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Biochemometrics and biopharmaceutical profiling in drug discovery from natural sources
Sigrid Adelsberger
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Pharmazie
Betreuer*in
Ulrike Grienke
DOI
10.25365/thesis.78725
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19174.18389.828724-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Ziel dieser Dissertation war es, einen Beitrag zur Auffindung bioaktiver Stoffe und ihrer Anwendung im Rahmen der Wirkstoffentwicklung basierend auf Naturstoffen zu leisten. Zwei verschiedene Ansätze, Biochemometrie und die Erstellung eines biopharmazeutischen Profils, wurden herangezogen, um die Zusammensetzung von Mehrkomponentengemischen zu entschlüsseln und ihr Potenzial für die inhalative Gabe zu bewerten. Biochemometrische Methoden, wie etwa die statistische Heterocovarianzanalyse (HetCA), stellen ein präzises Werkzeug zur Identifizierung biogener Wirkstoffe noch vor ihrer Isolierung dar. 1H NMR-basierte HetCA (1D HetCA) korreliert Protonenresonanzen mit Bioaktivitätsdaten und generiert Pseudospektren, die die berechneten Korrelationskoeffizienten widerspiegeln. Um Einschränkungen in der Interpretierbarkeit von 1D HetCA Pseudospektren, wie etwa aufgrund von Signalüberlappungen, zu überwinden, wurde ein zweidimensionaler Heteronuclear Single Quantum Coherence (HSQC)-basierter HetCA Ansatz entwickelt. Im Gegensatz zur 1D HetCA, zeigt das 2D HetCA Pseudospektrum eine deutlich verbesserte Differenzierbarkeit der Signale. Angewendet auf einen Dichlormethan-Extrakt, der aus den Blättern von Eriobotrya japonica Lindl. gewonnen wurde, war dieses biochemometrische Werkzeug in der Lage, zielgerichtet, schnell und präzise die terpenoide Nebenverbindung 2α,19α-Dihydroxy-3-oxo-12-ursen-28-säure (1.98% im Extrakt) aufzufinden, deren inverse agonistische Aktivität am retinoic acid receptor-related orphan receptor gamma (RORγ) bisher noch nicht beschrieben war (IC50 = 2.15 µM) (Manuskript I). Die Erstellung eines biopharmazeutischen Profils wird häufig bei der Entwicklung synthetischer niedermolekularer Arzneimittelkandidaten durchgeführt, jedoch nicht routinemäßig zur Bewertung von Extrakten und Bestandteilen aus natürlichen Quellen eingesetzt. Addukte vom Mulberry Diels–Alder-Typ (MDAAs) aus der Wurzelrinde von Morus alba L. zeigen sowohl antivirale als auch antibakterielle Aktivität (Publikation I), weisen jedoch nach oraler Einnahme eine niedrige Bioverfügbarkeit bzw. Plasma-/Gewebekonzentration auf. Um die Eignung von MDAAs für die pulmonale Arzneimittelverabreichung zu bewerten, wurden zwei Reinstoffe, Sanggenon C (SGC) und Sanggenon D (SGD), sowie zwei MDAA-haltige Extrakte (MA21, MA60) untersucht. Das Profil umfasste physikochemische Eigenschaften (pH, pKa, logP, pH-abhängige Löslichkeit) und biopharmazeutische Parameter (epitheliale Zytotoxizität, Permeabilität, Aufnahme). Trotz der strukturellen Ähnlichkeit von SGC und SGD zeigen die beiden Stereoisomere in allen Experimenten ein unterschiedliches Verhalten, ohne messbare Permeabilität durch Calu-3-Monoschichten. Die Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass SGC und SGD vielversprechende Kandidaten für die Inhalation in isolierter Form sind, nicht jedoch als Bestandteile von Extrakten (Publikation II). Biochemometrie und das Erstellen eines biopharmazeutischen Profils ermöglichen nicht nur die Beschleunigung der Suche nach bioaktiven Substanzen und eine Einschätzung der Eignung dieser Stoffe für die inhalative Gabe in einem sehr frühen Stadium der Wirkstoffentwicklung, sondern erlauben es auch, Naturstoffforschung zeit- und ressourcenschonend durchzuführen.
Abstract
(Englisch)
The aim of this doctoral thesis was to accelerate the search of bioactives from natural sources and to investigate translational aspects regarding their future application. Two different approaches, i.e. biochemometrics and biopharmaceutical profiling (BPP), were applied to unravel multicomponent mixtures and to evaluate their potential for inhalation administration. Biochemometric methods, such as statistical heterocovariance analysis (HetCA), present valuable tools for the early identification of bioactive constituents in complex extracts prior to their isolation. 1H NMR-based HetCA (1D HetCA) correlates proton resonances with bioactivity data resulting in pseudospectra reflecting calculated correlation coefficients. To overcome limitations in the interpretation of 1D HetCA pseudospectra, e.g. due to overlapped signals, a two-dimensional Heteronuclear Single Quantum Coherence (HSQC)-based HetCA (2D HetCA) approach has been established. Compared to 1D HetCA, the 2D HetCA plots clearly showed an improved differentiation of signals. This biochemometric tool was applied on an Eriobotrya japonica Lindl. dichloromethane leaf extract and was able to reveal a minor triterpenoid, i.e. 2α,19α-dihydroxy-3-oxo-12-ursen-28-oic acid (1.98% in the crude extract), with a previously undescribed inverse agonistic activity on the retinoic acid receptor-related orphan receptor gamma (RORγ) (IC50 = 2.15 µM), in a targeted, rapid and accurate way (Manuscript I). BPP studies are commonly performed in the development of synthetic small-molecule drug candidates. However, they are not routinely used for evaluations of herbal extracts and constituents from natural sources. Mulberry Diels–Alder-type adducts (MDAAs) from Morus alba L. root bark, exhibit both antiviral and antibacterial activity (Publication I), but showed low bioavailability and plasma/tissue concentration after oral application. To evaluate their suitability for pulmonary drug delivery, two pure MDAAs, sanggenon C (SGC) and sanggenon D (SGD), and two MDAAs containing extracts (MA21, MA60) were investigated. The profiling included physicochemical properties (pH, pKa, logP, pH-dependent solubility) and biopharmaceutical parameters (epithelial cytotoxicity, permeability, uptake). Despite the structural similarity of SGC and SGD, the two stereoisomers exhibited distinct behavior in all experiments, but did not demonstrate measurable permeability across Calu-3 monolayers. The results obtained revealed that they are promising candidates for inhalation administration in isolated form rather than as extracts (Publication II). Both approaches, biochemometrics and BPP, not only help to accelerate the search for bioactives and to assess the suitability of the constituents for inhalation administration in an early stage of the drug discovery process, but also contribute to natural product (NP) research in a timesaving and resource-efficient manner.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Wirkstoffentwicklung basierend auf Naturstoffen Biochemometrie statistische Heterocovarianzanalyse HetCA 2D HetCA 2D NMR-basierte HetCA Eriobotrya japonica Lindl. Triterpene Biopharmazeutisches Profil Mulberry Diels-Alder-type Addukte Morus alba L. Sanggenone Suche nach bioaktiven Substanzen HSQC-basierte HetCA
Schlagwörter
(Englisch)
natural product drug discovery biochemometrics statistical heterocovariance analysis HetCA 2D HetCA 2D NMR-based HetCA Eriobotrya japonica Lindl. triterpenes biopharmaceutical profiling mulberry Diels-Alder-type adducts Morus alba L. sanggenons search for bioactive compounds HSQC-based HetCA
Autor*innen
Sigrid Adelsberger 
Haupttitel (Englisch)
Biochemometrics and biopharmaceutical profiling in drug discovery from natural sources
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
182 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Andreana Asimopoulou ,
Mehdi Beniddir
AC Nummer
AC17586175
Utheses ID
76290
Studienkennzahl
UA | 796 | 610 | 449 |