2.1 Inhibitie van Matrix Metalloproteases door Flavonoïden

De mogelijkheid om flavonoïden als MMP-remmers te gebruiken bij het reguleren van ernstige pathologische aandoeningen is in de afgelopen twee decennia bestudeerd en de meeste flavonoïden zijn effectief gebleken in het onderdrukken van de activiteit van MMPs.

De effecten van ultraviolette (UV) bestraling door zonlicht op huidveroudering zijn uitgebreid bestudeerd, en er is aangetoond dat UV-bestraling van menselijke huidfibroblasten, hetzij in vitro, hetzij op de menselijke huid in vivo de overexpressie stimuleert van genen van MMP’s, waaronder matrix metalloproteinase-1 (MMP-1, collagenase-1), die een belangrijke rol spelen bij de afbraak van ECM-componenten tijdens huidveroudering door zonlicht . Met het oog op de ontwikkeling van nieuwe middelen tegen huidveroudering onderzochten Kim et al. het remmende effect van extracten van het zeeproduct Zostera marina op MMP-1 en ontdekten dat luteoline de expressie van MMP-1 in menselijke huidfibroblastcellen (Hs68) onderdrukte, terwijl Aslam et al. aantoonden dat de accumulatie van MMP-1 in het fibroblast-geconditioneerde medium drastisch werd verminderd in aanwezigheid van quercetine, luteoline, kaempferol en naringenine, de belangrijkste bestanddelen van granaatappelschilextract. Evenzo werd aangetoond dat flavonoïden, zoals quercetine, kaempferol, apigenine en wogonine, MMP-1 remmers zijn, en tevens de inductie van MMP-1 remden door de activering van de transcriptiefactor, activator protein-1 (AP-1) te onderdrukken in een met 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetaat (TPA) behandelde cultuur van menselijke neonatale huidfibroblasten. Daarom kunnen bepaalde plantaardige flavonoïden gunstig zijn voor de behandeling van bepaalde inflammatoire huidaandoeningen en voor de bescherming van de huid tegen foto-veroudering. Verder onderdrukken de flavonoïden apigenine en luteoline UV-A-geïnduceerde MMP-1 expressie via mitogeen-geactiveerd proteïne kinase en AP-1-afhankelijke signalering in menselijke keratinocyten HaCaT cellen, terwijl het methoxyflavonoïde isosakuranetin UV-B-geïnduceerde MMP-1 expressie in HaCaT cellen remt door de onderdrukking van ERK1/2 kinase trajecten. Om de structuur-activiteitsrelatie van flavonoïde verbindingen op hun remmende effecten tegen de MMP-1 activiteit te onderzoeken, onderzochten Sim et al. de effecten van verschillende flavonoïden in vitro en in menselijke huidfibroblasten geïnduceerd door UV-A en toonden aan dat myricetine, quercetine, kaempferol, luteoline, apigenine en chrysine collagenase activiteiten, op een dosis-afhankelijke manier, en MMP-1 expressie inhibeerden. Ook toonden zij aan dat de remmende effecten van flavonoïden op de expressie van MMP-1 in menselijke huidfibroblasten afhangt van het aantal en de volgorde van de OH groepen in de flavonoïde structuur.

Om te voldoen aan de eisen voor MMP-1 inhibitor screening en de verdere structurele en biochemische karakterisering van enzym-inhibitor complex studies, rapporteerden Lu et al. een verbeterde methode voor expressie op hoog niveau van het oplosbare menselijke MMP-1 katalytische domein (cd-MMP-1) in Escherichia coli. Voor dit doel werden 17 structuur-gerelateerde flavonoïden getest op hun remmende werking op oplosbare cd-MMP-1 en zes verbindingen (luteoline, fisetine, kaempferol, morine, myricetine, en quercetine) waren actief met een IC50 waarde van minder dan 10 μM. Onder hen werd fisetine, de meest krachtige remmer, geïdentificeerd als een mixed-type remmer van cd-MMP-1.

Osteoartritis (OA) is een chronische progressieve ziekte die geassocieerd wordt met gecompliceerde mechanismen die synovitis en articulaire kraakbeenvernietiging omvatten. Proinflammatoire cytokines, zoals interleukine-1β (IL-1β), worden verdacht van het veroorzaken van schade aan OA kraakbeen door het induceren van MMP expressie in chondrocyten op een autocriene/paracriene manier. Zheng et al. toonden voor het eerst aan dat de flavonoïde chrysine de IL-1β-geïnduceerde expressie van MMP-1, MMP-3, en MMP-13 in humane OA chondrocyten significant remde. Ook baicalin, een overheersend flavonoid geïsoleerd uit de droge wortel van Scutellaria baicalensis Georgi, verhinderde duidelijk IL-1β-geïnduceerde expressie van MMP-1, MMP-3 en MMP-13 op mRNA- en eiwitniveau. Om het therapeutisch potentieel voor kraakbeendegradatie en de werkingsmechanismen ervan te identificeren, onderzochten Lim et al. de effecten van apigenine en wogonine op MMP-13 inductie en toonden aan dat deze natuurlijk voorkomende flavonoïden de MMP-13 expressie down-reguleren in interleukine IL-1β-behandelde menselijke chondrocyten SW1353 cellen. De resultaten van deze studies hebben aangetoond dat het remmen van de expressie en activiteit van MMP’s een aantrekkelijke strategie is om OA tegen te gaan.

MMP’s, in het bijzonder de gelatinases MMP-2 en MMP-9, spelen een belangrijke rol bij de invasie van kanker en bleken in bijna alle soorten kanker tot overexpressie te komen. De associatie van de consumptie van groene thee met het voorkomen van de ontwikkeling van kanker is gebaseerd op verscheidene epidemiologische waarnemingen. Het effect van de belangrijkste flavanol aanwezig in groene thee, epigallocatechine-3-gallate (EGCG), op twee gelatinases die het meest tot overexpressie komen in kanker en angiogenese (MMP-2 en MMP-9) en op tumorcel invasie en chemotaxis werd onderzocht . De resultaten van deze studie toonden aan dat EGCG op een dosis-afhankelijke, neerslag-onafhankelijke wijze de activiteit remde van zowel de collageen- als de gelatine-afbrekende metalloproteïnasen van het basaalmembraan, MMP-2 en MMP-9, en dat het ook de expressie verhoogde van TIMP-1 en TIMP-2, die de activiteit van geactiveerde MMP’s blokkeren. Bovendien toonden Cheng et al. aan dat EGCG een omkeerbaar complex vormt met MMP-2, waardoor de enzymatische activiteit wordt geremd. Specifiek interfereerde EGCG niet met de binding van MMP-2 aan type I collageen, maar het versterkte aanzienlijk zowel de pro- als geactiveerde binding van MMP-2 aan TIMP-2.

Om de interactie van flavonoïden met de secretie van MMPs te onderzoeken, meldden Huang et al. dat quercetine de door epidermale groeifactor geïnduceerde productie van MMP-2 en MMP-9 in menselijke plaveiselcarcinoom A431 cellen onderdrukte. Bovendien toonden Lin et al. aan dat quercetine de door TPA geïnduceerde genexpressie van MMP-9 effectief onderdrukte via onderdrukking van de cascades proteïne kinase C/extracellulair signaal-gereguleerd kinase en c-Jun/activator proteïne-1 met als gevolg onderdrukking van kolonievorming, tumormigratie en invasie door menselijke borstcarcinoma cellen. Door gebruik te maken van docking en moleculaire dynamica simulaties, toonden Saragusti et al. aan dat quercetine een interactie aanging in de S1′ subsite van de actieve site van de MMP-9. Bovendien toonde de structuur-activiteitsrelatie analyse aan dat flavonoïde R 3′-OH en R 4′-OH substituties relevant waren voor de remmende eigenschap tegen de MMP-9 activiteit. Onlangs toonden Lan et al. aan dat dit flavonoid celmigratie en -invasie in menselijke osteosarcoom cellijn remde door de hypoxie-induceerbare factor, HIF-1α, vasculaire endotheliale celgroeifactor, VEGF, MMP-2 en MMP-9 expressie in vitro te reguleren en dat quercetine tumormetastase in vivo in het osteosarcoom naakt muismodel verbeterde. Genisteïne, een isoflavonoïde van de familie der leguminosen, reguleert eveneens de celinvasie en het metastatische proces door de activiteit van MMP-2 en MMP-9 in prostaatcellijnen te remmen. Onder de natuurlijke verbindingen die helpen beschermen tegen pathologische toestanden zoals kanker, zijn andere flavonoïden geanalyseerd, waaronder het citrus flavonoïde nobiletine. Dit polymethoxy flavonoïde remde in vitro de invasie van menselijke fibrosarcoom HT-1080 cellen in het Matrigel model en reguleerde transcriptioneel de expressie van MMP-1 en MMP-9 maar verhoogde die van TIMP-1, wat suggereert dat nobiletine tumorinvasie voorkomt niet alleen door de productie van MMPs te onderdrukken maar ook door de productie van TIMP-1 in tumorcellen te verhogen. Ook heeft nobiletin een duidelijk vermogen om MMP-7 expressie en productie sterk te onderdrukken, vermoedelijk door het blokkeren van AP-1 activiteit in HT-29 menselijke colorectale kankercellen.

Om nieuwe MMPs remmers uit natuurlijke bronnen te vinden, toonden Matchett et al. aangetoond dat met flavonoïden verrijkte fracties van laagstruikblauwe bosbessen (Vaccinium angustifolium) de activiteiten van MMP-2 en MMP-9 in DU145 menselijke prostaatkankercellen kunnen terugdringen, wat suggereert dat verder inzicht in de complexe eigenschappen van flavonoïden, met name die van laagstruikblauwe bosbessen, de verdere ontwikkeling en verfijning van de rol van flavonoïden bij de preventie van carcinogenese en metastase mogelijk kan maken. Verder onderzochten Zheng et al. de effecten van deguelin, een flavonoïde geïsoleerd uit verschillende plantensoorten, zoals Derris trifoliata en Mundulea sericea, en toonden aan dat deze natuurlijke verbinding in staat was de migratie en invasie in menselijke pancreaskankercellen te moduleren door de expressie van MMP-2 en MMP-9 te down-reguleren.

De effecten van baicaleïne in het remmen van MMP-2 en MMP-9 expressie werden in vitro bestudeerd, waaruit bleek dat baicaleïne de migratie en invasie van colorectale kankercellen remt door de expressie van MMP-2 en MMP-9 te verminderen via onderdrukking van de proteïne kinase B en extracellulaire signaal gereguleerde kinases signaalroute . Evenzo remt baicaleïne aanzienlijk de migratie en invasie in B16F10 melanoomcellen door de expressie en activiteit van MMP-2 en MMP-9 te onderdrukken. Baicaleïne zou dus een potentiële kandidaat kunnen zijn voor de ontwikkeling van chemotherapeutische behandelingen voor colorectale kanker en melanoom. Diosmine, een geglycosyleerde flavonoïde uit citrusvruchten en olijfbladeren, vertoont cytotoxisch potentieel door de overexpressie van MMP-2 en MMP-9 in A431 huidkankercellen te onderdrukken, wat wijst op het anti-invasieve potentieel van deze polyfenolische verbinding. Het significante remmende effect op MMP-2 en MMP-9 in de menselijke fibrosarcoma cellijn HT-1080 werd ook aangetoond voor geglycosyleerde flavonoïden uit de halofyt Salicornia herbacea, isorhamnetine 3-O-b-d-glucoside, en quercetine 3-O-b-d-glucoside . Meer recentelijk meldden Crascì et al. dat de flavonen apigenine, luteoline en hun respectieve glucosiden een verschillende selectiviteit vertonen tegen MMP-1, MMP-3, MMP-8, MMP-9, en MMP-13. Met name de aglyconen apigenine en luteoline zijn zeer selectief ten opzichte van zowel de MMP-9 als de MMP-13 ten opzichte van de andere MMP’s. Deze flavonen hebben echter een goed vermogen tot interactie met metalloproteasen en kunnen ook lead compounds zijn voor verdere ontwikkeling.