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The natural compound curcumin - impact of cellular uptake and metabolism on in vitro activity

Qurratul Ain Jamil

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus d. Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Pharmazie)

Betreuer*in

Walter Jäger

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DOI

10.25365/thesis.54241

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-14023.10924.312965-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Curcumin ist ein orangegelbes Polyphenol mit pleiotropischen Eigenschaften. Die Bioverfügbarkeit ist gering, bedingt durch sehr rasche Metabolisierung in Darm und Leber. Da die Pharmakokinetik (Resorption, Verteilung, Metabolismus und Ausscheidung) einen bestimmenden Einfluss auf Effektivität, Toxizität und Arzneistoffwechselwirkungen ausübt, wurde die Rolle von Aufnahmetransportern und metabolisierenden Enzymen auf die Aktivität von Cucumin untersucht. In der ersten Studie wurde die Metabolisierung von Curcumin in der hormonabhängigen ZR-75-1 und der hormonunabhängigen MDA-MB-231 humanen Brustkrebszelllinie mittels Hochleistungsflüsigkeitschromatographie gekoppelt mit UV und Massenspektrometrie untersucht, wobei sich deutlich zeigte, dass die Bildung von Curcuminsulfat den Hauptmetabolisierungsweg darstellt. Interessanterweise war die Bildung von Curcuminsulfat in ZR-75-1-Zellen deutlich stärker ausgeprägt als in MDA-MB-231 Zellen was die geringeren IC50-Werte von Curcumin in dieser Zelllinie erklärt. Zum ersten Mal bestätigten unsere Daten auch die Bildung eines neunen dimeren Curcumins in humanen Brustkrebszelllinien. Die Konzentration von Curcuminglucuronid und anderer Biotransformationsprodukte war unterhalb der Nachweisgrenze. Der Fokus der zweiten Studie lag auf der Rolle von „organic anionic transporting polypeptides“ (OATPs) auf die zelluläre Aufnahme von Curcumin und dessen Hauptmetaboliten Curcuminsulfat, Curcuminglucuronid und Tetrahydrocurcumin. Diese Studie sollte bei der Beantwortung der Frage helfen, ob Curcumin und dessen Biotransformationsprodukte in Geweben und Organen angereichert werden können um dort bioaktive Spiegel zu erreichen. Unter Verwendung von OATP-transfizierten „Chinese hamster ovarian cells“ (CHO) konnten wir zeigen, dass Curcumin und Curcuminsufat mittels OATP1B1, 1B3 und 2B1 transportiert werden. Tetrahydrocurcumin wird hingegen nur von OATP1B1 und 1B3 transportiert, während Curcuminglucuronid kein Substrat für diese drei OATPs darstellt. Um die Bedeutung von OATPs für die Aufnahme von Curcumin zu unterstreichen wurden OATP1B1-knockdown ZR-75-1-Brustkrebszellen mit Curcumin inkubiert, wobei im Vergleich zu überexprimierten Wildtyp-Zellen ein verringerte zelluläre Aufnahme von Curcumin gefunden wurde. Dies führte zu höheren IC50-Werten und zu einer verringerten Expression von Interleukin-beta-induziertem NF-kB.In einem letzten Projekt untersuchten wir die spasmolytische Aktivität von Curcumin, Demethoxycurcumin, Bisdemethoxycurcumin und Tetrahydrocurcumin, sowie der Curcuminhydrolyseprodukte Ferulasäure, Feroylmethan und Vanillin in isolierten Gewebsstücken des Ileums, der Aorta sowie der Lungenarterie von Meerschweinchen. Eine mögliche inotrope und chronotrope Aktivität wurde am isolierten Papillarmuskel und am rechten Vorhof untersucht. Die pharmakologische Wirkung von Curcumin wurde bisher nur für eine Gelbwurzmischung nachgewiesen nicht hingegen für reines Demethoxycurcumin, Bisdemethoxycurcumin und die drei nicht-enzymatischen Zerfallsprodukten. Unsere Ergebnisse zeigten erstmals anschaulich, dass alle drei Curcuminoide sowie Terahydrocurcumin eine ausgeprägte spasmolytische Aktivität am Ileum aufweisen, während Demethoxycurcumin nur die Pulmonalarterie relaxiert. Alle drei Curcuminoide, nicht jedoch Tetrahydrocurcumin, zeigten weiters eine geringe negative chronotrope Aktivität. Bisdemethoxycurumin hingegen zeigte eine geringe positive inotrope Aktivität. Interesanterweise konnte für Ferulasäure, Feroylmethan und Vanillin keine pharmakologische Aktivität festgestellt werden. In weiteren Versuchen analysierten wir auch die Aufnahme von Curcumin, Demethoxycurcumin, Bisdemethoxycurcumin und Tetrahydrocurcumin in die verschieden Gewebe und Organe, wobei deren Konzentration mit der pharmakologischen Wirkung korrelierte. Zusammenfassend zeigten unsere Daten zum ersten Mal, dass Curcumin in humanen Brustkrebszellen zu Curcuminsulfat metaboliert wird und dass der intrazelluläre Spiegel von Curcuminsulfat eine inverse Korrelation mit der Cytotoxiziät aufweist. Wir konnten weiters nachweisen, dass OATPs für die zelluläre Aufnahme von Curcumin, Curcuminsulfat und Tetrahydrocurcumin, nicht jedoch von Curcuminglucuronid veranwortlich sind. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass Demethoxycurcumin, Bisdemethoxycurcumin eine gegenüber Curcumin eine ausgeprägtere spasmolytische, und vasodilatatorische Wirkung besitzen. Beide Curcuminoide dürften daher an der pharmakologischen Wirkung von Curcuma longa beteiligt sein, was nach peroraler Einnahme von Gelbwurzpulver bei Menschen berücksichtigt werden sollte.

Abstract

(Englisch)

Curcumin is a yellowish orange polyphenol with pleiotropic activities. However, it has a poor bioavailability due to rapid metabolism in intestine and liver. Since, pharmacokinetics (absorption, distribution, metabolism and excretion) plays a determinant role in efficacy, toxicity and interaction of drugs; thus, the role of uptake transporters and metabolizing enzymes on the activity of curcumin was investigated. In the first project, the metabolism of curcumin in human hormone-dependent ZR-75-1 and hormone independent MDA-MB-231 breast cancer cell lines was elucidated by using high-performance liquid chromatography (HPLC) coupled with UV and mass spectrometry which clearly showed the formation of cucumin sulfate as the main metabolite. Interestingly, sulfation was far more pronounced in ZR-75-1 cells compared to MDA-MB-231 cells leading to higher intracellular curcumin sulfate levels, thereby explaining the lower EC50 of curcumin in this cell line. For the very first time, our data also confirmed the formation of curcumin dimer as a novel minor curcumin metabolite in the breast cancer cells. The concentration of curcumin glucuronide and other metabolites was below of the detection limit. In the second project, our focus was to investigate the role of organic anionic transporting polypeptides (OATPs) in the uptake of curcumin and its main metabolites curcumin sulfate, curcumin glucuronide and tetrahydrocurumin. This data may help to elucidate whether curcumin and its metabolites can accumulate to bioactive levels in tissues and organs. By using the OATP-transfected Chinese hamster ovarian cells (CHO), we found that OATP1B1, 1B3 and 2B1 were able to transport curcumin and its sulfated conjugate in CHO cell line. Tetrahydrocurcumin was only transported by OATP1B1 and 1B3 but not by OATP2B1. Moreover, all the three OATPs were not able to transport curcumin glucuronide. To further prove the importance of OATPs, OATP1B1-knockdown ZR-75-1 cells were incubated with curcumin which showed a decreased curcumin uptake compared to the OATP1B1 overexpressing wild-type cells. This leads to higher EC50 values and a decreased inhibition value of interleukin-beta-induced NF-kB reporter expression. In the third project, we investigated the spasmolytic activity of curcumin, demethoxycurumin, bisdemethoxycurcumin, the major curcumin metabolite tetrahydrocurcumin and the non-enzymatic curcumin hydrolysis products ferulic acid, feruloyl methane and vanillin in isolated ileum, aorta and pulmonary artery of guinea pig. The ionotropic and chronotropic activities of these compounds were also determined in papillary muscles and right atrium of guinea pig, respectively. The biological effects of turmeric powder have been already reported but the extent to which demethoxycurcumin and bisdemethoxycurcumin, tetrahydrocurcumin and the three main degradation products also contribute to pharmacological effects individually, was still unknown. Our results revealed that curcuminoids and tetrahydrocurcumin demonstrated significant spasmolytic activity in ileum. However, only demethoxycurcumin relaxed pulmonary artery significantly. All three curcuminoids, but not tetrahydrocurcumin, exhibited mild negative chronotropic activity. Interestingly, curcumin and demethoxycurcumin demonstrated mild positive ionotropic activity. In contrast, bisdemethoxycurcumin showed mild negative ionotropic activity. Ferulic acid, feruloyl methane and vanillin demonstrated no pharmacological activity at all in the various isolated organs. Moreover, we also analyzed the uptake of curcumin, demethoxycurcumin, bisdemethoxycurcumin and tetrahydrocurcumin into the various tissue samples where concentrations correlated with the pharmacological activity. In conclusion, our results show for the first time that curcumin is sulfated in breast cancer cells and that intracellular curcumin sulfate levels inversely correlated with cytotoxicity. We also demonstrated that OATPs act as cellular uptake transporters for curcumin, tetrahydrocurcum and curcumin sulfate, but not for curcumin glucuronide. Moreover, our data also showed that demethoxycurcumin and bisdemethoxycurcumin demonstrated more pronounced spasmolytic and vasodilating activity than curcumin indicating that both the curcuminoids significantly contribute to the observed pharmacological effects of Curcuma longa which have to be considered in humans after oral intake of turmeric powder.

Autor*innen

Qurratul Ain Jamil

Haupttitel (Englisch)

The natural compound curcumin - impact of cellular uptake and metabolism on in vitro activity

Paralleltitel (Deutsch)

Der Naturstoff Curcumin : Einfluss von zellulärer Aufnahme und Metabolismus auf die in vitro Aktvität

Publikationsjahr

2018

Umfangsangabe

140 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Gerd Bendas ,

Attila Hunyadi

Klassifikation

44 Medizin > 44.42 Pharmazeutische Chemie

AC Nummer

AC15207349

Utheses ID

47928

Studienkennzahl

UA | 796 | 610 | 449 |

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Schlagwörter