2.1 Hemmung von Matrix-Metalloproteasen durch Flavonoide

Die Fähigkeit, Flavonoide als MMP-Inhibitoren bei der Regulierung schwerer pathologischer Zustände einzusetzen, wurde in den letzten zwei Jahrzehnten untersucht, und die meisten Flavonoide haben sich als wirksam bei der Unterdrückung der Aktivität von MMPs erwiesen.

Die Auswirkungen der ultravioletten (UV) Strahlung des Sonnenlichts auf die Lichtalterung der Haut sind umfassend untersucht worden, und es hat sich gezeigt, dass die UV-Bestrahlung menschlicher Hautfibroblasten entweder in vitro oder auf der menschlichen Haut in vivo die Überexpression von MMP-Genen, einschließlich der Matrix-Metalloproteinase-1 (MMP-1, Kollagenase-1), stimuliert, die eine wichtige Rolle beim Abbau von ECM-Komponenten während der Lichtalterung der Haut spielen. Um neue Mittel gegen die Lichtalterung zu entwickeln, untersuchten Kim et al. die hemmende Wirkung von Extrakten aus dem Meeresprodukt Zostera marina auf MMP-1 und stellten fest, dass Luteolin die Expression von MMP-1 in menschlichen Hautfibroblasten (Hs68) unterdrückte, während Aslam et al. zeigten, dass die MMP-1-Akkumulation im Fibroblastenmedium in Gegenwart von Quercetin, Luteolin, Kaempferol und Naringenin, den Hauptbestandteilen von Granatapfelschalenextrakt, drastisch reduziert wurde. Ebenso erwiesen sich Flavonoide wie Quercetin, Kaempferol, Apigenin und Wogonin als MMP-1-Inhibitoren und hemmten auch die MMP-1-Induktion durch Unterdrückung der Aktivierung des Transkriptionsfaktors Aktivatorprotein-1 (AP-1) in einer mit 12-O-Tetradecanoylphorbol-13-acetat (TPA) behandelten menschlichen neonatalen Hautfibroblastenkultur. Daher können bestimmte Pflanzenflavonoide bei der Behandlung einiger entzündlicher Hauterkrankungen und zum Schutz der Haut vor Lichtalterung von Nutzen sein. Darüber hinaus unterdrücken die Flavonoide Apigenin und Luteolin die UV-A-induzierte MMP-1-Expression über Mitogen-aktivierte Proteinkinase und AP-1-abhängige Signalwege in menschlichen Keratinozyten HaCaT-Zellen, während das Methoxyflavonoid Isosakuranetin die UV-B-induzierte MMP-1-Expression in HaCaT-Zellen durch die Unterdrückung der ERK1/2-Kinase-Wege hemmt. Um die Struktur-Wirkungs-Beziehung von Flavonoidverbindungen auf ihre hemmende Wirkung gegen die MMP-1-Aktivität zu untersuchen, untersuchten Sim et al. die Wirkungen verschiedener Flavonoide in vitro und in menschlichen Hautfibroblasten, die durch UV-A induziert wurden, und zeigten, dass Myricetin, Quercetin, Kaempferol, Luteolin, Apigenin und Chrysin die Kollagenase-Aktivitäten und die MMP-1-Expression dosisabhängig hemmen. Außerdem zeigten sie, dass die hemmende Wirkung von Flavonoiden auf die Expression von MMP-1 in menschlichen Hautfibroblasten von der Anzahl und der Reihenfolge der OH-Gruppen in der Flavonoidstruktur abhängt.

Um den Anforderungen an das Screening von MMP-1-Inhibitoren und die weitere strukturelle und biochemische Charakterisierung von Enzym-Inhibitor-Komplex-Studien gerecht zu werden, berichteten Lu et al. über eine verbesserte Methode zur hochgradigen Expression der löslichen menschlichen katalytischen MMP-1-Domäne (cd-MMP-1) in Escherichia coli. Zu diesem Zweck wurden 17 strukturverwandte Flavonoide auf ihre hemmende Wirkung auf lösliches cd-MMP-1 getestet, und sechs Verbindungen (Luteolin, Fisetin, Kaempferol, Morin, Myricetin und Quercetin) waren mit einem IC50-Wert von weniger als 10 μM aktiv. Unter ihnen wurde Fisetin, der stärkste Inhibitor, als gemischter Inhibitor von cd-MMP-1 identifiziert.

Osteoarthritis (OA) ist eine chronisch fortschreitende Krankheit, die mit komplizierten Mechanismen verbunden ist, die Synovitis und Gelenkknorpelzerstörung beinhalten. Proinflammatorische Zytokine wie Interleukin-1β (IL-1β) stehen im Verdacht, Schäden am OA-Knorpel zu verursachen, indem sie die MMP-Expression in Chondrozyten auf autokrine/parakrine Weise induzieren . Zheng et al. zeigten zum ersten Mal, dass das Flavonoid Chrysin die IL-1β-induzierte Expression von MMP-1, MMP-3 und MMP-13 in menschlichen OA-Knorpelzellen signifikant hemmte. In ähnlicher Weise verhinderte Baicalin, ein vorherrschendes Flavonoid, das aus der trockenen Wurzel von Scutellaria baicalensis Georgi isoliert wurde, deutlich die IL-1β-induzierte Expression von MMP-1, MMP-3 und MMP-13 auf der mRNA- und Proteinebene. Um das therapeutische Potenzial für den Knorpelabbau und seine Wirkmechanismen zu ermitteln, untersuchten Lim et al. die Auswirkungen von Apigenin und Wogonin auf die MMP-13-Induktion und zeigten, dass diese natürlich vorkommenden Flavonoide die MMP-13-Expression in mit Interleukin IL-1β behandelten menschlichen Chondrozyten SW1353-Zellen herunterregulieren. Die Ergebnisse dieser Studien haben gezeigt, dass die Hemmung der Expression und Aktivität von MMPs eine attraktive Strategie zur Bekämpfung von OA ist.

MMPs, insbesondere die Gelatinasen MMP-2 und MMP-9, spielen eine wichtige Rolle bei der Krebsinvasion und wurden bei fast allen Krebsarten überexprimiert. Der Zusammenhang zwischen dem Verzehr von grünem Tee und der Vorbeugung der Entstehung von Krebs beruht auf mehreren epidemiologischen Beobachtungen. Die Wirkung des wichtigsten Flavanols in grünem Tee, Epigallocatechin-3-gallat (EGCG), auf zwei Gelatinasen, die bei Krebs und Angiogenese am häufigsten überexprimiert werden (MMP-2 und MMP-9), sowie auf die Invasion und Chemotaxis von Tumorzellen wurde untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass EGCG dosisabhängig und unabhängig von Ausfällungen die Aktivität der beiden Basalmembran-Kollagen und Gelatine abbauenden Metalloproteinasen MMP-2 und MMP-9 hemmt und die Expression von TIMP-1 und TIMP-2 erhöht, die die Aktivität der aktivierten MMPs blockieren. Darüber hinaus zeigten Cheng et al., dass EGCG einen reversiblen Komplex mit MMP-2 bildet und so die enzymatische Aktivität hemmt. Insbesondere beeinträchtigte EGCG nicht die Bindung von MMP-2 an Typ-I-Kollagen, aber es verstärkte sowohl die Bindung von pro- als auch von aktiviertem MMP-2 an TIMP-2.

Um die Interaktion von Flavonoiden mit der Sekretion von MMPs zu untersuchen, berichteten Huang et al., dass Quercetin die durch den epidermalen Wachstumsfaktor induzierte Produktion von MMP-2 und MMP-9 in menschlichen Plattenepithelkarzinomzellen A431 unterdrückte. Darüber hinaus zeigten Lin et al., dass Quercetin die durch TPA induzierte MMP-9-Genexpression wirksam unterdrückte, indem es die Proteinkinase C/extrazelluläre signalregulierte Kinase und die c-Jun/Aktivatorprotein-1-Kaskade unterdrückte, was zu einer Unterdrückung der Koloniebildung, Tumormigration und Invasion bei menschlichen Brustkrebszellen führte. Mithilfe von Docking- und Molekulardynamiksimulationen zeigten Saragusti et al., dass Quercetin mit dem S1′-Teil des aktiven Zentrums von MMP-9 interagiert. Darüber hinaus zeigte die Analyse der Struktur-Aktivitäts-Beziehung, dass die R 3′-OH- und R 4′-OH-Substitutionen des Flavonoids für die hemmende Wirkung auf die MMP-9-Aktivität relevant waren. Kürzlich wiesen Lan et al. nach, dass dieses Flavonoid die Zellmigration und -invasion in der menschlichen Osteosarkom-Zelllinie hemmt, indem es die Expression von Hypoxie-induzierbarem Faktor, HIF-1α, vaskulärem endothelialen Zellwachstumsfaktor, VEGF, MMP-2 und MMP-9 in vitro reguliert, und dass Quercetin die Tumormetastasierung in vivo im Osteosarkom-Nacktmausmodell verbessert. Genistein, ein Isoflavonoid aus der Familie der Leguminosen, reguliert ebenfalls die Zellinvasion und den metastatischen Prozess, indem es die Aktivität von MMP-2 und MMP-9 in Prostatazelllinien hemmt. Unter den natürlichen Verbindungen, die zum Schutz vor pathologischen Zuständen wie Krebs beitragen, wurden auch andere Flavonoide untersucht, darunter das Zitrusflavonoid Nobiletin. Dieses Polymethoxyflavonoid hemmte in vitro die Invasion menschlicher Fibrosarkomzellen HT-1080 im Matrigel-Modell und regulierte transkriptionell die Expression von MMP-1 und MMP-9, aber erhöhte die von TIMP-1, was darauf hindeutet, dass Nobiletin die Tumorinvasion nicht nur durch die Unterdrückung der Produktion von MMPs, sondern auch durch die Steigerung der TIMP-1-Produktion in Tumorzellen verhindert. Außerdem besitzt Nobiletin eine ausgeprägte Fähigkeit, die Expression und Produktion von MMP-7 stark zu unterdrücken, vermutlich durch Blockierung der AP-1-Aktivität in menschlichen HT-29-Kolorektalkrebszellen.

Um neue MMP-Inhibitoren aus natürlichen Ressourcen zu finden, haben Matchett et al. Matchett et al. wiesen nach, dass mit Flavonoiden angereicherte Fraktionen aus Heidelbeeren (Vaccinium angustifolium) die Aktivitäten von MMP-2 und MMP-9 in menschlichen Prostatakrebszellen DU145 herabregulieren können, was darauf hindeutet, dass ein besseres Verständnis der komplexen Eigenschaften von Flavonoiden, insbesondere derjenigen aus Heidelbeeren, die Weiterentwicklung und Verfeinerung der Rolle von Flavonoiden bei der Prävention von Karzinogenese und Metastasierung ermöglichen könnte. Darüber hinaus untersuchten Zheng et al. die Wirkungen von Deguelin, einem Flavonoid, das aus verschiedenen Pflanzenarten wie Derris trifoliata und Mundulea sericea isoliert wurde, und zeigten, dass diese natürliche Verbindung in der Lage ist, Migration und Invasion in menschlichen Bauchspeicheldrüsenkrebszellen zu modulieren, indem sie die Expression von MMP-2 und MMP-9 herunterreguliert.

Die Wirkungen von Baicalein auf die Hemmung der Expression von MMP-2 und MMP-9 wurden in vitro untersucht. Dabei zeigte sich, dass Baicalein die Migration und Invasion von Darmkrebszellen hemmt, indem es die Expression von MMP-2 und MMP-9 über die Unterdrückung des Signalwegs der Proteinkinase B und der extrazellulären signalregulierten Kinasen reduziert. Ebenso hemmt Baicalein signifikant die Migration und Invasion von B16F10-Melanomzellen durch Unterdrückung der Expression und Aktivität von MMP-2 und MMP-9. Somit könnte Baicalein ein potenzieller Kandidat für die Entwicklung von chemotherapeutischen Behandlungen für Darmkrebs und Melanom sein. Diosmin, ein glykosyliertes Flavonoid aus Zitrusfrüchten und Olivenblättern, weist ein zytotoxisches Potenzial auf, indem es die Überexpression von MMP-2 und MMP-9 in A431-Hautkrebszellen unterdrückt, was auf das antiinvasive Potenzial dieser polyphenolischen Verbindung hinweist. Die signifikante hemmende Wirkung auf MMP-2 und MMP-9 in der menschlichen Fibrosarkom-Zelllinie HT-1080 wurde auch für glykosylierte Flavonoide aus dem Halophyten Salicornia herbacea, Isorhamnetin 3-O-b-d-Glucosid und Quercetin 3-O-b-d-Glucosid, nachgewiesen. Vor kurzem berichteten Crascì et al., dass die Flavone Apigenin, Luteolin und ihre jeweiligen Glucoside eine unterschiedliche Selektivität gegenüber MMP-1, MMP-3, MMP-8, MMP-9 und MMP-13 aufweisen. Insbesondere die Aglykone Apigenin und Luteolin sind sowohl für MMP-9 als auch für MMP-13 im Vergleich zu den anderen MMPs sehr selektiv. Diese Flavone haben jedoch eine gute Fähigkeit, mit Metalloproteasen zu interagieren und können auch als Leitverbindungen für die weitere Entwicklung dienen.