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.

Molecular Modelling of Estrogen-Producing Enzymes CYP450 Aromatase and 17beta-Hydroxysteroid Dehydrogenase Type 1

Breast cancer is the most common cancer in women in the western countries. Approximately two-thirds of breast cancer tumours are hormone dependent, requiring estrogens to grow. Estrogens are formed in the human body via a multistep route starting from cholesterol. The final steps in the biosynthesis include the CYP450 aromatase enzyme, converting the male hormones androgens (preferred substrate androstenedione ASD) into estrogens(estrone E1), and the 17beta-HSD1 enzyme, converting the biologically less active E1 into the active hormone 17beta-hydroxyestradiol E2. E2 is bound to the nuclear estrogen receptors causing a cascade of biochemical reactions leading to cell proliferation in normal tissue, and to tumour growth in cancer tissue. Aromatase and 17beta-HSD1 are expressed in or near the breast tumour, locally providing the tissue with estrogens. One approach in treating hormone dependent breast tumours is to block the local estrogen production by inhibiting these two enzymes. Aromatase inhibitors are already on the market in treating breast cancer, despite the lack of an experimentally solved structure. The structure of 17beta-HSD1, on the other hand, has been solved, but no commercial drugs have emerged from the drug discovery projects reported in the literature. Computer-assisted molecular modelling is an invaluable tool in modern drug design projects. Modelling techniques can be used to generate a model of the target protein and to design novel inhibitors for them even if the target protein structure is unknown. Molecular modelling has applications in predicting the activities of theoretical inhibitors and in finding possible active inhibitors from a compound database. Inhibitor binding at atomic level can also be studied with molecular modelling. To clarify the interactions between the aromatase enzyme and its substrate and inhibitors, we generated a homology model based on a mammalian CYP450 enzyme, rabbit progesterone 21-hydroxylase CYP2C5. The model was carefully validated using molecular dynamics simulations (MDS) with and without the natural substrate ASD. Binding orientation of the inhibitors was based on the hypothesis that the inhibitors coordinate to the heme iron, and were studied using MDS. The inhibitors were dietary phytoestrogens, which have been shown to reduce the risk for breast cancer. To further validate the model, the interactions of a commercial breast cancer drug were studied with MDS and ligand–protein docking. In the case of 17beta-HSD1, a 3D QSAR model was generated on the basis of MDS of an enzyme complex with active inhibitor and ligand–protein docking, employing a compound library synthesised in our laboratory. Furthermore, four pharmacophore hypotheses with and without a bound substrate or an inhibitor were developed and used in screening a commercial database of drug-like compounds. The homology model of aromatase showed stable behaviour in MDS and was capable of explaining most of the results from mutagenesis studies. We were able to identify the active site residues contributing to the inhibitor binding, and explain differences in coordination geometry corresponding to the inhibitory activity. Interactions between the inhibitors and aromatase were in agreement with the mutagenesis studies reported for aromatase. Simulations of 17beta-HSD1 with inhibitors revealed an inhibitor binding mode with hydrogen bond interactions previously not reported, and a hydrophobic pocket capable of accommodating a bulky side chain. Pharmacophore hypothesis generation, followed by virtual screening, was able to identify several compounds that can be used in lead compound generation. The visualisation of the interaction fields from the QSAR model and the pharmacophores provided us with novel ideas for inhibitor development in our drug discovery project.

POP-inhibiittorin KYP-2047 vaikutukset angiogeneesiin in vitro

Angiogeneesi on tärkeä ilmiö elimistön fysiologiassa, mutta myös lukuisissa patologisissa tiloissa. Angiogeneesi on monivaiheinen prosessi, joka sisältää angiogeneesiä indusoivia ja sitä inhiboivia tekijöitä tasapainossa keskenään. Useat tutkimukset puoltavat sitä, että tymosiini ȕ4 (Tȕ4) ja tetrapeptidi Ac-SDKP (N-asetyyliseryyli- aspartyyli-lysyyli-proliini) indusoivat angiogeneesiä in vitro ja in vivo. Tutkimukset viittaavat myös siihen, että prolyylioligopeptidaasi (POP) hydrolysoi peptidifragmentin Ac- SDKP Tȕ4:n (43 ah) proliinin jälkeen. POP on laajalti esiintyvä seriiniproteaasi, joka pystyy pilkkomaan vain alle 30 aminohapon oligopeptidejä. Tȕ4:n tulee siksi pilkkoutua ensin jonkin, vielä tuntemattoman peptidaasin johdosta. POP:ia on löydetty eniten aivoista, minkä vuoksi sitä on tutkittu varsinkin muistin ja oppimisen häiriötiloissa sekä neurodegeneratiivisten sairausten yhteydessä. POP:in todellinen fysiologinen merkitys on kuitenkin vielä selvittämättä. Tämän pro gradun kirjallisuusosiossa selvitetään angiogeneesiin liittyvien tekijöiden yhteyksiä sekä kuvataan angiogeenisten Tȕ4:n, Ac-SDKP:n ja POP:in ominaisuuksia, esiintymistä ja toimintaa. Kokeellisen osion tarkoituksena oli osoittaa, osallistuvatko POP ja Tȕ4 tetrapeptidin Ac-SDKP muodostumiseen ja kapillaarimuodostumiseen ja edelleen, voidaanko POPaktiivisuutta, tetrapeptidi- ja kapillaarimuodostumista estää spesifisellä POP-inhibiittorilla, KYP-2047:llä. Kokeellinen osa oli kaksiosainen. Ensimmäisessä osassa tutkittiin POPaktiivisuutta ja suoritettiin Ac-SDKP –pitoisuusmittauksia ajanjaksolla 0-180 min Wistarkannan rotista tehdyillä homogenaateilla. Tutkimusryhminä olivat 0,1 ja 0,5 μM KYP-2047 (+2 μM Tȕ4), 1:20 (0,625 μM) humaaniperäinen rekombinantti-POP (+ 2 μM Tȕ4), 2 μM Tȕ4 (pos. kontrolli) ja raakahomogenaatti (neg. kontrolli). Toisessa osassa tutkittiin kapillaarimuodostumista ajanjaksolla 0-180 min humaaniperäisillä napanuoralaskimon primaariendoteelisoluilla MatrigelTM Matrix -päällystetyllä 48- kuoppalevyllä, jolle oli siirrostettu 50 000 solua/kuoppa. Naudan seerumilla ja antibiooteilla käsitellyt tutkimusryhmät olivat 5 ja 10 μM KYP-2047 (+4 μM Tȕ4), 1:20 (0,625 μM) humaaniperäinen rekombinantti-POP (+4 μM Tȕ4), 4 μM Tȕ4 (pos. kontrolli) ja DMEM (neg. kontrolli). Kuoppia inkuboitiin ja kapillaarimuodostuminen kuvattiin valomikroskoopilla digitaalikameralla. Kutakin tutkimusryhmää pipetoitiin kolmeen rinnakkaiseen kuoppaan ja kokeet toistettiin neljästi. Sulkeutuneiden kapillaarien lukumäärä laskettiin manuaalisesti ja tuloksista tehtiin tilastollinen analyysi. 7ȕ4:n ja POP:in havaittiin molempien osallistuvan tetrapeptidin AC-SDKP muodostumiseen munuaishomogenaateissa. Primaariendoteelisolut muodostivat selkeitä kapillaareja Matrigelilla, erityisesti POP- ja Tȕ4–ryhmissä. KYP-2047 inhiboi tehokkaasti POP:ia kaikissa kokeissa osoittautuen hyväksi antiangiogeeniseksi yhdisteeksi. Angiogeneesin mekanismien ja POP:in, Tȕ4:n ja Ac-SDKP:n yhteyksien selvittäminen vaatii luonnollisesti vielä lisätutkimuksia.

Inhibitory effects of wood extracts on the spoilage flora of marinated poultry meat

Polyphenolic compounds occurring naturally in knotwood of plants are known to have antimicrobial effects. The knots (i.e. the branch bases inside tree stems) and outer branches in pine trees contain a remarkably high concentration of phenolic stilbenes, while lignans are the major phenolic constituents of spruce knots. Large amount of these phenolic compounds can be extracted from wood knots at pulp and paper mills where their presence is undesirable. In Finland, marinating of broiler meat is done not only to increase or add value to the meat, but also to enhance the safety and shelf-life. These products are usually packed under a modified atmosphere for further protection against spoilage microorganisms. However, studies have revealed that addition of marinades to poultry products do not have an inhibitory effect on either some psychrotrophic anaerobic bacteria, such as Brochothrix thermosphacta or lactic acid bacteria associated with spoilage. Also, the activity of pathogenic Campylobacter jejuni is not affected by marinating. The objective of this study was to investigate the inhibitory and lethal activities of extracts from spruce (Picea spp.) and pine (Pinus spp.) knotwood and outer branches that are dissolved in ethanol against the spoilage microorganisms in modified atmosphere packaged marinated broiler products. Modified atmosphere packaged broiler products were separately inoculated with ‘normal’ marinades, marinades with 70% ethanol, marinades with a mixture of spruce and pine extracts dissolved in 70% ethanol or mixture of spruce and pine extracts in powder form. The bacterial colony forming units per gram obtained from each of the samples were analysed on de Man Rogosa and Sharpe agar at days 1, 6, 12 and 15. The results showed that there were significant differences in bacterial colony forming units per gram (P <0.05) between packages with ‘normal’ marinades and packages with extracts added to their marinades on the 12th and 15th day. It can be concluded that the addition of extracts from spruce and pine knotwood to marinades significantly retarded growth of spoilage microorganisms during the 15 day test period. However further research is warranted to characterise and establish the safety and suitability of the compound(s) in spruce and pine knotwood extracts that are responsible for inhibitory or lethal activity against the microbes that may be present in marinated poultry meat.