Protirakovinové aktivity pH alebo tepelne modifikovaného pektínu; Tumopektín; Váš spojenec pre

Publikované online 2013 8. októbra, doi: 10,3389/fphar.2013.00128

Protirakovinové aktivity pH alebo tepelne modifikovaného pektínu

Tento článok bol citovaný inými článkami PMC.

Napriek enormnému úsiliu pri hľadaní nových liekov a liečebných postupov je rakovina naďalej hlavným problémom verejného zdravia. Okrem toho vznik rezistencie na chemoterapiu často bráni úplnej remisii. Vedci sa pri obchádzaní odporu zamerali na prírodné produkty, hlavne rastliny. Pektín a pH alebo tepelne modifikovaný pektín preukázali chemopreventívne a protinádorové aktivity proti agresívnym a opakujúcim sa rakovinám. Cieľom tohto príspevku je popísať, ako pektín a modifikovaný pektín prezentujú tieto aktivity a aké sú možné základné mechanizmy. Zlyhanie konvenčnej chemoterapie pri znižovaní úmrtnosti, ako aj závažné vedľajšie účinky, robia z prírodných produktov, ako sú produkty odvodené od pektínu, ideálnych kandidátov na synergiu v kombinácii s konvenčnými protirakovinovými liekmi.

Kľúčové slová: pektín, rakovina, galektín-3, kombinácia liekov, apoptóza, chemoprevencia

Napriek enormnému pokroku v liečbe rakoviny za posledné desaťročie, najmä pri vývoji „inteligentných liekov“, zostáva rakovina jednou z hlavných príčin smrti. Preto zostáva vývoj nových terapeutických stratégií hlavnou prioritou. Prírodné zlúčeniny sú dôležitým zdrojom nových „zdrojov“ so silnou chemoterapeutickou alebo chemopreventívnou aktivitou. Štúdie vzťahov medzi štruktúrou a aktivitou viedli k vývoju prírodných molekúl alebo semisyntetických analógov s vyššou aktivitou alebo nižšou toxicitou. Dva z najlepších príkladov, ktoré sa v súčasnosti používajú pri liečbe rakoviny, sú paklitaxel a etopozid. V tomto príspevku popíšeme, čo je známe o určitej triede komplexných rastlinných polysacharidov, pektínu a jeho potenciálnych protirakovinových aktivitách.

V roku 1825 francúzsky chemik a farmaceut Henri Braconnot, ktorý bol odborníkom na extrakciu aktívnych zložiek z rastlín, ako prvý objavil heteropolysacharid s želírujúcimi vlastnosťami, ktorý nazval „kyselina pektová“ (v starogréčtine πηκτ ικóς znamená koagulant).

Pektín je rodina komplexných polysacharidov, ktoré sa nachádzajú vo veľkom množstve v primárnej stene rastlín. Hlavnou úlohou zložiek steny rastlín je dodávať rastlinám mechanickú pevnosť, udržiavať fázu extracelulárnej vody nasiaknutím a zabezpečiť bariéru pred vonkajším prostredím.

Presná chemická štruktúra pektínu je stále predmetom diskusií. Pektíny sú rodinou polymérov kovalentne viazaných na kyselinu galakturónovú. Doteraz boli zo steny rastliny, ktorej štruktúra bola identifikovaná, izolované tri páry pektických polysacharidov. Ide o homogalakturonan (HG), ramnogalakturonan-I (RG-I) a substituované galakturonány (GS).

Homogalakturonan, ktorý predstavuje približne 65% molekuly pektínu, je lineárny reťazec kyseliny d-galaktopyranosilurónovej (GalA) viazaný v a-1,4. Karboxylová skupina niektorých zvyškov môže byť esterifikovaná metylom. V závislosti od druhu rastliny môže byť HGS tiež čiastočne O-acetylovaný na C-3 alebo C-2 (Zloženie: 100% bavlna.Obrázok 1).

L-ramnóza D-galakturónovej kyseliny D-Dha * D-xylóza

O-acetylester D-galaktózy D-apióza L-galaktózy

O-metylester L_Arabinóza Kyselina L-octová Kdo **

* D-Dha = kyselina 3-deoxy-D-odpad-2-heptulozárová

** Kdo = kyselina 3-deoxy-D-man-2-octulosonová

Schematické znázornenie pektínovej štruktúry. AG, arabinogalaktán; HG, homogalakturonan; RG, ramnogalakturonan; XG, xylogalakturonan.

Ramnogalakturonan-I predstavuje približne 20 - 35% pektínu. RG-I je rodina pektických polysacharidov, ktorých hlavný reťazec je opakovaním disacharidov zložených z kyseliny galakturónovej a príbuzných s rhamnozyl [→ 4) -α-d-GalA- (1 → 2) -α-1-Rhap- (1 →] tvoriaci hlavný reťazec môže byť O-acetylovaný v C-3 alebo C-2, ale zvyčajne nesúvisí s monomérmi alebo bočnými reťazcami. V závislosti na druhu rastliny je asi 20 až 80% ramnozylových zvyškov substituovaných neutrálnymi alebo kyslými oligosacharidovými reťazcami na uhlíku C4 ramnozylových zvyškov. Najbežnejšie vedľajšie reťazce obsahujú a-1-arabinofuranozyl (Araf) a/alebo galaktopyranozyl (Gal). Tieto bočné reťazce (arabinany, galaktány alebo arabinogalaktány) môžu byť lineárne alebo rozvetvené (Zloženie: 100% bavlna.Obrázok 1)

Najprijateľnejším modelom pre štruktúru pektínu je hlavný autobus HG, v ktorom sú interkalačné oblasti RG-I, RG-II a GS (Caffall a Mohnen, 2009). Medzi pektínovými polysacharidmi a inými molekulami steny sú väzby, ktoré sú spojené a vytvárajú sieť, ktorá tvorí primárnu bunkovú stenu.

FUNKCIA PECTÍNU V BUNKOVEJ STENE RASTLINY

Ako už bolo spomenuté vyššie, úlohou komponentov bunkovej steny rastlín je najprv zabezpečiť mechanickú pevnosť a vytvoriť bariéru pre vonkajšie prostredie. Je známe, že HG a RGII sú zodpovedné za spevnenie steny. GD majú vlastnosť formovania štruktúr, ktoré sa nazývajú „škatule na vajcia“. Dva HG reťazce sú navzájom spojené interakciami, ktoré zahŕňajú bivalentné ióny Ca2 + navzájom interkalované (Liners et al., 1989). Tento proces je dôležitý pre želírovanie pektínu.

Mechanická úloha RG-I bola študovaná menej, ale zdá sa, že RG-I môže hrať úlohu v plasticite bunkovej steny, napríklad tým, že bráni interakcii HG reťazcov s iónmi Ca2 +. Transgénne rastliny s nízkym množstvom arabinánov a galaktánov majú spevnenie bunkovej steny.

Organizácia a zloženie pektínu v primárnej bunkovej stene rastliny závisí od rastového stavu rastliny, tkanív a druhov rastlín. Jeho syntéza je zložitý proces zahŕňajúci mnoho enzýmov, ktoré sa začínajú identifikovať až teraz (Atmodjo et al., 2013).

BIOLOGICKÉ ČINNOSTI OLIGOGALAKTURONIDOV V RASTLINÁCH

Existujú tri rôzne spôsoby, ako sa patogén dostane do rastliny: prejsť prirodzeným otvorom, ako sú napríklad prieduchy; infiltrovať ranu alebo stráviť bunkovú stenu. Pektín je potom prvým substrátom. Patogény sú schopné vylučovať endopolygalakturonázy a endopektické lyzáty, ktoré degradujú HG prítomné v bunkovej stene a potom uvoľňujú oligogalakturonidy (OGA). OGA sú biologicky aktívne uhľohydráty, ktoré pôsobia ako signálne molekuly, ktoré iniciujú obranné reakcie rastlín. Prvou obrannou reakciou pozorovanou v reakcii na produkciu OGA je produkcia reaktívnych foriem kyslíka, ako sú H2O2 a O - 2. OGA tiež iniciuje signálne dráhy, ktoré aktivujú obranné systémy rastlín, napríklad produkciu proteázových inhibítorov schopných blokovať aktivitu proteáz vylučovaných hmyzom, aby strávili bunkovú stenu rastliny. Napokon sú OGA tiež zodpovedné za spevnenie steny v reakcii na infekciu patogénmi. Okrem svojich úloh v systémoch ochrany rastlín ovplyvňuje OGA aj rast a vývoj rastlín a zohráva úlohu pri dozrievaní ovocia.

ČINNOSTI Pektínu u ľudí

Pektín a rakovina, pokročilé štádium

Pektín je známy svojimi protinádorovými aktivitami už celé desaťročia. Vďaka svojej veľmi zložitej štruktúre neprekvapuje, že vykazuje toľko rôznych biologických aktivít (Maxwell et al., 2012). V literatúre nie je ľahké spojiť štruktúru a bioaktivitu pektínu, najmä preto, že pôvod pektínu použitého v rôznych štúdiách a možné chemické zmeny, ktoré vytvárajú utrpené molekulárne fragmenty, nie sú vždy dobre popísané. Je potrebné poznamenať, že rozdiely vo veľkosti generovaných fragmentov, v stupni ich esterifikácie (DE), v charaktere cukrových monomérov prítomných v polysacharidoch a v procese extrakcie, môžu mať významný vplyv na vlastnosti týchto rôznych druhov pektínu. Ďalej bude zdôraznených šesť hlavných problémov.

ÚČINOK PECTÍNU AKO POTRAVINOVÉHO VLÁKNA

Pretože je to vláknina, pektín hrá úlohu v prevencii rakoviny hrubého čreva. V roku 1979 Watanabe a kol. (1979) ukázali, že u potkanov liečených azoxymetánom alebo metylnitrózomočovinou sa vyvinie menej nádorov hrubého čreva, ak je ich strava obohatená o pektín. Heitman a kol. (1992) podobne preukázali menej nádorov hrubého čreva u potkanov liečených 1,2-dimetylhydrazínom, ak sa im podával pektín. Ohkami a kol. (1995) ukázali, že citrusy a jablčný pektín v potrave potkanov vystavených azoxymetánu znižujú karcinogenézu. Oba typy pektínu znižovali počet nádorov a jablčný pektín znižoval aktivitu β-glukuronidázy, enzýmu vo fekálnych baktériách, ktorého aktivita koreluje s vývojom rakoviny hrubého čreva (Ohkami a kol., 1995). Pre ich antimutagénnu aktivitu boli študované rôzne druhy sacharidov. Napríklad Hensel a Meier (1999) ukázali, že xyloglukány a ramnogalakturonány znižujú mutagénny účinok 1-nitropyrénu. Táto ochrana je závislá od dávky a môže byť výsledkom priamej interakcie medzi bunkami a polymérmi, ktorá by chránila bunky pred mutagénnymi účinkami 1-nitropyrénu.

Na druhej strane je aktivácia apoptózy kolonocytov u zvierat kŕmených pektínom z veľkej časti spôsobená butyrátom, molekulou odvodenou z fermentácie pektínu flórou baktérií v hrubom čreve (Avivi-Green a kol., 2000a, b). Intrakolónna instilácia butyrátu skutočne rekapituluje účinok orálne podávaného pektínu (Avivi-Green a kol., 2000b). Butyrát je tiež schopný vyvolať apoptózu v kolonocytoch in vitro spôsobom nezávislým na p53 (Kolar et al., 2007) a indukciou mitochondriálneho preťaženia Ca2 + (Kolar et al., 2011). Paralelne s tým in vitro v črevných epiteliálnych bunkách potkanov vystavených butyrátu, ako aj u myší kŕmených stravou doplnenou o 20% pektín, sa ukázalo, že signalizácia TGF-p sa zlepšuje, čo vedie k inhibícii rastu kolonózy a apoptózy. Zdá sa, že apoptóza je indukovaná zvýšenou expresiou Id2 (inhibítor diferenciácie 2), pravdepodobne inhibíciou selektívnych izoforiem HDAC (Cao et al., 2011).

Protinádorové aktivity pektínu s modifikovaným pH

Pektín je možné modifikovať pôsobením pri rôznych pH; najštudovanejším pH-modifikovaným pektínom je ten, ktorý je izolovaný z citrusov (MCP, modifikovaný citrusový pektín). Zmena pH zahŕňa alkalické ošetrenie, ktoré spôsobuje ß-eliminačné reakcie, čo vedie k depolymerizácii polysacharidovej zbernice a deesterifikácii HG oblastí. Potom nasleduje ošetrenie kyselinou, ktoré štiepi neutrálne cukry, uvoľňuje rozvetvené oblasti pektínového jadra a výhodne odstraňuje zvyšky arabinózy. Arabinogalaktány a galaktány sa teda vytvárajú vo veľkých množstvách.

Záverom možno povedať, že MCP má veľa anti-metastatických vlastností, ktoré preukázali obe in vitro, koľko a in vivo, pri rôznych malignitách. Mnoho, ak nie všetky, je dôsledkom jeho väzby na pleiotropný proteín galektín-3, ktorý je v rakovine nadmerne exprimovaný. Vďaka svojej dobrej tolerancii a medzi inými produktmi pochádzajúcimi z rastlín sa GCS-100 získaný z pektínu skúma na udržiavaciu liečbu pacienta s recidívou chronickej lymfocytovej leukémie B (O’Brien a Kay, 2011).

Protinádorové aktivity iných foriem modifikovaného pektínu

Jackson a kol. (2007) skúmali indukciu apoptózy rôznych foriem modifikovaného pektínu v bunkách rakoviny prostaty, ktoré boli buď androgén-dependentné (LNCaP) alebo androgénne nezávislé a neexprimovali galaktín-3 (LNCaP C4-2). Vo svojej činnosti, citrusový pektín a pektín modifikovaný pH, PectaSol®, nevykonávali proapoptotickú aktivitu, zatiaľ čo dve rôzne formy tepelne modifikovaných pektínov, jedna komerčne dostupná a druhá pripravená v laboratóriu, spôsobovali významnú apoptózu v dvoch bunkových líniách (Jackson a kol., 2007). Ukázali, že HG, RG-I a RG-II brané oddelene nemali žiadnu cytotoxickú aktivitu. Ošetrenie tepelne modifikovaného pektínu pektínmetylesterázou na odstránenie karboxymetylesterov galakturonosilu a/alebo endopoligalakturonázy na štiepenie neesterifikovaného HG metylom neviedlo k strate aktivity. Na druhej strane mierne ošetrenie bázou, ktoré odstránilo esterové väzby, zničilo pro-apoptotickú aktivitu. Biologická účinnosť teda vyžaduje citlivú väzbu na báze OGA inú ako karboxymetylesterová väzba. Veľkostné analýzy aktívnych fragmentov naznačujú oligosacharidy s nízkou hmotnosťou (10 - 20 kDa) (Jackson et al., 2007).

Podobné výsledky dosiahli Cheng et al (2011), ktorí testovali protinádorovú aktivitu rôznych frakcií polysacharidov izolovaných zo ženšenu na bunky rakoviny hrubého čreva HT-29. Zatiaľ čo frakcie bohaté na HG zastavili bunkový cyklus vo fáze G2/M, frakcie bohaté na HG a tepelne modifikované frakcie vykazovali oveľa väčšiu antiproliferatívnu aktivitu, ktorá bola sprevádzaná aktiváciou kaspázy-3 a indukciou apoptózy (Cheng a a kol., 2011). Podobne zemiakový pektín bohatý na HG inhiboval proliferáciu buniek HT-29 in vitro a spôsobil zastavenie bunkového cyklu vo fáze G2/M. Táto inhibícia je dôsledkom zníženia expresie cyklínu B1 a aktivity CDK-1 (Cheng et al., 2013). Je dôležité poznamenať, že Kang a kol. (2006) tiež vyrobili oligosacharid odvodený z citrusového pektínu, ktorý bol biologicky aktívny ožiarením, to znamená bez chemického ošetrenia. Pektín bol ožiarený 20 kGy a potom dialyzovaný (WT

PECTINOVÁ IMUNOPOTENCIÁLNA ČINNOSŤ

MODIFIKOVANÝ PEKTÍN, ABY PREKONAL CHEMICKÚ ODOLNOSŤ

POUŽITIE PEKTÍNU AKO RAKOVINOVÉ DOPRAVNÉ VOZIDLO

Paralelne sa vyrábali biokompatibilné hydrogély odvodené od pektínu naplnené rôznymi chemoterapeutickými liekmi. Hydrogély obsahujúce doxorubicín vykazovali cytotoxicitu voči bunkám HepG2 a inhibovali agregáciu homotypických buniek B16 melanómu, čo naznačuje, že môže tiež zabrániť metastázam. in vivo (Takei a kol., 2010). Podobne pektínom potiahnuté chitosanové gély, zapuzdrujúce 5-fluóruracil, poskytovali kontrolované uvoľňovanie liečiva a cytotoxicitu proti dvom rakovinovým bunkovým líniám (Puga et al., 2013). Protirakovinová činnosť in vivo bolo tiež preukázané použitie hydrogénu doxorubicín-pektín v bunkových nádoroch subkutánneho melanómu B16 u myší (Takei et al., 2013).

Na záver je dôležité spomenúť dva ďalšie typy lešení vrátane pektínu a fibrínových nanokompozitov obsahujúcich gemcitabín (Chandran et al., 2013) na liečbu rakoviny vaječníkov a nanočastíc pektínu nabitých metotrexátom, ktoré vykazovali zvýšenú cytotoxicitu. v porovnaní s bunkami hepatocelulárneho karcinómu HepG2 in vitro (Chittasupho et al., 2013).

Potravinárska vláknina/Baktérie/Dvojbodka/Butyrát/Zápal/Karcinogenéza
Pektín modifikovaný PH/RGI/Metastázy/Apoptóza/Nádorová bunka/Apoptotická bunka
Pektín bohatý na HG/Aktivácia zápalových buniek/Zápalová bunka
Tepelne modifikovaný pektín/apoptóza/bunka nádoru

Schematické znázornenie rôznych protirakovinových aktivít rôznych foriem pektínu.

Vyhlásenie o konflikte záujmov

Autori tvrdia, že výskum sa uskutočňoval bez akýchkoľvek obchodných alebo finančných vzťahov, ktoré by sa dali interpretovať ako potenciálny konflikt záujmov.

Rukopis napísal Lionel Leclere. Pierre Van Cutsem a Carine Michiels prispeli k napísaniu konečnej verzie rukopisu. Všetci autori si prečítali a schválili záverečný rukopis.

Lionel Leclere bol príjemcom štipendia FRIA (FNRS, Belgicko).