Study of modulation of human neutrophil effector functions by coumarin derivatives: evaluation of biological effect on reactive oxygen species production and degranulation

Os neutrófilos são células fagocíticas do sistema imune inato com mecanismos especializados de digestão de patógenos, complexos imune e detritos celulares, que são mediados principalmente por espécies reativas de oxigênio (EROs) e enzimas proteolíticas. Entretanto, a ativação maciça de neutrófilos leva a uma liberação exacerbada de enzimas e EROs para o meio extracelular, o que pode ultrapassar a capacidade de defesa tecidual, composta por antioxidantes e antiproteinases, e lesar o tecido, bem como amplificar o processo inflamatório observado em algumas doenças inflamatórias, autoimunes e infecciosas. O envolvimento de neutrófilos na fisiopatologia de tais doenças tem atraído o interesse na pesquisa de novas substâncias com propriedades antioxidantes e imunomodulatórias. Neste trabalho, foi avaliado o efeito modulatório de onze derivados de cumarinas hidroxiladas e acetoxiladas sobre duas funções efetoras de neutrófilos humanos (produção de EROs e desgranulação), bem como a citotoxicidade dessas substâncias. Além disso, a relação estrutura-atividade foi analisada. Para tais investigações, o sangue venoso foi coletado de voluntários saudáveis e os neutrófilos foram isolados pelo método da gelatina. O metabolismo oxidativo dos neutrófilos foi desencadeado por zimosan opsonizado com soro humano normal (ZIops) ou forbol-12-miristato-13-acetato (PMA), e a resposta celular foi avaliada pelos ensaios de quimioluminescência dependente de lucigenina (QLluc) ou de luminol (QLlum). Para a realização desses ensaios, foram padronizadas as seguintes condições experimentais: concentração das sondas luminol e lucigenina; concentração do solvente dimetilsulfóxido; tempo de leitura da QLuc e QLlum. Posteriormente, a atividade antioxidante das cumarinas frente ao radical 2,2-difenil-1-picrilhidrazil (DPPH) foi avaliada espectrofotometricamente em 510 nm. Além disso, foi avaliado o efeito das cumarinas na desgranulação dos neutrófilos induzida por n-formil-metionil-leucil-fenilalanina (fMLP), utilizando-se a enzima elastase como marcador, bem como o efeito dessas substâncias na atividade da elastase liberada pelos neutrófilos. Ambos os ensaios foram realizados através da quantificação de p-nitroanilina liberada após a quebra de um substrato específico para essa enzima, em 405 nm. A toxicidade das cumarinas sobre os neutrófilos foi avaliada pela exclusão do azul de tripan e pela medida da liberação de lactato desidrogenase. Observou-se que, tanto para as células estimuladas por ZIops quanto por PMA: (i) a maioria das cumarinas inibiu a QLluc e a QLlum de maneira dependente da concentração, sendo que as mais ativas (C, D) possuíam grupos orto-diidroxi; (ii) quatro cumarinas (A, B, F, G) inibiram a QLluc, mas aumentaram a QLlum; (iii) a cumarina não-substituída (K) não teve efeito modulatório significativo sobre a QLlum ou QLluc; (iv) ordem de efeito inibitório das demais substâncias (E, H, I, J) foi dependente do número e posição dos grupos substituintes, bem como do tipo de sonda quimioluminescente (luminol ou lucigenina) e do estímulo utilizado. Verificou-se também que três cumarinas (C, D, H) tiveram atividade antioxidante significante frente ao radical livre DPPH. Além disso, quatro das substâncias avaliadas (A, B, E, G) inibiram a desgranulação dos neutrófilos, mas nenhuma delas (A - K) interferiu na atividade da elastase. A análise do conjunto de resultados obtidos sugere que o número e posição dos grupos hidroxil e acetil no esqueleto cumarínico foram importantes para a modulação do metabolismo oxidativo de neutrófilos humanos, sendo que, dependendo do tipo de EROs medida, tais características estruturais podem levar a um efeito anti- ou pró-oxidante. Além disso, o efeito modulatório das cumarinas sobre as funções efetoras dos neutrófilos foi dependente o tipo de estímulo utilizado, e não foi mediado pela toxicidade dessas substâncias, nas condições ensaiadas. Sendo assim, os resultados obtidos podem auxiliar no entendimento dos requisitos estruturais das cumarinas necessários para uma modulação eficiente das funções efetoras dos neutrófilos envolvidas em doenças inflamatórias.Neutrophils are phagocytic cells from the innate immune system with highly developed mechanisms for intracellular digestion of pathogens, immune complexes and cell debris, which are mainly mediated by reactive oxygen species (EROs) and proteolytic enzymes. However, massive neutrophil activation lead to release of large amounts of enzymes and EROs to the extracellular milieu, that may overpower the tissue defense systems, composed of antioxidants and antiproteinases, and damage the tissue, as well as contribute to the amplification of the inflammatory process found in some inflammatory, autoimmune and infectious diseases. The involvement of neutrophils in the physiopathology of such diseases has attracted the interest in the search of new compounds with antioxidant and immunomodulatory properties. In this work, we evaluated the modulatory effect of eleven hydroxylated and acetoxylated coumarin derivatives in two effector functions of human neutrophils (EROs production and degranulation) as well as the cytotoxic effects of these compounds. In addition, the structure-activity relationship was analyzed. Venous blood was collected from healthy volunteers and neutrophils were isolated by the gelatin method to perform our experiments. The neutrophil oxidative metabolism was triggered by normal human serum-opsonized zymosan (ZIops) or phorbol-12-myristate-13-acetate (PMA), and the cellular response was evaluated by the lucigenin (QLluc)- or luminol (QLlum)-amplified chemiluminescence assays. In order to conduct this study, the following experimental conditions had to be established: concentration of the chemiluminescence probes luminol and lucigenin; concentration of the solvent dimethylsulfoxide; the QLluc and QLlum reaction time. Afterwards, the antioxidant activity against 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl radical (DPPH) was evaluated spectrophotometrically at 510 nm. Moreover, the effect of coumarins in the n-formyl-metionyl-leucyl-phenylalanine (fMLP)-induced neutrophil degranulation was evaluated by using elastase as marker, and the effect of these compounds in the elastase activity were also evaluated. Both assays were performed by measuring the elastase-mediated p-nitroaniline release from a specific substrate (405 nm). Toxicity of coumarins to the neutrophils was evaluated by trypan blue exclusion and measurement of lactate dehydrogenase release. Considering both, ZIops and PMA-stimulated neutrophils, we observed that: (i) most of coumarins inhibited the QLluc and the QLlum in a concentration-dependent manner, being the orto-dihydroxylated (C, D) the most active ones; (ii) four coumarins (A, B, F, G) inhibited the QLluc but increased the QLlum; (iii) the unsubstituted coumarin (K) had no significant modulatory effect on QLlum or QLluc; (iv) the rank order of inhibitory effect among the other compounds (E, H, I, J) was dependent on the number and position of substituents, as well as the type of chemiluminescent probe (luminol or lucigenin) and stimulus used. In addition, we observed that three coumarins (C, D, H) had a significant antioxidant activity against DPPH, and four compounds (A, B, E, G) inhibited the neutrophil degranulation, but none of the tested coumarins (A - K) interfered in the elastase activity. Taken together, our results suggest that the number and position of the hydroxyl and acetyl groups in the coumarin moiety were important to modulate the human neutrophil oxidative metabolism. Depending on the type of EROs measured, such structural features can lead to an anti- or pro-oxidant effect. Furthermore, the modulatory effect of coumarins on the neutrophil effector functions was dependent on the type of stimulus used, but it was not mediated by toxicity of these compounds to the neutrophils, under the assessed conditions. Therefore, the results described herein may be helpful to understand the structural requirements of coumarins to reach an efficient modulation of the neutrophil effector functions involved in inflammatory diseases