Flavonoid-induced cytotoxicity, neuroprotection and immunmodulation in the cell model

Flavonoide sind weitverbreitete sekundäre Pflanzeninhaltsstoffe. Ihr Beitrag zur Prävention von chronischen Erkrankungen wird zu großen Teilen auf immunmodulatorische und neuroprotektive Effekte zurückgeführt. Eine Voraussetzung für die Nutzung dieser Eigenschaften der Flavonoide stellt die Erfassung cytotoxischer Effekte dar. Mit Ausnahme von Xanthohumol und Quercetin ist für alle im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten Flavonoide, Hispidulin, Baicalein, Scutellarein, Hesperetin, Chrysin, Apigenin, Naringenin, Catechin, Pelargonidinchlorid und EMD 21388, sowohl in T-Zellen (Jurkat) als auch in neuronalen (SK-N-SH)-Zellen nach 24-stündiger Inkubation eine geringgradige Cytotoxizität festzuhalten. Für Xanthohumol bzw. Quercetin wird ein halbmaximaler Verlust der Zellvitalität je nach Modell in Konzentrationen von 33-45 µM bzw. 118-208 µM erreicht. Der weiterführenden Charakterisierung (zVAD, DNA-Laddering) ist zu entnehmen, dass die zellulären Veränderungen substanzabhängig differieren und sowohl nekrotische Mechanismen (Xanthohumol) als auch apoptotische Vorgänge (Quercetin) einschließen. Eine erhöhte Lipidperoxidation im oberen Dosisbereich lässt darüber hinaus auf eine Beteiligung von oxidativem Stress an den von Xanthohumol-induzierten nekrotischen Prozessen schließen. Eine positive Einflussnahme auf die Zellvitalität durch Antioxidantien wie GSH und NAC lässt des Weiteren vermuten, dass die erfassten Flavonoid-induzierten Prozesse jeweils sensitiv zum Redoxzustand der Zelle sind. Während die Effekte von Xanthohumol auch in anderen Zellmodellen (HL-60) nachweisbar bleiben, verhält sich Quercetin nicht durchgehend vitalitätsmindernd. Unterschiede zwischen den Testsubstanzen bestehen auch hinsichtlich antioxidativer Effekte. Das Eliminieren freier Radikale zählt zu den wichtigsten Mechanismen, die bei Flavonoid-vermittelter Neuroprotektion eine Rolle spielen. Insgesamt sind alle diesbezüglich untersuchten Substanzen als starke Superoxidanionen-Radikalfänger einzustufen. Im Co-Inkubationsversuch zeigt Scutellarein den stärksten Effekt, gefolgt von Quercetin, Hispidulin und Xanthohumol. Im Prä-Inkubations-Versuchsmodell liegen in der Reihenfolge ihrer Effektstärken Xanthohumol vor Quercetin, Hispidulin und schließlich Scutellarein. Die modellabhängigen Konstanten können, unter Beteiligung einer passiven Diffusion der hydrophoben Flavonoidaglykone, auf eine substanzgebundene Membranpermeabilität zurückzuführen sein. Das antioxidative Potential der Flavonoide resultiert u.a. aus einer komplexen Einflußnahme auf die Genexpression in der Zelle. In der vorliegenden Arbeit sind anhand von cDNA-Arrays für mehrere Vertreter übereinstimmend Wechselwirkungen mit Genen der zellulären Abwehr dargestellt. Demnach führen Scutellarein, Hispidulin, Quercetin und Xanthohumol zu einer deutlich reduzierten Expressionsstärke von STK4, CHD4, ARHGDIB, IL16, ISG20, PFN1 und SOD2. Unter den Flavonoid-induzierten Veränderungen ragen die Effekte auf ADAR1 heraus, dessen Genexpression von Scutellarein bis auf ein 0,1-faches der Referenzwerte reduziert wird. Gleichsinnige Auswirkungen von Scutellarein auf die Expression von ADAR1-Protein in Western Blots unterstreichen diese Interaktion und legen nahe, dass ADAR-vermittelte enzymatische Deaminierungen durch Flavonoide moduliert werden können. Diese Beobachtung wird ergänzt durch den nachgewiesenen Effekt von Flavonoiden auf die Expression einer Reihe weiterer Gene (ADAR2, APOBEC3B, APOBEC3C, APOBEC3F und APOBEC3G), die analoge posttranskriptionale Mechanismen steuern und gleichermaßen in Immunabwehr und Neuroprotektion eingebunden sind. Zu den wichtigsten Substraten von ADAR zählen Glutamatrezeptoren. Erwartungsgemäß ist nach der Einwirkung von Scutellarein auf humane Zellen, die Glutamatrezeptoren exprimieren, ein Rückgang der Deaminierung im Bereich der Glutamatrezeptoruntereinheit GluR 2 zu verzeichnen (Q/R-Position). Dem entspricht in elektrophysiologischen Modellen eine gesteigerte Ca2+-Permeabilität der jeweiligen Ionenkanäle und eine veränderte neuronale Exzitabilität. Hieraus ergibt sich ein breites Spektrum zusätzlicher Optionen für die Induktion von gesundheitsrelevanten Flavonoidfunktionen in der Zelle. So spielt die Modulation von Deaminierungen zugleich eine entscheidende Rolle im Vermehrungszyklus viraler Erreger. Die Annahme einer möglichen antiviralen Qualität von Scutellarein wird durch ein HBV-Infektionsmodell anhand drei Parameter der Virusreplikation (Virus-DNA-Konzentration, HBs- bzw. HBe-Antigenproduktion) bestätigt. Offen bleibt auch nach ausführlicher Prüfung, ob der deutliche antivirale Effekt als das Produkt von Flavonoid-induzierten Veränderungen der Deaminierungsraten oder als Folge eines Effekts auf die virale Polymerase zu interpretieren ist. Die hier dargestellten Wirkmechanismen leisten einen Beitrag zum Verständnis der Bedeutung von Flavonoiden für neue Anwendungen in Neuroprotektion und Immunabwehr.Flavonoids are common secondary plant metabolites that confer numerous nutritional health effects. Their role in preventing chronic diseases is attributed to immunmodulatory and neuroprotective effects among others. In order to fully exploit these properties the limitations imposed by the compounds cytotoxic profiles must be addressed. For the majority of compounds investigated, hispidulin, baicalein, scutellarein, hesperetin, chrysin, apigenin, naringenin, catechin, pelargonidinchloride and EMD 21388, the present study confirms minimal cytotoxicity in T-cells (Jurkat) and in neuronal cells (SK-N-SH). As for xanthohumol and quercetin a 50% decline in cell-vitality is observed at concentrations of 33-45 µM and 118-208 µM, respectively. Further characterization using zVAD and DNA-laddering indicate that cell-vitality may be compromised both by necrotic mechanisms (xanthohumol) and by apoptotic effects (quercetin). An increase in lipidperoxidation in the upper dose range suggests that oxidative stress may be involved in xanthohumol toxicity. As this is counteracted by antioxidants such as GSH and NAC, these flavonoids impact on cell-vitality is likely codetermined by the cells redox state. While the effects of xanthohumol extend to other cell models, quercetin toxicity in HL-60 cells is less pronounced. Test compounds are also found to differ with regard to antioxidative profiles. The elimination of free radicals is a key mechanism in flavonoid-induced neuroprotection and is shown to vary with different incubation protocols. In short incubation experiments (5 min; co-incubation) scutellarein is identified as the most powerful scavenger, followed by quercetin, hispidulin and xanthohumol. In prolonged incubations (24 hrs; prä-incubation) xanthohumol and quercetin are followed by hispidulin and scutellarein. Model-specific constants suggest that passive diffusion of the hydrophobic flavonoid-aglyca may occur across cell membranes, alongside with other modes of permeation. Flavonoids antioxidative potential is mediated by complex effects on gene expression. The present work uses data from cDNA-arrays to highlight interactions with genes involved in cellular defense. Specifically, scutellarein, hispidulin, quercetin and xanthohumol downregulate expression for STK4, CHD4, ARHGDIB, IL16, ISG20, PFN1 and SOD2. In addition, flavonoids consistently downregulate ADAR1-expression, which drops to 0,1-fold of reference values and is paralleled by scutellarein-effects on ADAR1-protein-expression. Together, these findings indicate, that ADAR-mediated enzymatic deamination may be modulated by flavonoids. Similar effects are noted on related genes (ADAR2, APOBEC3B, APOBEC3C, APOBEC3F and APOBEC3G), relevant to posttranscriptional processing underlying immune defense and neuroprotection. Glutamate receptors count among the most important neuronal substrates of ADAR. Following exposure to scutellarein a decrease in deamination rates is confirmed with respect to the glutamate receptor subunit GluR 2 (Q/R-site). As a result, an enhanced Ca2+-permeability of the respective ion channels is anticipated, and modified neuronal excitability. Overall, the regulation of enzymatic deamination by flavonoids offers opportunities for multilevel balancing of cell homeostasis. Thus deaminations may interfere with the replication cycle of viral pathogens. Using an ex-vivo HBV-infection model and three parameters of viral replication (viral load, HBs and HBe indices), antiviral properties of scutellarein are illustrated. Despite extensive investigation, it remains to be seen whether these effects can be ascribed to deaminations of viral DNA or to an interaction with other substrates, e.g. the viral polymerase. In summary, the present observations serve to foster our understanding of flavonoids roles in neuroprotection and immune defense