acetylcholinesterase  AChI  acetylthiocholine  AD  Alzheimer’s disease  ANOVA  Analysis of Variance  Api  apigenin  APP  amyloid precursor protein  Asp  aspartic acid  ATP  adenosine triphosphate  AU  absorbance unit  Aβ  β‐amyloid  BCRP  breast cancer resistance protein  BHT  butylated hydroxytoluene  CCD  central composite design  COMT  catechol o‐methyl transferase  DMEM  Dulbecco's Modified Eagle Medium  DMSO  dimethyl sulfoxide  DMSO‐d6  deuterated dimethyl sulfoxide  DPPH  di(phenyl)‐(2,4,6‐trinitrophenyl)iminoazanium  DTNB  5,5'‐dithiobis‐(2‐nitrobenzoic acid)  DTT  dithiothreitol  EDTA  ethylenediamine tetraacetic acid  ESI‐MS  electrospray ionization mass spectrometry  FBS  fetal bovine serum   FDA  Food and Drug Administration  FTIR  Fourier transform infrared spectroscopy  Glu  glutamic acid  h  hour  HBSS  Hank’s balanced salt solution  HEPES  4‐(2‐hydroxyethyl)‐1‐piperazineethanesulfonic acid  His  histidine 

(25)

xxiii   

HPLC  high precision liquid chromatography 

HPLC‐DAD  high  precision  liquid  chromatography  coupled  with  a  diode  array  detector  HSA  human serum albumine  I(%)  inhibition in percentage  IC50  concentration of inhibitor causing 50% inhibition  Kb  binding constant  Kq  scatter collision quenching constant  KRC  Krebs‐Ringer solution with calcium chloride  KSV  Stern‐Volmer quenching constant  Lut  luteolin  MCT  monocarboxylic acid transporter  min  minute  MRP  multidrug resistance protein  MS  mass spectrometry  MTT  3‐(4,5‐Dimethylthiazol‐2‐yl)‐2,5‐diphenyltetrazolium bromide  NADPH  nicotinamide adenine dinucleotide phosphate  NMR  nuclear magnetic resonance spectroscopy  PBS  phosphate buffer saline  PDB  Protein Data Bank  PET  positron emission tomography  Pgp  P‐glycoprotein  PMA  phorbol myristate acetate  Quer  quercetin  RA  rosmarinic acid  ROS  radical oxygen species  RT  retention time  SAM  S‐adenosyl methionine  Ser  serine  TEER  trans‐epithelial electric resistance   TFA  trifluoroacetic acid  TMB  3,3’,5,5’‐Tetramethylbenzidine  TNB  2‐nitro‐5‐thiobenzoate  Tris  tris(hydroxymethyl)aminomethane 

(26)

xxiv    Trp  tryptophan  Tyr  tyrosine  UDPGA  5'‐diphospho‐glucuronic acid  UV  ultraviolet   UV‐Vis  ultraviolet‐visible  ΔGo  free energy change  ΔHo  enthalpy change  ΔSo  entropy change   

(27)

 

 

Chapter I 

General Introduction  

                                       

 

 

 

 

 

 

 

(28)

                                   

(29)

Chapter I

3

1. Literature review

1.1. Plectranthus species and their ethnobotanical uses

The genus Plectranthus L’Hér., belonging to the Mint family (Lameaceae), comprises about 300 species widely distributed in the savannahs and forest regions of Africa, Asia and Australia. The majority of the Plectranthus species can be described as tender shrubs or groundcovers growing in the shade of large forests or in the partial shade of the forest edge. A few species occur in drier regions with rocky soils and have succulent or semi-succulent leaves and stems, which help the plants to survive in these habitats (Codd, 1975; van Jaarsveld, 2006).

The geographical distribution of Plectranthus is highly variable. Some species, as

P. laxiflorus, occur in smaller areas in the south-east of the African continent, while others, like P. barbatus, may naturally occur in vast areas, in Africa, India and South America (Codd, 1975;

Lukhoba et al., 2006). The later species, endemic form India, was taken to Brazil probably during the colonial period (Codd, 1975; Lukhoba et al., 2006; Lorenzi & Matos, 2002).

The value of Plectranthus species as garden plants has been long recognized. They have ornamental leaves and flowers, are easy and fast growing plants, resistant to most pests and diseases, and make colourful displays in autumn when other flowers are often scarce. Several

Plectranthus species were introduced in Europe during the expansion of the British Empire and

the founding of the Royal Botanic Gardens of Kew. In the nineteenth century some species were very popular in Scandinavia and commonly planted in window boxes and hanging baskets, as

P. oertendahii, nowadays known as “Swedish ivy”, and other Plectranthus groundcover species

(P. madagascariensis, P. verticillatus, P. strigosus, etc.) Some other species are tall shrubs that can be pruned and form colourful hedges (P. ecklonii, P. fruticosus, P. barbatus, etc.).

A great variety of ethnobotanical uses are reported for Plectranthus species. Some, due to their aromatic nature, are used as culinary plants to flavour food, or as insect repellents (P. ornatus). Others have tubers with high starch content and are eaten as vegetables (P. esculentus, P. rotundifolius). However, the most common uses are to treat a wide range of diseases (Lukhoba et al., 2006). Infusions of several Plectranthus species are used to treat coughs and colds (P. hadiensis, P. laxiflorus), liver complaints (P. hereroensis), and ailments in respiratory system and skin (P. madagascariensis).

Among the Plectranthus species used in traditional medicines P. barbatus is one of the most important (Luckhoba et al., 2006). P. barbatus (Figure 1.1) is used in Hindu and Ayurveda treataments, and in traditional medicine from Brazil, tropical Africa and China (Alabashi & Melzig, 2010a). Extensive reviews have been written about the ethnobotanical importance of

(30)

General Introduction 

4   

are usually prepared as a decoction or infusion and used in the treatment of pain from different  aetiologies,  inflammation,  infections,  colds  and  coughs  (Lukhoba  et  al.,  2006),  which  suggest  anti‐inflammatory  and  antioxidant  properties.  P.  barbatus  is  also  used  to  treat  psychiatric  disorders in Tanzania (Lukhoba et al., 2006).     Figure 1.1. Plectranthus barbatus    Other significant uses for P. barbatus reported by Lukhoba et al. (2006) and Alabashi &  Melzig (2010a) are as food, the leaves being cooked as vegetable in Kenya and Yemen, and as  ornamental plant or garden herb, in hedges, fences or boundary markers.   

1.2. Herbal tea components and their bioavailability 

The main components of most medicinal teas, used traditionally by people, are phenolic  acids  and  flavonoids  (Cai  et  al.,  2004).  The  flavonoids  in  herbal  teas  are  usually  present  in  glycosylated  forms,  which  have  higher  solubility  in  water,  although  some  flavonoid  aglycones  may  also  occur  in  aqueous  extracts  (Cai  et  al.,  2004).  As  herbal  teas  are  usually  taken  orally,  many studies have focused on the metabolism and bioavailability of their active components.   

 

1.2.1. Phenolic acids  Phenolic acids are a class of polyphenols commonly found in herbal medicines and plant‐ derived food (Lafay and Gil‐Izquierdo, 2008). The most commonly found phenolic acids, shown  in Figure 1.2, are gallic acid, a component of hydrolysable tannins, and hydroxycinnamic acids, as  cinnamic acid, caffeic acid (3,4‐dihydroxycinnamic acid), coumaric acid (4‐hydroxycinnamic acid),  ferulic  acid  (3‐methoxy‐4‐hydroxycinnamic  acid)  and  the  ester  derivatives  of  caffeic  acid,  the  chlorogenic acid (3‐caffeoylquinic acid) and the rosmarinic acid. 

(31)

Chapter I    5      Figure 1.2. Chemical structures of some common phenolic acids.    When phenolic acids are ingested their bioavailability is dependent on the permeability  through the intestinal barrier, and on the conjugation (glucuronidation, sulfation or methylation)  by  intestinal  and  liver  cells.  Bioavailability  studies  using  rats  as  model  animals  show  that  hydroxycinnamic  acids  such  as  coumaric  acid  and  caffeic  acid  can  be  found  in  plasma  after  intragastric  administration,  in  unconjugated,  sulfated  and/or  glucuronidated  forms  (Konishi  et 

al., 2004; Konishi et al., 2005). Both coumaric and caffeic acids presented higher bioavailability 

than gallic acid, which is a simpler phenolic acid (Konishi et al., 2004 & 2005). Ferulic acid, like  coumaric acid showed a higher bioavailability than caffeic acid (Konishi et al., 2006). The caffeic  acid esters rosmarinic acid and chlorogenic acid showed much lower bioavailability than simpler  hydroxycinnamic  acids  and  similar  to  gallic  acid  (Konishi  et  al.,  2005  &  2006).  Some  authors  could  not  detect  chlorogenic  acid  circulating  in  rat  plasma  after  its  administration,  but  found  traces  of  caffeic  acid  and  ferulic  acid  conjugates  6  hours  after  administration,  suggesting  that  hydrolysis of chlorogenic acid might have occurred and the resulting metabolites might be more  easily available (Azuma et al., 2000). 

Many  studies  have  focused  on  the  bioavailability  of  rosmarinic  acid,  in  the  rats  and  humans,  as  it  has  a  number  of  interesting  biological  activities  such  as  antioxidant,  antiviral,  antibacterial and anti‐inflammatory activities that can be potentially important for public health  (Peterssen  and  Simmonds,  2003).  When  rosmarinic  acid  was  administered  to  rats,  intact  rosmarinic acid, monomethyl‐rosmarinic acid, and coumaric acid were found in plasma, mostly  in  conjugated  forms  (Baba  et  al.,  2004).  In  humans  the  same  compounds  plus  caffeic  acid  and  ferulic  acid  were  found  circulating  in  plama,  also  in  conjugated  forms,  after  the  intake  of  a  rosmarinic acid‐rich Perilla extract (Baba et al., 2005). In both models the maximum amount of 

(32)

General Introduction 

6   

free rosmarinic acid in plasma was reached around 0.5h after administration, while conjugated  forms  of  rosmarinic  acid  had  maximum  peaks  later,  from  40  mins  to  2h  after  administration  (Baba et al., 2004 & 2005; Konishi et al., 2005). Eighty three per cent of the ingested rosmarinic  acid  was  excreted  between  8  and  18  hours  after  intake  in  rats  (Baba  et  al.,  2004),  and  75%  within  the  first  6h  in  humans  (Baba  et  al.,  2005),  suggesting  that  rosmarinic  acid  metabolites  may  circulate  for  a  relatively  long  time  before  being  excreted  and  repeated  intakes  may  be  favourable to the accumulation of these active compounds in the bloodstream. 

The  bioavailability  results  obtained  with  Caco‐2  cell  monolayers  are  in  agreement  with  the in vivo results obtained in the rat model for the order of bioavailability of the phenolic acids,  which is gallic acid = rosmarinic acid = chlorogenic acid < caffeic acid < p‐coumaric acid (Konishi 

et al., 2005), which suggests that the same kind of transport mechanisms for phenolic acids may 

be present in both models. The high permeation of caffeic acid, p‐coumaric acid and ferulic acid  in  Caco‐2  cells,  and  presumably  in  rat  intestine,  seems  to  be  due  to  the  fact  that  these  compounds  are  substrates  of  the  monocarboxylic  acid  transporter  (MCT)  (Konishi  and  Kobayashi,  2004a  &  2004b).  Rosmarinic  acid  and  chlorogenic  acid,  which  showed  a  very  low  transepithelial  permeation,  do  not  seem  to  be  substrates  of  MCT,  being  transported  by  paracellular diffusion (Konishi and Kobayashi 2004a; Konishi and Kobayashi, 2005). 

Compounds that were reported as metabolites of caffeic acid by gut microflora such as 

m‐coumaric acid and m‐hydroxyphenylpropionic acid are also substrates of the MCT and showed 

a  higher  influx  than  caffeic  acid  (Konishi  et  al.,  2004b),  suggesting  that  the  action  of  gut  microflora may increase the bioavailability of these active compounds. 

 

1.2.2. Flavonoids 

Flavonoids  are  a  group  of  polyphenolic  compounds  that  share  the  same  structural  features,  namely  a  C6‐C3‐C6  carbon  framework  (Figure  1.3)  or,  more  specifically,  a  phenylbenzopyran functionality. Depending on the position of linkage of the aromatic ring to the  benzopyrano  moiety,  this  group  can  be  divided  in  three  classes:  flavonoids  (2‐ phenylbenzopyrans)  as  shown  in  Figure  1.2;  isoflavonoids  (3‐phenylbenzopyrans)  as  the  isoflavone in Figure 1.3; and neoflavonoids (4‐phenylbenzopyrans) the rarest group of flavonoids  (not shown). In some flavonoids the C3 moiety between the two aromatic rings may not form a  heterocyclic  ring  (ring  C)  in  their  structure,  such  as  the  chalcones  (Figure  1.3)  (Marais  et  al.,  2006). Depending on the degree of saturation and oxidation of the C‐ring, some sub‐groups may  be considered, the most common structures can be seen in Figure 1.3 (Marais et al., 2006).  The  pattern of hydroxylation of flavonoids is determinant for their identification and properties, as in 

(33)

Chapter I    7    the case of quercetin, apigenin and luteolin (Figure 1.4), which are among the most commonly  occurring flavonoids.     Figure 1.3. Basic chemical structures of the main classes of flavonoids.      Figure 1.4. Structures of (a) quercetin, (b) apigenin and (c) luteolin.    Flavonoids often occur in the form of flavonoid glycosides, in which the sugar residue is  bound  to  the  flavonoid  structure  by  one  of  the  hydroxyl  groups.  The  most  common  monosaccharide  residues  found  in  flavonoid  glycosides  are  glucose,  rhamnose  and  glucuronic  acid. 

Ingested flavonoids may undergo several changes before reaching target organs where  they  may  have  beneficial  effects.  Studies  with  quercetin,  which  is  often  used  as  a  model  of  flavonoid, showed the presence of glucuronidated, sulfated and methylated forms of quercetin  O H O O OH OH OH OH   O H O O OH OH OH   O H O O OH OH   

a

b

c

(34)

General Introduction 

8   

in rat plasma after its intragastrical administration  to rats (Morand et al., 1998; da Silva et al.,  1998;  Justino  et  al.,  2004).  Although  the  bioavailability  of  quercetin  is  low,  the  antioxidant  activity in rat plasma after its administration increased significantly (da Silva et al., 1998; Justin 

et al., 2004). Liver sulfotransferases and glucuronyltranferases seem to be highly responsible for 

the metabolization of flavonoids, as in vitro studies showed that liver enzymatic extracts are able  to  conjugate  quercetin  into  sulfated  and  glucuronidated  metabolites  (da  Silva  et  al.,  1998;  Justino et al., 2004). Studies with liver cell lines, such as HepG2, also showed that liver cells may  conjugate  quercetin  through  sulfation,  glucuronidation,  and  methylation  reactions  (O’Leary  et 

al.,  2003),  and  the  multidrug  resistant  protein  2  (MRP2)  may  promote  the  efflux  of  quercetin 

conjugates from the cells (O’Leary et al., 2003). Although quercetin is mainly found circulating in  plasma  in  the  conjugated  form,  one  of  the  characteristic  features  of  quercetin  conjugates  is  a  slow  elimination,  with  reported  half‐times  from  11  to  28  hours,  favouring  its  accumulation  in  plasma after repeated intakes (Manech et al., 2005). 

Several studies on the bioavailability and metabolism of flavonoids by the intestine have  been  performed  using  Caco‐2  cell  monolayers  as  models  for  the  intestinal  barrier.  Flavonoid  aglycones  have  shown  a  high  permeability  through  these  membranes,  which  is  due  to  active  transport (Walgren et al., 1998; Walle et al., 1999). As flavonoids in food are present mainly in  glycosylated  form,  some  studies  suggest  that  the  gut  microflora  may  increase  their  bioavailability by hydrolysing into flavonoid aglycones (Liu & Hu, 2002; Kobayashi et al., 2008).  Studies of bioavailability of hesperetin (aglycone) and hesperidin (hesperetin glycoside) showed  that the transepithelial transport of the aglycone is mainly active transport, while the glycoside  passes through Caco‐2 cell monolayers mainly by passive diffusion (Kobaiashi et al., 2008), which  is  in  good  agreement  with  results  obtained  by  Walgren  et  al.  (2008)  for  quercetin  and  its  glycosides. Transporters from the MCT family seem to be related to the transepithelial transport,  across  the  Caco‐2  monolayers,  of  flavonoids  such  as  hesperetin,  naringenin,  erydictiol  and  epicatechins (Kobayashi & Konishi, 2008; Vaidyanathan and Walle, 2003). Several reports show  that flavonoids may be conjugated – preferentially glucuronidated, but also sulfated – by Caco‐2  cells,  and  transported  back  to  the  culture  medium  by  transporters  of  the  type  multidrug  resistance pump (MRP) after conjugation (Ng et al., 2005; Walle et al., 1999). 

The  relationship  between  flavonoids  and  intestinal  membrane  transporters  is  highly  complex.  Flavonoid  aglycons  may  be  transported  to  the  bloodstream  by  some  active  transporters (Walle et al., 1999). Some flavonoids may be substrate to efflux transporters such  as P‐glycoprotein (Pgp) and MRP and may return to gut lumen (Wang et al., 2009), while others  may  act  as  inhibitors  of  Pgp  and  MRP,  without  being  their  substrates  (Brand  et  al.,  2006). 

(35)

Chapter I 

 

9   

Although  these  complex  relationships  are  still  under  study,  it  seems  that  the  flavonoid  bioavailability  depends  on  the  balance  of  active  influx  transport,  conjugation,  efflux  transport  and inhibition of the active transporters by other compounds. 

 

1.3. Biological activities of herbal teas and their components 

Many  therapeutic  properties  have  been  reported  for  flavonoids  and  phenolic  acids,  especially as enzyme inhibitors and antioxidants. The use of herbal teas for medicinal purposes  usually gives an indication of these activities.  

The  present  thesis  focuses  on  the  anti‐acetylcholinesterase,  anti‐inflammatory  and  antioxidant activities, which can be useful in the treatment of several health disorders, such as  gastrointestinal disturbances, or the symptomatic treatment of Alzheimer’s disease. 

 

1.3.1. Acetylcholinesterase inhibitors  

Acetylcholine  is  usually  found  in  the  synaptic  clefts  in  peripheral  and  central  nervous  systems and has a neurotransmitter function. Acetylcholine is synthesized by neurons, released  to the synaptic cleft upon stimulation, and binds to acetylcholine receptors on the other end of  the synaptic cleft. 

Acetylcholinesterase  is  an  abundant  enzyme  in  the  synaptic  cleft  as  it  hydrolyses  acetylcholine into the inactive metabolites choline and acetate, clearing acetylcholine from the  synapse  and  ceasing  the  stimulation  of  the  post‐synaptic  receptors  (Randall  et  al.,  2000).  The  active site of acetylcholinesterase is located in an active gorge (Figure 1.5) where some groups of  amino  acid  residues  play  an  important  role  by  positioning  the  acetylcholine  molecule,  the  peripheral  binding  site  (Trp286,  Tyr72,  Tyr124  and  Asp74),  the  choline  binding  site  (Trp86,  Glu202,  Tyr337)  and  the  acyl  pocket  (Phe295,  Phe297).  The  hydrolysis  of  acetylcholine  is  then  directly  catalysed  by  the  catalytic  triad  (Glu334,  His447,  Ser203),  located  in  the  bottom  of  the  active gorge (Abu‐Donia, 2003). 

Acetylcholinesterase inhibitors can be used for the treatment of some dysfunctions, such  as  Alzheimer’s  disease  and  gastrointestinal  disturbances,  as  will  be  discussed  in  the  next  sections.  These  drugs,  for  instance  tacrine,  often  bind  to  the  active  gorge  with  non‐covalent  bonds usually to the acetylcholine binding and positioning sites and to the catalytic site, as it is  shown  in  Figure  1.6  (Harel  et  al.,  1993).  Acetylcholinesterase  inhibitors  found  by  chemical  synthesis,  as  carbamates  and  organophosphates,  are  irreversible  inhibitors  binding  to  acetylcholinesterase by ionic or covalent bonds, which makes them highly toxic and suitable to  be used as pesticides (Abu‐Donia, 2003; Eyer et al. 2007). 

(36)

General Introduction  10        Figure 1.5. Active gorge of acetylcholinesterase (Abu‐Donia, 2003).   

Galanthamine,  an  acetylcholinesterase  inhibitor  approved  by  the  Food  and  Drug  Administration  (FDA)  to  be  used  in  the  treatment  of  Alzheimer’s  disease,  is  an  alkaloid  first  discovered in Galanthus species, and nowadays obtained for commercialization from Narcissus  spp. or synthetically (Heinrich & Teoh, 2004). The successful application of galanthamine led to  the  search  of  new  acetylcholinesterase  inhibitors,  more  effective  and  with  less  side  effects,  in  plants used in traditional medicine (Houghton et al., 2004, Adsersen et al., 2006, Vinutha et al.,  2007, Ferreira et al., 2006). 

 

1.3.1.1. Acetylcholinesterase inhibitors and Alzheimer’s disease 

Alzheimer’s  disease  (AD)  is  the  most  common  form  of  dementia  among  older  people,  and  its  occurrence  is  of  great  concern  in  occidental  populations  where  the  life  expectancy  increased in the 20th century. 

AD  is  a  degenerative  terminal  disease  characterized  by  a  progressive  memory  loss  and  bodily  functions,  and  symptoms  generally  include  confusion,  irritability,  aggression,  mood  swings, language breakdown, long term memory loss, and decline of the senses, which leads to  the withdrawal of the patients (Alzheimer’s Association, 2006).  On a biochemical point of view, AD is a protein misfolding disease, as it results from the  accumulation of abnormally folded amyloid beta peptides (Aβ). The Aβ may accumulate in the  cell within the neuronal endoplasmatic reticulum, and outside the cell forming senile plaques in  the brain of AD patients (Hashimoto et al., 2003).   

(37)

Chapter I    11        Figure 1.6. Tacrine binding to the active gorge of acetylcholinesterase, and details showing the amino acid  residues involved in the interaction between the two molecules (PDB 1ACJ, Harel et al., 1993).   

Aβ  is  a  short  peptide  that  results  from  the  proteolytic  cleavage  by  β‐secretase  and   ϒ‐secretase of the amyloid precursor protein (APP) (Figure 1.7), a transmembrane protein whose  function  is  still  unknown  but  seems  to  be  involved  in  the  early  development  of  the  nervous  system  (Kerr  &  Small,  2005).  Although  Aβ  are  usually  water  soluble  innocuous  peptides  with  short  regions  of  β‐sheet  and  predominately  α‐helix  secondary  structures  in  solution,  they  undergo  dramatic  conformational  changes  at  high  concentrations  to  a  form  rich  in  β‐sheet 

(38)

General Introduction 

12   

secondary  structure  that  aggregates  to  form  amyloid  fibrils  (Onishi  &  Takano,  2004).  The  extracellular deposition of these water insoluble fibrils into senile plaques is characteristic of AD.  As the senile plaques are located extracellularly, they may not interfere directly with neuronal  metabolism, but may hinder cellular exchanges with the extracellular environment (Tanasalli et 

al., 2006) and interact with glia cells, activating the release of pro‐inflammatory signals (Figure 

1.7)  (Stuchbury  &  Munch,  2005).  A  resulting  inflammatory  response  and  neurodegeneration  is  the cause of the dementia and other symptoms felt by AD patients (Stuchbury & Munch, 2005). 

 

Figure  1.7.  Biochemical  pathways  associated  with  the  formation  of  amyloid  plaques  and  neurofibrillary 

tangles in Alzheimers’s Disease patients. (www.calbiochem.com/alzheimers). 

 

Due  to  an  abnormal  aggregation  of  tau  protein,  AD  is  also  known  as  a  tauopaty.  Tau  protein  is  a  microtubule  associated  protein  that  stabilizes  neuronal  cytoskeleton,  being 

(39)

Chapter I 

 

13   

regulated  by  phosphorylation.  In  AD  patients  tau  protein  is  hyperphosphorylated  and  accumulates as paired helical filaments, which aggregates into masses known as neurofibrillary  tangles  inside  the  nerve  cell  bodies,  also  associated  with  the  amyloid  plaques  (Figure  1.7)  (Stuchbury  &  Munch,  2005).  Although  some  studies  approach  the  treatment  of  AD  by  modulating  the  activity  of  ϒ‐secretase,  the  enzyme  mainly  responsible  for  Aβ  formation,  the  most  studied  approach  is  by  the  administration  of  inhibitors  of  acetylcholinesterase  activity  (Salawu et al., 2011). 

Patients of AD show low concentration of acetylcholine in the brain as a consequence of  the  cellular  dysfunctions  caused  by  the  abnormal  protein  aggregations.  The  administration  of  acetylcholinesterase  inhibitors  has  proved  to  be  effective  in  the  symptomatic  treatment  of  AD  patients  (Rauf  et  al.,  2002).  This  strategy  to  increase  the  acetylcholine  levels  in  the  brain  is  presently  the  most  commonly  used,  and  the  drugs  that  have  been  approved  by  the  Food  and  Drug Administration (FDA) to treat AD in the US are the acetylcholinesterase inhibitors tacrine,  rivastigmine,  donepezil  and  galanthamine,  which  have  all  been  successful  in  slowing  down  the  neurodegenerative process in AD patients (McGleenon et al., 1999; Heinrich & Teoh, 2004).  

The major problem related with acetylcholinesterase inhibition treatments of AD is the  bioavailability  of  the  inhibitors,  as  they  must  reach  the  brain  passing  through  the  blood‐brain  barrier  to  inhibit  the  brain  acetylcholinesterase.  If  the  inhibitors  are  too  potent,  or  very  high  concentrations are needed for the therapeutic effect, unwanted side effects may arise, such as  gastrointestinal and hepatic disturbances (McGleenon et al., 1999, Heinrich & Teoh, 2004). The  research for new acetylcholinesterase inhibitors for the treatment of AD continues, with the aim  of  finding  reversible  inhibitors  with  higher  specificity  to  brain  acetylcholinesterase  that  may  cause less side effects than the currently used acetylcholinesterase inhibitors. 

 

1.3.1.2. Acetylcholinesterase inhibitors to treat gastrointestinal disorders 

The  intestinal  wall  consists  mainly  of  layers  of  muscle,  which  contract  and  relax  in  a  coordinated fashion, propelling food through the intestine to the anus. This complex pattern of  motility is coordinated by excitatory and inhibitory pathways of the enteric nervous system, to  which  acetylcholine  is  the  major  excitatory  neurotransmitter  responsible  for  the  peristaltic  contractions (Holzer and Maggi, 1994). Acetylcholine in gut epithelial cells is also responsible for  controlling  ion  transport,  and  therefore,  water  secretion  for  gut  hydration.  This  process,  very  important  in  establishing  a  proper  aqueous  environment  for  the  enzymatic  digestion  and  absorption  of  nutrients,  also  provides  surface  lubrication  to  propel  intestinal  contents  by  peristaltic movements (Hirota and McKay, 2006). 

Imagem

Table  3.2.    Inhibition  of  AChE  activity  (%),  antioxidant  activity  and  rosmarinic  acid  content  of  water  extracts of the leaves of several Plectranthus species.  Plectranthus  species  AChE inhibition (%) with 0.5 mg/ml dry extract  DPPH (IC5
Figure 3.3. NMR spectra  of  (a) Plectranthus barbatus extract,  (b) Plectranthus verticillatus extract and (c)  rosmarinic acid standard. 
Figure  3.7.  Chemical  structure  of  compounds  present  in  P.  barbatus  herbal  tea:  1,  luteolin  7‐O‐ 
Figure 3.8. HPLC chromatograms before and after the incubation of Plectranthus barbatus extract with: (a)  gastric  juice,  (b)  pancreatic juice.  *Indicates  the  residue  of  pancreatin.  For  the  identification of  the  peak  numbers, refer to Figure 
+7

Referências

Documentos relacionados

Peça de mão de alta rotação pneumática com sistema Push Button (botão para remoção de broca), podendo apresentar passagem dupla de ar e acoplamento para engate rápido

Não obstante, e assim entende o Tribunal, o que no presente procedimento aconteceu é que em rigor o caderno de encargos não prevê nenhum aspecto de execução do

Despercebido: não visto, não notado, não observado, ignorado.. Não me passou despercebido

Neste trabalho o objetivo central foi a ampliação e adequação do procedimento e programa computacional baseado no programa comercial MSC.PATRAN, para a geração automática de modelos

Ousasse apontar algumas hipóteses para a solução desse problema público a partir do exposto dos autores usados como base para fundamentação teórica, da análise dos dados

O presente estudo teve por objetivo verificar como a Diretoria de Finanças da Marinha (DFM) estabeleceu um novo indicador de desempenho, com base nas informações de custos,

The fourth generation of sinkholes is connected with the older Đulin ponor-Medvedica cave system and collects the water which appears deeper in the cave as permanent

Ainda assim, sempre que possível, faça você mesmo sua granola, mistu- rando aveia, linhaça, chia, amêndoas, castanhas, nozes e frutas secas.. Cuidado ao comprar