Tanja Grimm

• In der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig die Hemmung des induzierten Abbaus von Matrixproteinen sowie von Gelatine durch Matrixmetalloproteinasen mithilfe des Kiefernrindenextraktes Pycnogenol, einer Auswahl seiner Inhaltsstoffe und seiner Metabolite d-(3,4-Dihydroxyphenyl)-g-valerolacton (M1) und d-(3-Methoxy-4-hydroxyphenyl)-g-valerolacton (M2) untersucht. Beide Metabolite zeigten eine signifikante Hemmwirkung und lagen in der Effektivität ihrer Hemmung auf einer µg/ml-Basis immer leicht über der des Gesamtextraktes. Um die in FrageIn der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig die Hemmung des induzierten Abbaus von Matrixproteinen sowie von Gelatine durch Matrixmetalloproteinasen mithilfe des Kiefernrindenextraktes Pycnogenol, einer Auswahl seiner Inhaltsstoffe und seiner Metabolite d-(3,4-Dihydroxyphenyl)-g-valerolacton (M1) und d-(3-Methoxy-4-hydroxyphenyl)-g-valerolacton (M2) untersucht. Beide Metabolite zeigten eine signifikante Hemmwirkung und lagen in der Effektivität ihrer Hemmung auf einer µg/ml-Basis immer leicht über der des Gesamtextraktes. Um die in Frage kommenden Mechanismen der Hemmwirkung gegenüber Matrixmetalloproteinasen aufzuklären, wurde die Bindung des Gesamtextraktes an Hautpulver, sowie an die Matrixproteine Collagen und Elastin untersucht. Es wurde ein Schutz der Substrate vor enzymatischer Degradierung durch MMPs infolge einer Adsorption der Procyanidine abgeleitet. Die Metabolite M1 und M2 schienen auf Grund eines anderen Mechanismus die Aktivität der MMPs zu hemmen. Es konnte gezeigt werden, dass die Hemmwirkung der untersuchten Inhibitoren auf MMP-9 nach Zinkzusatz vollständig aufgehoben wurde. Daher konnte eine direkte Interaktion von beiden Metaboliten auf das Zinkatom des aktiven Zentrums angenommen werden. Die Wirkungen der Metabolite M1 und M2 wurden anschließend auf zellulärer Ebene untersucht. Es wurde getestet, ob sie einen Einfluss auf die Sekretion von MMP-9 aus bakteriellen Lipopolysaccharid (LPS)-stimulierten Monocyten hatten. Als Positivkontrolle wurden antiinflammatorisch wirkenden PPAR-Agonisten, sowie das endogene Glucocorticoid Hydrocortison eingesetzt, deren Hemmwirkung auf die MMP-9-Freisetzung gut belegt war. Die PPAR-Agonisten waren in Bezug auf die MMP-9-Sekretion die wirksamsten Inhibitoren. Mit einer bemerkenswert niedrigen IC50 waren die beiden Metabolite M1 und M2 in ihrer Wirkung equipotent. Im Vergleich zu Hydrocortison konnte sogar gezeigt werden, dass beide Metabolite potentere Inhibitoren darstellten als das körpereigene antiinflammatorisch wirksame Glucocorticoid. In pharmakokinetischen Untersuchungen wurden Plasmaproben von Probanden nach Einmal- (n = 11) und Mehrfach- (n = 5) Einnahme von 300 bzw. 200 mg Pycnogenol mithilfe der HPLC vermessen. Durch diese Untersuchungen sollte festgestellt werden, ob eine Absorption von Extraktbestandteilen, sowie Metabolisierungsreaktionen im Körper stattfinden. Es konnten in den Proben der meisten Probanden erstmalig im Plasma sowohl Extraktbestandteile als auch der Metabolit M1 nachgewiesen werden. Daneben konnten zehn bislang unbekannte Substanzen detektiert werden, die in weiterführenden Arbeiten noch identifiziert werden müssen. Es wurde eine große interindividuelle Variabilität sowohl im Grad der Konjugation als auch bei den im Plasma vorliegenden Konzentrationen der einzelnen Substanzen festgestellt. Nach Einmalgabe des Extraktes wurden verschiedene Gruppen von Substanzen mit frühen, mittleren, späten und interindividuell sehr variablen Plasmaspiegelmaxima nachgewiesen. Es konnten erstmalig nach Pycnogenol-Einnahme pharmakokinetische Parameter der bekannten und im Gesamtextrakt quantifizierbaren Verbindungen errechnet werden. Nachfolgend wurde in den Plasmaproben der Probanden nach Pycnogenol-Einnahme nachgewiesen, dass Wirksubstanzen in Konzentrationen vorhanden waren, die tatsächlich pharmakodynamische Effekte erzielen konnten. Dazu wurde ein neues Versuchskonzept erstellt, bei dem die Hemmung der MMP-9-Sekretion auf zellulärer Ebene mit den Plasmaproben der Studienteilnehmer vor und nach Pycnogenol-Einnahme ex vivo untersucht wurde. Nach Mehrfachgabe bewirkten die verdünnten Plasmaproben der Probanden eine signifikant verminderte MMP-9-Sekretion um im Mittel 25 %. Plasmaproben nach einmaliger Einnahme von 300 mg Pycnogenol riefen schon 30 Minuten nach Extrakt-Einnahme eine Hemmung der MMP-9-Sekretion hervor. Diese Hemmung war bis 14 Stunden nach der Einnahme nachzuweisen. Einen wichtigen Transkriptionsfaktor im Entzündungsgeschehen stellt NF-kB dar. Stimuliert durch verschiedene Agenzien führt NF-kB u.a. zur Induktion von MMP-9. Nach Mehrfachgabe konnte in ex vivo Versuchen mit den Plasmaproben der Studienteilnehmer nach Inkubation mit stimulierten Monocyten eine etwa 15 %ige Hemmung der NF-kB-Aktivierung gezeigt werden. Es konnte am Beispiel von MMP-9 und NF-kB erstmalig gezeigt werden, dass nach Einnahme von Pycnogenol auch in vivo Konzentrationen an Metaboliten bzw. Bestandteilen erreicht werden, die ex vivo in der Lage waren, pharmakodynamische Effekte zu erzielen. Bislang konnte jedoch keine Zuordnung der pharmakokinetisch identifizierten Verbindungen zu den pharmakodynamischen Effekten erfolgen. Die umfassenden in vitro, ex vivo und in vivo Untersuchungen von Bestandteilen und/oder Metaboliten des Pycnogenol-Extraktes in der vorliegenden Arbeit leisten auf molekularer und auf zellulärer Ebene einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der klinischen antiinflammatorischen Effekte des Kiefernrindenextraktes.…
• In the present thesis, the inhibition of matrixmetalloproteinase (MMP)-induced degradation of matrix proteins and of gelatin was investigated. For the first time, a standardized extract of French maritime pine bark, a selection of its components and two metabolites d-(3,4-dihydroxyphenyl)-g-valerolacton (M1) and d-(3-methoxy-4-hydroxyphenyl)-g-valerolacton (M2) were tested as inhibitors for MMP-1, MMP-2 and MMP-9. Both metabolites displayed a significant inhibition of all MMPs and were more potent on a µg/ml basis compared to the extract. InIn the present thesis, the inhibition of matrixmetalloproteinase (MMP)-induced degradation of matrix proteins and of gelatin was investigated. For the first time, a standardized extract of French maritime pine bark, a selection of its components and two metabolites d-(3,4-dihydroxyphenyl)-g-valerolacton (M1) and d-(3-methoxy-4-hydroxyphenyl)-g-valerolacton (M2) were tested as inhibitors for MMP-1, MMP-2 and MMP-9. Both metabolites displayed a significant inhibition of all MMPs and were more potent on a µg/ml basis compared to the extract. In order to elucidate the mechanism of inhibition, the binding of the extract to skin powder as well as to the matrix proteins collagen and elastin was investigated. A protection of the substrates from MMP-induced degradation via an adsorption of procyanidins was assumed. The metabolites M1 and M2 obviously inhibited the activity of MMPs by a different mechanism. It was shown that the inhibition caused by the investigated compounds was completely abrogated after addition of zinc. Therefore, a direct interaction of both metabolites with the catalytic zinc atom was deduced. The effects of M1 and M2 were subsequently investigated on a cellular level. It was analyzed whether the metabolites influenced the secretion of MMP-9 from bacterial lipopolysaccarid (LPS)-stimulated monocytes. As positive controls antiinflammtory PPAR agonists, as well as the endogenous glucocorticoid hydrocortisone were utilized as their inhibition of the MMP-9-secretion was well documented. With respect to the MMP-9 secretion, the PPAR agonists were the most effective inhibitors. Both metabolites were equipotent in their effects, with a remarkably low IC50. In comparison to hydrocortisone, both metabolites were even more potent than the endogenous glucocorticoid with its antiinflammatory properties. In pharmacokinetic investigations plasma samples from volunteers after a single (n = 11) and repeated (n = 5) intake of 300 mg, respectively 200 mg Pycnogenol were analyzed by HPLC. The aim of these measurements was to find out whether absorption of ingredients and metabolism take place in the human body. For the first time, ingredients of the extract, as well as the metabolite M1 were determined in plasma samples of most of the volunteers after singular or repeated Pycnogenol intake. Furthermore, ten so far unidentified compounds were detected. A large interindividual variability in the concentrations detected as well as in the degree of conjugation with glucuronic acid and sulphate of all substances was observed. After a single intake of the extract, compounds with early, intermediate and late maximum plasma levels and substances which showed highly interindividually variable plasma levels were classified. For the first time pharmacokinetic parameters of the known extract components were calculated. Subsequently it was demonstrated that the concentration of effective compounds in plasma samples of volunteers after Pycnogenol intake was sufficiently high to evoke pharmacological effects. A new concept was developed for this investigation. Inhibition of the secretion of MMP-9 on a cellular level was performed ex vivo with plasma samples before and after Pycnogenol intake. After repeated intake, diluted plasma samples of the volunteers evoked a significant decrease in MMP-9 secretion of about 25 %. Plasma samples after a single intake of 300 mg Pycnogenol caused an inhibition of the MMP-9 secretion already after 30 minutes. The inhibition persisted up to 14 hours. An important transcription factor in inflammatory processes is NF-kB. Activated by various stimuli, NF-kB mediates the induction of MMP-9. In ex vivo experiments, plasma samples of volunteers after repeated Pycnogenol intake were incubated with stimulated monocytes. An inhibition of the NF-kB activation of 15 % was observed. The percentage of inhibition of NF-kB activation correlated with inhibition of MMP-9 secretion for matched plasma samples. These results suggested that inhibition of MMP-9 secretion by Pycnogenol ex vivo was mediated via NF-kB pathway. The examples of MMP-9 and NF-kB inhibition showed for the first time that sufficiently high concentrations of ingredients and/or metabolites of Pycnogenol were reached in vivo that exhibited pharmacodynamically relevant effects ex vivo. So far, no correlation was found between the pharmacokinetically identified substances and the pharmacodynamic effects. The comprehensive in vitro, ex vivo and in vivo investigations of ingredients and/or metabolites of Pycnogenol, on a molecular as well as on a cellular level, contribute substantially to the understanding of the clinical antiinflammatory effects of pine bark extract.…