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Analysis of the effective components of a Chinese herbal formula and its effects on post-infarction ventricular remodeling in rats

Karoline Peter

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Yan Ma

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29475.09832.873062-3

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Hintergrund: Koronare Herzerkrankungen sind verantwortlich für die Hälfte der Todesfälle von kardiovaskulären Erkrankungen und bei 60-70 % der Patienten die Hauptursache für Herzinfarkt (HI). Damit stellen sie eine signifikante Belastung des Gesundheitsbudgets der EU dar. Die traditionelle Chinesische Medizin (TCM) ist ein empirisches Gesundheitssystem, das auf jahrtausendelanger Behandlungserfahrungen in Asien basiert. Die wachsende Beliebtheit der TCM im Westen erfordert die komplexen Mechanismen der Kräutermedizin mit Hilfe von gut etablierten analytischen Methoden der zielorientierten westlichen Medizin zu erforschen. Ziele: Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Evaluierung der chinesischen Kräutermedizin, “Si Ni Tang“ (SNT), welche traditionell bei der Behandlung von Herzerkrankungen eingesetzt wird. SNT besteht aus Bestandteilen von vier Pflanzen: Glycyrrhiza uralensis Fisch., vorbehandeltes Aconitum carmichaelii Debx., Zingiber officinale Ross und Cinnamomum cassia Prasl. Das erste Ziel dieser Arbeit war die phytochemische Analyse von SNT und die Evaluierung der Schwermetallegehalte. Durch die Anwesenheit von hoch toxischen Diester-Diterpenoid Alkaloiden (DDAs), Aconitin (AC), Hypaconitin (HA) und Mesaconitin (MA), war der Nachweis der toxikologischen Eigenschaften von SNT zwingend erforderlich. Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Ermittlung des Einflusses von SNT auf das ‚ventrikuläre Remodeling‘ in einem Infarktmodell an der Ratte. Nach 30 Tagen Behandlung wurden echokardiographische Untersuchungen vorgenommen und Herz- und Lebergewebe für pathohistologische Untersuchungen entnommen. Zahlreiche Marker, die im Verlauf des ‚ventrikulären Remodeling‘ eine bedeutende Rolle spielen, wurden im Serum und Herzgewebe der Ratten mittels enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) analysiert. Resultate: Die Konzentrationen von Blei, Cadmium und Quecksilber der getesteten Chargen lagen unter den von der Europäischen Pharmacopöe für medizinische Pflanzen festgelegten Grenzen. Mit Hilfe der Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC-DAD) wurde ein qualitativer ‘Fingerprint’ von SNT erstellt. Es konnten Liquiritin, Liquiritigenin, Isoliquiritin, Glyzyrrhizinsäure und Eugenol in SNT identifiziert werden. Die entwickelte HPLC-DAD Methode erlaubt eine rasche Analyse in nur 23 Minuten pro Durchgang und stellt eine zuverlässige Grundlage für die Quantifizierung der höchst toxischen DDAs in Extrakten von A. carmichaelii dar. In dieser Studie wurde HA im Dekokt von nicht vorbehandeltem A. carmichaelii nachgewiesen, wobei keine der DDAs im Dekokt von SNT weder mit vorbehandeltem noch mit nicht vorbehandeltem A. carmichaelii nachgewiesen werden konnten. Diese Resultate führen zur Annahme, dass SNT als unbedenklich eingestuft werden kann. Gleichzeitig werfen sie die interessante Frage auf, was mit dem HA, das in nicht vorbehandeltem A. carmichaelii detektiert wurde, in der Mischung passiert? Infolge der Untersuchung von Kräuter Interaktionen konnte die Frage beantwortet werden. Liquiritin, Liquiritigenin und Isoliquiritin waren primär verantwortlich für die Interaktion mit HA im Dekokt von SNT mit nicht vorbehandeltem A. carmichaelii. Zum ersten Mal konnten Bindungskonstanten für die 1:1 Komplexierung von Liquiritin und Aconitin mit Hilfe von Titrationsexperimenten mit Nuklearer Magnetischer Resonanz bestimmt werden. Diese Entdeckungen bieten neue Möglichkeiten für die Detoxifizierung der DDAs in den Aconitum Arten. In unserer in vivo Studie konnten signifikant reduzierte Werte der Kollagen Marker, Kollagen Typ I und Typ III in Serum und Herzgewebe und der Entzündungsmarker, Interleukin-1β, Tumor Nekrose Faktor-α und high sensitivity C-reactive protein in Serum, verzeichnet werden. Diese Ergebnisse resultieren in einer Abschwächung der Fibrosierung und bemerkenswerte anti-entzündliche Effekte, die mit einer Prävention von ‚ventrikulären Remodeling‘ assoziiert sind. Zusätzlich konnte SNT die Serumkonzentration des vaskular aktiven Markers, Stickoxid, erhöhen. Diese Resultate sind übereinstimmend mit der Verbesserung der linksventrikulären Funktion und der Prävention von kardialer Dilatation, die in echokardiographischen und pathohistologischen Untersuchungen ermittelt wurden. Die Serum Werte der folgenden fünf Marker, transforming growth factor-β1, atrial natriuretic peptide, cardiac troponin T, Interleukin-6 und Endothelin-1, unterschieden sich nicht signifikant zwischen den mit SNT behandelten Gruppen und der Modellgruppe. Schlussfolgerung: Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Verabreichung von SNT an Ratten nach einem induzierten HI positive Effekte aufweist und diese rechtfertigen daher den traditionellen Gebrauch von SNT in China. Unsere Studie bietet eine effiziente Methode zum Arzneimittel Screening, um den Einfluss von Arzneien auf ‚ventrikuläres Remodeling‘ nach einem HI zu ermitteln und leistet daher einen wichtigen Beitrag zur Herz-Kreislauf-Forschung.

Abstract

(Englisch)

Background: Coronary heart disease is the main cause for myocardial infarction (MI) in 60-70 % of patients suffering from cardiovascular disease and accounts for half of their deaths. Coronary heart disease creates a significant impact on the health-care budgets of the EU economy. Traditional Chinese Medicine (TCM) is an empirical healthcare system based on several millenia of human treatment in Asia. Due to TCM’s growing popularity it is necessary to bridge the gap to Western medicine and to explain the herbal medicine’s complex mechanism of action using the well- established analytical methods developed for target-oriented Western medicine. Aims: Our overall aim was to evaluate the Chinese medicinal formula, “Si Ni Tang” (SNT) which is traditionally used for the treatment of cardiac diseases. SNT consists of parts of the four plants Glycyrrhiza uralensis Fisch., pretreated Aconitum carmichaelii Debx., Zingiber officinale Ross. and Cinnamomum cassia Prasl. The first objective of this thesis was the phytochemical analysis of SNT and the determination of the presence of heavy metals. The analysis of the toxicological characteristics of SNT was imperative due to the highly toxic diester diterpene alkaloids (DDAs), aconitine (AC), hypaconitine (HA) and mesaconitine (MA) which are present in raw A. carmichaelii roots. The second objective of this thesis was to examine the effects of SNT on post-infarction ventricular remodeling in rats. In order to test the effects of SNT, echocardiography was performed after 30 days of treatment and heart and liver tissues were removed for pathohisto-logical examinations. In addition, various markers known to be involved in the process of cardiovascular remodeling were analyzed in the serum and heart tissue of rats, using enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Results: Concentrations of lead, cadmium and mercury in the batches that were tested did not exceed the limits recommended for medicinal plants by the European Pharmacopoeia. The qualitative fingerprinting analysis by high-performance liquid chromatography diode array detector (HPLC-DAD) method revealed liquiritin, liquiritigenin, isoliquiritin, glycyrrhizic acid and eugenol as components in the SNT. The HPLC-DAD method, which allowed a quick analysis time (23 min per passage), provided a reliable basis for the quantification of the highly toxic DDAs in the extracts of A. carmichaelii. In this study, HA was found in the decoction of unprocessed A. carmichaelii whereas none of the DDAs were detectable in the SNT decoction containing either processed or unprocessed A. carmichaelii. These results suggested that SNT is safe to use, but they also provoked the interesting question of what happened to the HA detected in unprocessed A. carmichaelii when it was combined in the whole formula? The analysis of the herbal interaction answered the question: liquiritin, isoliquiritin and liquiritigenin were identified to be primarily responsible for interacting with HA in the SNT decoction containing unprocessed A. carmichaelii. For the first time binding constants were determined for the complexation of 1:1 stoichiometry between liquiritin and aconitine by carrying out titration experiments with nuclear magnetic resonance. These discoveries offer new possibilities for the detoxification of the DDAs in the Aconitum species. According to this study, SNT significantly reduced the serum and cardiac tissue levels of collagen makers, collagen type I and type III, and the serum levels of inflammatory markers, interleukin-1β, tumor necrosis factor-α and high sensitivity C-reactive protein. The result of this was an attenuation of fibrosis and various marked anti-inflammatory effects, which are associated with the prevention of cardiac remodeling and, as a consequence, heart failure. In addition, SNT raised the serum level of the vascular active marker nitric oxide. These observations correspond to the improvement in the left ventricular function and to the prevention of cardiac dilatation, both of which could be seen in the echocardiography and pathological examinations. The levels of the five markers, transforming growth factor-β1, atrial natriuretic peptide, cardiac troponin T, interleukin-6 and endothelin-1, were not found to be significantly different in the SNT treated groups to those of the model group. Conclusions: Our results indicate the beneficial effects of the SNT administration to rats post-MI and therefore provide justification for its traditional use in China. Our study represents an important contribution to cardiovascular research by providing an efficient method of drug screening which can be used to determine the drug’s influence on cardiac remodeling post-MI.

Autor*innen

Karoline Peter

Haupttitel (Englisch)

Analysis of the effective components of a Chinese herbal formula and its effects on post-infarction ventricular remodeling in rats

Paralleltitel (Deutsch)

Die Analyse wirksamer Inhaltsstoffe einer Chinesischen Kräutermedizin und ihr Einfluss auf das "ventrikuläre Remodeling" in einem Infarktmodell an der Ratte

Publikationsjahr

2012

Umfangsangabe

212 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Yan Ma

Klassifikationen

35 Chemie > 35.23 Analytische Chemie: Allgemeines ,

35 Chemie > 35.29 Chromatographische Analyse, Elektrophorese ,

44 Medizin > 44.21 Ernährung ,

44 Medizin > 44.39 Toxikologie ,

44 Medizin > 44.52 Therapie ,

44 Medizin > 44.85 Kardiologie, Angiologie ,

44 Medizin > 44.98 Alternativmedizin

AC Nummer

AC10804171

Utheses ID

24177

Studienkennzahl

UA | 091 | 474 | |

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