2.1 Inhibicja metaloproteaz macierzy przez flawonoidy

Możliwość wykorzystania flawonoidów jako inhibitorów MMP w regulacji ciężkich warunków patologicznych była badana przez ostatnie dwie dekady i większość flawonoidów okazała się skuteczna w tłumieniu aktywności MMP.

Wpływ promieniowania ultrafioletowego (UV) światła słonecznego na fotostarzenie się skóry był szeroko badany i wykazano, że promieniowanie UV ludzkich fibroblastów skóry, zarówno in vitro, jak i na ludzkiej skórze in vivo stymuluje nadekspresję genów MMP, w tym metaloproteinazy macierzy-1 (MMP-1, kolagenaza-1), które odgrywają ważną rolę w degradacji składników ECM podczas fotostarzenia się skóry. W celu opracowania nowych środków przeciw fotostarzeniu, Kim i wsp. badali hamujący wpływ ekstraktów z Zostera marina na MMP-1 i stwierdzili, że luteolina hamuje ekspresję MMP-1 w komórkach fibroblastów ludzkiej skóry (Hs68), podczas gdy Aslam i wsp. wykazali, że akumulacja MMP-1 w podłożu kondycjonowanym fibroblastami była dramatycznie zmniejszona w obecności kwercetyny, luteoliny, kaempferolu i naryngeniny, głównych składników ekstraktu ze skórki granatu. Podobnie, flawonoidy, takie jak kwercetyna, kaempferol, apigenina i wogonina, okazały się być inhibitorami MMP-1, a także hamowały indukcję MMP-1 poprzez tłumienie aktywacji czynnika transkrypcyjnego, białka aktywatora-1 (AP-1) w hodowli fibroblastów skóry noworodka traktowanych 12-O-tetradekanoiloforbol-13-octanem (TPA). Dlatego też niektóre flawonoidy roślinne mogą być korzystne w leczeniu niektórych zapalnych chorób skóry oraz w ochronie skóry przed fotostarzeniem. Ponadto, flawonoidy apigenina i luteolina hamują ekspresję MMP-1 indukowaną promieniowaniem UV-A poprzez kinazę białkową aktywowaną mitogenem i AP-1-zależną sygnalizację w ludzkich keratynocytach HaCaT, podczas gdy metoksyflawonoid izosakuranetyna hamuje ekspresję MMP-1 indukowaną promieniowaniem UV-B w komórkach HaCaT poprzez tłumienie szlaków kinazy ERK1/2. W celu zbadania zależności struktura-aktywność związków flawonoidowych na ich działanie hamujące aktywność MMP-1, Sim i wsp. zbadali działanie kilku flawonoidów in vitro oraz w ludzkich fibroblastach skóry właściwej indukowanych przez UV-A i wykazali, że mirycetyna, kwercetyna, kaempferol, luteolina, apigenina i chryzyna hamowały aktywność kolagenazy, w sposób zależny od dawki, oraz ekspresję MMP-1. Wykazali również, że hamujące działanie flawonoidów na ekspresję MMP-1 w ludzkich fibroblastach skórnych zależy od liczby i kolejności grup OH w strukturze flawonoidu.

W celu dopasowania się do wymagań dotyczących badań przesiewowych inhibitorów MMP-1 oraz dalszej strukturalnej i biochemicznej charakterystyki kompleksu enzym-inhibitor, Lu i wsp. przedstawili ulepszoną metodę ekspresji na wysokim poziomie rozpuszczalnej domeny katalitycznej ludzkiego MMP-1 (cd-MMP-1) w Escherichia coli. W tym celu przetestowano 17 flawonoidów o podobnej strukturze pod kątem ich działania hamującego na rozpuszczalną cd-MMP-1 i sześć związków (luteolina, fisetyna, kaempferol, moryna, mirycetyna i kwercetyna) było aktywnych z wartością IC50 mniejszą niż 10 μM. Wśród nich fisetyna, najsilniejszy inhibitor, została zidentyfikowana jako inhibitor typu mieszanego cd-MMP-1.

Osteoarthritis (OA) jest przewlekłą, postępującą chorobą związaną ze skomplikowanymi mechanizmami, które obejmują zapalenie błony maziowej i zniszczenie chrząstki stawowej. Podejrzewa się, że cytokiny prozapalne, takie jak interleukina-1β (IL-1β), powodują uszkodzenie chrząstki OA poprzez indukowanie ekspresji MMP w chondrocytach w sposób autokrynny/parakrynny. Zheng i wsp. po raz pierwszy wykazali, że flawonoid chryzyna znacząco hamował indukowaną przez IL-1β ekspresję MMP-1, MMP-3 i MMP-13 w ludzkich chondrocytach OA. Podobnie, bajkalina, główny flawonoid wyizolowany z suchego korzenia Scutellaria baicalensis Georgi, znacząco zapobiegała indukowanej przez IL-1β ekspresji MMP-1, MMP-3 i MMP-13 na poziomie mRNA i białka. W celu zidentyfikowania potencjału terapeutycznego dla degradacji chrząstki i mechanizmów działania, Lim i wsp. zbadali wpływ apigeniny i wogoniny na indukcję MMP-13 i wykazali, że te naturalnie występujące flawonoidy zmniejszają ekspresję MMP-13 w poddanych działaniu interleukiny IL-1β ludzkich komórkach chondrocytów SW1353. Wyniki tych badań wykazały, że hamowanie ekspresji i aktywności MMPs jest atrakcyjną strategią przeciwdziałania OA.

MMPs, w szczególności żelatynazy MMP-2 i MMP-9, odgrywają ważną rolę w inwazji nowotworów i stwierdzono ich nadekspresję w prawie wszystkich typach nowotworów. Związek spożycia zielonej herbaty z zapobieganiem rozwojowi nowotworów opiera się na kilku obserwacjach epidemiologicznych. Zbadano wpływ głównego flawanolu występującego w zielonej herbacie, galusanu epigallokatechiny-3 (EGCG), na dwie żelatynazy najczęściej ulegające nadekspresji w nowotworach i angiogenezie (MMP-2 i MMP-9) oraz na inwazję i chemotaksję komórek nowotworowych. Wyniki tych badań wykazały, że EGCG hamował w sposób zależny od dawki i niezależny od precypitacji aktywność obu metaloproteinaz degradujących kolagen i żelatynę błony podstawnej, MMP-2 i MMP-9, a także zwiększał ekspresję TIMP-1 i TIMP-2, które blokują aktywność aktywowanych MMP. Ponadto Cheng i wsp. wykazali, że EGCG tworzy odwracalny kompleks z MMP-2, hamując w ten sposób aktywność enzymatyczną. W szczególności EGCG nie zakłócał wiązania MMP-2 z kolagenem typu I, ale znacząco zwiększał wiązanie zarówno pro-, jak i aktywowanego MMP-2 z TIMP-2.

Aby zbadać interakcję flawonoidów z wydzielaniem MMP, Huang i wsp. donieśli, że kwercetyna tłumiła indukowaną naskórkowym czynnikiem wzrostu produkcję MMP-2 i MMP-9 w komórkach ludzkiego raka płaskonabłonkowego A431. Ponadto Lin i wsp. wykazali, że kwercetyna skutecznie hamowała ekspresję genu MMP-9 indukowaną przez TPA poprzez tłumienie kinazy białkowej C/ kinazy regulowanej sygnałem zewnątrzkomórkowym i kaskady c-Jun/aktywatora białka-1, a w konsekwencji hamowała tworzenie kolonii, migrację i inwazję komórek ludzkiego raka piersi. Stosując dokowanie i symulacje dynamiki molekularnej, Saragusti i wsp. wykazali, że kwercetyna oddziałuje w miejscu S1′ miejsca aktywnego MMP-9. Ponadto, analiza zależności struktura-aktywność wykazała, że podstawienia R 3′-OH i R 4′-OH flawonoidu były istotne dla właściwości inhibicyjnych wobec aktywności MMP-9. Ostatnio Lan i wsp. wykazali, że flawonoid ten hamował migrację komórek i inwazję w ludzkiej linii komórkowej osteosarcoma poprzez regulację ekspresji czynnika indukowanego hipoksją, HIF-1α, czynnika wzrostu komórek śródbłonka naczyniowego, VEGF, MMP-2 i MMP-9 w warunkach in vitro oraz że kwercetyna zmniejszała przerzuty nowotworowe in vivo w modelu mysim osteosarcoma nude. Genisteina, izoflawonoid z rodziny leguminowatych, również reguluje inwazję komórek i proces przerzutowania poprzez hamowanie aktywności MMP-2 i MMP-9 w liniach komórkowych prostaty. Wśród naturalnych związków, które pomagają w ochronie przed stanami patologicznymi, takimi jak nowotwory, analizowano również inne flawonoidy, w tym cytrusowy flawonoid nobiletin. Ten polimetoksy flawonoid hamował inwazję in vitro ludzkich komórek włókniakomięsaka HT-1080 w modelu Matrigel i transkrypcyjnie zmniejszał ekspresję MMP-1 i MMP-9, ale zwiększał ekspresję TIMP-1, co sugeruje, że nobiletin zapobiega inwazji nowotworów nie tylko poprzez hamowanie produkcji MMP, ale także poprzez zwiększanie produkcji TIMP-1 w komórkach nowotworowych. Ponadto, nobiletin ma wyraźną zdolność do silnego tłumienia ekspresji i produkcji MMP-7, prawdopodobnie poprzez blokowanie aktywności AP-1 w HT-29 ludzkich komórek raka jelita grubego .

W celu znalezienia nowych inhibitorów MMPs z zasobów naturalnych, Matchett et al. wykazali, że frakcje wzbogacone flawonoidami z borówki niskiej (Vaccinium angustifolium) mogą zmniejszać aktywność MMP-2 i MMP-9 w ludzkich komórkach raka prostaty DU145, sugerując, że dalsze zrozumienie złożonych właściwości flawonoidów, w szczególności tych z borówki niskiej, może pozwolić na dalszy rozwój i udoskonalenie roli flawonoidów w zapobieganiu kancerogenezie i przerzutom. Ponadto Zheng i wsp. zbadali działanie degueliny, flawonoidu wyizolowanego z kilku gatunków roślin, takich jak Derris trifoliata i Mundulea sericea, i wykazali, że ten naturalny związek był zdolny do modulowania migracji i inwazji w ludzkich komórkach raka trzustki poprzez zmniejszenie ekspresji MMP-2 i MMP-9.

Wpływ baicaleiny na hamowanie ekspresji MMP-2 i MMP-9 badano in vitro, wykazując, że baicaleina hamuje migrację i inwazję komórek raka jelita grubego, zmniejszając ekspresję MMP-2 i MMP-9 poprzez supresję kinazy białkowej B i szlaku sygnałowego kinaz regulowanych sygnałem zewnątrzkomórkowym. Podobnie, baicaleina znacząco hamuje migrację i inwazję w komórkach czerniaka B16F10 poprzez tłumienie ekspresji i aktywności MMP-2 i MMP-9. Tak więc, baicaleina może być potencjalnym kandydatem do rozwoju chemioterapii w leczeniu raka jelita grubego i czerniaka. Diosmina, glikozylowany flawonoid z gatunków cytrusowych i liści oliwnych, wykazuje potencjał cytotoksyczny poprzez tłumienie nadekspresji MMP-2 i MMP-9 w komórkach raka skóry A431, co wskazuje na potencjał antyinwazyjny tego związku polifenolowego. Znaczący wpływ hamujący na MMP-2 i MMP-9 w ludzkiej linii komórkowej włókniakomięsaka HT-1080 wykazano również dla glikozylowanych flawonoidów z halofitu Salicornia herbacea, izorhamnetyny 3-O-b-d-glukozydu i kwercetyny 3-O-b-d-glukozydu. Niedawno Crascì i wsp. donieśli, że flawony apigenina, luteolina i ich odpowiednie glukozydy wykazują różną selektywność wobec MMP-1, MMP-3, MMP-8, MMP-9 i MMP-13. W szczególności, aglikony apigeniny i luteoliny są bardzo selektywne w stosunku do MMP-9 i MMP-13 w odniesieniu do innych MMP. Jednakże, te flawony mają dobrą zdolność do interakcji z metaloproteazami i mogą być również związkami wiodącymi do dalszego rozwoju.