Ανάπτυξη καινοτόμων μεθοδολογιών για την αξιοποίηση φυτοχημικών από φαρμακευτικά φυτά της Ηπείρου, με στόχο την αναστολή της δράσης των ενζύμων ελαστάσης, υαλουρονιδάσης και τυροσινάσης, με σκοπό την ανάπτυξη καλλυντικού προϊόντος

Abstract

The present PhD thesis aims at studying and developing highly antioxidant, antiaging and antimelanogenic plant extracts, deriving from various medicinal plants and herbs, in order to be fully exploited from pharmaceutical and cosmetic companies for the development of cosmetic products based on natural substances. Medicinal plants have been the center of interest for so many years, due to their various biological properties against many diseases or other pathophysiological conditions, including neoplasia. All medicinal plants are abundant in secondary metabolites (the number of which exceeds 1.000.000), to which they owe their high antioxidant, anti-inflammatory, antimicrobial, anti-cancer, as well as various other biological properties. On the other hand, the majority of the natural secondary metabolites have been used as structural scaffolds for the development and synthesis of new drugs with enhanced properties. The contribution of the natural secondary metabolites to the development of drugs, food agents, as well as cosmetic agents is of crucial importance for the continuous search of new medicinal agents in order to improve both the quality and life expectancy. Skin health disfunction, which is mainly the result of the excessive exposure to sunlight, is increasingly of concern to researchers. The effects occurring from the absorption of UVA radiation by the skin are mainly related to the development of DNA damage and excessive production of free radicals. Similarly, the absorption of UVB radiation by the skin can lead to sunburn, skin discoloration, as well as development of erythema. All these lead to the development of melanoma (skin cancer), which is one of the main types of cancer. On the other hand, the “degradation” of the skin is carried out through endogenous and exogenous factors, leading to the gradual loss of its health, resulting in its gradual aging. Premature skin aging as well as the development of melanoma are of great interest to pharmaceutical and cosmetic companies which are constantly trying to find effective factors for the beneficial protection of skin health.Regarding this general concern, nature has consisted a very effective solution, as it contains several natural treasures that have been used effectively as agents in cosmetic products, due to their high antioxidant and bioactive profile. However, there is an endless search for the discovery and development of new natural resources. In the present PhD thesis, a number of medicinal plants, originated from the wider region of Epirus were studied, in order to be used as medicinal and cosmetic agents in the development of new cosmetic products. The selected plants are the following: Melissa Officinalis (Lemon Balm), Rosmarinus Officinalis (Rosemary), Salvia Officinalis (Sage), Thymus Vulgaris (Thyme), Origanum Vulgare (Oregano), Cistus Albidus (Rock flower) and Hypericum Perforatum (St. John’s Wort). Specifically, different plant extracts were prepared and studied for their antioxidant properties, as well as for their inhibitory properties against three enzymes associated with premature skin aging and melanoma development: elastase, hyaluronidase and tyrosinase. The study of the plant extracts was mainly based on Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy. Firstly, a detailed study was carried out in order to investigate the extraction conditions which were applied to the production of plant extracts with a rich phytochemical profile. In addition, the concentration of the total phenolic content as well as the antioxidant capacity of the developed extracts were determined by applying established in vitro assays.In order to be a sufficient and clear determination of the concentration of the total phenolic content of complicated crude plant extracts, a new methodology was developed. The results of this new methodology were compared with the corresponding results of the in vitro Folin-Ciocalteu assay, the effectiveness of which has been widely set under many doubts. The results proved the effectiveness and accuracy of the new developed protocol for the precise determination of the concentration of the total phenolic content in complicated crude plant extracts. Additional in vitro experiments for the study of the effect of H2O2 in DNA damage of U2OS cells also proved the effective function of the new developed protocol. In a next step, the new developed protocol has been exploited for the identification of various phenolic components included in ethanolic extracts, through the determination of the phenolic (-OH) groups. In addition, the identified bioactive components were quantified using a series of methodologies based on NMR spectroscopy, without any previous derivatization of the mixtures into their components. After collecting all the data for the development of plant extracts highly abundant in antioxidants, a detailed study of the three targeted enzymes (elastase, hyaluronidase and tyrosinase) was conducted. This study included the basis for the development of a database, which provides information producing through in silico calculations for the description of the interaction profile of natural products with all the three enzyme targets. This database was built using as scaffold all the information related to all the natural secondary metabolites as well as their natural sources that have already been studied for their inhibitory properties towards the three targeted enzymes.In a next step, a detailed study of the enzymatic reactions of the three targeted enzymes is then performed, as well as their inhibition by the developed plant extracts. This study was mainly carried out through a developed methodology based on the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy, for the in situ study of the enzymatic reactions in real time, as they evolve in an NMR tube and a new methodology was developed. In addition, the occurring intermediates, as well as the enzymatic products were also identified, where possible, without interrupting the enzymatic reaction or even without separating the enzymatic mixture into is constituents. Furthermore, regarding the development of this methodology for the study of enzymatic reactions, a detailed study of the inhibition of each enzymatic reaction by a natural product or a plant extract was performed in order to determine the rate of efficiency of the enzymatic reaction in presence of an inhibitor. A study on the interaction of a natural product or a plant extract with each targeted enzyme at an atomic level was then performed, through Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR). This specific study was performed in order to determine the potential of stereoselectivity regarding each targeted enzyme, so as to distinguish those inhibitors that are in complex plant mixtures and interact with the active site of the enzymes, affecting their activity. The results showed that there could be an effective distinction of the specific components of complicated mixtures which interact with the selected enzyme. The results obtained from the study of the enzymatic reactions constituted a key step regarding the enhancement of the functionality of the new developed methodology. This fact was achieved through the application of an in situ study of all the three enzymatic reactions (tyrosinase, hyaluronidase and elastase), when they were performed simultaneously in a common aqueous medium, sharing the same NMR tube. This effort was made in order to enhance the effectiveness of the new methodology, which could be applied to the study and development of natural products as well as complex mixtures that would all at once target more than one enzymes. The development of the new methodology includes a primary set of studies, yet with promising results in the field of development not only of cosmetics, but also of drugs that will target not only more than one enzymes, but also other proteinic targets for the effective treatment of diseases as well as various other pathophysiological conditions.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει σκοπό τη μελέτη και ανάπτυξη εκχυλισμάτων από επιλεγμένα φαρμακευτικά φυτά και βότανα με πλούσιο αντιοξειδωτικό προφίλ και ισχυρή αντιγηραντική και αντιμελανογενετική δράση, με στόχο την αξιοποίησή τους από φαρμακευτικές εταιρείες για την ανάπτυξη καλλυντικών προϊόντων βασισμένων σε φυσικά προϊόντα. Τα φαρμακευτικά φυτά έχουν προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον αρκετά, λόγω των ποικίλων βιολογικών δράσεων που παρουσιάζουν και χρησιμοποιούνται ως θεραπεία για την αντιμετώπιση αρκετών παθοφυσιολογικών καταστάσεων και ασθενειών. Όλα τα φαρμακευτικά φυτά αφθονούν σε δευτερογενείς μεταβολίτες (ο αριθμός των οποίων ξεπερνάει το 1.000.000), στους οποίους οφείλουν τις υψηλές αντιοξειδωτικές, αντιφλεγμονώδεις, αντιμικροβιακές, αντικαρκινικές και πολλές άλλες ιδιότητές τους. Από την άλλη, οι δομές μεγάλου αριθμού δευτερογενών μεταβολιτών έχουν χρησιμοποιηθεί σαν πρόδρομα μόρια για την ανάπτυξη και σύνθεση καινούριων φαρμάκων με ενισχυμένη δράση. Η συμβολή τους στην ανάπτυξη φαρμάκων, τροφίμων και καλλυντικών είναι καίριας σημασίας για τη συνεχή αναζήτηση καινούριων φαρμακευτικών προϊόντων με σκοπό τη βελτίωση της ποιότητας και του προσδόκιμου ζωής. Τα προβλήματα που προκαλούνται στην υγεία του δέρματος και τα οποία αποτελούν κυρίως αποτέλεσμα της υπερβολικής έκθεσης στην ηλιακή ακτινοβολία, απασχολούν πλέον όλο και περισσότερο τους ερευνητές. Τα αποτελέσματα που επιφέρει η απορρόφηση της UVA ακτινοβολίας από το δέρμα αφορούν κυρίως την ανάπτυξη βλαβών στο DNA και την υπερβολική παραγωγή ελευθέρων ριζών. Ομοίως, η απορρόφηση της UVB ακτινοβολίας από την επιδερμίδα προκαλεί ηλιακά εγκαύματα, χρωματισμούς του δέρματος καθώς και ανάπτυξη ερυθήματος. Όλα αυτά, οδηγούν στην ανάπτυξη μελανώματος (καρκίνου του δέρματος) το οποίο αποτελεί έναν από τους βασικούς τύπους καρκίνου. Από την άλλη, η “υποβάθμιση” της ακεραιότητας του δέρματος πραγματοποιείται και ενδογενώς από πολλούς ενδογενείς και εξωγενείς παράγοντες, οδηγώντας σταδιακά στην απώλεια της υγείας του, με αποτέλεσμα τη σταδιακή γήρανσή του. Η πρόωρη γήρανση του δέρματος και η ανάπτυξη μελανώματος ενδιαφέρουν αρκετά τις φαρμακευτικές εταιρείες αλλά και τις εταιρείες καλλυντικών οι οποίες προσπαθούν συνεχώς να βρίσκουν αποτελεσματικούς παράγοντες για την προστασία της υγείας του δέρματος. Σε αυτόν τον προβληματισμό την απάντηση την έχει δώσει η φύση, καθώς περιέχει αρκετούς φυσικούς θησαυρούς οι οποίοι έχουν χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε καλλυντικά προϊόντα λόγω του υψηλού αντιοξειδωτικού και βιοδραστικού προφίλ τους. Ωστόσο, η συνεχής αναζήτηση καινούριων φυσικών πηγών παραμένει αέναη. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν φυτά από την ευρύτερη περιοχή της Ηπείρου, με σκοπό τη χρήση τους ως φαρμακευτικοί παράγοντες στην ανάπτυξη καλλυντικών προϊόντων. Τα φυτά που επιλέχθηκαν για μελέτη είναι τα: Melissa Officinalis (Μελισσόχορτο), Rosmarinus Officinalis (Δεντρολίβανο), Salvia Officinalis (Φασκόμηλο), Thymus Vulgaris (Θυμάρι), Origanum Vulgare (Ρίγανη), Cistus Albidus (Λαδανιά), και Hypericum Perforatum (Βαλσαμόχορτο). Συγκεκριμένα παρασκευάστηκαν εκχυλίσματα των φυτών αυτών, τα οποία μελετήθηκαν για τις αντιοξειδωτικές τους δράσεις, αλλά και για τις ανασταλτικές τους ιδιότητες έναντι τριών ενζύμων που σχετίζονται με την πρόωρη γήρανση του δέρματος και την ανάπτυξη μελανώματος: ελαστάση, υαλουρονιδάση και τυροσινάση.Για τη μελέτη των εκχυλισμάτων εφαρμόστηκαν μεθοδολογίες οι οποίες βασίζονται κυρίως στη φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance-NMR).Συγκεκριμένα πραγματοποιήθηκε λεπτομερής μελέτη της διερεύνησης των συνθηκών εκχύλισης που εφαρμόστηκαν για την παραγωγή εκχυλισμάτων με πλούσιο φυτοχημικό προφίλ. Επίσης, προσδιορίστηκε η συγκέντρωση των συνολικών φαινολικών ομάδων και η αντιοξειδωτική τους ικανότητα με εφαρμογή βασικών in vitro μεθοδολογιών. Προκειμένου να γίνει αποτελεσματικός και σαφής προσδιορισμός της συγκέντρωσης των συνολικών φαινολικών ομάδων που περιέχονται στα πολύπλοκα φυτικά εκχυλίσματα, αναπτύχθηκε στη συνέχεια μια μεθοδολογία. Τα αποτελέσματα αυτής της μεθοδολογίας συνεκρίθησαν με τα αντίστοιχα αποτελέσματα της in vitro μεθοδολογίας Folin-Ciocalteu, η αποτελεσματικότητα της οποίας έχει τεθεί αρκετά υπό αμφισβήτηση. Επιπλέον μελέτες ενίσχυσαν την αποτελεσματικότητα της νέας μεθοδολογίας. Στη συνέχεια, η νέα μεθοδολογία αξιοποιήθηκε για την ταυτοποίηση των φαινολικών συστατικών των αιθανολικών εκχυλισμάτων μέσω του χαρακτηρισμού των φαινολικών (-ΟΗ) ομάδων. Επίσης, πραγματοποιήθηκε και ποσοτικός προσδιορισμός των επιμέρους βιοδραστικών συστατικών με συνδυασμό μεθοδολογιών NMR, χωρίς να προηγηθεί διαχωρισμός των μειγμάτων στα συστατικά του.Αφού συλλέχθηκαν όλα τα δεδομένα για την παραγωγή εκχυλισμάτων πλούσιων σε αντιοξειδωτικές ουσίες, στη συνέχεια έγινε λεπτομερής μελέτη των τριών ενζύμων-στόχων: ελαστάση, υαλουρονιδάση και τυροσινάση όπου αποτέλεσε βάση για την ανάπτυξη μιας ηλεκτρονικής βάσης δεδομένων, η οποία παρέχει πληροφορίες από in silico υπολογισμούς για την περιγραφή του προφίλ αλληλεπίδρασης φυσικών προϊόντων και με τα τρία ένζυμα-στόχους. Η ανάπτυξη αυτής της ηλεκτρονικής βάσης δεδομένων βασίστηκε στη συλλογή πληροφοριών που αφορούν όλους τους φυσικούς δευτερογενείς μεταβολίτες και τις φυσικές πηγές τους που έχουν ήδη μελετηθεί για τις ανασταλτικές ιδιότητές τους ως προς τα τρία ένζυμα-στόχους.Στη συνέχεια πραγματοποιείται λεπτομερής μελέτη των ενζυμικών αντιδράσεων των τριών ενζύμων-στόχων, καθώς και της αναστολής τους από τα παραγόμενα εκχυλίσματα. Η μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε κυρίως με εφαρμογές της φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR), όπου και αναπτύχθηκε και μια νέα μεθοδολογία για την in situ μελέτη των ενζυμικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο, όπως αυτές εξελίσσονται σε ένα σωληνάκι NMR. Πραγματοποιήθηκε επίσης ταυτοποίση των ενδιάμεσων και των προϊόντων των ενζυμικών αντιδράσεων, όπου αυτό ήταν εφικτό, χωρίς να διακοπεί η ενζυμική αντίδραση, ή να γίνει διαχωρισμός του μείγματος στα συστατικά του. Ακόμη, στα πλαίσια της ανάπτυξης της νέας μεθοδολογίας για τη μελέτη των ενζυμικών αντιδράσεων, πραγματοποιήθηκε μελέτη της αναστολής της κάθε ενζυμικής αντίδρασης από φυσικό προϊόν και από φυτικό εκχύλισμα, προκειμένου να προσδιοριστεί το ποσοστό της απόδοσης της ενζυμικής αντίδρασης παρουσία αναστολέα, με άμεση μέτρηση της συγκέντρωσης του προϊόντος που παράγεται κάθε φορά. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μελέτη της αλληλεπίδρασης ενός φυσικού προϊόντος και ενός φυτικού εκχυλίσματος με το κάθε ένζυμο σε ατομικό επίπεδο μέσω μεθοδολογιών της Φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR). Αυτή η μελέτη πραγματοποιήθηκε προκειμένου να προσδιοριστεί το ενδεχόμενο στερεοεκλεκτικότητας κάθε ενζύμου, έτσι ώστε να ξεχωρίσουν εκείνοι οι αναστολείς που βρίσκονται σε πολύπλοκα φυτικά μείγματα και που αλληλεπιδρούν με το ενεργό κέντρο των ενζύμων, επηρεάζοντας την δραστικότητά τους.Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μελέτη των ενζυμικών αντιδράσεων, αποτέλεσαν βασικό βήμα για την ενίσχυση της λειτουργικότητας της νέας μεθοδολογίας. Αυτό επιτεύχθη με τη δοκιμή μιας in situ μελέτης και των τριών ενζυμικών αντιδράσεων (τυροσινάση, υαλουρονιδάση και ελαστάση), όταν αυτές πραγματοποιούνται ταυτόχρονα σε ένα κοινό υδατικό περιβάλλον, μέσα στο ίδιο σωληνάκι NMR. Η προσπάθεια αυτή έγινε με σκοπό η νέα μεθοδολογία να μπορεί να εφαρμόζεται στη μελέτη και ανάπτυξη φυσικών προϊόντων και πολύπλοκων μειγμάτων που θα στοχεύουν ταυτόχρονα σε περισσότερους από έναν ενζυμικούς στόχους. Η ανάπτυξη αυτής της νέας μεθοδολογίας αποτελεί πρωταρχικό στάδιο μελετών, με πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα στο πεδίο ανάπτυξης όχι μόνο καλλυντικών, αλλά και φαρμάκων που θα στοχεύουν σε περισσότερους από έναν στόχους, όχι μόνο ενζυμικούς αλλά και πρωτεϊνικούς με σκοπό την αντιμετώπιση ασθενειών και διαφόρων άλλων παθοφυσιολογικών καταστάσεων.