Interakcije flavonoidov in makromolekul pri človeških boleznih s poudarkom na Alzheimerjevi bolezni, aterosklerozi in raku

E-pošta za doseganje:tina.xiang@wecistanche.comZa več informacij

Povzetek: Flavonoidi, razred polifenolov, ki jih vsak dan zaužijemo v naši prehrani, so povezani z zmanjšanim tveganjem za kronične bolezni, povezane z oksidativnim stresom (OS), kot so bolezni srca in ožilja, nevrodegenerativne bolezni, rak invnetje. Vpletenost flavonoidov v kronične bolezni, povezane z OS, se tradicionalno pripisuje njihovi antioksidativni aktivnosti. Vendar pa dokazi iz nedavnih študij kažejo, da je koristen učinek flavonoidov mogoče pripisati njihovi interakciji s celičnimi makromolekulami, ne pa neposrednemu antioksidativnemu učinku. Ta pregled ponuja pregled nedavnih razvijajočih se raziskav o interakcijah med flavonoidi in lipoproteini, beljakovinami, kromatinom, DNK in celičnimi signalnimi molekulami, ki so vključene v kronične bolezni, povezane z OS; osredotoča se na mehanizme, s katerimi flavonoidi prek neposrednih in posrednih učinkov na izražanje genov in celične funkcije ublažijo razvoj prej omenjenih kroničnih bolezni. Trenutni pregled povzema podatke iz literature in naše nedavne raziskave ter nato primerja specifične interakcije flavonoidov z njihovimi cilji, pri čemer se osredotoča naflavonoidodnosi med strukturo in dejavnostjo. Poleg tega so predstavljene različne metode ocenjevanja interakcij flavonoid–protein in flavonoid–DNA. Naš cilj je osvetliti delovanje flavonoidov v telesu, ki presega njihovo dobro uveljavljeno, neposredno antioksidativno delovanje, in zagotoviti vpogled v mehanizme, s katerimi te majhne molekule, ki jih dnevno uživamo, vplivajo na celične funkcije.

Ključne besede:flavonoid; antioksidant; oksidativni stres; vnetje; Alzheimerjeva bolezen; ateroskleroza; rak

1. Uvod

Flavonoidiso razred polifenolov v rastlinah, ki jih pogosto uživamo v naši prehrani. Imajo splošno strukturno ogrodje C6–C3–C6, v katerem sta dve enoti C6 (obroč A in obroč B) fenolne narave. Flavonoide lahko razdelimo v različne podskupine, kot so flavoni, flavonoli, flavononi, flavanonoli, flavan-3-oli in antociani (slika 1). Medtem ko je pri večini flavonoidov obroč B vezan na položaj C2 obroča C, je pri nekaterih, kot so izoflavoni in izoflavani, obroč B vezan na položaj C3 [1].

Dietnaflavonoidiso naravni proizvodi, ki so široko razširjeni v kraljestvu rastlin. Veliko živil in pijač, kot so sadje, zelenjava, stročnice, cela zrna, čokolada, začimbe, čaj in vino, so bogati viri flavonoidov [1]. Skozi desetletja so se raziskovalci in proizvajalci hrane začeli vse bolj zanimati za flavonoide zaradi njihovih antioksidativnih lastnosti, velike količine v naši prehrani in njihove domnevne vloge pri preprečevanju različnih bolezni, povezanih z OS, kot so rak, srčno-žilni in nevrodegenerativne bolezni [2–5]. Najnovejša literatura zagotavlja vse več dokazov o učinkih flavonoidov, ki jih posredujejo mehanizmi, ki niso klasična antioksidativna aktivnost, ki jo poganja njihova kemična lastnost darovanja elektronov ali keliranja prehodnih kovin [6,7]. Raziskovanje njihovih osnovnih načinov delovanja bi lahko zagotovilo nov vpogled v mehanizme, s katerimi flavonoidi vplivajo na biološke funkcije.

2. Biološke aktivnosti flavonoida

2.1. Flavonoidi kot antioksidanti

Glede na njihovo antioksidativno delovanje,flavonoidiverjamejo, da preprečujejo bolezni, ki so povezane z OS prek neposrednega odstranjevanja reaktivnih kisikovih zvrsti (ROS) z donacijo vodikovega atoma, aktivacijo antioksidativnih encimov, kelatno aktivnostjo kovin (kot sta železo in baker) in ublažitvijo oksidativne stres, ki ga povzroča dušikov oksid (NO) [1,8–11]. Antioksidativno delovanje pa ne more biti edina razlaga za in vivo celične učinke flavonoidov, saj je antioksidativno delovanje izraženo pri koncentracijah flavonoidov, ki so nad 10 µM, vendar njihova koncentracija v obtoku ne presega 2 µM [12]. Prehranski flavonoidi se slabo absorbirajo iz črevesja, se močno presnavljajo ali pa se hitro izločijo. Med absorpcijo se flavonoidi konjugirajo v tankem črevesu in kasneje v jetrih. Ta proces v glavnem vključuje metilacijo, sulfatacijo in glukuronidacijo. To je presnovni proces razstrupljanja, ki je skupen mnogim ksenobiotikom, ki omejuje njihove potencialne toksične učinke in olajša njihovo izločanje z žolčem in urinom s povečanjem njihove hidrofilnosti [13]. Nedavne študije so pokazale, da biološke učinke flavonoidov lahko posredujejo različni mehanizmi, ki še niso v celoti raziskani. Ta pregled se osredotoča na način delovanja flavonoidov prek njihove interakcije z makromolekulami, kot so lipoproteini, celične in serumske beljakovine ter DNK in RNK (slika 2）).

2.2. Interakcije flavonoidov z makromolekulami

2.2.1. Interakcije flavonoidov in beljakovin

Molekularne interakcije proteinov in nukleinskih kislin s spojinami z nizko molekulsko maso so področje temeljnega interesa [14]. Pri nizkih koncentracijah lahko molekule, kot so ioni, metaboliti in osmoliti, vplivajo na beljakovine, kot so encimi, receptorji, protitelesa in transkripcijski faktorji [15]. Učinek je lahko na strukturni, funkcionalni ali konformacijski ravni [7]. Prehranski flavonoidi so dober primer majhnih molekul, ki posredujejo celične učinke, ki so osrednjega pomena za znotrajcelične signalne kaskade [16]. Učinki flavonoidno-encimskih kompleksov, ki nastanejo pri interakciji flavonoidov z, na primer, hidrolazami, oksidazami in kinazami, na strukturo in aktivnost encima so bili obsežno raziskani. Raziskave so pokazale, da flavonoidi selektivno interagirajo z različnimi komponentami protein kinaz in spremenijo njihovo stanje fosforilacije, s čimer uravnavajo več celičnih signalnih poti [17]. Podobno je bilo ugotovljeno, da flavonoidi delujejo kot ligandi za jedrske receptorje, povzročajo njihovo proliferacijo ali aktivacijo in modulirajo energijsko homeostazo. Apigenin in kemferol sta neposredno zavirala interakcijo med estrogenom povezanim receptorjem (ERR) in njegovim koaktivatorjem proliferatorji peroksisoma aktiviranim koaktivatorjem receptorja-1 (PGC-1). V nasprotju s tem je luteolin zaviral aktivnost PGC-1 s pospeševanjem razgradnje PGC-1, kar je vodilo do potlačene aktivnosti ERR v celicah HeLa [7,18]. Flavonoidi, kot sta glabridin in glabrene, lahko medsebojno delujejo in modulirajo endogene aktivnosti estrogenskih receptorjev v človeških endotelijskih in gladkih mišičnih celicah, s čimer lahko upočasnijo in celo preprečijo srčno-žilne bolezni ter razvoj raka dojke in jajčnikov pri ženskah po menopavzi. [19]. Poleg tega je bila raziskana tudi sposobnost flavonoidov za interakcijo s serumskim albuminom in drugimi serumskimi beljakovinami [20, 21]. Reverzibilne ali ireverzibilne interakcije protein-flavonoid so odvisne od pH, temperature ter koncentracije beljakovin in flavonoidov [22]. Čeprav biološka usoda beljakovinsko-flavonoidnih kompleksov in vivo še vedno ni znana, je bilo ugotovljeno, da flavonoidi vplivajo na različne človeške bolezni, ki so povezane z OS, kot so rak ter kardiovaskularne in nevrodegenerativne bolezni [23–25].

Metode za karakterizacijo interakcij flavonoid-protein

Izvedenih je bilo več študij za opredelitev interakcij med prehranskimi flavonoidi in beljakovinami, predvsem serumskimi in s hrano povezanimi beljakovinami, na primer serumskimi albumini in kazeinom [26–30]. Interakcije flavonoid-protein se v glavnem pojavljajo z nekovalentnimi vezmi, ki izhajajo iz hidrofobnih, van der Waalsovih, vezave vodikovega mostu in ionskih interakcij, ki lahko spremenijo konformacije beljakovin in encimske aktivnosti [31]. Nekovalentne interakcije med flavonoidi in beljakovinami so šibke in reverzibilne. Študije so zagotovile tudi informacije o kovalentnih reakcijah med flavonoidi in beljakovinami. Flavonoidi lahko zlahka oksidirajo in kovalentno reagirajo z amino in tiolnimi stranskimi verigami proteina z ireverzibilno vezavo [32]. Za karakterizacijo nekovalentnih interakcij med flavonoidi in proteini so bile razvite številne metode, večinoma spektroskopske (tabela 1) [33–36].

UV-vidna spektroskopija se uporablja za napovedovanje interakcij flavonoidov in beljakovin in zagotavljanje informacij o naravi teh interakcij. Absorpcija beljakovin pri 280 nm je povezana z aromatskimi aminokislinami triptofanom, tirozinom in fenilalaninom, ki se lahko dodatno stimulirajo ob interakciji s flavonoidi [37]. Spektroskopija s krožnim dikroizmom se uporablja za kvantitativno analizo konformacijskih sprememb, sprememb -helix in -sheet v beljakovinah zaradi nekovalentnih interakcij z majhnimi molekulami, kot so flavonoidi [38]. Infrardeča spektroskopija s Fourierjevo transformacijo se uporablja tudi za določanje sprememb v sekundarni strukturi proteinov kot posledica interakcij flavonoidov. Ta metoda omogoča razlago sekundarne strukture iz oblike pasu amida I, ki se nahaja okoli 1650–1660 cm [38]

Termodinamične lastnosti vezavne interakcije med flavonoidi in proteini je mogoče preučevati z uporabo izotermne titracijske kalorimetrije, metode, ki temelji na merjenju toplote, ki se razvije med molekularno asociacijo [39]. Vitali in dr. ovrednotili vezavne interakcije med štirimi flavonoidi (kemferol, luteolin, kvercetin in resveratrol) ter človeškim serumskim albuminom in glutation S-transferazo Pi izoforme 1 z uporabo Taylorjeve disperzijske površinske plazmonske resonance (SPR) – zelo občutljive tehnike brez oznak za preučevanje nekovalentne interakcije biomolekul, zlasti med proteini ter med proteini in majhnimi molekulami [40].

Test dušenja fluorescence s triptofanom (Trp) je še ena občutljiva, selektivna in pogosto uporabljena metoda za določanje interakcij med flavonoidi in beljakovinami [21,41,42]. Vzbujanje proteinov pri 280–290 nm inducira emisijo fluorescence v območju 340–350 nm zaradi prisotnosti Trp. dušenje fluorescence v tem območju lahko pripišemo vezavi flavonoida. Med uporabo te metode lahko mehanizem dušenja – statični (tvorba kompleksa med polifenolom in proteinom) ali dinamičen (trk fluoroforja z dušilcem) – določimo z uporabo Stern–Volmerjeve enačbe in izračunom Stern–Volmerjeve konstante in konstante hitrosti dušenja. . Za statično kaljenje je mogoče izračunati vezavno konstanto in število vezavnih mest v proteinski molekuli, nato pa je mogoče opisati termodinamične lastnosti. Končno se lahko izračuni priklopa uporabijo za napovedovanje prileganja ocenjenega liganda znotraj proteina, kjer je oblika komplementarna mestu vezave. Računalniško modeliranje dopolnjuje eksperimentalne podatke o vezavi flavonoidov na beljakovine in omogoča obsežno pregledovanje različnih beljakovinskih tarč, izbranih iz struktur, ki so na voljo v Protein Data Bank (PDB) [43].

2.2.2. Interakcije flavonoidov z DNK in kromatinom

V znanstveni literaturi je veliko dokazov o uravnavanju genoma s flavonoidi prek izražanja genov in kromosomskih sprememb [24,51], čeprav natančen mehanizem delovanja ostaja nejasen [48,52]. Flavonoidi, kot sta kvercetin in EGCG, dokazano prodrejo skozi celične membrane in se kopičijo v jedru človeških črevesnih in jetrnih celic [53,54]. Struktura kvercetina omogoča hidrofobno naravno interkalacijo njegovega najbolj hidrofobnega segmenta v notranjost vijačnice DNA [55]. Kvercetin interkalira z dupleksi DNA in RNA in se prednostno veže na triplex in tetraplex DNA v človeških celicah raka prostate (DU 145) [53]. Čeprav je enako število OH skupin, ki so v glavnem vključene v mehanizem prenosa vodika, prisotno v kemferolu in luteolinu, ima slednji nekoliko večjo afiniteto do DNA. To je lahko posledica prisotnosti OH na položaju 30. Razmerja med strukturo in aktivnostjo v interakcijah flavonoid-DNA so bila res obsežno odkrita. Predlagano je, da se afiniteta flavonoidov za DNK poveča po istem zaporedju, kot ga kaže njihova biološka aktivnost [44]. Pri zdravljenju DNK z EGCG ali kvercetinom so opazili različne učinke, vključno s poškodbo DNK, v človeških perifernih limfocitih [56,57]. Študije kažejo, da EGCG zavira aktivnosti različnih kromatinskih proteinov, kot so protein, ki veže odzivni element cAMP, DNA polimeraza, DNA metiltransferaza in DNA topoizomeraza v človeških pljučih in celicah kolorektalnega adenoma ter v mišjih jetrih, pljučih in ledvicah [6,24]. ]. Na te reakcije verjetno vpliva vezava EGCG na DNA in RNA ali na proteine, ki so pri različnih vrstah interakcij pritrjeni na nukleinske kisline. Medtem ko so interakcije flavonoidov, kot so resveratrol, kvercetin, EGCG in genistein, z DNK znane, natančna lokacija mest za vezavo flavonoidov na DNK, način interakcije in njena funkcija v genomu niso povsem znani. razumel.

Metode za karakterizacijoflavonoid– Interakcije DNK
Kovalentno vezavo majhnih molekul na DNK so prvič opazili v zgodnjih osemdesetih letih [58]. Po kovalentni vezavi [14C] so določili kvercetin na DNA in trdili, da imajo flavonoidi nasprotujoče si biokemične aktivnosti (mutageni učinek na eni strani in antikarcinogeni učinek na drugi) [44]. Poleg kovalentne vezave lahko flavonoidi medsebojno delujejo z DNK z interkalacijo, vezavo v utore in vezavo na hrbtenico. Za razjasnitev nekovalentnih interakcij med flavonoidi in DNA je bilo uporabljenih več metod, vključno z elektrokemičnimi in SPR tehnikami, linearnim dikroizmom, absorpcijo, fluorescenco in jedrsko magnetno resonančno spektroskopijo [44–46]. Vezavo 10 aglikonov in flavonoidnih glikozidov z dupleksi DNA so raziskali z uporabo ionizacijske masne spektrometrije z elektrosprejem (ESI-MS) [47]. ESI-MS analiza in SPR sta pokazala, da se točno tri molekule EGCG vežejo na poli(dT) 18-merne enoverižne oligomere DNA preko ene hidroksilne skupine trihidroksifenilne skupine v EGCG. Po vezavi je EGCG zaščitil oligomere dvoverižne DNA pred taljenjem v enoverižno DNA [59].

Danes se računalniška simulacija in spektroskopija večinoma uporabljata za raziskovanje biofizikalnih informacij (npr. način interakcije) o interakcijah med flavonoidi in DNK [60]. Poskusi, ki so bili izvedeni v zadnjih letih, so predlagali specifična konsenzna mesta za vezavo DNA za flavonoide. Kvercetin se na primer veže na dodekamerno dupleksno zaporedje CGCGAATTCGCG, katerega nevezana struktura je bila razrešena pred mnogimi leti (PDB ID: 1BNA) [61]. Trenutno je mogoče celoten genom organizma razkriti s tehnologijami zaporedja naslednje generacije (NGS), kot sta Illumina ali Sanger masivno vzporedni stroj za sekvenciranje. Poleg tega je po specializiranih protokolih mogoče ekstrahirati DNK v določenih regijah ali s posebnimi funkcijami in nato uporabiti NGS za pridobitev zaporedja DNK. Chem-seq (kemično afinitetno zajemanje skupaj z masivnim vzporednim sekvenciranjem DNA) je nova aplikacija NGS, ki je bila nedavno uporabljena za ekstrakcijo in zaporedje regij DNA, ki so bile vezane na majhne molekule. Ta metoda omogoča zajemanje regij kromatina, vezanih na majhne molekule, brez predhodnih informacij, tj. z nepristranskim, nespecifičnim markerjem [49]. Najnovejše študije so že pokazale sposobnost izolacije znanih interakcij med zdravilom in kromatinom s pomočjo Chem-seq [49, 50]. Atrahimovič et al. uporabil tehniko Chem-seq za karakterizacijo interakcij med kvercetinom in celično DNA ter pokazal njegov kasnejši učinek na transkripcijo navzdol [48]. Rezultati kažejo, da se kvercetin veže na kromatin monocitov in modulira izražanje genov, ki so vključeni v celični cikel in celični razvoj [48]. Z uporabo aplikacije Chem-seq je mogoče določiti interakcije flavonoidov z DNK in kromatinom, da bi preučili njihov pomen. Ta sposobnost bi lahko bila izjemno pomembna za medicino in zdravje ljudi ter koristna za načrtovanje ustreznih prehranskih posegov in zdravil za zdravljenje raka.

3. Flavonoidi blažijo človeške bolezni preko neposrednih interakcij z beljakovinami, lipoproteini in DNA

3.1. Interakcije flavonoidov s ključnimi beljakovinami, ki sodelujejo pri vnetju

Vnetjeoznačuje zaščitni odziv imunskega sistema, ki vključuje proizvodnjo različnih vnetnih citokinov in kemokinov, ki povečajo proizvodnjo interferona, proteaz, NO in ROS [62]. Citokini inducirajo tudi izražanje ciklooksigenaze-2 (COX-2), encima, ki katalizira proizvodnjo prostaglandinov (PG), ki so ključni mediatorji vnetja [63]. Ksantin oksidaza (XO) je še en kritičen vir ROS, ki prispeva k vnetju. Vnetna stanja vodijo do povečanih ravni XO in s tem do povečanega nastajanja ROS in tvorbe peroksinitrita. Peroksinitrit je močna reaktivna vrsta dušika (RNS), ki jo spremlja OS, ki nastane z reakcijo NO in superoksidnih radikalov [64].

Za razlago protivnetne aktivnosti flavonoidov in vivo je bilo predlaganih več mehanizmov delovanja, kot je antioksidativna aktivnost in modulacija proizvodnje vnetnih citokinov in izražanje genov [11]. Zanimivo je, da flavonoidi vplivajo na vnetni proces ne samo z zmanjšanjem izražanja citokinov in drugih sorodnih vnetnih markerjev, temveč tudi z interakcijo z beljakovinami, ki so povezane zvnetje. Pokazalo se je, da flavonoidi modulirajo aktivnost encimov, ki presnavljajo arahidonsko kislino (AA), kot so fosfolipaza A2 (PLA2), COX in lipoksigenaza (LOX) ter encim sintaza dušikovega oksida (NOS), ki proizvaja NO. Zaviranje teh encimov s flavonoidi zmanjša nastajanje AA, PG, levkotriena in NO, ki so ključni mediatorjivnetje. Tako je flavonoidna inhibicija teh encimov zagotovo eden od pomembnih celičnih mehanizmov proti vnetju [65].

Kvercetin je bil prvi odkrit flavonoidni inhibitor PLA2 iz človeških nevtrofilcev. Pokazalo se je, da kvercetin selektivno zavira sekretorni PLA2 skupine II [66]. Podobno je rutin selektivno zaviral človeški PLA2-II iz sinovialne tekočine, medtem ko je bil šibak zaviralec človeškega PLA2-I iz soka trebušne slinavke. Ko so različne flavonoide primerjali glede na njihovo sposobnost inhibiranja PLA2, se je zdelo, da majhne spremembe v strukturi vplivajo tako na celotno inhibicijo PLA2 kot na selektivnost skupine II. Ugotovljeno je bilo, da je položaj hidroksilnih skupin pomemben vidik dvojne vezi -2, 3-C-obroča. Hidroksilne skupine na položajih 3' in 4' na B-obroču so se zdele pomembne za selektivno inhibicijo PLA2-II, medtem ko je 5-hidroksilna skupina na A-obroču, nenasičenost , in 4-oksi na C-obroču se zdi pomemben za splošno sposobnost flavonoidov, da zavirajo aktivnost PLA2 [67]; inhibicija PLA2 je bila zelo odvisna od položaja hidroksilnih skupin na obročih A, B in C, medtem ko se je domnevalo, da so hidroksilne skupine na položajih 5, 6 in 7 na A-obroču potrebne za vezavo na PLA2. Tako so kvercetin, kaempferol in galangin pokazali visoko inhibitorno aktivnost na PLA2, medtem ko je naringin pokazal manjšo inhibitorno aktivnost [68].

COX proizvaja PG in tromboksane in obstaja v vsaj dveh različnih izoformah, COX-1 in COX-2. COX-1 je konstitutivni encim, ki je prisoten v skoraj vseh vrstah celic. Medtem ko je COX-2 inducibilen encim, ki je močno izražen vvnetjetipi celic, vključno z makrofagi in mastociti [69]. Ker proizvaja PG, je COX-2 tesno povezan z akutnimi in kroničnimi vrstami vnetnih motenj. Ugotovljeno je bilo, da nekateri flavonoidi, kot so luteolin, 3',4'-dihidroksiflflavon, galangin in morin, katehin in epikatehin, zavirajo COX ledvične medule podgan z IC50 100–130 µM [70]. V človeških trombinsko agregiranih trombocitih je bilo ugotovljeno, da so nekateri flavonoidi, kot sta krizin in apigenin, zaviralci COX z IC50 13 in 18 µM, medtem ko miricetin in kvercetin pri 10 µM močno zavirata LOX. Zlasti redukcija C-2, 3-dvojne vezi in glikozilacija sta zmanjšali zaviralne aktivnosti flavonoidov [71]. Analiza in-silico je pokazala, da lahko kvercetin delno zavira encim COX-2 z vezavo na podenoto A, ki ima peroksidazno aktivnost in služi kot vir ROS [72].

Na splošno,flavonoidije lahko v glavnem vpleten vvnetjeproces prek inhibicije in regulacije encimov, ki modulirajo provnetne citokine ali majhne molekule, kot sta ROS in RNS.

3.2. Interakcije flavonoidov s ključnimi beljakovinami pri Alzheimerjevi bolezni (AD)

AD je razširjena nevrodegenerativna bolezen, za katero so značilni nevrofibrilarni pentlji, senilni plaki in sinaptična izguba, ki sčasoma povzroči nevronsko smrt [78,79]. AD je oblika demence, za katero je značilna progresivna izguba spomina, upad jezikovnih sposobnosti in druge kognitivne motnje, najpogosteje pa prizadene starejše [80]. Etiologija AD ni jasna; vendar pa se v patofiziologiji bolezni upoštevajo različni dejavniki, kot so tvorba plakov amiloidnega proteina (A), nizke ravni acetilholina, oksidativni stres in nenormalne posttranslacijske modifikacije proteina tau [81,82]. Zaporedna cepitev amiloidnega prekurzorskega proteina tvori agregate peptidov A iz 39–43 aminokislin, ki se prilepijo na nevrone kot netopni amiloidni plaki. A nastane iz amiloidnega prekurzorskega proteina z encimom za cepljenje amiloidnega prekurzorskega proteina na mestu -1 (BACE-1, -sekretaza) in -sekretazami [83,84]. Zato se domneva, da ima zaviranje BACE-1 pomembno vlogo pri preprečevanju AD [85].

Nevrotransmiter acetilholin igra pomembno vlogo v procesu učenja in spomina v hipokampusu. Pri hidrolizi acetilholina sodelujeta dva encima, acetilholinesteraza (AChE) in butirilholinesteraza (BChE), ki znižujeta njegovo raven med razvojem AD. Zato je zaviranje AChE in BChE zelo zaželena strategija za zdravljenje AD [86–88]. Klinično odobrena zdravila takrin, donepezil, galantamin in rivastigmin so izboljšala kratkoročni spomin in kognitivne ravni z zaviranjem AChE. Slabosti teh zdravil in njihovi postopni stranski učinki, kot so periferni neželeni učinki, hepatotoksičnost in motnje prebavil, so raziskovalce spodbudili k razvoju učinkovitejših zaviralcev AChE [89–91].
Flavonoidi so obetavni naravni produkti z nevroprotektivnim potencialom, ki bodisi preprečijo nastanek ali upočasnijo napredovanje s starostjo povezanih nevrodegenerativnih bolezni. Mehanizem, s katerim flavonoidi preprečujejo ali upočasnjujejo napredovanje AD, je lahko prek neposredne interakcije s ključnimi encimi, ki sodelujejo pri tej bolezni [81,85,92–95]. Shimmyo et al. preučili potencial flavonolov in flavonov za zaviranje BACE-1. Ugotovili so, da štirje flavonoli: miricetin, kvercetin, kemferol in morin ter en flavon: apigenin neposredno zavirajo aktivnost encima BACE-1 na način, ki je odvisen od koncentracije, z vrednostmi IC50 2,8, 5,4, 14,7, 21,7, in 38,5 µM [95]. Študije na starih transgenih miših TASTPM (model AD) so pokazale, da oralno dajanje (-)-epikatehina zmanjša patologijo A s posredno, nekatalitično inhibicijo BACE-1 in ne z modulacijo aktivnosti bodisi - ali -sekretaze [96]. ]. Ugotovljeno je bilo, da epigalokatehin-3-galat (EGCG) in kurkumin zmanjšata A-posredovano regulacijo BACE-1 v nevronskih kulturah, kar je zanimivo povečalo neamiloidogeno predelavo amiloidnega prekurzorskega proteina s povečanjem cepitve -sekretaze [95]. ]. Pueyo et al. pregledal literaturo o naravnih in sintetičnih flavonoidih z AChE-inhibitorno aktivnostjo. Našli so 128 takšnih flavonoidov: 41 flavonov, 21 flavononov, 35 flavonolov, 25 izoflavonov in šest halkonov. Med njimi je osem sintetičnih flavonoidov zaviralo AChE z IC50 < 100="" nm.="" trije="" naravni="" flavonoidi,="" acaciin="" iz="" cvetov="" chrysanthemum="" indicum="" ter="" desmethylanhydroicaritin="" in="" kaempferol="" iz="" korenin="" sophora="" flavescens,="" so="" zavirali="" ache="" z="" vrednostmi="" ic50="" 3,2,="" 6,7="" oziroma="" 3,3="" nm="" [97].="" orhan="" et="" al.="" pregledali="" različne="" flavonoidne="" derivate="" glede="" njihove="" inhibicije="" ache="" in="" bche.="" pri="" koncentraciji="" 1="" mg/ml="" je="" bil="" kvercetin="" najučinkovitejši="" proti="" ache="" s="" 76,2-odstotno="" inhibicijo,="" genistein="" pa="" je="" pokazal="" največjo="" inhibicijo="" (65,7="" odstotka)="" bche,="" sledila="" sta="" mu="" luteolin-7-o-rutinozid="" in="" silibinin="" (54,9).="" odstotkov="" oziroma="" 51,4="" odstotka)="" [98,99].="" v="" drugi="" študiji="" je="" imel="" citrus="" junos="" pomemben="" zaviralni="" učinek="" na="" ache="" in="" vitro="" in="" in="" vivo,="" aktivna="" spojina="" pa="" je="" bila="" identificirana="" kot="" naringenin,="" glavni="" derivat="" flavanona="" [100].="" lee="" et="" al.="" preučevali="" zaviralni="" učinek="" flavanonov="" citrusov="" na="" bace-1,="" ache="" in="" bche.="" med="" vsemi="" pregledanimi="" flflavanoni="" je="" hesperidin="" pokazal="" najboljšo="" inhibicijo="" bace-1,="" ache="" in="" bche="" z="" vrednostmi="" ic50="" 10,02,="" 22,80="" oziroma="" 48,09="" µm.="" kinetične="" študije="" so="" pokazale,="" da="" so="" bili="" vsi="" flavanoni="" nekompetitivni="" zaviralci="" bace-1="" in="" holinesteraze="">

Hiperfosforilacija proteinov tau s kasnejšim kopičenjem kot nevrofibrilarni pentlji močno prispeva h kognitivnim motnjam in je eden najzgodnejših markerjev AD. Znano je, da več kinaz, kot sta GSK-3b in CDK5/p25, prispeva k fosforilaciji proteinov tau in so vpletene v patogenezo AD. Flavonoide, ki zavirajo delovanje več kinaz, lahko uporabimo pri preprečevanju AD. Pokazalo se je, da terapija s flavonoidom morin zmanjša hiperfosforilacijo tau in vitro in in vivo v hipokampalnih nevronih transgenih živali (miši 3xTg-AD) [103]. Kvercetin je zaviral aktivnost PI3-kinaze, cianidin 3-O-glukozid pa je prav tako zagotovil pomembno zaščito pred kognitivnimi motnjami, ki jih povzroči dajanje A na živalskih modelih, posredovano z modulacijo GSK{{9} }b/tau. [104,105].

Na splošno lahko flavonoidi izvajajo svoje potencialno nevroprotektivno delovanje z medsebojnim delovanjem s ključnimi proteini, ki sodelujejo pri AD. Boljše razumevanje interakcij flavonoid-protein pri AD bi lahko bilo obetavna strategija za razvoj novih nevroprotektivnih terapij za preprečevanje in zdravljenje nevrodegenerativnih bolezni.

3.3. Interakcije flavonoidov s ključnimi proteini in lipoproteini pri aterosklerozi

Ateroskleroza je še ena bolezen, ki jo flavonoidi dokazano ublažijo. Prvi korak pri aterosklerozi je kopičenje lipoproteina nizke gostote (LDL), glavnega nosilca holesterola, v arterijski steni. Lipoproteini visoke gostote (HDL) pa so glavni antiaterogeni dejavnik v krvi, ki vzdržuje raven holesterola v celem telesu v stabilnem stanju. V proteomu HDL je bilo identificiranih več kot 80 proteinov, pri čemer apolipoproteina A1 in A2 predstavljata približno 65 odstotkov oziroma 15 odstotkov mase beljakovin. Druge beljakovine vključujejo različne encime, kot je paraoksonaza 1 (PON1). PON1 je odgovoren za številne anti-aterogene lastnosti HDL. Korelacije med PON1, HDL in aterosklerozo, in vivo in in vitro, so dobro uveljavljene [106,107]. Poleg izločanja holesterola ima HDL tudi druge močne biološke aktivnosti: antioksidativno [108], protivnetno [109], anti-apoptotično [110] in vazodilatacijsko [111]. Te aktivnosti niso nujno odvisne od količine HDL, verjetno pa so odvisne od njegove kakovosti [112,113]. V zvezi z zdravjem srca in ožilja smo predhodno pokazali, da flavonoid glabridin, ekstrahiran iz korenine sladkega korena, deluje kot odličen antioksidant in kaže dodatne antioksidativne in antiaterogene lastnosti. Glabridin se veže na rekombinantni PON1 (rePON1) in ščiti njegov Cys284 pred oksidacijo z aterosklerotično komponento hidroperoksidom linolne kisline (LA-OOH). Ta specifična zmogljivost glabridina je edinstvena; theflavonoidkatehin ne kaže nobene vezavne afinitete na rePON1 [21]. Povezava med strukturo flavonoidov in njihovimi učinki na aktivnost rePON1 je bila nadalje raziskana. Opisane so bile interakcije 12 reprezentativnih flavonoidov iz različnih kemijskih podrazredov z rePON1 [42]. Poleg tega je bil preučen potencial rePON1-flavonoidnih kompleksov za preprečevanje oksidacije LDL, ki je ključni proces pri aterogenezi. Katehin, ki se ne veže na rePON1, pospešil oksidacijo LDL; nasprotno pa je glabridin pokazal visoko vezavno afiniteto za rePON1 in okrepil svoj zaščitni učinek proti oksidaciji LDL [42]. Poleg tega smo dosledno opazovali interakcije specifičnih flavonoidov z HDL delcem ali njegovimi vezanimi proteini, apolipoproteinom A1 in PON1. Pokazali smo, da se kvercetin in punikalagin vežeta na delec HDL in povečata njegove protivnetne lastnosti [41], medtem ko je po vezavi na delec LDL ali na njegov vezan apolipoprotein B100 punikalagin induciral dotok LDL v celice makrofaga J774A.1, kar lahko zniža raven LDL v obtoku [114]. Na splošno je bilo ugotovljeno, da flavonoidi in polifenoli na splošno zavirajo simptome ateroskleroze in zmanjšujejo njen razvoj preko specifičnih interakcij flavonoidov s celičnimi in serumskimi beljakovinami ter lipoproteini.

3.4. Flavonoidi kot sredstva proti raku prek interakcije z DNK in kromatinom

Delovanje flavonoidov proti raku je lahko posledica interakcije teh naravnih spojin z biomolekulami (DNK, RNK in beljakovinami). Zavedamo se, da lahko prehranski flavonoidi specifično ali stohastično vežejo DNK in spremenijo njeno funkcijo [115]. Obsežne študije in vitro kažejo, da flavonoidi učinkovito zmanjšajo celično proliferacijo, inducirajo apoptozo in zmanjšajo tveganje za metastaze [24]. Kemopreventivni učinki flavonoidov, vključno z luteolinom, epigalokatehin galatom, kvercetinom, apigeninom in krizinom, so bili prikazani s poudarkom na zaščiti pred poškodbami DNK, ki jih povzročajo različni rakotvorni dejavniki. Ti flavonoidi selektivno ščitijo normalne celice in inducirajo mehanizme celične smrti v rakavih celicah v človeških pljučih in celicah kolorektalnega adenoma med kemoterapijo ali radioterapijo [24]. Ugotovljeno je bilo, da lahko flavonoidi, in sicer kvercetin, miricetin, kemferol, apigenin in luteolin, ki so topni v lipidih in so šibko kisli, prosto difundirajo skozi celično membrano in se specifično kopičijo v levkemičnih celicah K562 [116]. zato

namiguje se, da flavonoidi bolj verjetno vežejo DNK ali proteine ​​v jedru rakave celice in specifično prekinejo regulacijo genoma raka. Poleg tega so rezultati in-silico pokazali, da zlasti kvercetin dobro sodeluje z G-kvadrupleksno DNA, ki je povezana s telomerazo. Kvercetin deluje kot terapevtsko sredstvo proti raku z uravnavanjem aktivnosti telomeraze [117]. S primerjavo računalniških in eksperimentalnih profilov vezave je nova študija potrdila, da ima kvercetin najmočnejšo afiniteto vezave na DNA med preučenimi flavonoidi. Poleg tega je študija pokazala, da lahko flavonoidi spremenijo konformacijo DNK in zavirajo pomnoževanje DNK, kažejo impresivno indukcijo ustavitve celičnega cikla in lahko spodbujajo apoptozo v rakavih celicah HepG2, MCF-7 in A549 [60] .Da bi dosegli učinkovite terapevtske odmerke, uporabljene v predkliničnih študijah, je treba dati pomen izboljšanim in ciljno usmerjenim tehnikam dajanja zdravil, da bi dosegli največjo učinkovitost z minimalnimi neželenimi stranskimi učinki. Napredek v sistemih za dostavo zdravil, ki temeljijo na nanotehnologiji, odpira boljše možnosti za povečanje topnosti, izboljšanje biološke uporabnosti in izboljšanje zmogljivosti ciljanja flavonoidov [118]. Nanodelci na osnovi liposomov, liposomov polietilen glikola, na osnovi niklja, lecitina in nanotrakov so primerni molekularni nosilci za dostavo flavonoidnih zdravil v ciljna tkiva. Poročali so, da so bili nanodelci uspešno uporabljeni za dostavo kvercetina v solidne tumorje in vitro in in vivo modele raka centralnega živčnega sistema, pljuč, debelega črevesa, jeter in dojk [119].
Tako številne študije podpirajo potencial flavonoidov kot naravnih zdravilnih izdelkov pri kemoprevenciji raka. Vendar pa je potrebnih več študij, da bi konfigurirali njihov mehanizem delovanja za izboljšanje našega razumevanja epigenetskih procesov, ki lahko zagotovijo bolj racionalno osnovo za kombiniranje specifičnih prehranskih spojin v kliničnem okolju [24].

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

1 Laboratorij za naravne spojine in analitično kemijo, MIGAL–Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Izrael; Danaa@migal.org.il
2 Oddelek za biotehnologijo, Tel-Hai College, Zgornja Galileja 12210, Izrael
3 Laboratorij za sfingolipide, bioaktivne metabolite in imunsko modulacijo, MIGAL—Galilejski raziskovalni inštitut, Kiryat Shmona 11016, Izrael; dorita@migal.org.il* Korespondenca: solimankh@migal.org.il; Tel.: plus 972-4-6953512; Faks: plus 972-4-6944980

4. Sklepi

Avtorski prispevki:DA (Dana Atrahimovich), pisanje—priprava izvirnega osnutka in urejanje, DA (Dorit Avni) pisanje razdelka 'Interakcije flavonoidov s ključnimi proteini, ki sodelujejo pri vnetju' in urejanje; SK nadzor, pisanje—pregled in redakcija. Vsi avtorji so prebrali in se strinjali z objavljeno različico rokopisa.
financiranje:Ta raziskava ni prejela zunanjega financiranja.
Nasprotja interesov:Avtorji izjavljajo, da ni navzkrižja interesov.

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

Reference

1. Procházková, D.; Boušová, I.; Wilhelmová, N. Antioksidativne in prooksidativne lastnosti flavonoidov. Fitoterapia 2011, 82, 513–523. [CrossRef]

2. Duthie, GG; Duthie, SJ; Kyle, JAM Rastlinski polifenoli pri raku in srčnih boleznih: posledice kot prehranski antioksidanti. Nutr. Res. Rev. 2000, 13, 79–106. [CrossRef] [PubMed] 3. Ramos, S. Kemopreprečevanje raka in kemoterapija: prehranski polifenoli in signalne poti. Mol. Nutr. Food Res. 2008, 52, 507–526. [CrossRef] [PubMed] 4. Jaeger, BN; Parylak, SL; Gage, FH Mehanizmi prehranskega delovanja flavonoidov pri nevronski funkciji in nevrovnetju. Mol. Aspects Med. 2018, 61, 50–62. [CrossRef] [PubMed] 5. Devi, S.; Kumar, V.; Singh, SK; Dubey, AK; Kim, JJ Flavonoidi: potencialni kandidati za zdravljenje nevrodegenerativnih motenj. Biomedicines 2021, 9, 99. [CrossRef] 6. Williams, RJ; Spencer, JPE; Rice-Evans, C. Flavonoidi: antioksidanti ali signalne molekule? Prosti Radič. Biol. Med. 2004, 36, 838–849. [CrossRef] 7. Virgili, F.; Marino, M. Regulacija celičnih signalov iz prehranskih molekul: posebna vloga za fitokemikalije, poleg antioksidativne aktivnosti. Prosti Radič. Biol. Med. 2008, 45, 1205–1216. [CrossRef] 8. Grotewold, E. Znanost o flavonoidih; Springer: Columbus, OH, ZDA, 2006; ISBN 9780387288215. 9. Agati, G.; Brunetti, C.; Fini, A.; Gori, A.; Guidi, L.; Landi, M.; Sebastiani, F.; Tattini, M. Ali so flavonoidi učinkoviti antioksidanti v rastlinah? Dvajset let našega raziskovanja. Antioksidanti 2020, 9, 1098. [CrossRef] 10. Liu, Y.; Weng, W.; Gao, R.; Liu, Y.; Monacelli, F. Nova spoznanja o celičnih in molekularnih mehanizmih staranja in s staranjem povezanih boleznih: zeliščna medicina kot potencialni terapevtski pristop. Oksid. Med. Celica. Longev. 2019, 2019. [CrossRef] 11. Rolt, A.; Cox, LS. Strukturna osnova učinkov polifenolov proti staranju: ublažitev oksidativnega stresa. BMC Chem. 2020, 14, 1–13. [CrossRef] 12. Manach, C.; Scalbert, A.; Morand, C.; Rémésy, C.; Jiménez, L. Polifenoli: viri hrane in biološka uporabnost. Am. J. Clin. Nutr. 2004, 79, 727–747. [CrossRef] 13. Thilakarathna, SH; Vasantha Rupasinghe, biološka uporabnost flavonoidov HP in poskusi povečanja biološke uporabnosti. Hranila 2013, 5, 3367–3387. [CrossRef] [PubMed] 14. Haq, I. Termodinamika interakcij med zdravilom in DNK. Arh. Biochem. Biophys. 2002, 403, 1–15. [CrossRef] 15. Uversky, VN Intrinzično neurejeni proteini in njihovo okolje: Učinki močnih denaturantov, temperature, pH, protiionov, membran, veznih partnerjev, osmolitov in makromolekularne gneče. Protein J. 2009, 28, 305–325. [CrossRef] 16. Hou, D.-X.; Kumamoto, T. Flavonoidi kot inhibitorji protein kinaze za kemoprevencijo raka: Neposredna vezava in molekularno modeliranje. Antioksid. Redox signal. 2010, 13, 691–719. [CrossRef] 17. Spencer, JPE Onkraj antioksidantov: Celične in molekularne interakcije flavonoidov in kako ti podpirajo njihovo delovanje na možgane. Proc. Nutr. Soc. 2010, 69, 244–260. [CrossRef] [PubMed] 18. Huang, Z.; Fang, F.; Wang, J.; Wong, C.-W. Odnos strukturne aktivnosti flavonoidov z estrogenom povezanim receptorjem gama. FEBS Lett. 2010, 584, 22–26. [CrossRef] [PubMed] 19. Somjen, D.; Knoll, E.; Vaya, J.; Stern, N.; Tamir, S. Estrogenu podobna aktivnost sestavin korenine sladkega korena: Glabridin in glabrene, v žilnih tkivih in vitro in 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. Karakterizacija derivatov hidroksicimetne kisline, ki se vežejo na goveji serumski albumin. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 3424–3431. [CrossRef] 21. Atrahimovič, D.; Vaya, J.; Tavori, H.; Khatib, S. Glabridin ščiti paraoksonazo 1 pred inhibicijo hidroperoksida linolne kisline s specifično interakcijo: študija dušenja 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. Polifenoli, trpkost in beljakovine, bogate s prolinom. Fitokemija 1994, 37, 357–371. [CrossRef] 23. Ciumărnean, L.; Milaciu, MV; Runčan, O.; Vesa, SC; Răchisan, AL; Negrean, V.; Perné, MG; Donca, VI; Alexescu, TG; Para, I.; et al. Učinki flavonoidov pri boleznih srca in ožilja. Molecules 2020, 25, 4320. [CrossRef] [PubMed] 24. Cijo, V.; Dellaire, G.; Rupasinghe, HPV ScienceDirect Rastlinski flavonoidi pri kemoprevenciji raka: Vloga pri stabilnosti genoma. J. Nutr. Biochem. 2017, 45, 1–14. [CrossRef] 25. Maher, P. Potencial flavonoidov za zdravljenje nevrodegenerativnih bolezni. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 3056. [CrossRef] [PubMed] 26. Gecibesler, IH; Aydin, M. Vezava rastlinskih flavonoidov na plazemske beljakovine na človeški serumski albumin in njihove antiproliferativne aktivnosti. An. Akad. Nedrčki. Cienc. 2020, 92, 1–16. [CrossRef] 27. Lin, CZ; Hu, M.; Wu, AZ; Zhu, CC Raziskava o razlikah štirih flavonoidov s podobno strukturo, ki se vežejo na človeški serumski albumin. J. Pharm. Analno 2014, 4, 392–398. [CrossRef] 28. Mondal, P.; Bose, A. Spektroskopski pregled kvercetina in njegove interakcije Cu (II) kompleksa s serumskimi albumini. BioImpacts 2019, 9, 115–121. [CrossRef] 29. Geng, R.; Ma, L.; Liu, L.; Xie, Y. Vpliv interakcije govejega serumskega albumina in flavonoida na antioksidativno aktivnost prehranskih flavonoidov: novi dokazi iz elektrokemične kvantifikacije. Molecules 2019, 24, 70. [CrossRef] [PubMed] 30. Ma, CM; Zhao, XH Prikaz nekovalentne interakcije sirotkinih beljakovin z galanginom ali genisteinom z uporabo večspektroskopskih tehnik in molekularnega priklopa. Foods 2019, 8, 360. [CrossRef] 31. Tang, F.; Xie, Y.; Cao, H.; Yang, H.; Chen, X.; Xiao, J. Fetalni goveji serum vpliva na stabilnost in bioaktivnost analogov resveratrola: interakcijski pristop polifenol-protein. Food Chem. 2017, 219, 321–328. [CrossRef]