Curcumin, quercetin, and tBHQ modulate glutathione levels in astrocytes and neurons: importance of the glutamate cysteine ligase modifier subunit.

A decrease in GSH levels, the main redox regulator, can be observed in neurodegenerative diseases as well as in schizophrenia. In search for substances able to increase GSH, we evaluated the ability of curcumin (polyphenol), quercetin (flavonoid), and tert-butylhydroquinone (tBHQ) to up-regulate GSH-synthesizing enzymes. The gene expression, activity, and product levels of these enzymes were measured in cultured neurons and astrocytes. In astrocytes, all substances increased GSH levels and the activity of the rate-limiting synthesizing enzyme, glutamate cysteine ligase (GCL). In neurons, curcumin and to a lesser extent tBHQ increased GCL activity and GSH levels, while quercetin decreased GSH and led to cell death. In the two cell types, the gene that showed the greatest increase in its expression was the one coding for the modifier subunit of GCL (GCLM). The increase in mRNA levels of GCLM was 3 to 7-fold higher than that of the catalytic subunit. In astrocytes from GCLM-knock-out mice showing low GSH (-80%) and low GCL activity (-50%), none of the substances succeeded in increasing GSH synthesis. Our results indicate that GCLM is essential for the up-regulation of GCL activity induced by curcumin, quercetin and tBHQ.

Effect of dark chocolate on renal tissue oxygenation as measured by BOLD-MRI in healthy volunteers.

Background: Cocoa is rich in flavonoids, has anti-oxidative properties and increases the bioavailability of nitric oxide (NO). Adequate renal tissue oxygenation is crucial for the maintenance of renal function. The goal of this study was to investigate the effect of cocoa-rich dark chocolate (DC) on renal tissue oxygenation in humans, as compared to flavonoid-poor white chocolate (WC). Methods: Ten healthy volunteers with preserved kidney function (mean age ± SD 35 ± 12 years, 70% women, BMI 21 ± 3 kg/m2) underwent blood oxygenation level-dependent magnetic resonance imaging (BOLD-MRI) before and 2 hours after the ingestion of 1 g/kg of DC (70% cocoa). Renal tissue oxygenation was determined by the measurement of R2* maps on 4 coronal slices covering both kidneys. The mean R2* (= 1/T2*) values in the medulla and cortex were calculated, a low R2* indicating high tissue oxygenation. Eight participants also underwent BOLD-MRI at least 1 week later, before and 2 hours after the intake of 1 g/kg WC. Results: The mean medullary R2* was lower after DC intake compared to baseline (28.2 ± 1.3 s-1 vs. 29.6 ± 1.3 s-1, p = 0.04), whereas cortical and medullary R2* values did not change after WC intake. The change in medullary R2* correlated with the level of circulating (epi)catechines, metabolites of flavonoids (r = 0.74, p = 0.037), and was independent of plasma renin activity. Conclusion: This study suggests for the first time an increase of renal medullary oxygenation after intake of dark chocolate. Whether this is linked to flavonoid-induced changes in renal perfusion or oxygen consumption, and whether cocoa has potentially renoprotective properties, merits further study.

Phytochemical investigation of alpine plants : the cottonsedges Eriophorum scheuchzeri Hoppe, E. angustifolium Honck. and E. latifolium Hoppe (CYPERACEAE)

Résumé: Alpine plants living at high altitudes undergo a series of climatic stress factors (chilling, enhanced UV radiation, short growing season, low nutriment supply...) which may influence their secondary compounds composition. Many publications showed in these last years that plants under stress conditions do synthesize a range of specific defence compounds (terpenes, flavonoids, coumarines...). A careful phytochemical investigation of those plants could therefore lead to the discovery of active molecules. Thus, for the biological and chemical screening, about 30 alpine plants have been collected above 2000 metres, in the alpine grass-lands. Eriophorum scheuchzeri Hoppe (Cyperaceae), not yet investigated phytochemically, revealed in its lipophilic and polar extracts the presence of various radical scavengers in a TLC autography with the DPPH (2,2-dipheny1-1- picrylhydrazyl) radical as spray reagent, as well as several antifungal compounds acitve against Cladosporium cucumerinum and Candida albi cans. The first part of this study consisted in the detection, isolation and characterization of the bioactive natural compounds present in the lipophilic extract of Eriophorum scheuchzeri. Among the eight isolated compounds, six were isoflavones. No isoflavones have been reported in the Cyperaceae family yet, nor in related families such as Poaceae or Juncaceae. Besides, isoflavones are generally rare in the plant kingdom and and they occur only in some families, such as Fabaceae, Rosaceae or Myristicaceae. In addition, out of these six isoflavones, three were new isoflavones. The known compounds were parvisoflavone A and B and cajanin which are already known isoflavones in the Fabaceae family. Two of the new isoflavones were particular, as they were C-methylated on the B-ring at the C-3' position. Methylated flavonoids are particularly rare in the plant kingdom. At present, no C-methylated isoflavones with methyl groups on the B-ring have ever been reported. The fourth new compound was a prenylated flavanone. Flavanones are also rare in the Cyperaceae family since they were found only in two genera (Cyperus and Schoenus). Finally, the widespread flavone tricin, characteristic of the Cyperaceae and Poaceae family has also been isolated. The second part of this study consisted in the characterization of the polar components present in the Me0H extract. In order to obtain mass and UV information about the secondary compounds present in the Eriophorum scheuchzeri methanolic extract, a LC-UV/DAD-APCl/MSn analysis has been performed as a first dereplication step. The UV/DAD spectra showed the presence of polyphenol compounds (phenylpropanoids and flavonoids). The LC-APCI/MSn analysis allowed the determination of the molecular weight of these compounds. Moreover, the fragmentation pattern of the [M+H]+ ions indicated presence of mono-, di- and tri-glycosides. LC-UV in combination with UV shift reagents added post-column was used in a second phase for the structural elucidation of the flavonoids. It allowed the positioning of the sugars on the aglycones. Finally, LC-NMR was used for a more detailed structural investigation of the compounds present in the crude MEOH extract. Thus, 10 fiavonoids have been totally or partially characterized by LC-UV-MS and LC-1H-RMN and UV-shift reagents added post column. However, the information obtained on-line was not always sufficient to allow a complete identification of all the compounds. Some of these compounds especially those with more than two sugar units attached to them, have been isolated in order to proceed to their complete characterization. Moreover, the Eriophorum scheuchzeri species was compared to two other species from the same genus. A LC-UV-ESI/MS analysis enabled a survey of the chemical composition of the DCM extracts of two related species E. angustifolium (Honck) and E. latifolium (Hoppe). The chromatograms of the three species showed some similarities in their flavonoid contents, especially by the recurrent presence of three compounds. The MEOH extracts of all three species have been compared by means of LC-UV-APCl/MS analyses. The chromatographic profile of all the three species showed even closer similarities than those found in the DCM extracts. E. angustifolium Honck. and E. latifolium species showed 7 compounds in common. Finally, the pure compounds obtained from the DCM (CH2Cl2) fraction were tested at different concentration, in order to evaluate their chemical and biological activities. All eight compounds showed an anti-scavenger activity against the DPPH radical, and four compounds showed antifungal activities against Cladosporium cucumerinum and Candida albicans. The pure compounds isolated from the MeOH extract were tested only for their biological activities as their antioxidant activity is already well documented in the literature. No compound showed a biological activity against Cladosporium cucumerinum and Candida albicans. Résumé: De nombreux travaux ont démontré ces dernières décennies que les plantes soumises à différents types de stress (basse température, UV, stress hydrique) synthétisent des composés secondaires (fiavonoides, coumarines, terpènes...) de protection et de défense. Les plantes d'altitude par exemple qui sont exposées à des conditions climatiques et environnementales difficiles, ont tendance à synthétiser des substances antioxydantes et antiradicalaires. Une investigation phytochirnique de ces plantes a conduit à la découverte de nouvelles molécules actives. Ainsi plusieurs plantes alpines ont été sélectionnées en fonction de leur habitat en vue de les soumettre aux tests biologiques (antifongiques) et chimiques (antiradicalaires) menés en routine dans notre laboratoire. Dans ce criblage biologique préliminaire, les extraits d'Eriophorum scheuchzeri Hoppe (Cyperaceae) ont réagi positivement aux différents tests. Il a donc été décidé d'entreprendre l'isolement des composés actifs. La première partie de ce travail a consisté à détecter, isoler et caractériser les composés naturels actifs présents dans l'extrait apolaire d' Eriophorum scheuchzeri. Parmi les huit composés isolés, quatre d'entre eux sont nouveaux. Un de ces produits est une flavanone et trois sont de nouvelles isoflavones, particulièrement intéressantes car elles possèdent des groupements C-méthylés au niveau du cycle B. Les flavonoides C-méthylés sont peu répandus dans le règne végétal et les rares exemples connus sont généralement C-méthylés sur le cycle A. Les quatre autres composés isolés n'ont jamais été décrits dans cette famille. Il s'agit d' isoflavones, les parvisoflavones A et B et la cajanine. Enfin, la flavone tricine, flavonoide caractéristique des Cyperaceae et des Poaceae a également été isolée. La deuxième partie de ce travail a consisté à caractériser les constituants polaires présents dans l'extrait methanolique. L'extrait a été analysé par chromatographie analytique couplée à différentes méthodes spectroscopiques (LC-UV-MS et LC-UV-1H RMN). De cette façon, douze flavonoides et un dérivé du phénylpropane, l'acide chlorogénique ont été identifiés. Les flavonoides tri-glycosylés ont dû être isolés afin de déterminer la nature et l'enchaînement des sucres. Finalement, l'espèce Eriophorum scheuchzeri a été comparée à deux autres espèces d' Eriophorum, soit E. angustifolium et E. latifolium. En conclusion, cette étude phytochimique a abouti à l'isolement de plusieurs nouvelles isoflavones aux activités antioxydantes et antifongiques ainsi qu'oestrogéniques.

Investigation phytochimique d'une plante médicinale malgache Hypoestes serpens (Vahl) R. Br. (Acanthaceae) variété glabre et étude comparative avec la variété poilue

Résumé A Madagascar, comme dans plusieurs pays en développement, une grande partie de la population utilise les plantes pour se soigner. Plusieurs espèces des plantes sont ainsi utilisées en médecine traditionnelle malgache. Par ailleurs, la plupart de ces plantes ne font l'objet que de très peu d'étude scientifique. En effet, dans le cadre de l'investigation phytochimique de plantes utilisées en médecine traditionnelle malgache et dans la recherche des nouvelles substances biologiquement actives, Hypoestes serpens (Vahl) R. Br. (Acanthaceae) a été étudiée. Elle se présente sous deux variétés (glabre et poilue) qui sont tous utilisées dans la région sud-centre de Madagascar pour traiter la blennorragie. De l'extrait dichlorométhanique des feuilles de H. serpens (Vahl) R. Br. variété glabre, 12 diterpénoides dont 8 nouveaux ont été isolés. Ils ont tous montré une activité antifongique contre un champignon pathogène des plantes, Cladosporium cucumerinum, dans la bioautographie directe sur CCM. Quelques-uns ont également présenté une activité contre une levure saprophyte chez l'homme, Candida albicans et une activité inhibitrice de l'enzyme acétylcholinesterase. Les diterpènoïdes sont déjà considérés comme les principaux métabolites secondaires du genre Hypoestes. Le fractionnement de l'extrait méthanolique a conduit à l'isolement de 5 glycosides des flavonoïdes dont 4 sous formes C-g,lycosides qui n'ont jamais été identifiés dans la famille Acanthaceae. Ces flavonoïdes ont présenté une activité antiradicalaire contre le DPPH. Le fractionnement et la purification des extraits ont été effectués à l'aide des différentes techniques chromatographiques telles que la chromatographie sur colonne ouverte, la filtration sur gel, la chromatographie liquide à haute pression, la chromatographie liquide à moyenne pression et la chromatographie liquide à basse pression. Par ailleurs, les structures des composés isolés ont été élucidées par des techniques spectroscopiques (UV, MS, RMN) et de méthode chimique (hydrolyse acide). En plus de ces techniques, certaines méthodes physiques (cristallographie par rayons-X, mesure de rotation optique) ont été réalisées pour confirmer certaines structures. Comme l'espèce Hypoestes serpens (Vahl) R. Br. se présente en deux variétés, une étude comparative a été effectuée. Cette étude avait montré que ces deux variétés ont une activité biologique similaire. Finalement, une technique analytique couplée, HPLC-UV-APC1-MS a permis de montrer la présence de toutes les substances isolées de la variété glabre dans la variété poilue. Second résumé Depuis des milliers d'almées, l'homme utilise les plantes pour se soigner. De nos jours, même avec le développement de la médecine moderne, la phytothérapie reste toujours la forme des soins de santé abordable et accessible pour la majorité des populations rurales des pays en développement. En outre, les plantes médicinales constituent une source potentielle de molécules biologiquement actives pour les industries pharmaceutiques et actuellement, on estime que 25% des médicaments commercialisés dans le monde sont à base de plantes Dans le cadre de la recherche des nouvelles molécules à intérêt thérapeutique qui pourraient devenir un médicament ou un modèle de structure ("lead compound") pour le développement de nouveaux médicaments, nous avons fait une étude sur l'espèce, Hypoestes serpens (Vahl) R. Br, plante utilisée en médecine traditionnelle malgache. Cette espèce existe en deux variétés, une glabre et une autre poilue qui sont tous utilisées dans la région sud-centre de Madagascar pour traiter la blennorragie. Par ailleurs, les tradipraticiens utilisent de préférence la variété poilue. Dans la première partie de ce présent travail, une investigation phytochimique de H serpens, variété glabre (variété moins utilisée) a d'abord été effectuée afm d'isoler et d'identifier le maximum des molécules biologiquement actives qu'elle contient. De ce fait, 17 composés dont 8 nouveaux ont été isolés. Les potentiels d'activités thérapeutiques des substances isolées ont ensuite été dépistés sur les différents cibles suivants.: deux souches de champignons (Cladosporium cucumerinum et Candida albicans), l'enzyme acétylcholinesterase et le radical DPPH. La deuxième partie de ce travail a été consacrée sur l'étude comparative des deux variétés (glabre et poilue) de H. serpens à la fois sur le plan biologique et sur le plan phytochimique. A l'issue de cette comparaison, nous avons constaté que l'utilisation de ces deux variétés en médecine traditionnelle malgache n'est pas un hasard ; les deux variétés avaient présenté une activité biologique très remarquable et contiennent les mêmes substances actives. Ces résultats démontrent les potentiels thérapeutiques de H serpens en médecine traditionnelle malgache et pourraient également encourager les tradipraticiens à utiliser la variété glabre tout en protégeant la variété poilue qui est en voie de disparition actuellement. En bref, l'investigation phytochimique de H. serpens justifiée par l'isolement et l'identification de certains de ses principes actifs ouvre la voie aux recherches des médicaments d'origine naturelle. Abstract In Madagascar, as in many developing countries, most people use plants to cure. A large number of plant species are employed in Malagasy traditional medicine. Moreover, most of these plants have been subject only very little scientific study. As part of a phytochemical investigation of plants used in Malagasy traditional medicine and in the search for new biologically active substances, Hypoestes serpens (Vah1) R.Br. (Acanthaceae) was investigated. This species exists in two varieties (glabrous and hairy) which are used in the south-center part of Madagascar to treat gonorrhoea. From the dichloromethane extract of the leaves of H. serpens (Vah1) R. Br. glabrous variety, 12 diterpenoids 8 of which were new, were isolated. They showed antifungal activity against the plant pathogen Cladosporium cucumerinum, in the direct TLC bioautography. Some of them also had activity against the yeast Candida athicans and inhibited acetylcholinesterase. The diterpenes are considered as the principal secondary metabolites of the genus Hypoestes. Fractionation of the methanol extract led to the isolation of 5 flavonoid glycosides, 4 of which were C-glycosides, never before identified in the Acanthaceae family. These flavonoids showed radical scavenging activity against DPPH. The fractionation and the purification of the extracts were achieved by different chromatographic techniques such as open-column chromatography, gel filtration, high- pressure liquid chromatography, medium-pressure liquid chromatography and low-pressure liquid chromatography. Moreover, the structures of the isolated compounds were elucidated by spectroscopic techniques (UV, MS, NMR) and chemical technique (acid hydrolysis). In addition, some physical methods (X-ray crystallography, measurement of optical rotation) were performed to confirm some structures. As the species Hypoestes serpens (Vah1) R. Br. is present in two varieties, a comparative study was carried out. This study showed that these two varieties had similar biological activity. Finally, a coupled analytical technique HPLC-UV-APCI-MS showed the presence of the same compounds in both the glabrous and hairy varieties.

Glutathione deficit in schizophrenia: strategies to increase glutathione levels in " in vitro " and clinical studies

Summary: Decrease in glutathione (GSH) levels was observed in cerebrospinal fluid, prefrontal cortex and post-mortem striatum of schizophrenia patients. Evidences suggest a defect in GSH synthesis at the levels of the rate-limiting synthesizing enzyme, glutamate cysteine ligase (GCL). Indeed, polymorphisms in the gene of the modifier subunit of GCL (GCLM) was shown to be associated with the disease in three different populations, GCLM gene expression is decreaséd in fibroblasts from patients and the increase in GCL activity induced by an oxidative stress is lower in patients' fibroblasts compared to controls. GSH being a major antioxydant and redox regulator, its presence is of high importance for protecting cells against oxidative stress. The aim of the present work was to use various substances to increase GSH levels by diverse strategies. Since the synthesizing enzyme GCL is defective, bypassing this enzyme was the first strategy we used. GSH ethyl ester (GSHEE), a membrane permeable analog of GSH, succeeded in replenishing GSH levels in cultured neurons and astrocytes previously depleted in GSH by L-buthionine-(S,R)-sulfoximine (BSO), an inhibitor of GCL. GSHEE also abolished dopamine-induced decrease of NMDA-mediated calcium response observed in BSO-treated neurons. y-Glutamylcysteine ethyl ester (GCSE), a membrane permeable analog of the product of GCL, increased GSH levels only in astrocytes. The second strategy was to boost the defective enzyme GCL. While quercetin (flavonoid) could increase GSH levels only in astrocytes, curcumin (polyphenol) and tertbutylhydroquinone (quinone) were successful in both neurons and astrocytes, via an increase in the gene expression of the two subunits of GCL and, consequently, an increase in the activity of the enzyme. However, FK506, an immunosupressant, was unefficient. Treating astrocytes from GCLM KO mice showed that the modulatory subunit is necessary for the action of the substances. Finally, since cysteine is the limiting precursor in the synthesis of GSH, we hypothesized that we could increase GSH levels by providing more of this precursor. N-acetyl-cysteine (NAC), a cysteine donor, was administered to schizophrenia patients, using adouble-blind and cross-over protocol. NAC significantly improved the mismatch negativity (MMN), a component of the auditory evoked potentials, thought to reflect selective current flowing through open, unblocked NMDA channels. Considering that NMDA function is reduced when GSH levels are low, increasing these levels with NAC could improve NMDA function as reflected by the improvement in the generation of the MMN. Résumé: Les taux de glutathion (GSH) dans le liquide céphalo-rachidien, le cortex préfrontal ainsi que le striatum post-mortem de patients schizophrènes, sont diminués. L'enzyme limitante dans la synthèse du GSH, la glutamyl-cysteine ligase (GCL), est défectueuse. En effet, des polymorphismes dans le gène de la sous-unité modulatrice de GCL (GCLM) sont associés à la maladie, l'expression du gène GCLM est diminuée dans les fibroblastes de patients et, lors d'un stress oxidative, l'augmentation de l'activité de GCL est plus faible chez les patients que chez les contrôles. Le GSH étant un important antioxydant et régulateur du status redox, sa présence est primordiale afin de protéger les cellules contre les stress oxydatifs. Au cours du présent travail, une variété de substances ont été utilisées dans le but d'augmenter les taux de GSH. Passer outre l'enzyme de synthèse GCL qui est défectueuse fut la première stratégie utilisée. L'éthylester de GSH (GSHEE), un analogue du GSH qui pénètre la membrane cellulaire, a augmenté les taux de GSH dans des neurones et des astrocytes déficitaires en GSH dû au L-buthionine-(S,R)-sulfoximine (BSO), un inhibiteur du GCL. Dans ces neurones, le GSHEE a aussi aboli la diminution de la réponse NMDA, induite parla dopamine. L'éthyl-ester de y-glutamylcysteine (GCEE), un analogue du produit de la GCL qui pénètre la membrane cellulaire, a augmenté les taux de GSH seulement dans les astrocytes. La seconde stratégie était d'augmenter l'activité de l'enzyme GCL. Tandis que la quercétine (flavonoïde) n'a pu augmenter les taux de GSH que dans les astrocytes, la curcumin (polyphénol) et le tert-butylhydroquinone (quinone) furent efficaces dans les deux types de cellules, via une augmentation de l'expression des gènes des deux sous-unités de GCL et de l'activité de l'enzyme. Le FK506 (immunosupresseur) n' a démontré aucune efficacité. Traiter des astrocytes provenant de souris GCLM KO a permis d'observer que la sous-unité modulatoire est nécessaire à l'action des substances. Enfin, puisque la cysteine est le substrat limitant dans la synthèse du GSH, fournir plus de ce présurseur pourrait augmenter les taux de GSH. Nacétyl-cystéine (NAC), un donneur de cystéine, a été administrée à des schizophrènes, lors d'une étude en double-aveugle et cross-over. NAC a amélioré le mismatch negativity (MMN), un composant des potentials évoqués auditifs, qui reflète le courant circulant via les canaux NMDA. Puisque la fonctionnalité des R-NMDA est diminuée lorsque les taux de GSH sont bas, augmenter ces taux avec NAC pourrait améliorer la fonction des R-NMDA, réflété par une augmentation de l'amplitude du MMN.