Dracocephalum moldavica L. and Melissa officinalis L. : Chemistry and Bioactivities Relevant in Alzheimer’s Disease Therapy

Oksidatiivisen stressin eli liiallisen reaktiivisten happiyhdisteiden määrän soluissa on jo pitkään arveltu olevan tärkeä Alzheimerin taudin kehittymiseen ja etenemiseen vaikuttava tekijä. Tämän vuoksi kiinnostus erilaisten antioksidanttien (yhdisteitä, jotka neutraloivat näitä happiradikaaleja soluissa) mahdollisia terapeuttisia ominaisuuksia Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu laajalti. Tähän mennessä ei kuitenkaan ole vielä onnistuttu löytämään antioksidanttia, joka olisi hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Tämän vuoksi on tärkeää pyrkiä löytämään uusia antioksidanttien lähteitä sekä tutkia niistä löytyviä aktiivisia yhdisteitä. Kiinnostus luonnon antioksidantteja kohtaan on kasvanut voimakkaasti viime aikoina. Huomio on kiinnittynyt erityisesti aromaattisista sekä lääkekasveista löytyviin antioksidantteihin. Lamiaceae- perheeseen kuuluvia tuoksuampiaisyrttiä (Dracocephalum moldavica L.) ja sitruunamelissaa (Melissa officinalis L.) on käytetty Iranissa pitkään sekä ruoanlaitossa että lääkinnässä, minkä vuoksi näiden kasvien uutteiden antioksidanttisisältöä päätettiin analysoida käyttäen useaa erilaista in vitro- menetelmää. Näissä kokeissa ilmeni, että uutteilla oli useita antioksidanttisia vaikutuksia. Näistä antioksidanttisista vaikutuksista vastaavia yhdisteitä pyrittiin tunnistamaan käyttäen HPLC-PDA- tekniikkaa, minkä seurauksena niiden havaittiin sisältävän erilaisia polyfenoleita, kuten hydroksyloituneita bentsoeeni- ja cinnamamidihapon johdannaisia sekä flavonoideja. Kummankin kasvin uutteissa runsaimmin esiintynyt yhdiste oli rosmariinihappo. Sitruunamelissaa (M. officinalis) on käytetty antiikin ajoista alkaen kognitiivisten toimintojen häiriöiden hoidossa. Perustuen tietoon kasvin käytöstä perinteisessä lääkinnässä, sen tehoa Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu viime aikoina kliinisin kokein. Sitruunamelissan todettiinkin olevan hyödyksi lievää ja keskivaikeaa Alzheimeimerin tautia sairastavien potilaiden hoidossa. Väitöskirjan osanan olevasta kooste-artikkelista käy ilmi, että tutkimalla lääkekasvien ominaisuuksia voidaan saada arvokkaita suuntaa-antavia vihjeitä Alzheimerin taudin lääkehoidon kehittämiseen. Tämän perusteella päätettiinkin testatata myös sitruunamelissauutteen kykyä estää asetyylikoliiniesteraasin (AChE) toimintaa, koska tämän entsyymin toiminna estämisen tiedetään olevan hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Uute kykeni estämään AChE:n toimintaa, minkä vuoksi uutteen sisältämiä komponentteja päätettiin tutkia terkemmin. Uute jaettiin erilaisiin fraktioihin käyttäen HPLC-menetelmää, minkä jälkeen testattiin jokaisen fraktion kykyä inhiboida AchE. Suurin osa fraktioista kykeni inhiboimaan AChE:n toimintaa selkeästi tehokkaammin, kuin raakauute. Kaikista tehokkainta fraktiota analysoitiin tarkemmin sen aktiivisten yhdisteiden tunnistamiseksi, minkä seurauksena sen sisältämät yhdisteet tunnistettiin cis ja trans-rosmariinihapoiksi. Tässä tutkimuksessa tunnistettujen yhdisteiden hyödyllisyyttä Alzheimerin taudin hoidossa tulisi seuraavaksi tutkia erilaisissa in vivo-malleissa. Lisäksi jäljellä olevien fraktioiden kemiallinen koostumus tulisi selvittää sekä antioksidanttiaktiivisuuden ja AChE:n toiminnan inhiboinnin välistä mahdollista yhteyttä tulisi tutkia tarkemmin. Tämä tutkimus osoittaa tuoksuampiasyrtin (D. moldavica) sekä sitruunamelissan (M. officinalis) sisältävän monenlaisia aktiivisia antioksidantteja. Lisäksi sitruunamelissan sisältämät yhdisteet kykenivät estämään asetyylikoliiniesteraasin (AchE) toimintaa. Nämä tulokset tukevat osaltaan väitöskirjan osana olevan kooste-artikkelin johtopäätöksiä, joiden mukaan etnofarmakologinen kasvitutkimus voi osoittautua erittäin hyödylliseksi kehitettäessä uutta lääkehoitoa Alzheimerin tautiin. Lisäksi tässä väitöskirjassa kuvattu tutkimus osoittaakin, että perinteisesti lääkekasvina käytettyä sitruunamelissaa voidaan mahdollisesti hyödyntää uusien Alzheimerin taudin hoitoon käytettävien lääkkeiden kehityksessä.

Development of Sample Pretreatment and Liquid Chromatographic Techniques for Antioxidative Compounds

In this study, novel methodologies for the determination of antioxidative compounds in herbs and beverages were developed. Antioxidants are compounds that can reduce, delay or inhibit oxidative events. They are a part of the human defense system and are obtained through the diet. Antioxidants are naturally present in several types of foods, e.g. in fruits, beverages, vegetables and herbs. Antioxidants can also be added to foods during manufacturing to suppress lipid oxidation and formation of free radicals under conditions of cooking or storage and to reduce the concentration of free radicals in vivo after food ingestion. There is growing interest in natural antioxidants, and effective compounds have already been identified from antioxidant classes such as carotenoids, essential oils, flavonoids and phenolic acids. The wide variety of sample matrices and analytes presents quite a challenge for the development of analytical techniques. Growing demands have been placed on sample pretreatment. In this study, three novel extraction techniques, namely supercritical fluid extraction (SFE), pressurised hot water extraction (PHWE) and dynamic sonication-assisted extraction (DSAE) were studied. SFE was used for the extraction of lycopene from tomato skins and PHWE was used in the extraction of phenolic compounds from sage. DSAE was applied to the extraction of phenolic acids from Lamiaceae herbs. In the development of extraction methodologies, the main parameters of the extraction were studied and the recoveries were compared to those achieved by conventional extraction techniques. In addition, the stability of lycopene was also followed under different storage conditions. For the separation of the antioxidative compounds in the extracts, liquid chromatographic methods (LC) were utilised. Two novel LC techniques, namely ultra performance liquid chromatography (UPLC) and comprehensive two-dimensional liquid chromatography (LCxLC) were studied and compared with conventional high performance liquid chromatography (HPLC) for the separation of antioxidants in beverages and Lamiaceae herbs. In LCxLC, the selection of LC mode, column dimensions and flow rates were studied and optimised to obtain efficient separation of the target compounds. In addition, the separation powers of HPLC, UPLC, HPLCxHPLC and HPLCxUPLC were compared. To exploit the benefits of an integrated system, in which sample preparation and final separation are performed in a closed unit, dynamic sonication-assisted extraction was coupled on-line to a liquid chromatograph via a solid-phase trap. The increased sensitivity was utilised in the extraction of phenolic acids from Lamiaceae herbs. The results were compared to those of achieved by the LCxLC system.

Secondary metabolites in Gerbera hybrida

Plants produce a diversity of secondary metabolites, i.e., low-molecular-weight compounds that have primarily ecological functions in plants. The flavonoid pathway is one of the most studied biosynthetic pathways in plants. In order to understand biosynthetic pathways fully, it is necessary to isolate and purify the enzymes of the pathways to study individual steps and to study the regulatory genes of the pathways. Chalcone synthases are key enzymes in the formation of several groups of flavonoids, including anthocyanins. In this study, a new chalcone synthase enzyme (GCHS4), which may be one of the main contributors to flower colour, was characterised from the ornamental plant Gerbera hybrida. In addition, four chalcone synthase-like genes and enzymes (GCHS17, GCHS17b, GCHS26 and GCHS26b) were studied. Spatial expression of the polyketide synthase gene family in gerbera was also analysed with quantitative RT-PCR from 12 tissues, including several developmental stages and flower types. A previously identified MYB transcription factor from gerbera, GMYB10, which regulates the anthocyanin pathway, was transferred to gerbera and the phenotypes were analysed. Total anthocyanin content and anthocyanidin profiles of control and transgenic samples were compared spectrophotometrically and with HPLC. The overexpression of GMYB10 alone was able to change anthocyanin pigmentation: cyanidin pigmentation was induced and pelargonidin pigmentation was increased. The gerbera 9K cDNA microarray was used to compare the gene expression profiles of transgenic tissues against the corresponding control tissues to reveal putative target genes for GMYB10. GMYB10 overexpression affected the expression of both early and late biosynthetic genes in anthocyanin-accumulating transgenic tissues, including the newly isolated gene GCHS4. Two new MYB domain factors, named as GMYB11 and GMYB12, were also upregulated. Gene transfer is not only a powerful tool for basic research, but also for plant breeding. However, crop improvement by genetic modification (GM) remains controversial, at least in Europe. Many of the concerns relating to both human health and to ecological impacts relate to changes in the secondary metabolites of GM crops. In the second part of this study, qualitative and quantitative differences in cytotoxicity and metabolic fingerprints between 225 genetically modified Gerbera hybrida lines and 42 non-GM Gerbera varieties were compared. There was no evidence for any major qualitative and quantitative changes between the GM lines and non-GM varieties. The developed cell viability assays offer also a model scheme for cell-based cytotoxicity screening of a large variety of GM plants in standardized conditions.