Stanovení antioxidačních vlastností extraktů z léčivých a jedlých rostlin v in vitro podmínkách

Ing. Jan Tauchen

Doctoral thesis

Assessment of in vitro antioxidant properties of medicinal and edible plant extracts

Abstract:

Identifikace a charakterizace rostlinných produktů s antioxidačními a anti-proliferačními účinky, jakožto potencionálního terapeutického prostředku pro léčbu nemocí spojených s oxidačním stresem (jako např. arterioskleróza, diabetes nebo rakovina), je neustále středem vědeckého zájmu. Tato studie se zaobírá charakterizací in vitro antioxidační a anti-proliferační aktivity a chemického složení 39 vzorků méně využívaných tradičních gruzínských odrůd vín, extraktů z 23 vzorků etiopských léčivých rostlin a 22 vzorků z jedlých a léčivých rostlin z peruánské Amazonie. Pro stanovení biologických účinků byly použity metody založené na měření inhibice radikálu 2,2-difenyl-1-pikrylhydrazyl (DPPH), kapacity absorpce kyslíkových radikálu (ORAC), celkového obsahu fenolických látek (TPC), a životaschopnosti buněčných linií pomocí metody založené na metabolické přeměně tetrazolium bromidu (MTT) na formazan. Chemické složení bylo stanoveno metodami založenými na vysokotlaké kapalinové chromatografii (HPLC-ultrafialovo-viditelné spektroskopii a HPLC-tandemové hmotnostní spektrometrii). V rámci experimentů s gruzínskými víny bylo prokázáno, že vína červená (zejména odrůdy Saperavi) vykázala silnější antioxidační účinek (průměrné DPPH a ORAC hondoty na 5.1 a 10.6 g TE/L vína) ve srovnání s běžnými středo- a západo-evropskými víny [Pinot Noir (DPPH = 3.1 a ORAC = 9.4 g TE/L vína), Cabernet Sauvignon (DPPH = 3.0 a ORAC = 7.3 g TE/L vína) a Cabernet Moravia (DPPH = 2.0 a ORAC = 8.5 g TE/L vína)]. Gruzínská vína byla oproti středo- a západo-evropským vínům výrazně bohatší na kvercetin (mezi 14.44 a 1.07 ug/mL), kaempferol (mezi 1.68 a 0.03 ug/mL) a syringovou kyselinu (mezi 12.59 a 4.72 ug/mL), avšak chudší na resveratrolu (mezi 5.11 a 0.32 ug/mL). Mezi jedlými a léčivými rostlinami z Etiopie a Peru jedině extrakty Dodonaea angustifolia (IC50 pro DPPH = 22.2 ug/mL, ORAC = 767.6 ug TE/mg extrakt; IC50 pro Hep-G2 = 120.0 ug/mL); Rumex nepalensis (IC50 pro DPPH = 5.7 ug/mL, ORAC = 1061.4 ug TE/mg extrakt; IC50 pro Hep-G2 = 50.5 ug/mL); Inga edulis (DPPH a ORAC = 337.0 a 795.7 ug TE/mg extrakt; IC50 pro Hep-G2 and HT-29 = 36.3 a 57.9 ug/mL) a Oenocarpus bataua (DPPH a ORAC = 903.8 a 1024.4 ug TE/mg extrakt; IC50 pro Hep-G2 a HT-29 = 102.6 a 38.8 ug/mL) projevily kombinovaný antioxidační/anti-proliferační účinek. Selektivní anti-proliferační aktivitu prokázaly pouze extrakty Verbascum sinaiticum (IC50 pro Hep-G2 = 80.6 ug/mL) a Annona montana (IC50 pro Hep-G2 a HT-29 = 2.7 a 9.0 ug/mL). Výše zmíněný rostlinný materiál vykázal pouze slabou nebo žádnou toxicitu vůči zdravé buněčné linii. Přestože extrakty z Jasminum abyssinicum (IC50 pro DPPH = 26.3 ug/mL, ORAC = 1023.7 ug TE/mg extrakt), Rumex nepalensis (IC50 pro DPPH = 5.7 ug/mL, ORAC = 1061.4 ug TE/mg extrakt), Mauritia flexuosa (DPPH a ORAC = 1062.9 a 645.9 ug TE/mg extrakt), Myrciaria dubia (DPPH a ORAC = 641.9 a 642.6 ug TE/mg extrakt) a Theobroma grandiflorum (DPPH a ORAC = 714.8 a 821.9 ug TE/mg extrakt) projevily významný antioxidační účinek, tyto druhy taktéž prokázaly mírnou až velice nízkou anti-proliferační aktivitu nebo byly toxické pro zdravou buněčnou linii. Ve všech dílčích studiích obsah fenolických látek silně koreloval s antioxidační aktivitou, avšak slabě s anti-proliferačním efektem. Výsledky naznačují, že výše zmíněné druhy by mohly být perspektivní pro vývoj nových rostlinných přípravků, efektivních proti onemocněním souvisejícím s oxidačním stresem. Před jejich možným uvedením do praktického využití však bude nezbytný další výzkum zaměřený na podrobnější stanovení jejich chemického složení, farmakologických účinků a toxikologické bezpečnosti.

Abstract:

Identification and characterization of plant-based products with antioxidant and anti-proliferative effects has received much interest over the past few years as possible therapeutic mean for treatment of diseases likely to be associated to oxidative stress (such as atherosclerosis, diabetes, and cancer). This study provides characterization of in vitro antioxidant and/or anti-proliferative potential and phytochemical profile of (i) 39 wine samples of underutilized Georgian grapevine cultivars, (ii) extracts of 22 samples of medicinal plants from Ethiopia and (iii) 23 samples of edible and medicinal plants from Peruvian Amazon. For this purpose, 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl radical assay (DPPH), oxygen radical absorbance capacity (ORAC) assay, total phenolic content (TPC), and cell viability assay based on metabolization of tetrazolium bromide (MTT) to formazan, together with methods based on high performance liquid chromatography (HPLC-ultra violet/visible spectrometry and HPLC-tandem mass spectrometry) were used. Georgian red wines (particularly Saperavi cultivars) exhibited higher antioxidant capacity (average DPPH and ORAC values at 5.1 and = 10.6 g TE/L wine, respectively) in comparison to Central and West European cultivars [Pinot Noir (DPPH = 3.1 and ORAC = 9.4 g TE/L wine), Cabernet Sauvignon (DPPH = 3.0 and ORAC = 7.3 g TE/L wine) and Cabernet Moravia (DPPH = 2.0 and ORAC = 8.5 g TE/L wine)]. Georgian wines contained significantly greater concentrations of quercetin (between 14.44 and 1.07 ug/mL), kaempferol (between 1.68 and 0.03 ug/mL) and syringic acid (between 12.59 and 4.72 ug/mL), whereas possessed lower quantities of resveratrol (between 5.11 and 0.32 ug/mL) in comparison to Central and West European wines. Amongst edible and medicinal plants from Ethiopia and Peruvian Amazon, only Dodonaea angustifolia (IC50 for DPPH = 22.2 ug/mL, ORAC = 767.6 ug TE/mg extract; IC50 for Hep-G2 = 120.0 ug/mL), Rumex nepalensis (IC50 for DPPH = 5.7 ug/mL, ORAC = 1061.4 ug TE/mg extract; IC50 for Hep-G2 = 50.5 ug/mL), Inga edulis (DPPH and ORAC = 337.0 and 795.7 ug TE/mg extract; IC50 for Hep-G2 and HT-29 = 36.3 and 57.9 ug/mL) and Oenocarpus bataua (DPPH and ORAC = 903.8 and 1024.4 ug TE/mg extract; IC50 for Hep-G2 and HT-29 = 102.6 and 38.8 ug/mL) have demonstrated combinatory antioxidant/anti-proliferative efficacy. Selective anti-proliferative activity was observed for Verbascum sinaiticum (IC50 for Hep-G2 = 80.6 ug/mL) and Annona montana (IC50 for Hep-G2 and HT-29 = 2.7 and 9.0 ug/mL, respectively). Above-mentioned plant material showed only weak or non-toxic effects towards normal cell line. Despite the fact that extracts of Jasminum abyssinicum (IC50 for DPPH = 26.3 ug/mL, ORAC = 1023.7 ug TE/mg extract), Rumex nepalensis (IC50 for DPPH = 5.7 ug/mL, ORAC = 1061.4 ug TE/mg extract), Mauritia flexuosa (DPPH and ORAC = 1062.9 and 645.9 ug TE/mg extract), Myrciaria dubia (DPPH and ORAC = 641.9 and 642.6 ug TE/mg extract) and Theobroma grandiflorum (DPPH and ORAC = 714.8 and 821.9 ug TE/mg extract) have exhibited considerable antioxidant effect, these species were found to possess moderate to low anti-proliferative potential or have shown to be toxic to normal cells line. In all cases it was detected that phenolic compounds content correlated strongly with antioxidant activity, however weakly with anti-proliferative effect. Results suggest above-mentioned species as prospective materials for further development of novel plant-based agents effective against oxidative stress related diseases. However, it is necessary to perform further research which would be focused on detailed characterization of their chemical composition, pharmacological effects and toxicological safety, in order to verify their possible practical use.

Keywords

antioxidant, cytostatikum, fenolické látky, rostlinné extrakty, víno

Keywords

antioxidant, anticarcinogenic, phenolic compounds, plant extracts, wine

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 4. 2016

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Ladislav Kokoška, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Tropical AgriSciences

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Tropical and Subtropical Agriculture