INTERAKCE ENZYMŮ METABOLISMU LÉČIV, ZEJMÉNA CYTOCHROMŮ P450, S BIOLOGICKY AKTIVNÍMI LÁTKAMI VČ. NUTRACEUTIK

Mgr. Alena ŠPIČÁKOVÁ

Doctoral thesis

INTERACTION OF DRUG METABOLIZING ENZYMES, ESPECIALLY CYTOCHROMES P450, WITH BIOLOGICAL ACTIVE COMPOUNDS INCL. NUTRACEUTICALS

Abstract:

Cílem předkládané disertační práce bylo posoudit možné interakce vybraných nutraceutik, resp. seskviterpenů - beta-karyofylenu (KAR), beta-karyofylen oxidu (KAO), alfa-humulenu (HUM), trans-nerolidolu (tNER), cis-nerolidolu (cNER) a farnesolu (FAR) s lidskými jaterními mikrosomálními cytochromy P450 in vitro, zjistit inhibiční potenciál daného nutraceutika, charakterizovat mechanismus, kterým nutraceutikum případně enzymy inhibuje a také nastínit mechanismus možné inhibice enzymové aktivity CYP seskviterpeny pomocí molekulového modelování in silico. Experimenty in vitro byly realizovány pomocí lidských jaterních mikrosomálních CYP za použití prototypických substrátů odrážejících enzymovou aktivitu devíti nejvýznamnějších CYP (CYP1A2, CYP2A6, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1 a CYP3A4). Některé výsledky experimentů byly potvrzeny metodou molekulového modelování in silico. Z výsledků jednotlivých experimentů vyplývá, že seskviterpen KAO vykazuje schopnost interagovat s lidským jaterním mikrosomálním CYP3A4 za použití specifického substrátu midazolamu (Ki = 46,6 mikromol/l). Seskviterpen tNER je rovněž schopen interagovat s lidským jaterním mikrosomálním CYP3A4, ovšem za použití specifického substrátu testosteronu (Ki = 32,5 mikromol/l). V obou případech se jedná o smíšený typ inhibice. Testované seskviterpeny KAR, HUM, cNER a FAR nevykazovaly významný inhibiční vliv na enzymovou aktivitu CYP. Interakce dvou seskviterpenů KAO a tNER s CYP3A4 byly ověřeny a potvrzeny experimentem in silico. Gibbsova volná energie (deltaG) substrátu midazolamu byla v přítomnosti KAO snížena z -9,8 kcal/mol na -4,5 kcal/mol. Obdobně byla deltaG substrátu testosteronu v přítomnosti tNER snížena z -6,6 kcal/mol na -3,6 kcal/mol. Výsledky in vitro a in silico experimentů v předkládané disertační práci naznačují, že v případě nadměrné a neuvážené konzumace stravy a doplňků stravy obsahujících seskviterpeny KAO a tNER by mohlo dojít ke snížení katalytické aktivity CYP3A4. Vzhledem k velké významnosti role CYP3A4 v metabolismu xenobiotik mohou z těchto interakcí plynout nežádoucí účinky současně podávaných léčiv biotransformovaných CYP3A4. Tyto úvahy by bylo ale nutné ověřit detailnějšími studiemi in vivo.

Abstract:

The aim of this work was to determine possible interactions of some nutraceuticals, resp. sesquiterpenes - beta-caryophyllene (KAR), beta-caryophyllene oxide (KAO), alpha-humulene (HUM), trans-nerolidol (tNER), cis-nerolidol (cNER) and farnesol (FAR) with human liver microsomal cytochromes P450 in vitro, to determine inhibitory potential of the this nutraceuticals, eventually to characterize the mechanism of inhibition and also to outline the mechanism of possible inhibition of CYP enzyme activity by sesquiterpenes using in silico molecular modeling. In vitro experiments were performed using human liver microsomal CYPs and their prototypic substrates reflecting enzyme activity of the nine major CYPs (CYP1A2, CYP2A6, CYP2B6, CYP2C8, CYP2C9, CYP2C19, CYP2D6, CYP2E1 and CYP3A4). Some results of experiments were confirmed by in silico molecular modeling. It can be concluded based on the results that sesquiterpene KAO has the ability to interact with human liver microsomal CYP3A4 using a specific substrate of midazolam (Ki = 46.6 micromol/l). Sesquiterpene tNER is also able to interact with human liver microsomal CYP3A4, but using testosterone as a specific substrate (Ki = 32.5 micromol/l). In both cases a mixed type of inhibition was found. Sesquiterpenes KAR, HUM, cNER and FAR no significant inhibitory effect on the enzyme activity of the CYPs was found. The interaction of two sesquiterpenes KAO and tNER with CYP3A4 was verified and confirmed by in silico experiment. The Gibbs free energy (deltaG) of the midazolam substrate was reduced from -9.8 kcal/mol to -4.5 kcal/mol in the presence of KAO. Similarly, the deltaG of testosterone substrate in the presence of tNER was reduced from -6.6 kcal/mol to -3.6 kcal/mol. The results of in vitro and in silico experiments in the presented thesis suggest that excessive and ill-considered consumption of dietary supplements and food supplements containing sesquiterpenes, KAO and tNER, could lower the catalytic activity of CYP3A4. Due to the important role of CYP3A4 in the metabolism of xenobiotics, these interactions may result in adverse effects of simultaneously administered CYP3A4 drugs biotransformed by CYP3A4. However, these hypotheses should be verified by more detailed in vivo studies.

Keywords

cytochromy P450, enzymová inhibice, lékové interakce, nutraceutika, seskviterpeny

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 10. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 24. 1. 2020
• Supervisor: prof. RNDr. Pavel Anzenbacher, DrSc.

Palacký University Olomouc

Faculty of Medicine and Dentistry

Doctoral programme / field:
Medical Pharmacology / Medical Pharmacology