Evaluation of the neuroprotective effect of medicinal plants

Abstract

Given their therapeutic activity, natural products have been used in traditional medicines throughout the centuries. The growing interest of the scientific community in phytopharmaceuticals has resulted in a significant number of research efforts towards in understanding their effect in the potential treatment of neurodegenerative disorders. An approach to develop new ways of treatment concerns facing the context of neuroinflammation/oxidative stress on these group of diseases. This regards to a pre-pathological condition characterized by a chronic and systemic oxidative stress associated to a mild-subclinical chronic inflammation which causes neuronal cell loss. Thus, by reverting and/or attenuating this state, natural products can prevent and treat neurodegenerative diseases through modulation of microglia, the cells from brain innate system, inhibiting or reducing its inflammatory or oxidative status. The main goal of this work is to evaluate the pharmacological potential of plants used in Traditional Chinese Medicine as Hemerocallis citrina and Dendrobium nobile extracts, as well as Panax ginseng compounds and alkaloids from Nelumbo nucifera, regarding to its anti-inflammatory and antioxidant properties. For that, the scavenging activities on DPPH and NO radicals as well as the anti-acetylcholinesterase activity were evaluated. In silico methods were carried out to perform structure-activity relationships of pure compounds. Moreover, using a BV2 murine microglia cell line, the following parameters were evaluated: i) their citoxicity; ii) their antioxidant potential evaluating their ability in reverting oxidative insults and iii) their anti-inflammatory potential evaluating the capacity in decreasing proinflammatory compounds after inflammatory stimulation (bacterial lipopolysaccharide) . Finally, phytochemical analysis was performed for the extracts in order to characterize them. Although Dendrobium nobile extract and Nelumbo nucifera alkaloids have DPPH and NO radical-scavenging activity, as well as weak antiacetylcholinesterase activity, their toxicity in the BV2 cells did not enable their study in subsequent assays. Moreover, Panax ginseng compounds have been shown to have antioxidant and anti-inflammatory properties, mostly through indirect effects, probably through regulation of genetic machinery. In addition, our studies and others indicated that, in most cases, the sugar groups may not be necessary for the biological and pharmaceutical activity. In the end, all planned assays were carried out with extracts of Hemerocallis citrina. Its high content of phenolic and flavonoid acids such as caffeoylquinic acids, quercetin and apigenin derivatives can contribute to its antioxidant and anti-inflammatory activity. This last activity seems to be related to a decrease in the expression of pro-inflammatory cytokines and in the nitric oxide-producing enzyme, iNOS. Eventually, these extracts may have a therapeutic potential in living organisms in reversing neuroinflammation / oxidative stress and in the treatment of neurodegenerative diseases.

Tendo em conta o seu potencial terapêutico, os produtos naturais têm sido usados na medicinal tradicional oriental ao longo dos tempos. O crescente interesse pela comunidade científica no uso de fitofarmacêuticos tem levado a um aumento significativo de investigação no que concerne a elucidar o seu efeito terapêutico no potencial tratamento das doenças neurodegenerativas. Uma abordagem amplamente abordada e recente para o seu eventual tratamento consiste em confrontar a problemática da neuroinflamação/stress oxidativo no contexto da neurodegeneração. Isso diz respeito a uma condição pré-patológica caraterizada por um stress oxidativo crónico e sistemático associado a um estado de inflamação crónica que causa a perda neuronal. Assim, ao reverter e/ou atenuar este estado, os produtos naturais podem prevenir e tratar as doenças neurodegenerativas através da modulação das células de microglia, as células do sistema imunitário do cérebro, inibindo ou reduzindo o seu caráter inflamatório e pró-oxidante. Este trabalho tem como principal objetivo avaliar o potencial farmacológico de extratos de plantas usadas na Medicina Tradicional Chinesa: Hemerocallis citrina e Dendrobium nobile, assim como compostos puros de Panax ginseng e alcaloides de Nelumbo nucifera, no que diz respeito às suas propriedades anti-inflamatórias e antioxidantes. Para isso, foi avaliada a sua capacidade de capturar radicais DPPH e de óxido nítrico, assim como a sua atividade anti-acetilcolinesterase. Adicionalmente, foram efetuados métodos in silico para realizar estudos de relação estrutura/atividade de compostos puros. Em seguida, foi avaliada, na linha celular BV2 (microglia murina): (i) a sua citoxicidade; (ii) o seu potencial antioxidante (avaliado pela capacidade de citoproteção face a insultos oxidativos) e (iii) o seu potencial anti-inflamatório (avaliado pela quantificação de compostos pró-inflamatórios após o estímulo inflamatório (lipopolissacarídeo bacteriano)). Finalmente, os perfis fitoquímicos dos extratos foram delineados com vista à sua caraterização. Apesar de o extrato de Dendrobium nobile e os alcaloides de Nelumbo nucifera terem demonstrado atividade quelante de radicais DPPH e NO, assim como atividade anti-acetilcolinesterase (embora fraca), a sua elevada toxicidade na linha celular BV2 levou-nos a abortar o seu estudo em ensaios posteriores. Por outro lado, os compostos de Panax ginseng revelaram ter capacidade antioxidante e anti-inflamatória na sua maioria através de efeitos indiretos, provavelmente por regulação da maquinaria genética. Os nossos estudos e de outros autores indicaram, na maioria das vezes, que os grupos açúcares poderão não ser de grande relevância para a atividade biológica e farmacológica dos compostos. Finalmente, todos os ensaios planeados foram efetuados com os extratos de Hemerocallis citrina. Estes extratos apresentaram atividade antioxidante e anti-inflamatória. O seu elevado conteúdo em ácidos fenólicos e flavonoides como ácidos cafeoilquínicos e derivados de quercetina e apigenina parecem contribuir para a sua atividade antioxidante, evidenciada pelo efeito protetor na linha celular BV2 após insulto oxidativo. Por outro lado, a atividade anti-inflamatória foi evidenciada, também em células BV2, pelo decréscimo da expressão de citocinas pró-inflamatórias e na enzima produtora de óxido nítrico, iNOS, após indução de inflamação com o lipopolissacarídeo bacteriano. Os resultados obtidos mostram que estes extratos poderão apresentar um potencial terapêutico em organismos vivos no controlo e/ou reversão da neuroinflamação/stress oxidativo e no tratamento das doenças neurodegenerativas.