Interakce flavonoidů a makromolekul u lidských nemocí se zaměřením na Alzheimerovu chorobu, aterosklerózu a rakovinu

Kontaktní e-mail:tina.xiang@wecistanche.comPro více informací

Abstraktní: Flavonoidy, třída polyfenolů, konzumované denně v naší stravě, jsou spojovány se sníženým rizikem chronických onemocnění souvisejících s oxidativním stresem (OS), jako jsou kardiovaskulární onemocnění, neurodegenerativní onemocnění, rakovina azánět. Účast flavonoidů na chronických onemocněních souvisejících s OS je tradičně připisována jejich antioxidační aktivitě. Důkazy z nedávných studií však naznačují, že příznivý účinek flavonoidů může být přisouzen jejich interakci s buněčnými makromolekulami, spíše než vykazování přímého antioxidačního účinku. Tento přehled poskytuje přehled nedávného vyvíjejícího se výzkumu interakcí mezi flavonoidy a lipoproteiny, proteiny, chromatinem, DNA a molekulami buněčné signalizace, které se podílejí na chronických onemocněních souvisejících s OS; zaměřuje se na mechanismy, kterými flavonoidy tlumí rozvoj výše uvedených chronických onemocnění prostřednictvím přímých a nepřímých účinků na genovou expresi a buněčné funkce. Současný přehled shrnuje údaje z literatury a z našeho nedávného výzkumu a poté porovnává interakce konkrétních flavonoidů s jejich cíli se zaměřením naflavonoidvztahy struktura-aktivita. Kromě toho jsou uvedeny různé metody hodnocení interakcí flavonoid-protein a flavonoid-DNA. Naším cílem je osvětlit působení flavonoidů v těle nad rámec jejich dobře zavedené přímé antioxidační aktivity a poskytnout pohled na mechanismy, kterými tyto malé molekuly, denně konzumované, ovlivňují buněčné funkce.

klíčová slova:flavonoid; antioxidant; oxidační stres; zánět; Alzheimer; ateroskleróza; rakovina

1. Úvod

Flavonoidyjsou třídou polyfenolů v rostlinách, které jsou široce konzumovány v naší stravě. Mají obecnou C6–C3–C6 strukturální páteř, ve které jsou dvě jednotky C6 (kruh A a kruh B) fenolické povahy. Flavonoidy lze rozdělit do různých podskupin, jako jsou flavony, flavonoly, flavanony, flavanoly, flavan-3-oly a antokyany (obrázek 1). Zatímco u většiny flavonoidů je kruh B připojen v poloze C2 kruhu C, u některých, jako jsou isoflavony a isoflavany, je kruh B připojen v poloze C3 [1].

Dietníflavonoidyjsou přírodní produkty, které jsou široce rozšířeny v rostlinné říši. Mnoho potravin a nápojů, jako je ovoce, zelenina, luštěniny, celozrnné výrobky, čokoláda, koření, čaj a víno, jsou bohatými zdroji flavonoidů [1]. V průběhu desetiletí se výzkumníci a výrobci potravin stále více zajímají o flavonoidy kvůli jejich antioxidačním vlastnostem, jejich velkému množství v naší stravě a jejich navrhované roli v prevenci různých onemocnění, které jsou spojeny s OS, jako je rakovina, kardiovaskulární a neurodegenerativních onemocnění [2–5]. Nedávná literatura poskytuje stále více důkazů o tom, že účinky flavonoidů jsou zprostředkovány jinými mechanismy, než je klasická antioxidační aktivita řízená jejich chemickou vlastností darovat elektron nebo chelatovat přechodné kovy [6,7]. Zkoumání jejich základních způsobů působení by mohlo poskytnout nový pohled na mechanismy, kterými flavonoidy ovlivňují biologické funkce.

2. Biologické aktivity flavonoidů

2.1. Flavonoidy jako antioxidanty

Vzhledem k jejich antioxidační aktivitěflavonoidyPředpokládá se, že zabraňují onemocněním souvisejícím s OS prostřednictvím přímého vychytávání reaktivních forem kyslíku (ROS) prostřednictvím darování atomu vodíku, aktivace antioxidačních enzymů, chelatační aktivity kovů (jako je železo a měď) a zmírnění oxidačních reakcí. stres, který je způsoben oxidem dusnatým (NO) [1,8–11]. Antioxidační aktivita však nemůže být jediným vysvětlením pro in vivo buněčné účinky flavonoidů, protože antioxidační aktivita je vyjádřena při koncentracích flavonoidů, které jsou nad 10 µM, ale jejich koncentrace v oběhu nepřesahuje 2 µM [12]. Dietní flavonoidy se špatně vstřebávají ze střeva, jsou vysoce metabolizovány nebo rychle eliminovány. V průběhu vstřebávání dochází ke konjugaci flavonoidů v tenkém střevě a později v játrech. Tento proces zahrnuje hlavně methylaci, sulfataci a glukuronidaci. Jedná se o metabolický detoxikační proces, který je společný pro mnoho xenobiotik, který omezuje jejich potenciální toxické účinky a usnadňuje jejich eliminaci žlučí a močí zvýšením jejich hydrofility [13]. Nedávné studie naznačují, že biologické účinky flavonoidů mohou být zprostředkovány různými mechanismy, které ještě nebyly plně prozkoumány. Tento přehled se zaměřuje na způsob účinku flavonoidů prostřednictvím jejich interakce s makromolekulami, jako jsou lipoproteiny, buněčné a sérové ​​proteiny a DNA a RNA (obrázek 2）

2.2. Flavonoidní interakce s makromolekulami

2.2.1. Interakce mezi flavonoidy a proteiny

Oblastí zásadního zájmu jsou molekulární interakce proteinů a nukleových kyselin s nízkomolekulárními sloučeninami [14]. Při nízkých koncentracích mohou molekuly, jako jsou ionty, metabolity a osmolyty, ovlivňovat proteiny, jako jsou enzymy, receptory, protilátky a transkripční faktory [15]. Účinek může být na strukturální, funkční nebo konformační úrovni [7]. Dietní flavonoidy jsou dobrým příkladem malých molekul, které zprostředkovávají buněčné účinky, které jsou ústřední pro intracelulární signální kaskády [16]. Účinky komplexů flavonoid-enzym vytvořených interakcí flavonoidů například s hydrolázami, oxidázami a kinázami na strukturu a aktivitu enzymu byly široce prozkoumány. Výzkumy naznačují, že flavonoidy selektivně interagují s různými složkami proteinkináz a mění jejich fosforylační stav, čímž regulují mnohočetné buněčné signální dráhy [17]. Podobně bylo zjištěno, že flavonoidy působí jako ligandy pro jaderné receptory, způsobují jejich proliferaci nebo aktivaci a modulují energetickou homeostázu. Apigenin a kempferol přímo potlačovaly interakci mezi estrogenovým receptorem (ERR ) a jeho koaktivátorem peroxisomovými proliferátory aktivovaným koaktivátorem receptoru-1 (PGC-1). Naproti tomu luteolin potlačoval aktivitu PGC-1 podporou degradace PGC-1, což vedlo k potlačení aktivity ERR v buňkách HeLa [7,18]. Flavonoidy, jako je glabridin a glabren, mohou také interagovat a modulovat endogenní aktivity estrogenových receptorů v lidských endoteliálních buňkách a buňkách hladkého svalstva, čímž mohou zpomalit a dokonce předcházet kardiovaskulárním onemocněním a rozvoji rakoviny prsu a vaječníků u žen po menopauze. [19]. Kromě toho byla také zkoumána schopnost flavonoidů interagovat se sérovým albuminem a jinými sérovými proteiny [20,21]. Reverzibilní nebo ireverzibilní interakce protein-flavonoid závisí na pH, teplotě a koncentracích proteinů a flavonoidů [22]. Přestože biologický osud komplexů protein-flavonoid in vivo je stále neznámý, bylo zjištěno, že flavonoidy ovlivňují různá lidská onemocnění související s OS, jako je rakovina a kardiovaskulární a neurodegenerativní onemocnění [23–25].

Metody pro charakterizaci interakcí flavonoid-protein

Bylo provedeno několik studií k charakterizaci interakcí mezi dietními flavonoidy a proteiny, zejména sérem a proteiny souvisejícími s potravinami, například sérovými albuminy a kaseinem [26–30]. K interakcím flavonoidů a proteinů dochází hlavně nekovalentní vazbou, která je odvozena z hydrofobních, van der Waalsových, vodíkových můstků a iontových interakcí, které mohou měnit konformace proteinů a enzymové aktivity [31]. Nekovalentní interakce mezi flavonoidy a proteiny jsou slabé a reverzibilní. Studie také poskytly informace o kovalentních reakcích mezi flavonoidy a proteiny. Flavonoidy mohou snadno oxidovat a kovalentně reagovat s amino a thiolovými postranními řetězci proteinu ireverzibilní vazbou [32]. K charakterizaci nekovalentních interakcí mezi flavonoidy a proteiny byla vyvinuta řada metod, většinou spektroskopických (tab. 1) [33–36].

UV-viditelná spektroskopie se používá k predikci interakcí flavonoid-protein a poskytuje informace o povaze těchto interakcí. Absorpce bílkovin při 280 nm souvisí s aromatickými aminokyselinami tryptofanem, tyrosinem a fenylalaninem, které mohou být dále stimulovány interakcí s flavonoidy [37]. Spektroskopie cirkulárního dichroismu se používá pro kvantitativní analýzu konformačních změn, změn -helixu a -sheetu v proteinech v důsledku nekovalentních interakcí s malými molekulami, jako jsou flavonoidy [38]. Infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací se také používá k určení změn v sekundární struktuře proteinů v důsledku interakcí flavonoidů. Tato metoda umožňuje interpretaci sekundární struktury z tvaru pásu amidu I, který se nachází kolem 1650–1660 cm [38]

Termodynamické vlastnosti vazebné interakce mezi flavonoidy a proteiny lze studovat pomocí izotermické titrační kalorimetrie, což je metoda, která je založena na měření tepla, které se vyvinulo během molekulární asociace [39]. Vitali a kol. hodnotili vazebné interakce mezi čtyřmi flavonoidy (kaempferol, luteolin, quercetin a resveratrol) a lidským sérovým albuminem a izoformou 1 glutathion S-transferázy Pi pomocí Taylorovy disperzní povrchové plasmonové rezonance (SPR) – vysoce citlivé techniky bez označení pro studium nekovalentní interakce biomolekul, zejména mezi proteiny, a mezi proteiny a malými molekulami [40].

Tryptofan (Trp)-fluorescence quenching assay je další citlivá, selektivní a široce používaná metoda pro stanovení interakcí mezi flavonoidy a proteiny [21,41,42]. Excitace proteinů při 280–290 nm indukuje v důsledku přítomnosti Trp emisi fluorescence v rozsahu 340–350 nm. zhášení fluorescence v tomto rozsahu lze připsat vazbě flavonoidů. Při použití této metody lze mechanismus zhášení – statický (tvorba komplexu mezi polyfenolem a proteinem) nebo dynamický (kolize fluoroforu se zhášedlem) – určit pomocí Stern-Volmerovy rovnice a výpočtem Stern-Volmerovy konstanty a konstanty rychlosti zhášení. . Pro statické zhášení lze vypočítat vazebnou konstantu a počet vazebných míst v molekule proteinu a poté lze charakterizovat termodynamické vlastnosti. Konečně, dokovací výpočty mohou být použity k predikci přizpůsobení hodnoceného ligandu v proteinu, kde je tvar komplementární k vazebnému místu. Výpočtové modelování doplňuje experimentální data o vazbě flavonoidů a proteinů a umožňuje plošný screening různých proteinových cílů vybraných ze struktur dostupných v Protein Data Bank (PDB) [43].

2.2.2. Flavonoidní interakce s DNA a chromatinem

Ve vědecké literatuře existuje mnoho důkazů o regulaci genomu flavonoidy prostřednictvím genové exprese a chromozomálních změn [24,51], ačkoli přesný mechanismus účinku zůstává nejasný [48,52]. Bylo prokázáno, že flavonoidy, jako je kvercetin a EGCG, pronikají buněčnými membránami a hromadí se v jádře lidských střevních a jaterních buněk [53,54]. Struktura kvercetinu umožňuje hydrofobní interkalaci jeho nejvíce hydrofobního segmentu do vnitřku šroubovice DNA [55]. Kvercetin interkaluje s duplexy DNA a RNA a přednostně se váže na triplexní a tetraplexní DNA v buňkách lidského karcinomu prostaty (DU 145) [53]. Ačkoli stejný počet OH skupin, které se podílejí především na mechanismu přenosu vodíku, je přítomen v kempferolu a luteolinu, luteolin vykazuje mírně vyšší afinitu k DNA. To může být způsobeno přítomností OH v jeho poloze 30. Vztahy mezi strukturou a aktivitou v interakcích flavonoidů a DNA byly skutečně široce detekovány. Předpokládá se, že afinita flavonoidů k ​​DNA se zvyšuje podél stejné sekvence, jakou vykazuje jejich biologická aktivita [44]. Po ošetření DNA pomocí EGCG nebo kvercetinu byly zaznamenány různé účinky, včetně poškození DNA, v lidských periferních lymfocytech [56,57]. Studie ukazují, že EGCG inhibuje aktivity různých chromatinových proteinů, jako je cAMP responzivní element-vazebný protein, DNA polymeráza, DNA methyltransferáza a DNA topoizomeráza v lidských plicích a buňkách kolorektálního adenomu a v myších játrech, plicích a ledvinách [6,24 ]. Tyto reakce jsou pravděpodobně ovlivněny vazbou EGCG na DNA a RNA nebo na proteiny, které jsou připojeny k nukleovým kyselinám v různých typech interakce. Zatímco interakce flavonoidů, jako je resveratrol, kvercetin, EGCG a genistein, s DNA jsou známé, přesné umístění vazebných míst flavonoidů na DNA, způsob interakce a jeho funkce v genomu nejsou plně známy. pochopil.

Metody pro charakterizaciFlavonoid-DNA interakce
Kovalentní vazba malých molekul na DNA byla poprvé pozorována na počátku 80. let 20. století [58]. Po kovalentní vazbě [14C], kvercetinu na DNA, bylo tvrzeno, že flavonoidy mají protichůdné biochemické aktivity (mutagenní účinek na jedné straně a antikarcinogenní účinek na straně druhé) [44]. Kromě kovalentní vazby mohou flavonoidy interagovat s DNA interkalací, vazbou na drážku a vazbou na páteř. K objasnění nekovalentních interakcí mezi flavonoidy a DNA bylo použito několik metod, včetně elektrochemických a SPR technik, lineárního dichroismu, absorpce, fluorescence a spektroskopie nukleární magnetické rezonance [44–46]. Vazba 10 aglykonů a flavonoidních glykosidů s duplexy DNA byla zkoumána pomocí elektrosprejové ionizační hmotnostní spektrometrie (ESI-MS) [47]. ESI-MS analýza a SPR ukázaly, že přesně tři molekuly EGCG se vážou na poly(dT) 18mer jednovláknové DNA oligomery prostřednictvím jedné hydroxylové skupiny trihydroxyfenylové skupiny v EGCG. Po navázání chránil EGCG oligomery dvouřetězcové DNA před táním na jednořetězcovou DNA [59].

Dnes se výpočetní simulace a spektroskopie používají hlavně ke zkoumání biofyzikálních informací (např. režim interakce) o interakcích mezi flavonoidy a DNA [60]. Experimenty, které byly provedeny v posledních letech, navrhly specifická konsensuální DNA-vazebná místa pro flavonoidy. Quercetin se například váže na dodekamerovou duplexní sekvenci CGCGAATTCGCG, jejíž nenavázaná struktura byla vyřešena před mnoha lety (PDB ID: 1BNA) [61]. V současné době lze odhalit kompletní genom organismu pomocí technologií sekvenování nové generace (NGS), jako jsou masivně paralelní sekvenační stroje Illumina nebo Sanger. Navíc podle specializovaných protokolů je možné extrahovat DNA ve specifických oblastech nebo se specifickými funkcemi a poté použít NGS k získání sekvence DNA. Chem-seq (chemické afinitní zachycení spojené s masivně paralelním sekvenováním DNA) je nová aplikace NGS, která byla nedávno použita k extrakci a sekvenování oblastí DNA, které byly navázány na malé molekuly. Tato metoda umožňuje zachytit oblasti chromatinu vázané na malé molekuly bez předchozí informace, tj. s nezaujatým, nespecifickým markerem [49]. Nejnovější studie již prokázaly schopnost izolovat známé interakce lék-chromatin pomocí Chem-seq [49,50]. Atrahimovich a kol. použil techniku ​​Chem-seq k charakterizaci interakcí mezi kvercetinem a buněčnou DNA a prokázal její následný účinek na downstream transkripci [48]. Výsledky ukazují, že kvercetin se váže na chromatin monocytů a moduluje expresi genů, které se účastní buněčného cyklu a vývoje buněk [48]. Pomocí aplikace Chem-seq lze určit interakce flavonoidů s DNA a chromatinem a studovat jeho význam. Tato schopnost by mohla být nesmírně důležitá pro medicínu a lidské zdraví a prospěšná pro navrhování vhodných dietních intervencí a léků pro léčbu rakoviny.

3. Flavonoidy zmírňují lidská onemocnění prostřednictvím přímých interakcí s proteiny, lipoproteiny a DNA

3.1. Flavonoidy Interakce s klíčovými proteiny podílejícími se na zánětu

Zánětcharakterizuje ochrannou odpověď imunitního systému, zahrnující produkci různých prozánětlivých cytokinů a chemokinů, které zvyšují produkci interferonu, proteáz, NO a ROS [62]. Cytokiny také indukují expresi cyklooxygenázy-2 (COX-2), enzymu, který katalyzuje produkci prostaglandinů (PG), které jsou klíčovými mediátory zánětu [63]. Xanthinoxidáza (XO) je dalším kritickým zdrojem ROS, který přispívá k zánětu. Zánětlivé stavy vedou ke zvýšeným hladinám XO, a tím ke zvýšené tvorbě ROS a tvorbě peroxynitritů. Peroxydusitan je silný reaktivní druh dusíku (RNS) doprovázený OS, který vzniká reakcí NO a superoxidových radikálů [64].

Pro vysvětlení protizánětlivé aktivity flavonoidů in vivo bylo navrženo několik mechanismů účinku, jako je antioxidační aktivita a modulace produkce prozánětlivých cytokinů a genové exprese [11]. Zajímavé je, že flavonoidy ovlivňují zánětlivý proces nejen snížením exprese cytokinů a dalších příbuzných zánětlivých markerů, ale také interakcí s proteiny, které souvisejí szánět. Bylo prokázáno, že flavonoidy modulují aktivitu enzymů metabolizujících kyselinu arachidonovou (AA), jako je fosfolipáza A2 (PLA2), COX a lipoxygenáza (LOX), a enzym syntáza oxidu dusnatého (NOS) produkující NO. Inhibice těchto enzymů flavonoidy snižuje produkci AA, PG, leukotrienu a NO, které jsou klíčovými mediátoryzánět. Inhibice těchto enzymů flavonoidy je tedy rozhodně jedním z důležitých buněčných protizánětlivých mechanismů [65].

Quercetin byl prvním objeveným flavonoidním inhibitorem PLA2 z lidských neutrofilů. Bylo prokázáno, že kvercetin selektivně inhibuje sekreční PLA2 skupiny II [66]. Podobně rutin selektivně inhiboval lidskou PLA2-II ze synoviální tekutiny, zatímco byl slabým inhibitorem lidské PLA2-I z pankreatické šťávy. Když byly různé flavonoidy porovnány z hlediska jejich schopnosti inhibovat PLA2, zdálo se, že malé změny ve struktuře ovlivňují jak celkovou inhibici PLA2, tak selektivitu skupiny II. Bylo zjištěno, že poloha hydroxylových skupin je jedním z důležitých aspektů C-kruhu-2, 3-dvojné vazby. Hydroxylové skupiny v polohách 3' a 4' na kruhu B se zdály být důležité pro selektivní inhibici PLA2-II, zatímco 5-hydroxylová skupina na kruhu A, nenasycená a 4-oxy na C-kruhu se zdál být důležitý pro celkovou schopnost flavonoidů inhibovat aktivitu PLA2 [67]; inhibice PLA2 byla velmi závislá na poloze hydroxylových skupin na kruzích A, B a C, zatímco hydroxylové skupiny v polohách 5, 6 a 7 na A-kruhu byly považovány za nezbytné pro vazbu k PLA2. Kvercetin, kempferol a galangin tedy vykazovaly vysokou inhibiční aktivitu na PLA2, zatímco naringin vykazoval nižší inhibiční aktivitu [68].

COX produkuje PG a tromboxany a existuje nejméně ve dvou různých izoformách, COX-1 a COX-2. COX-1 je konstitutivní enzym, který je přítomen téměř ve všech typech buněk. Zatímco COX-2 je indukovatelný enzym, který je vysoce exprimován vzánět-příbuzné buněčné typy, včetně makrofágů a žírných buněk [69]. Protože produkuje PG, COX-2 je úzce spojena s akutními i chronickými typy zánětlivých onemocnění. Bylo zjištěno, že některé flavonoidy, jako je luteolin, 3',4'-dihyroxyflflavon, galangin a morin, katechin a epikatechin, inhibují COX ledvinové dřeně potkana s IC50 100–130 µM [70]. U lidských trombinem agregovaných krevních destiček se ukázalo, že určité flflavonoidy, jako je chrysin a apigenin, jsou inhibitory COX s IC50 13 a 18 uM, zatímco myricetin a kvercetin v koncentraci 10 uM vykazují silnou inhibici LOX. Zejména snížení C-2, 3-dvojné vazby a glykosylace snížilo inhibiční aktivity flavonoidů [71]. Analýza in-silico prokázala, že kvercetin může částečně inhibovat enzym COX-2 vazbou na podjednotku A, která má peroxidázovou aktivitu a slouží jako zdroj ROS [72].

Obvykle,flavonoidyse může podílet především nazánětproces prostřednictvím inhibice a regulace enzymů, které modulují prozánětlivé cytokiny nebo malé molekuly, jako jsou ROS a RNS.

3.2. Interakce flavonoidů s klíčovými proteiny u Alzheimerovy choroby (AD)

AD je rozšířené neurodegenerativní onemocnění, které je charakterizováno neurofibrilárními klubky, senilními plaky a synaptickou ztrátou, která nakonec vede k smrti neuronů [78,79]. AD je formou demence, která se vyznačuje progresivní ztrátou paměti, poklesem jazykových dovedností a dalšími kognitivními poruchami a nejčastěji postihuje starší osoby [80]. Etiologie AD je nejasná; v patofyziologii onemocnění je však zvažována řada faktorů, jako je tvorba plaků amyloidního proteinu (A ), nízké hladiny acetylcholinu, oxidační stres a abnormální posttranslační modifikace proteinu tau [81,82]. Sekvenční štěpení amyloidního prekurzorového proteinu tvoří agregáty A peptidů o 39–43 aminokyselinách, které ulpívají na neuronech jako nerozpustné amyloidní plaky. A je generován z amyloidního prekurzorového proteinu pomocí -site amyloidního prekurzorového proteinu štěpícího enzym-1 (BACE-1, -sekretáza) a -sekretázy [83,84]. Předpokládá se tedy, že inhibice BACE-1 hraje důležitou roli v prevenci AD [85].

Neurotransmiter acetylcholin hraje důležitou roli v procesu učení a paměti v hippocampu. Na hydrolýze acetylcholinu se podílejí dva enzymy, acetylcholinesteráza (AChE) a butyrylcholinesteráza (BChE), které snižují jeho hladinu během rozvoje AD. Proto je inhibice AChE a BChE vysoce žádoucí strategií pro léčbu AD [86–88]. Klinicky schválené léky takrin, donepezil, galantamin a rivastigmin zlepšily krátkodobou paměť a kognitivní úrovně prostřednictvím inhibice AChE. Nevýhody těchto léků a jejich postupné vedlejší účinky, jako jsou periferní nežádoucí účinky, hepatotoxicita a poruchy gastrointestinálního traktu, povzbudily výzkumníky k vývoji účinnějších inhibitorů AChE [89–91].
Flavonoidy jsou perspektivní přírodní produkty s neuroprotektivním potenciálem, které buď zabraňují vzniku nebo zpomalují progresi věkem podmíněných neurodegenerativních onemocnění. Mechanismus, kterým flavonoidy zabraňují nebo zpomalují progresi AD, může spočívat v přímé interakci s klíčovými enzymy, které se podílejí na tomto onemocnění [81,85,92–95]. Shimmyo a kol. zkoumali potenciál flavonolů a flavonů inhibovat BACE-1. Zjistili, že čtyři flavonoly: myricetin, kvercetin, kempferol a morin a jeden flavon: apigenin přímo inhibují aktivitu enzymu BACE-1 způsobem závislým na koncentraci s hodnotami IC50 2,8, 5,4, 14,7, 21,7, a 38,5 uM, v daném pořadí [95]. Studie na starých TASTPM transgenních myších (model AD) ukázaly, že perorální podávání (-)-epikatechinu snižuje patologii A prostřednictvím nepřímé, nekatalytické inhibice BACE-1, a nikoli prostřednictvím modulace aktivity buď - nebo -sekretázy [96 ]. Bylo zjištěno, že epigalokatechin-3-gallát (EGCG) a kurkumin snižují A-zprostředkovanou BACE-1 upregulaci v neuronových kulturách, což je zajímavé, že zvyšuje neamyloidogenní zpracování amyloidního prekurzorového proteinu zvýšením štěpení -sekretázou [95 ]. Pueyo a kol. přezkoumal literaturu o přírodních a syntetických flavonoidech s AChE-inhibiční aktivitou. Našli 128 takových flavonoidů: 41 flflavonů, 21 flflavanonů, 35 flflavonolů, 25 isoflflavonů a šest chalkonů. Mezi nimi osm syntetických flavonoidů inhibovalo AChE s IC50 < 100="" nm.="" tři="" přírodní="" flavonoidy,="" akaciin="" z="" květů="" chrysanthemum="" indicum="" a="" desmethylanhydroicaritin="" a="" kaempferol="" z="" kořenů="" sophora="" flavescens,="" inhibovaly="" ache="" s="" hodnotami="" ic50="" 3,2,="" 6,7="" a="" 3,3="" nm="" [97].="" orhan="" a="" kol.="" zkoumali="" různé="" deriváty="" flavonoidů="" na="" jejich="" inhibici="" ache="" a="" bche.="" v="" koncentraci="" 1="" mg/ml="" byl="" kvercetin="" nejúčinnější="" vůči="" ache="" se="" 76,2="" procenty="" inhibice="" a="" genistein="" vykazoval="" nejvyšší="" inhibici="" (65,7="" procenta)="" bche,="" následovaný="" luteolin-7-o-rutinosidem="" a="" silibininem="" (54,9="" procenta="" a="" 51,4="" procenta)="" [98,99].="" v="" jiné="" studii="" měl="" citrus="" junos="" významný="" inhibiční="" účinek="" na="" ache="" in="" vitro="" a="" in="" vivo="" a="" aktivní="" sloučenina="" byla="" identifikována="" jako="" naringenin,="" hlavní="" derivát="" flavanonu="" [100].="" lee="" a="" kol.="" zkoumali="" inhibiční="" účinek="" citrusových="" flavanonů="" na="" bace-1,="" ache="" a="" bche.="" ze="" všech="" zkoumaných="" flflavanonů="" prokázal="" hesperidin="" nejlepší="" inhibici="" bace-1,="" ache="" a="" bche="" s="" hodnotami="" ic50="" 10,02,="" 22,80="" a="" 48,09="" um,="" v="" daném="" pořadí.="" kinetické="" studie="" odhalily,="" že="" všechny="" flavanony="" byly="" nekompetitivními="" inhibitory="" bace-1="" a="" cholinesterázy="">

Hyperfosforylace tau proteinů s následnou akumulací jako neuro fibrilární klubka je hlavním přispěvatelem kognitivních dysfunkcí a jedním z prvních AD markerů. Je známo, že několik kináz, jako je GSK{0}}ba CDK5/p25, přispívá k fosforylaci proteinů tau a podílí se na patogenezi AD. Flavonoidy, které inhibují aktivity několika kináz, mohou být použity v prevenci AD. Bylo prokázáno, že terapie flavonoidem morinem snižuje hyperfosforylaci tau in vitro a in vivo v hipokampálních neuronech transgenních zvířat (3xTg-AD myši) [103]. Kvercetin inhiboval aktivitu PI3-kinázy a kyanidin 3-O-glukosid také poskytoval významnou ochranu proti kognitivním dysfunkcím, které jsou na zvířecích modelech indukovány podáváním A, zprostředkované modulací GSK{{9} }b/tau. [104,105].

Celkově mohou flavonoidy uplatňovat své potenciální neuroprotektivní účinky interakcí s klíčovými proteiny, které se podílejí na AD. Lepší pochopení interakcí flavonoid-protein u AD by mohlo být slibnou strategií pro vývoj nových neuroprotektivních terapií pro prevenci a léčbu neurodegenerativních onemocnění.

3.3. Interakce flavonoidů s klíčovými proteiny a lipoproteiny při ateroskleróze

Ateroskleróza je další onemocnění, které flavonoidy prokazatelně zmírňují. Prvním krokem u aterosklerózy je akumulace lipoproteinu s nízkou hustotou (LDL), hlavního nosiče cholesterolu, v arteriální stěně. Lipoproteiny s vysokou hustotou (HDL) jsou naproti tomu hlavním antiaterogenním faktorem v krvi, který udržuje hladinu cholesterolu v celém těle v ustáleném stavu. V HDL proteomu bylo identifikováno přes 80 proteinů, přičemž apolipoproteiny A1 a A2 tvoří přibližně 65 procent a 15 procent proteinové hmoty, v tomto pořadí. Mezi další proteiny patří různé enzymy, jako je paraoxonáza 1 (PON1). PON1 je zodpovědný za mnoho antiaterogenních vlastností HDL. Korelace mezi PON1, HDL a aterosklerózou, jak in vivo, tak in vitro, byly dobře prokázány [106,107]. Kromě efluxu cholesterolu má HDL další silné biologické aktivity: antioxidační [108], protizánětlivé [109], antiapoptotické [110] a vazodilatační [111]. Tyto aktivity nemusí nutně záviset na kvantitě HDL, ale pravděpodobně závisí na jeho kvalitě [112,113]. S ohledem na kardiovaskulární zdraví jsme již dříve ukázali, že flavonoid glabridin, extrahovaný z kořene lékořice, působí jako vynikající antioxidant a vykazuje aditivní antioxidační a antiaterogenní vlastnosti. Glabridin se váže na rekombinantní PON1 (rePON1) a chrání svůj Cys284 před oxidací aterosklerotickou složkou hydroperoxidem kyseliny linolové (LA-OOH). Tato specifická kapacita glabridinu je jedinečná; aflavonoidkatechin nevykazuje žádnou vazebnou afinitu k rePON1 [21]. Dále byla zkoumána souvislost mezi strukturou flavonoidů a jejich účinky na aktivitu rePON1. Byly charakterizovány interakce 12 reprezentativních flavonoidů z různých chemických podtříd s rePON1 [42]. Kromě toho byl zkoumán potenciál komplexů rePON1–flavonoidů bránit oxidaci LDL, což je klíčový proces v aterogenezi. Katechin, který se neváže na rePON1, urychlil oxidaci LDL; naproti tomu glabridin prokázal vysokou vazebnou afinitu k rePON1 a zvýšil jeho ochranný účinek proti oxidaci LDL [42]. Kromě toho jsme konzistentně pozorovali interakce specifických flavonoidů s částicí HDL nebo jejími vázanými proteiny, apolipoproteinem A1 a PON1. Ukázali jsme, že kvercetin a punicalagin se vážou na částici HDL a zvyšují její protizánětlivé vlastnosti [41], zatímco po navázání na částici LDL nebo na její vázaný apolipoprotein B100 vyvolal punicalagin influx LDL do buněk makrofágu J774A.1, který může snížit hladiny cirkulujícího LDL [114]. Celkově bylo zjištěno, že flflavonoidy a polyfenoly obecně inhibují příznaky aterosklerózy a snižují její rozvoj prostřednictvím specifických interakcí flflavonoidů s buněčnými a sérovými proteiny a lipoproteiny.

3.4. Flavonoidy jako protirakovinné látky prostřednictvím interakce s DNA a chromatinem

Protirakovinné účinky flavonoidů mohou být výsledkem interakce těchto přírodních sloučenin s biomolekulami (DNA, RNA a protein). Uvědomujeme si, že dietní flavonoidy mohou vázat DNA specificky nebo stochasticky a měnit její funkci [115]. Rozsáhlé studie in vitro naznačují, že flavonoidy účinně snižují buněčnou proliferaci, indukují apoptózu a snižují riziko metastáz [24]. Chemopreventivní účinky flavonoidů, včetně luteolinu, epigalokatechin galátu, kvercetinu, apigeninu a chrysinu, byly prokázány se zaměřením na ochranu před poškozením DNA, které je způsobeno různými karcinogenními faktory. Tyto flavonoidy selektivně chrání normální buňky a indukují mechanismy buněčné smrti v rakovinných buňkách v lidských plicích a buňkách kolorektálního adenomu během chemoterapie nebo radioterapie [24]. Bylo zjištěno, že flavonoidy, jmenovitě kvercetin, myricetin, kempferol, apigenin a luteolin, které jsou rozpustné v tucích a jsou slabě kyselé, mohou volně difundovat přes buněčnou membránu a specificky se hromadit uvnitř leukemických buněk K562 [116]. Proto,

předpokládá se, že flavonoidy s větší pravděpodobností vážou DNA nebo proteiny v jádře rakovinné buňky a specificky přerušují regulaci rakovinného genomu. Výsledky in-silico navíc ukázaly, že zejména kvercetin dobře interaguje s G-kvadruplexní DNA, která souvisí s telomerázou. Quercetin působí jako terapeutické protirakovinné činidlo prostřednictvím regulace aktivity telomerázy [117]. Srovnáním výpočtových a experimentálních vazebných profilů nová studie potvrdila, že kvercetin má nejsilnější vazebnou afinitu k DNA ze studovaných flavonoidů. Kromě toho studie odhalila, že flavonoidy mohou měnit konformaci DNA a inhibovat amplifikaci DNA, vykazují působivou indukci zástavy buněčného cyklu a mohou podporovat apoptózu v rakovinných buňkách HepG2, MCF{6}} a A549 [60] Pro dosažení účinných terapeutických dávek používaných v preklinických studiích musí být kladen důraz na zdokonalené a cílené techniky podávání léčiv, aby bylo dosaženo maximální účinnosti s minimálními nežádoucími vedlejšími účinky. Pokroky v systémech dodávání léků založených na nanotechnologiích otevírají lepší příležitosti pro zvýšení rozpustnosti, zlepšení biologické dostupnosti a zlepšení schopnosti flavonoidů zacílit [118]. Nanočástice na bázi lipozomů, polyethylenglykolové lipozomy, niklové, lecitinové a nanoribbonové jsou vhodnými molekulárními nosiči pro dodávání flavonoidních léčiv do cílových tkání. Bylo publikováno, že nanočástice byly úspěšně použity k dodání kvercetinu do solidních nádorů in vitro a in vivo modelů rakoviny centrálního nervového systému, plic, tlustého střeva, jater a prsu [119].
Četné studie tedy podporují potenciál flavonoidů jako přírodních zdravotních produktů v chemoprevenci rakoviny. Je však zapotřebí více studií, aby bylo možné nakonfigurovat jejich mechanismus účinku tak, aby se zlepšilo naše chápání epigenetických procesů, což může poskytnout racionálnější základ pro kombinování specifických dietetických látek v klinickém prostředí [24].

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

1 Lab of Natural Compounds and Analytical Chemistry, MIGAL–Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Izrael; Danaa@migal.org.il
2 Katedra biotechnologie, Tel-Hai College, Upper Galilee 12210, Izrael
3 Laboratoř sfingolipidů, bioaktivních metabolitů a imunitní modulace, MIGAL-Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Izrael; dorita@migal.org.il* Korespondence: solimankh@migal.org.il; Tel.: plus 972-4-6953512; Fax: plus 972-4-6944980

4. závěr

Příspěvky autora:DA (Dana Atrahimovich), psaní – příprava a editace původního návrhu, DA (Dorit Avni) psaní sekce 'Flavonoidové interakce s klíčovými proteiny zapojenými do zánětu' a editace; SK dohled, psaní—recenze a editace. Všichni autoři si přečetli publikovanou verzi rukopisu a souhlasí s ní.
Financování:Tento výzkum nezískal žádné externí financování.
Střet zájmů:Autoři neprohlašují žádný střet zájmů.

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

Reference

1. Procházková, D.; Boušová, I.; Wilhelmová, N. Antioxidační a prooxidační vlastnosti flflavonoidů. Fitoterapie 2011, 82, 513–523. [CrossRef]

2. Duthie, GG; Duthie, SJ; Kyle, JAM Rostlinné polyfenoly při rakovině a srdečních chorobách: Důsledky jako nutriční antioxidanty. Nutr. Res. Rev. 2000, 13, 79–106. [CrossRef] [PubMed] 3. Ramos, S. Chemoprevence a chemoterapie rakoviny: Dietní polyfenoly a signální dráhy. Mol. Nutr. Food Res. 2008, 52, 507–526. [CrossRef] [PubMed] 4. Jaeger, BN; Parylak, SL; Gage, FH Mechanismy působení dietních flavonoidů na neuronální funkci a neurozánět. Mol. Aspects Med. 2018, 61, 50–62. [CrossRef] [PubMed] 5. Devi, S.; Kumar, V.; Singh, SK; Dubey, AK; Kim, JJ Flavonoidy: Potenciální kandidáti pro léčbu neurodegenerativních poruch. Biomedicína 2021, 9, 99. [CrossRef] 6. Williams, RJ; Spencer, JPE; Rice-Evans, C. Flavonoidy: Antioxidanty nebo signální molekuly? Volný Radic. Biol. Med. 2004, 36, 838–849. [CrossRef] 7. Virgili, F.; Marino, M. Regulace buněčných signálů z nutričních molekul: Specifická úloha fytochemikálií, mimo antioxidační aktivitu. Volný Radic. 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. Jsou flavonoidy účinnými antioxidanty v rostlinách? Dvacet let našeho vyšetřování. Antioxidanty 2020, 9, 1098. [CrossRef] 10. Liu, Y.; Weng, W.; Gao, R.; Liu, Y.; Monacelli, F. Nové poznatky o buněčných a molekulárních mechanismech stárnutí a nemocí souvisejících se stárnutím: bylinná medicína jako potenciální terapeutický přístup. Oxid. Med. Buňka. Longev. 2019, 2019. [CrossRef] 11. Rolt, A.; Cox, LS Strukturální základ anti-aging účinků polyfenolických látek: Zmírnění oxidačního stresu. BMC Chem. 2020, 14, 1–13. [CrossRef] 12. Manach, C.; Scalbert, A.; Morand, C.; Rémésy, C.; Jiménez, L. Polyfenoly: zdroje potravy a biologická dostupnost. Dopoledne. J. Clin. Nutr. 2004, 79, 727–747. [CrossRef] 13. Thilakarathna, SH; Vasantha Rupasinghe, biologická dostupnost flavonoidů HP a pokusy o zvýšení biologické dostupnosti. Živiny 2013, 5, 3367–3387. [CrossRef] [PubMed] 14. Haq, I. Termodynamika interakcí lék-DNA. Oblouk. Biochem. Biophys. 2002, 403, 1–15. [CrossRef] 15. Uversky, VN Vnitřně neuspořádané proteiny a jejich prostředí: Účinky silných denaturačních činidel, teploty, pH, protiiontů, membrán, vazebných partnerů, osmolytů a makromolekulárního shlukování. Protein J. 2009, 28, 305–325. [CrossRef] 16. Hou, D.-X.; Kumamoto, T. Flavonoidy jako inhibitory proteinkinázy pro chemoprevenci rakoviny: Přímá vazba a molekulární modelování. Antioxid. Redoxní signál. 2010, 13, 691–719. [CrossRef] 17. Spencer, JPE Kromě antioxidantů: Buněčné a molekulární interakce flavonoidů a jak tyto podporují jejich působení na mozek. Proč. Nutr. Soc. 2010, 69, 244–260. [CrossRef] [PubMed] 18. Huang, Z.; Fang, F.; Wang, J.; Wong, C.-W. Vztah strukturní aktivity flavonoidů k ​​receptoru gama souvisejícímu s estrogenem. FEBS Lett. 2010, 584, 22–26. [CrossRef] [PubMed] 19. Somjen, D.; Knoll, E.; Vaya, J.; Stern, N.; Tamir, S. Estrogenu podobná aktivita složek kořene lékořice: Glabridin a glabrene, ve vaskulárních tkáních in vitro a 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. Charakterizace derivátů kyseliny hydroxyskořicové vázající se na hovězí sérový albumin. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 3424–3431. [CrossRef] 21. Atrahimovich, D.; Vaya, J.; Tavori, H.; Khatib, S. Glabridin chrání paraoxonázu 1 před inhibicí hydroperoxidu kyseliny linolové prostřednictvím specifické interakce: Studie zhášení fluorescence. J. Agric. Food Chem. 2012, 60, 3679–3685. [CrossRef] 22. Luck, G.; Liao, H.; Murray, NJ; Grimmer, HR; Warminski, EE; Williamson, poslanec; Lilley, TH; Haslam, E. Polyfenoly, svíravost a proteiny bohaté na prolin. Fytochemie 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.; a kol. Účinky flavonoidů při kardiovaskulárních onemocněních. Molekuly 2020, 25, 4320. [CrossRef] [PubMed] 24. Cijo, V.; Dellaire, G.; Rupasinghe, HPV ScienceDirect Rostlinné flavonoidy v chemoprevenci rakoviny: Role ve stabilitě genomu. J. Nutr. Biochem. 2017, 45, 1–14. [CrossRef] 25. Maher, P. Potenciál flavonoidů pro léčbu neurodegenerativních onemocnění. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 3056. [CrossRef] [PubMed] 26. Gecibesler, IH; Aydin, M. Vazba rostlinných flavonoidů na plazmatický protein na lidský sérový albumin a jejich antiproliferační aktivity. An. Akad. Podprsenky. Cienc. 2020, 92, 1–16. [CrossRef] 27. Lin, CZ; Hučení.; Wu, AZ; Zhu, CC Výzkum rozdílů čtyř flavonoidů s podobnou strukturou vázající se na lidský sérový albumin. J. Pharm. Anální. 2014, 4, 392–398. [CrossRef] 28. Mondal, P.; Bose, A. Spektroskopický přehled kvercetinu a jeho interakce Cu(II) komplexu se sérovými albuminy. BioImpacts 2019, 9, 115–121. [CrossRef] 29. Geng, R.; Ma, L.; Liu, L.; Xie, Y. Vliv interakce bovinního sérového albuminu a flavonoidu na antioxidační aktivitu dietních flavonoidů: Nové důkazy z elektrochemické kvantifikace. Molekuly 2019, 24, 70. [CrossRef] [PubMed] 30. Ma, CM; Zhao, XH Zobrazení nekovalentní interakce syrovátkových proteinů s galanginem nebo genisteinem pomocí multispektroskopických technik a molekulárního dokování. Potraviny 2019, 8, 360. [CrossRef] 31. Tang, F.; Xie, Y.; Cao, H.; Yang, H.; Chen, X.; Xiao, J. Fetální bovinní sérum ovlivňuje stabilitu a biologickou aktivitu analogů resveratrolu: Interakční přístup polyfenol-protein. Food Chem. 2017, 219, 321–328. [CrossRef]