Flavonoider-makromolekylers interaktioner i mänskliga sjukdomar med fokus på Alzheimer, ateroskleros och cancer

Nå e-post:tina.xiang@wecistanche.comFör mer information

Abstrakt: Flavonoider, en klass av polyfenoler, som konsumeras dagligen i vår kost, är förknippade med en minskad risk för oxidativ stress (OS)-relaterade kroniska sjukdomar, såsom hjärt-kärlsjukdomar, neurodegenerativa sjukdomar, cancer ochinflammation. Inblandningen av flavonoider med OS-relaterade kroniska sjukdomar har traditionellt tillskrivits deras antioxidantaktivitet. Bevis från nyare studier tyder dock på att flavonoiders gynnsamma inverkan kan tillskrivas deras interaktion med cellulära makromolekyler, snarare än att utöva en direkt antioxidanteffekt. Denna recension ger en översikt över den senaste utvecklingen av forskning om interaktioner mellan flavonoider och lipoproteiner, proteiner, kromatin, DNA och cellsignalerande molekyler som är involverade i de OS-relaterade kroniska sjukdomarna; den fokuserar på de mekanismer genom vilka flavonoider dämpar utvecklingen av de tidigare nämnda kroniska sjukdomarna via de direkta och indirekta effekterna på genuttryck och cellulära funktioner. Den aktuella recensionen sammanfattar data från litteraturen och från vår senaste forskning och jämför sedan specifika flavonoiders interaktioner med deras mål, med fokus påflavonoidstruktur-aktivitet relationer. Dessutom presenteras de olika metoderna för att utvärdera flavonoid-protein- och flavonoid-DNA-interaktioner. Vårt mål är att belysa flavonoidernas verkan i kroppen, bortom deras väletablerade, direkta antioxidantaktivitet, och att ge insikter i de mekanismer genom vilka dessa små molekyler, som konsumeras dagligen, påverkar cellulära funktioner.

Nyckelord:flavonoid; antioxidant; oxidativ stress; inflammation; Alzheimer; ateroskleros; cancer

1. Introduktion

Flavonoiderär en klass av polyfenoler i växter som konsumeras i stor utsträckning i vår kost. De har en generell C6–C3–C6 strukturell ryggrad, där de två C6-enheterna (Ring A och Ring B) är av fenolisk natur. Flavonoider kan delas in i olika undergrupper, såsom flavoner, flavonoler, flavanoner, flavanonoler, flavan-3-oler och antocyaniner (Figur 1). Medan i de flesta flavonoider är ring B fäst vid C2-positionen i ring C, i vissa, såsom isoflavoner och isoflavaner, är ring B ansluten vid C3-positionen [1].

Dietflavonoiderär naturliga produkter som har stor spridning i växtriket. Många livsmedel och drycker, såsom frukt, grönsaker, baljväxter, fullkorn, choklad, kryddor, te och vin, är rika källor till flavonoider [1]. Under decennier har forskare och livsmedelstillverkare blivit allt mer intresserade av flavonoider, på grund av deras antioxidantegenskaper, deras stora överflöd i vår kost och deras föreslagna roll i förebyggandet av olika sjukdomar som är associerade med OS, såsom cancer, kardiovaskulära och neurodegenerativa sjukdomar [2–5]. Ny litteratur ger växande bevis på att flavonoiders effekter förmedlas av andra mekanismer än den klassiska antioxidantaktiviteten som drivs av deras kemiska egenskap att donera en elektron eller kelatbilda övergångsmetaller [6,7]. Att utforska deras grundläggande verkningssätt kan ge nya insikter om de mekanismer genom vilka flavonoider påverkar biologiska funktioner.

2. Biologiska aktiviteter av flavonoid

2.1. Flavonoider som antioxidanter

Med hänsyn till deras antioxidantaktivitet,flavonoidertros förhindra sjukdomar som är relaterade till OS via direkt rensning av reaktiva syrearter (ROS) genom donation av en väteatom, aktivering av antioxidantenzymer, metall (såsom järn och koppar)-kelaterande aktivitet och lindring av oxidativ stress som orsakas av kväveoxid (NO) [1,8–11]. Antioxidantaktivitet kan dock inte vara den enda förklaringen till in vivo cellulära effekter av flavonoider, eftersom antioxidantaktiviteten uttrycks vid flavonoidkoncentrationer som är över 10 µM, men deras koncentration i cirkulationen överstiger inte 2 µM [12]. Dietära flavonoider absorberas dåligt från tarmen, metaboliseras i hög grad eller elimineras snabbt. Under absorptionen konjugeras flavonoider i tunntarmen och senare i levern. Denna process innefattar huvudsakligen metylering, sulfatering och glukuronidering. Detta är en metabolisk avgiftningsprocess som är gemensam för många främlingsfientliga läkemedel som begränsar deras potentiella toxiska effekter och underlättar deras gall- och urineliminering genom att öka deras hydrofilicitet [13]. Nyligen genomförda studier har föreslagit att de biologiska effekterna av flavonoider kan förmedlas av olika mekanismer som ännu inte har utforskats fullt ut. Den här översikten fokuserar på flavonoiders verkningssätt genom deras interaktion med makromolekyler, såsom lipoproteiner, cell- och serumproteiner, och DNA och RNA (Figur 2）

2.2. Flavonoidinteraktioner med makromolekyler

2.2.1. Flavonoid-proteininteraktioner

Molekylära interaktioner av proteiner och nukleinsyror med lågmolekylära föreningar är ett område av grundläggande intresse [14]. Vid låga koncentrationer kan molekyler, såsom joner, metaboliter och osmolyter, påverka proteiner, såsom enzymer, receptorer, antikroppar och transkriptionsfaktorer [15]. Effekten kan vara på strukturella, funktionella eller konformationella nivåer [7]. Kostflavonoider är ett bra exempel på små molekyler som förmedlar cellulära effekter, vilka är centrala för intracellulära signalkaskader [16]. Effekterna av flavonoid-enzymkomplex som bildas av flavonoiders interaktion med till exempel hydrolaser, oxidaser och kinaser på enzymets struktur och aktivitet har undersökts mycket. Undersökningar har föreslagit att flavonoider selektivt interagerar med olika komponenter av proteinkinaser och förändrar deras fosforyleringstillstånd, vilket reglerar flera cellsignaleringsvägar [17]. På liknande sätt har flavonoider visat sig fungera som ligander för nukleära receptorer, vilket orsakar deras proliferation eller aktivering och modulerar energihomeostas. Apigenin och kaempferol undertryckte direkt interaktionen mellan östrogenrelaterad receptor (ERR) och dess samaktivator peroxisomproliferatoraktiverade receptorkoaktivator-1 (PGC-1). Däremot undertryckte luteolin PGC-1-aktivitet genom att främja nedbrytningen av PGC-1, vilket ledde till undertryckt ERR-aktivitet i HeLa-celler [7,18]. Flavonoider, såsom glabridin och glabrene, kan också interagera med och modulera de endogena aktiviteterna av östrogenreceptorer i mänskliga endotelceller och glatta muskelceller, och kan därigenom bromsa och till och med förhindra hjärt-kärlsjukdomar och utvecklingen av bröst- och äggstockscancer hos postmenopausala kvinnor [19]. Dessutom har flavonoidernas förmåga att interagera med serumalbumin och andra serumproteiner också undersökts [20,21]. De reversibla eller irreversibla protein-flavonoid-interaktionerna beror på pH, temperatur och protein- och flavonoidkoncentrationer [22]. Även om det biologiska ödet för protein-flavonoidkomplex in vivo fortfarande är okänt, visade sig flavonoider påverka olika mänskliga sjukdomar som var relaterade till OS, såsom cancer, och kardiovaskulära och neurodegenerativa sjukdomar [23-25].

Metoder för att karakterisera flavonoid-proteininteraktioner

Flera studier har utförts för att karakterisera interaktionerna mellan dietära flavonoider och proteiner, främst serum och livsmedelsrelaterade proteiner, till exempel serumalbuminer och -kasein [26–30]. Flavonoid-proteininteraktioner sker huvudsakligen genom icke-kovalent bindning som härrör från hydrofob, van der Waals, vätebryggbindande och joninteraktioner, vilket kan förändra proteinkonformationer och enzymaktiviteter [31]. Icke-kovalenta interaktioner mellan flavonoider och proteiner är svaga och reversibla. Studier har också gett information om de kovalenta reaktionerna mellan flavonoider och proteiner. Flavonoider kan lätt oxidera och kovalent reagera med amino- och tiolsidokedjorna i ett protein genom irreversibel bindning [32]. Många metoder, mestadels spektroskopiska, har utvecklats för att karakterisera de icke-kovalenta interaktionerna mellan flavonoider och proteiner (tabell 1) [33-36].

UV-synlig spektroskopi används för att förutsäga flavonoid-proteininteraktioner och ge information om arten av dessa interaktioner. Proteinabsorption vid 280 nm är relaterad till de aromatiska aminosyrorna tryptofan, tyrosin och fenylalanin, som kan stimuleras ytterligare vid interaktion med flavonoider [37]. Cirkulär dikroismspektroskopi används för kvantitativ analys av konformationsförändringar, -helix- och -sheetförändringar, i proteiner på grund av icke-kovalenta interaktioner med små molekyler, såsom flavonoider [38]. Fourier transform infraröd spektroskopi används också för att bestämma förändringar i proteiners sekundära struktur som ett resultat av flavonoidinteraktioner. Denna metod gör det möjligt att tolka den sekundära strukturen från formen av amid I-bandet, som ligger runt 1650–1660 cm [38]

Termodynamiska egenskaper hos bindningsinteraktionen mellan flavonoider och proteiner kan studeras med isotermisk titreringskalorimetri, en metod som bygger på att mäta värmen som utvecklades under den molekylära associationen [39]. Vitali et al. utvärderade bindningsinteraktionerna mellan fyra flavonoider (kaempferol, luteolin, quercetin och resveratrol) och humant serumalbumin och glutation S-transferas Pi isoform 1 med hjälp av Taylor dispersion ytplasmonresonans (SPR) - en mycket känslig, etikettfri teknik för att studera icke-kovalenta interaktioner av biomolekyler, särskilt mellan proteiner, och mellan proteiner och små molekyler [40].

Tryptofan (Trp)-fluorescenssläckningsanalys är en annan känslig, selektiv och allmänt använd metod för att bestämma interaktioner mellan flavonoider och proteiner [21,41,42]. Excitationen av proteiner vid 280–290 nm inducerar emission av fluorescens i intervallet 340–350 nm på grund av närvaron av Trp. fluorescenssläckning i detta område kan tillskrivas flavonoidbindning. Vid användning av denna metod kan släckningsmekanismen – statisk (komplex bildning mellan polyfenol och protein) eller dynamisk (kollision av fluoroforen med quenchern) – bestämmas med hjälp av Stern-Volmer-ekvationen och beräkning av Stern-Volmer-konstanten och släckningshastighetskonstanten . För statisk släckning kan bindningskonstanten och antalet bindningsställen i proteinmolekylen beräknas, och sedan kan termodynamiska egenskaper karakteriseras. Slutligen kan dockningsberäkningar användas för att förutsäga anpassningen av den utvärderade liganden i proteinet, där formen är komplementär till bindningsstället. Beräkningsmodellering kompletterar experimentella data om flavonoid-proteinbindning och det möjliggör storskalig screening för olika proteinmål valda från de strukturer som finns tillgängliga i Protein Data Bank (PDB) [43].

2.2.2. Flavonoidinteraktioner med DNA och kromatin

Det finns en hel del bevis i den vetenskapliga litteraturen för genomreglering av flavonoider via genuttryck och kromosomförändringar [24,51], även om den exakta verkningsmekanismen förblir oklar [48,52]. Flavonoider, såsom quercetin och EGCG, har visat sig penetrera cellmembran och ackumuleras i kärnan av mänskliga tarm- och leverceller [53,54]. Strukturen av quercetin möjliggör hydrofob naturtyp interkalering av dess mest hydrofoba segment in i det inre av DNA-spiralen [55]. Quercetin interkalerar med DNA- och RNA-duplex och binder företrädesvis till triplex- och tetraplex-DNA i humana prostatacancerceller (DU 145) [53]. Även om samma antal OH-grupper, som huvudsakligen är involverade i väteöverföringsmekanismen, finns i kaempferol och luteolin, uppvisar den senare en något högre affinitet till DNA. Detta kan bero på närvaron av OH vid dess 30-position. Struktur-aktivitetsrelationer i flavonoid-DNA-interaktioner har verkligen upptäckts i stor utsträckning. Det föreslås att flavonoiders affinitet för DNA ökar längs samma sekvens som den som uppvisas av deras biologiska aktivitet [44]. Vid DNA-behandling med EGCG eller quercetin noterades olika effekter, inklusive DNA-skador, i humana perifera lymfocyter [56,57]. Studier visar att EGCG hämmar aktiviteterna hos olika kromatinproteiner, såsom cAMP-responselementbindande protein, DNA-polymeras, DNA-metyltransferas och DNA-topoisomeras i mänskliga lungor och kolorektala adenomceller och i möss lever, lungor och njure [6,24 ]. Dessa reaktioner påverkas sannolikt av EGCG-bindning till DNA och RNA, eller till proteinerna som är fästa till nukleinsyror i olika typer av interaktion. Även om interaktionerna mellan flavonoider, såsom resveratrol, quercetin, EGCG och genistein, med DNA, är kända, är den exakta platsen för flavonoidbindningsställena på DNA:t, interaktionssättet och dess funktion i genomet inte helt förstått.

Metoder för karakteriseringFlavonoid– DNA-interaktioner
Kovalent bindning av små molekyler till DNA observerades först i början av 1980-talet [58]. Efter den kovalenta bindningen av [14C], quercetin till DNA bestämdes, hävdades det att flavonoider har motstridiga biokemiska aktiviteter (mutagen effekt å ena sidan och anticarcinogen effekt å andra sidan) [44]. Förutom kovalent bindning kan flavonoider interagera med DNA genom interkalering, groove-bindning och ryggradsbindning. Flera metoder har använts för att belysa de icke-kovalenta interaktionerna mellan flavonoider och DNA, inklusive elektrokemiska och SPR-tekniker, linjär dikroism, absorption, fluorescens och kärnmagnetisk resonansspektroskopi [44-46]. Bindningen av 10 aglykoner och flavonoidglykosider med DNA-duplex undersöktes med användning av elektrosprayjoniseringsmasspektrometri (ESI-MS) [47]. ESI-MS-analys och SPR visade att exakt tre molekyler av EGCG binder till poly(dT) 18 mer enkelsträngade DNA-oligomerer via en hydroxylgrupp i trihydroxifenylgruppen i EGCG. Vid bindning skyddade EGCG dubbelsträngade DNA-oligomerer från att smälta till enkelsträngat DNA [59].

Idag används beräkningssimulering och spektroskopi främst för att utforska biofysisk information (t.ex. interaktionsläge) om interaktionerna mellan flavonoider och DNA [60]. Experiment som utförts under de senaste åren har föreslagit specifika konsensus-DNA-bindningsställen för flavonoider. Quercetin binder till exempel till dodecamer-duplexsekvensen CGCGAATTCGCG, vars obundna struktur löstes för många år sedan (PDB ID: 1BNA) [61]. För närvarande kan en organisms fullständiga genom avslöjas med hjälp av nästa generations sekvenseringsteknik (NGS), såsom Illumina eller Sanger massivt parallella sekvenseringsmaskiner. Dessutom, enligt specialiserade protokoll, är det möjligt att extrahera DNA i specifika regioner eller med specifika funktioner och sedan använda NGS för att erhålla DNA-sekvensen. Chem-seq (kemisk affinitetsfångning kopplad med massivt parallell DNA-sekvensering) är en ny NGS-applikation, som nyligen användes för att extrahera och sekvensera DNA-regioner som var bundna till små molekyler. Denna metod gör det möjligt att fånga kromatinregioner bundna till små molekyler utan föregående information, dvs med en opartisk, ospecifik markör [49]. De senaste studierna har redan illustrerat förmågan att isolera kända läkemedel-kromatin-interaktioner med hjälp av Chem-seq [49,50]. Atrahimovich et al. använde Chem-seq-tekniken för att karakterisera interaktionerna mellan quercetin och cellulärt DNA och visade dess efterföljande effekt på nedströms transkription [48]. Resultaten visar att quercetin binder till monocyternas kromatin och modulerar uttrycket av gener som är involverade i cellcykeln och cellutvecklingen [48]. Med användning av Chem-seq-applikation kan flavonoiders interaktioner med DNA och kromatin bestämmas för att studera dess betydelse. Denna förmåga kan vara oerhört viktig för medicin och människors hälsa, och fördelaktig för utformningen av lämpliga kostinsatser och läkemedel för cancerbehandling.

3. Flavonoider dämpar mänskliga sjukdomar via direkta interaktioner med proteiner, lipoproteiner och DNA

3.1. Flavonoider interaktioner med nyckelproteiner involverade i inflammation

Inflammationkännetecknar immunsystemets skyddande svar, vilket involverar produktion av olika proinflammatoriska cytokiner och kemokiner, som ökar produktionen av interferon-, proteaser, NO och ROS [62]. Cytokiner inducerar också uttrycket av cyklooxygenas-2 (COX-2), ett enzym som katalyserar produktionen av prostaglandiner (PGs), som är viktiga mediatorer av inflammation [63]. Xantinoxidas (XO) är en annan kritisk källa till ROS som bidrar till inflammation. Inflammatoriska tillstånd leder till ökade XO-nivåer och därmed till ökad ROS-generering och peroxinitritbildning. Peroxinitrit är en kraftfull reaktiv kväveart (RNS) åtföljd av OS, som produceras genom reaktionen av NO och superoxidradikaler [64].

Flera verkningsmekanismer har föreslagits för att förklara flavonoiders antiinflammatoriska aktivitet in vivo, såsom antioxidantaktivitet och modulering av produktionen av proinflammatoriska cytokiner och genuttryck [11]. Intressant nog påverkar flavonoider den inflammatoriska processen inte bara genom att minska uttrycket av cytokiner och andra relaterade inflammatoriska markörer utan också genom att interagera med proteiner som är relaterade tillinflammation. Flavonoider har visat sig modulera aktiviteten hos arakidonsyra (AA)-metaboliserande enzymer, såsom fosfolipas A2 (PLA2), COX och lipoxygenas (LOX), och det NO-producerande enzymet kväveoxidsyntas (NOS). Flavonoidernas hämning av dessa enzymer minskar produktionen av AA, PG, leukotrien och NO, vilka är avgörande mediatorer avinflammation. Således är flavonoidhämning av dessa enzymer definitivt en av de viktiga cellulära mekanismerna för antiinflammation [65].

Quercetin var den första upptäckta flavonoidhämmaren av PLA2, från mänskliga neutrofiler. Quercetin visade sig selektivt hämma grupp II sekretorisk PLA2 [66]. På samma sätt hämmade rutin selektivt humant PLA2-II från ledvätska, medan det var en svag hämmare av humant PLA2-I från pankreasjuice. När olika flavonoider jämfördes för deras förmåga att hämma PLA2, verkade små förändringar i strukturen påverka både den totala PLA2-hämningen och grupp II-selektiviteten. Positionen för hydroxylgrupperna visade sig vara en viktig aspekt av C-ringens -2, 3-dubbelbindning. Hydroxylgrupperna i 3'- och 4'-positionerna på B-ringen verkade vara viktiga för den selektiva hämningen av PLA2-II, medan 5-hydroxylgruppen på A-ringen, omättnaden , och 4-oxin på C-ringen verkade vara viktig för flavonoidernas totala förmåga att hämma PLA2-aktivitet [67]; hämningen av PLA2 var mycket beroende av hydroxylgruppernas position på ringarna A, B och C, medan hydroxylgrupperna i positionerna 5, 6 och 7 på A-ringen antogs vara nödvändiga för att binda till PLA2. Således visade quercetin, kaempferol och galangin hög hämmande aktivitet på PLA2, medan naringin visade en lägre hämmande aktivitet [68].

COX producerar PG och tromboxaner och finns i minst två olika isoformer, COX-1 och COX-2. COX-1 är ett konstitutivt enzym som finns i nästan alla celltyper. Medan COX-2 är ett inducerbart enzym som är starkt uttryckt iinflammation-relaterade celltyper, inklusive makrofager och mastceller [69]. Eftersom det producerar PG är COX-2 nära förknippat med akuta såväl som kroniska typer av inflammatoriska störningar. Vissa flavonoider, såsom luteolin, 3',4'-dihyroxiflflavon, galangin och morin, katekin och epicatechin, har visat sig hämma råttnjuremärgen COX med IC50 på 100–130 µM [70]. I humana trombin-aggregerade blodplättar visade sig vissa flflavonoider, såsom krysin och apigenin, vara COX-hämmare med IC50 på 13 och 18 µM, medan myricetin och quercetin vid 10 µM utövar en stark hämning av LOX. I synnerhet minskade minskningen av C-2, 3-dubbelbindning och glykosylering flavonoidernas hämmande aktiviteter [71]. In-silico-analys visade att quercetin delvis kunde hämma COX-2-enzymet genom att binda till subenhet A, som har peroxidasaktivitet och fungerar som en ROS-källa [72].

Rent generellt,flavonoiderkan huvudsakligen vara involverad iinflammationprocess via hämning och reglering av enzymer som modulerar pro-inflammatoriska cytokiner eller små molekyler, såsom ROS och RNS.

3.2. Flavonoiders interaktioner med nyckelproteiner vid Alzheimers sjukdom (AD)

AD är en utbredd neurodegenerativ sjukdom som kännetecknas av neurofibrillära trassel, senila plack och synaptisk förlust, vilket så småningom resulterar i neuronal död [78,79]. AD är en form av demens, som kännetecknas av progressiv minnesförlust, försämrade språkkunskaper och andra kognitiva funktionsnedsättningar, och den drabbar oftast äldre [80]. AD:s etiologi är oklar; emellertid beaktas en mängd olika faktorer i sjukdomens patofysiologi, såsom bildandet av amyloid-protein (A)-plack, låga nivåer av acetylkolin, oxidativ stress och onormala posttranslationella modifieringar av tau-protein [81,82]. Den sekventiella klyvningen av amyloidprekursorprotein bildar aggregat av A-peptider med 39–43 aminosyror, som fastnar på neuronerna som olösliga amyloidplack. A genereras från amyloidprekursorproteinet av -site amyloidprekursorproteinklyvningsenzym-1 (BACE-1, -sekretas) och -sekretaser [83,84]. Således antas hämningen av BACE-1 spela en viktig roll i förebyggandet av AD [85].

Signalsubstansen acetylkolin spelar en viktig roll i processen för inlärning och minne i hippocampus. Två enzymer, acetylkolinesteras (AChE) och butyrylkolinesteras (BChE) är involverade i hydrolysen av acetylkolin, vilket sänker dess nivå under utvecklingen av AD. Därför är hämningen av AChE och BChE en mycket önskvärd strategi för behandling av AD [86–88]. De kliniskt godkända läkemedlen takrin, donepezil, galantamin och rivastigmin förbättrade korttidsminnet och kognitiva nivåer genom hämning av AChE. Nackdelarna med dessa läkemedel och deras gradvisa biverkningar, såsom perifera biverkningar, levertoxicitet och störningar i mag-tarmkanalen, har uppmuntrat forskare att utveckla effektivare AChE-hämmare [89–91].
Flavonoider är lovande naturliga produkter med neuroprotektiv potential, som antingen förhindrar uppkomsten eller bromsar utvecklingen av åldersrelaterade neurodegenerativa sjukdomar. Mekanismen genom vilken flavonoider förhindrar eller bromsar utvecklingen av AD kan vara via direkt interaktion med nyckelenzymer som är involverade i denna sjukdom [81, 85, 92-95]. Shimmyo et al. undersökte potentialen hos flavonoler och flavoner att hämma BACE-1. De fann att fyra flavonoler: myricetin, quercetin, kaempferol och morin, och en flavon: apigenin, direkt hämmar BACE-1 enzymaktivitet på ett koncentrationsberoende sätt, med IC50-värden på 2,8, 5,4, 14,7, 21,7, respektive 38,5 µM [95]. Studier på åldrade TASTPM-transgena möss (en modell av AD) visade att oral administrering av (-)-epicatechin reducerar A-patologi genom indirekt, icke-katalytisk BACE-1-hämning och inte genom modulering av antingen - eller -sekretasaktivitet [96 ]. Epigallocatechin-3-gallat (EGCG) och curcumin visade sig minska A-medierad BACE-1-uppreglering i neuronala kulturer, vilket intressant nog ökade den nonamyloidogena bearbetningen av amyloidprekursorproteinet genom att förbättra -sekretasklyvningen [95] ]. Pueyo et al. granskade litteraturen om naturliga och syntetiska flavonoider med AChE-hämmande aktivitet. De hittade 128 sådana flflavonoider: 41 flflavoner, 21 flflavanoner, 35 flflavonoler, 25 isofflavoner och sex chalconer. Bland dem hämmade åtta syntetiska flavonoider AChE med IC50 < 100="" nm.="" tre="" naturliga="" flavonoider,="" acaciin="" från="" chrysanthemum="" indicum-blommor,="" och="" desmethylanhydroicaritin="" och="" kaempferol="" från="" sophora="" flavescens="" rötter,="" hämmade="" ache,="" med="" ic50-värden="" på="" 3,2,="" 6,7="" respektive="" 3,3="" nm="" [97].="" orhan="" et="" al.="" screenade="" olika="" flavonoidderivat="" för="" deras="" inhibering="" av="" ache="" och="" bche.="" vid="" en="" koncentration="" av="" 1="" mg/ml="" var="" quercetin="" det="" mest="" effektiva="" mot="" ache,="" med="" 76,2="" procent="" hämning,="" och="" genistein="" visade="" den="" högsta="" hämningen="" (65,7="" procent)="" av="" bche,="" följt="" av="" luteolin-7-o-rutinosid="" och="" silibinin="" (54,9)="" procent="" respektive="" 51,4="" procent)="" [98,99].="" i="" en="" annan="" studie="" hade="" citrus="" junos="" en="" signifikant="" hämmande="" effekt="" på="" ache="" in="" vitro="" och="" in="" vivo,="" och="" den="" aktiva="" föreningen="" identifierades="" som="" naringenin,="" ett="" viktigt="" flavanonderivat="" [100].="" lee="" et="" al.="" undersökte="" den="" hämmande="" effekten="" av="" citrusflavanoner="" på="" bace-1,="" ache="" och="" bche.="" bland="" alla="" de="" undersökta="" flflavanonerna="" visade="" hesperidin="" den="" bästa="" hämningen="" av="" bace-1,="" ache="" och="" bche,="" med="" ic50-värden="" på="" 10,02,="" 22,80="" respektive="" 48,09="" µm.="" kinetiska="" studier="" visade="" att="" alla="" flavanoner="" var="" icke-kompetitiva="" hämmare="" av="" bace-1="" och="" kolinesteras="">

Hyperfosforylering av tau-proteiner med efterföljande ackumulering som neurofibrillära tovor är en stor bidragande orsak till kognitiva dysfunktioner och en av de tidigaste AD-markörerna. Flera kinaser, såsom GSK-3b och CDK5/p25, är kända för att bidra till fosforyleringen av tau-proteiner och de är inblandade i patogenesen av AD. Flavonoider som hämmar aktiviteten hos flera kinaser kan användas för att förebygga AD. Terapi med flavonoid morin har visat sig minska tau hyperfosforylering in vitro och in vivo i hippocampus neuroner hos transgena djur (3xTg-AD möss) [103]. Quercetin hämmade PI3-kinasaktiviteten och Cyanidin 3-O-glukosid gav också ett betydande skydd mot kognitiva dysfunktioner som induceras av administrering av A i djurmodeller, medierat av modulering av GSK{{9} }b/tau. [104,105].

Sammantaget kan flavonoider utöva sin potentiella neuroprotektiva verkan genom att interagera med nyckelproteiner som är involverade i AD. Bättre förståelse av flavonoid-proteininteraktionerna i AD kan vara en lovande strategi för att utveckla nya neuroprotektiva terapier för förebyggande och behandling av neurodegenerativa sjukdomar.

3.3. Flavonoiders interaktioner med nyckelproteiner och lipoproteiner vid åderförkalkning

Åderförkalkning är en annan sjukdom som flavonoider har visat sig dämpa. Det första steget i åderförkalkning är ackumuleringen av lågdensitetslipoprotein (LDL), den huvudsakliga kolesterolbäraren, i artärväggen. High-density lipoproteins (HDL), å andra sidan, är en viktig antiaterogen faktor i blodet, som upprätthåller hela kroppens nivå av kolesterol i ett stabilt tillstånd. Över 80 proteiner har identifierats i HDL-proteomet, där apolipoproteinerna A1 och A2 står för cirka 65 procent respektive 15 procent av proteinmassan. De andra proteinerna inkluderar en mängd olika enzymer, såsom paraoxonas 1 (PON1). PON1 är ansvarig för många av HDL:s anti-aterogena egenskaper. Korrelationer mellan PON1, HDL och åderförkalkning, både in vivo och in vitro, har varit väletablerade [106,107]. Förutom kolesterolutflöde har HDL andra potenta biologiska aktiviteter: antioxidativ [108], antiinflammatorisk [109], anti-apoptotisk [110] och vasodilaterande [111]. Dessa aktiviteter beror inte nödvändigtvis på HDL-kvantitet, men de beror förmodligen på dess kvalitet [112,113]. När det gäller kardiovaskulär hälsa har vi tidigare visat att flavonoiden glabridin, extraherad från lakritsrot, fungerar som en utmärkt antioxidant och uppvisar additiv antioxidant och antiaterogena egenskaper. Glabridin binder till rekombinant PON1 (rePON1) och skyddar dess Cys284 från oxidation av den aterosklerotiska komponenten linolsyrahydroperoxid (LA-OOH). Denna specifika kapacitet hos glabridin är unik; deflavonoidkatekin visar ingen bindningsaffinitet till rePON1 [21]. Sambandet mellan flavonoiders struktur och deras effekter på rePON1-aktivitet undersöktes ytterligare. Interaktionerna mellan 12 representativa flavonoider från olika kemiska underklasser med rePON1 karakteriserades [42]. Dessutom undersöktes potentialen för rePON1-flavonoidkomplex för att förhindra oxidation av LDL, en nyckelprocess i aterogenes. Katekin, som inte binder till rePON1, accelererade LDL-oxidation; däremot visade glabridin en hög bindningsaffinitet till rePON1 och förbättrade dess skyddande effekt mot LDL-oxidation [42]. Dessutom har vi konsekvent observerat interaktioner av specifika flavonoider med HDL-partikeln eller dess bundna proteiner, apolipoprotein A1 och PON1. Vi har visat att quercetin och punicalagin binder till HDL-partikeln och ökar dess antiinflammatoriska egenskaper [41], medan punicalagin vid bindning till LDL-partikeln eller till dess bundna apolipoprotein B100 inducerade LDL-inflöde till makrofag J774A.1-celler, vilket kan minska de cirkulerande LDL-nivåerna [114]. Sammantaget har flflavonoider, och polyfenoler i allmänhet, visat sig hämma symtom på ateroskleros och minska dess utveckling via specifika flflavonoidinteraktioner med cell- och serumproteiner och lipoproteiner.

3.4. Flavonoider som anticancermedel via interaktion med DNA och kromatin

Flavonoiders anticanceraktiviteter kan vara ett resultat av interaktionen mellan dessa naturliga föreningar och biomolekyler (DNA, RNA och protein). Vi inser att flavonoider i kosten kan binda DNA specifikt eller stokastiskt och ändra dess funktion [115]. Omfattande in vitro-studier tyder på att flavonoider effektivt minskar cellproliferation, inducerar apoptos och minskar risken för metastaser [24]. De kemo-förebyggande effekterna av flavonoider, inklusive luteolin, epigallokatechingallat, quercetin, apigenin och chrysin, visades med fokus på skydd mot DNA-skador som orsakas av olika cancerframkallande faktorer. Dessa flavonoider skyddar selektivt normala celler och inducerar celldödsmekanismer i cancerceller i mänskliga lungor och kolorektala adenomceller under kemoterapi eller strålbehandling [24]. Det visade sig att flavonoider, nämligen quercetin, myricetin, kaempferol, apigenin och luteolin, som är lipidlösliga och svagt sura, fritt kan diffundera över cellmembranet och specifikt ackumuleras inuti K562 leukemiceller [116]. Därför,

det antyds att flavonoider är mer benägna att binda DNA eller proteiner i cancercellskärnan och att specifikt avbryta cancergenomregleringen. Dessutom har in-silico-resultat visat att i synnerhet quercetin interagerar bra med G-quadruplex DNA, som är relaterat till telomeras. Quercetin fungerar som ett terapeutiskt anti-cancermedel via reglering av telomerasaktivitet [117]. Genom att jämföra beräkningsmässiga och experimentella bindningsprofiler bekräftade en ny studie att quercetin har den starkaste bindningsaffiniteten till DNA bland de studerade flavonoiderna. Dessutom avslöjade studien att flavonoider kan ändra konformationen av DNA och hämma DNA-amplifiering, de visar imponerande induktion av cellcykelstopp och de kan främja apoptos i HepG2, MCF-7 och A549 cancerceller [60] .För att uppnå de effektiva terapeutiska doser som används i prekliniska studier måste vikt läggas vid förbättrade och målinriktade tekniker för läkemedelstillförsel, för att uppnå maximal effektivitet med minimala negativa biverkningar. Framsteg inom nanoteknologibaserade läkemedelslevereringssystem öppnar upp bättre möjligheter för att öka lösligheten, förbättra biotillgängligheten och förbättra målinriktningsförmågan hos flavonoider [118]. Nanopartiklar baserade på liposomer, polyetylenglykolliposomer, nickelbaserade, lecitinbaserade och nanoband är lämpliga molekylära bärare för leverans av flavonoidläkemedel till målvävnader. Det rapporterades att nanopartiklar framgångsrikt användes för att leverera quercetin till solida tumörer in vitro och in vivo-modeller av cancer i centrala nervsystemet, lungor, tjocktarm, lever och bröst [119].
Således stödjer många studier potentialen hos flavonoider som naturliga hälsoprodukter i cancerkemoprevention. Det behövs dock fler studier för att konfigurera deras verkningsmekanism för att förbättra vår förståelse av epigenetiska processer som kan ge en mer rationell grund för att kombinera specifika kostföreningar i en klinisk miljö [24].

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

1 Lab of Natural Compounds and Analytical Chemistry, MIGAL–Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Israel; Danaa@migal.org.il
2 Institutionen för bioteknik, Tel-Hai College, Upper Galilee 12210, Israel
3 Lab av sfingolipider, bioaktiva metaboliter och immunmodulering, MIGAL—Galilee Research Institute, Kiryat Shmona 11016, Israel; dorita@migal.org.il* Korrespondens: solimankh@migal.org.il; Tel.: plus 972-4-6953512; Fax: plus 972-4-6944980

4. Sammanfattningar

Författarbidrag:DA (Dana Atrahimovich), skrivande—originalutkast förberedelse och redigering, DA (Dorit Avni) skriver avsnittet 'Flavonoiders interaktioner med nyckelproteiner involverade i inflammation' och redigerar; SK handledning, skrivande—granskning och redigering. Alla författare har läst och samtyckt till den publicerade versionen av manuskriptet.
Finansiering:Denna forskning fick ingen extern finansiering.
Intressekonflikt:Författarna förklarar ingen intressekonflikt.

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

Referenser

1. Procházková, D.; Boušová, I.; Wilhelmová, N. Antioxidant- och prooxidantegenskaper hos flflavonoider. Fitoterapia 2011, 82, 513–523. [CrossRef]

2. Duthie, GG; Duthie, SJ; Kyle, JAM Växtpolyfenoler vid cancer och hjärtsjukdomar: Implikationer som näringsantioxidanter. Nutr. Res. Upps. 2000, 13, 79–106. [CrossRef] [PubMed] 3. Ramos, S. Cancer kemoprevention och kemoterapi: Dietary polyfenoler och signalvägar. Mol. Nutr. Food Res. 2008, 52, 507–526. [CrossRef] [PubMed] 4. Jaeger, BN; Parylak, SL; Gage, FH Mekanismer för dietflavonoidverkan i neuronal funktion och neuroinflammation. Mol. Aspekter Med. 2018, 61, 50–62. [CrossRef] [PubMed] 5. Devi, S.; Kumar, V.; Singh, SK; Dubey, AK; Kim, JJ Flavonoider: Potentiella kandidater för behandling av neurodegenerativa störningar. Biomedicines 2021, 9, 99. [CrossRef] 6. Williams, RJ; Spencer, JPE; Rice-Evans, C. Flavonoider: Antioxidanter eller signalmolekyler? Fri radikal. Biol. Med. 2004, 36, 838–849. [CrossRef] 7. Virgili, F.; Marino, M. Reglering av cellulära signaler från näringsmolekyler: En specifik roll för fytokemikalier, bortom antioxidantaktivitet. Fri radikal. 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. Är flavonoider effektiva antioxidanter i växter? Tjugo år av vår utredning. Antioxidants 2020, 9, 1098. [CrossRef] 10. Liu, Y.; Weng, W.; Gao, R.; Liu, Y.; Monacelli, F. Nya insikter för cellulära och molekylära mekanismer för åldrande och åldranderelaterade sjukdomar: örtmedicin som potentiell terapeutisk metod. Oxid. Med. Cell. Longev. 2019, 2019. [CrossRef] 11. Rolt, A.; Cox, LS Strukturell grund för anti-aging effekterna av polyfenoler: mildring av oxidativ stress. BMC Chem. 2020, 14, 1–13. [CrossRef] 12. Manach, C.; Scalbert, A.; Morand, C.; Rémésy, C.; Jiménez, L. Polyfenoler: livsmedelskällor och biotillgänglighet. Am. J. Clin. Nutr. 2004, 79, 727–747. [CrossRef] 13. Thilakarathna, SH; Vasantha Rupasinghe, HP Flavonoids biotillgänglighet och försök att förbättra biotillgängligheten. Näringsämnen 2013, 5, 3367–3387. [CrossRef] [PubMed] 14. Haq, I. Termodynamik av läkemedel-DNA-interaktioner. Båge. Biochem. Biophys. 2002, 403, 1–15. [CrossRef] 15. Uversky, VN Inneboende störda proteiner och deras miljö: Effekter av starka denatureringsmedel, temperatur, pH, motjoner, membran, bindningspartners, osmolyter och makromolekylär trängsel. Protein J. 2009, 28, 305-325. [CrossRef] 16. Hou, D.-X.; Kumamoto, T. Flavonoider som proteinkinashämmare för cancerkemoprevention: direkt bindning och molekylär modellering. Antioxid. Redoxsignal. 2010, 13, 691–719. [CrossRef] 17. Spencer, JPE Beyond antioxidants: De cellulära och molekylära interaktionerna mellan flavonoider och hur dessa underbygger deras handlingar på hjärnan. Proc. Nutr. Soc. 2010, 69, 244–260. [CrossRef] [PubMed] 18. Huang, Z.; Fang, F.; Wang, J.; Wong, C.-W. Strukturell aktivitetsrelation mellan flavonoider och östrogenrelaterad receptorgamma. FEBS Lett. 2010, 584, 22–26. [CrossRef] [PubMed] 19. Somjen, D.; Knoll, E.; Vaya, J.; Stern, N.; Tamir, S. Östrogenliknande aktivitet av lakritsrotsbeståndsdelar: Glabridin och glabrene, i kärlvävnader in vitro och 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. Karakterisering av hydroxikanelsyraderivat som binder till bovint serumalbumin. Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 3424–3431. [CrossRef] 21. Atrahimovich, D.; Vaya, J.; Tavori, H.; Khatib, S. Glabridin skyddar paraoxonas 1 från hämning av linolsyrahydroperoxid via specifik interaktion: En fluorescenssläckande studie. J. Agric. Food Chem. 2012, 60, 3679–3685. [CrossRef] 22. Luck, G.; Liao, H.; Murray, NJ; Grimmer, HR; Warminski, EE; Williamson, MP; Lilley, TH; Haslam, E. Polyfenoler, sammandragning och prolinrika proteiner. Phytochemistry 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.; et al. Effekterna av flavonoider vid hjärt-kärlsjukdomar. Molecules 2020, 25, 4320. [CrossRef] [PubMed] 24. Cijo, V.; Dellaire, G.; Rupasinghe, HPV ScienceDirect Växtflavonoider i cancerkemoprevention: roll i genomets stabilitet. J. Nutr. Biochem. 2017, 45, 1–14. [CrossRef] 25. Maher, P. Flavonoidernas potential för behandling av neurodegenerativa sjukdomar. Int. J. Mol. Sci. 2019, 20, 3056. [CrossRef] [PubMed] 26. Gecibesler, IH; Aydin, M. Plasmaproteinbindning av ört-flavonoider till humant serumalbumin och deras anti-proliferativa aktiviteter. En. Acad. BH:ar. Cienc. 2020, 92, 1–16. [CrossRef] 27. Lin, CZ; Brum.; Wu, AZ; Zhu, CC Undersökning av skillnaderna mellan fyra flavonoider med liknande struktur som binder till humant serumalbumin. J. Pharm. Anal. 2014, 4, 392–398. [CrossRef] 28. Mondal, P.; Bose, A. Spektroskopisk översikt av quercetin och dess Cu(II)-komplexinteraktion med serumalbuminer. BioImpacts 2019, 9, 115–121. [CrossRef] 29. Geng, R.; Ma, L.; Liu, L.; Xie, Y. Inflytande av bovint serumalbumin-flavonoidinteraktion på antioxidantaktiviteten hos dietflavonoider: Nya bevis från elektrokemisk kvantifiering. Molecules 2019, 24, 70. [CrossRef] [PubMed] 30. Ma, CM; Zhao, XH Visar den icke-kovalenta interaktionen av vassleproteiner med galangin eller genistein med hjälp av multispektroskopiska tekniker och molekylär dockning. Foods 2019, 8, 360. [CrossRef] 31. Tang, F.; Xie, Y.; Cao, H.; Yang, H.; Chen, X.; Xiao, J. Fetal bovint serum påverkar stabiliteten och bioaktiviteten hos resveratrolanaloger: En polyfenol-proteininteraktionsmetod. Food Chem. 2017, 219, 321–328. [CrossRef]