Sekundäre Pflanzenstoffe aus dem Baikal-Helmkraut

Untersuchung molekularer Wirkmechanismen mit Hilfe des Modellorganismus Caenorhabditis elegans

  • Abb. 1: Verwendeter Modellorganismus:  Caenorhabditis elegans.Abb. 1: Verwendeter Modellorganismus: Caenorhabditis elegans.
  • Abb. 1: Verwendeter Modellorganismus:  Caenorhabditis elegans.
  • Abb. 2: Repräsentative Darstellung des experimentellen Vorgehens: Vergleichende Untersuchungen eines Scutellaria baicalensis-Extraktes, relevanter Inhaltsstoffe (Baicalein) bzw. Strukturanaloga (Negletein) im Modellorganismus C. elegans – Beeinflussung von Lebensspanne, Stressresistenz und Signalwegen (fluoreszenzmikroskopische Analyse der intrazelluläre Lokalisation von GFP-markiertem DAF-16).
Susannah Havermann1, Sabrina Wille1, Simone Wilke1, Karoline Koch1, Christian Büchter1, Wim Wätjen1
 
Baikal-Helmkraut (Scutellaria baicalensis) ist eine Heilpflanze, die traditionell bei verschiedenen Erkrankungen eingesetzt wird. In der Traditionellen Chinesischen Medizin ist Baikal-Helmkraut als Huang Quin bekannt; Extrakte und Tinkturen werden hier z. B. gegen Entzündungen und zur Vorbeugung kardiovaskulärer Erkrankungen eingesetzt. Hauptinhaltsstoffe der Pflanze sind Flavonoide, wie z. B. Baicalein. Es finden sich in der Literatur Hinweise, dass Extrakte aus Scutellaria baicalensis bzw. bestimmte Inhaltstoffe der Pflanze vor Alterungserscheinungen schützen, z. B. vor altersabhängigen ZNS-Schädigungen [1]. Auch eine Verlängerung der Lebensspanne durch Baicalein konnte in männlichen Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) nachgewiesen werden [2]. Aufgrund der vielfältig postulierten positiven Wirkungen der Pflanze finden Extrakte aus Scutellaria baicalensis bzw. isolierte Inhaltsstoffe wie Baicalein zunehmend auch Verwendung als Nahrungsergänzungsmittel.
 
Molekulare Effekte des Scutellaria baicalensis Extraktes
 
Trotz diesen vielfältigen Anwendungen sind wenig Arbeiten in der Literatur vorhanden, die Auskunft über molekulare Wirkmechanismen des Pflanzenextraktes bzw. isolierter Inhaltsstoffe in lebenden Organismen (in vivo) oder gar im Menschen geben: In der überwiegenden Mehrzahl der Arbeiten werden antioxidative oder krebspräventive Wirkungen aus einfachen Zellkulturversuchen abgeleitet. 
Wir nutzen den Fadenwurm Caenorhabditis elegans, um systematisch molekulare Effekte eines Scutellaria baicalensis Extraktes sowie verschiedener isolierter sekundärer Inhaltsstoffe aufzuklären [3,4,5]. Der Nematode ist zum einen ein zentraler Modellorganismus, um Alterungsprozesse zu untersuchen, zum anderen können hier in einfacher Form verschiedene Effekte (z. B. oxidativer Stress, Lipofuscin-Ablagerungen, Stressresistenz) in einem lebenden Organismus systematisch analysiert werden. 
Die antioxidative Wirkungen des Scutellaria baicalensis Extraktes und verschiedener daraus isolierter sekundärer Pflanzenstoffe können unter Verwendung von stabilen farbigen Radikalen (ABTS, DPPH) in einfachen Experimenten in vitro nachgewiesen werden.

Die dort gezeigten starken radikalfangenden Wirkungen der Substanzen können im lebenden Nematoden (in vivo) nicht oder nur in abgeschwächter Form gezeigt werden. Während der Scutellaria baicalensis Extrakt und auch das Hauptflavonoid Baicalein antioxidative Wirkungen in vivo zeigen, kann für die methylierten Baicaleinderivate Oroxylin A oder Wogonin unter den verwendeten experimentellen Bedingungen trotz stark radikalfangender Wirkung in vitro keine antioxidative Wirkung in vivo nachgewiesen werden.

Dies zeigt klar die Relevanz von Aufnahme bzw. Biotransformation sekundärer Pflanzenstoffe für Aussagen von Wirkungen in vivo. In weiteren Experimenten haben wir zeigen können, dass sowohl der Scutellaria baicalensis-Extrakt als auch verschiedene sekundäre Pflanzenstoffe positive Effekte auf die Stressresistenz der Nematoden haben: Die Tiere sind resistenter gegen letalen oxidativen und thermalen Stress, da eine Vorinkubation mit bestimmten Verbindungen zu einer Verlängerung der Überlebenszeit der Nematoden führt. Aufgrund der antioxidativen Effekte und der Erhöhung der Stressresistenz kann vermutet werden, dass der Scutellaria baicalensis-Extrakt bzw. dessen Inhaltsstoffe auch eine Verlängerung der Lebensspanne bewirken. Eine Inkubation sowohl mit Scutellaria baicalensis-Extrakt als auch Baicalein verlängert konzentrationsabhängig die mittlere Lebensspanne der Nematoden um 15 bzw. 45 %. Auch Negletein, nicht aber andere methylierte Baicaleinderivate (Oroxylin A, Baicaleintrimethylether) verlängern die Lebensspanne des Organismus.
 
In Vivo-Analyse intrazellulärer Signalwege
 
Mit Hilfe von transgenen Tieren kann die Modulation intrazellulärer Signalwege durch sekundäre Pflanzenstoffe direkt im lebenden Nematoden analysiert werden. So können wir zeigen, dass sowohl der Extrakt aus Scutellaria baicalensis als auch Baicalein bzw. methylierte Baicalein-Derivate (Negletein) eine verstärkte Lokalisation des Transkriptionsfaktors DAF-16 (Insulin-ähnlicher Signalweg; Säugerhomolog: FoxO) in den Zellkernen bewirkt. Ebenso wird SKN-1, ein weiterer zentraler Transkriptionsfaktor im Nematoden (Säugerhomolog: Nrf2) durch den Extrakt und Baicalein (nicht jedoch Negletein) verstärkt in den Kern transloziert. Diese Experimente zeigen mit einfachen Mitteln die Beeinflussung bestimmter Signalwege durch die untersuchten sekundären Pflanzenstoffe.
Um zu überprüfen, inwieweit die Modulation dieser Signalwege auch funktionelle Auswirkungen auf den Nematoden hat, werden Tiere verwendet, in denen der Signalweg entweder ausgeschaltet wurde (loss-of-function-Mutanten) oder die entsprechenden Signalwege mittels RNAi (RNA vermittelte Interferenz) herunterreguliert wurden. So können wir zeigen, dass die Verlängerung der Lebensspanne durch den Extrakt primär durch SKN-1 vermittelt wird und DAF-16 keine Rolle spielt. Auch im Falle von Baicalein ist SKN-1 für die Vermittlung der lebensverlängernden Effekte verantwortlich, wohingegen beim methylierten Derivat Negletein eher DAF-16 eine Rolle zu spielen scheint. Auch in Bezug auf die antioxidativen Effekte kann z. T. nachgewiesen werden, dass diese abhängig von SKN-1 bzw. DAF-16 sind: In DAF-16-loss-of-function-Nematoden zeigen sich immer noch stark antioxidative Effekte des Scutellaria baicalensis-Extraktes, während in der SKN-1-loss-of-function-Mutante nur noch die höchste eingesetzte Konzentration einen schwach antioxidativen Effekt zeigt. Dies belegt die zentrale Bedeutung von SKN-1 für die antioxidative Wirkung des Extraktes in vivo.
Wir interessieren uns im Weiteren dafür, inwieweit die Substanzen in einem einfachen experimentellen Modell für Morbus Alzheimer protektive Effekte zeigen. Hierzu wurde ein Nematodenstamm verwendet, der auf einen bestimmten Reiz hin beginnt, humanes Aβ-Protein zu exprimieren. Die Akkumulation von Aβ führt dann nach einiger Zeit zu einer Paralyse des Nematoden, was als Endpunkt der toxischen Wirkung gewertet wird. Wir können zeigen, dass sowohl der Extrakt aus Scutellaria baicalensis als auch Baicalein in der Lage sind, die Zeitspanne bis zur Paralyse des Nematoden zu verlängern. Verschiedene andere Flavonoide wie z. B. Fisetin, Luteolin oder Hesperitin hingegen sind nicht in der Lage, in dem Modellsystem eine Retardierung der Paralysezeit zu bewirken, was auf eine besondere Wirksamkeit des Extraktes bzw. von Baicalein in Bezug auf therapeutische Effizienz bei Morbus Alzheimer hinweist.
 
Ausblick

Inwieweit die gefundenen Effekte auch relevant für Säuger bzw. letztendlich für den Menschen sein werden, ist derzeit noch nicht klar. Die durchgeführten Experimente dienen primär dazu, in einem einfachen Modellsystem molekulare Wirkmechanismen von sekundären Pflanzenstoffen aufzuzeigen. In Experimenten an weiteren Modellorganismen müssen die gefundenen Mechanismen noch abgesichert werden. In Bezug auf den Scutellaria baicalensis-Extrakt kann man aus unseren Untersuchungen ein Potential zur Verlängerung der Lebensspanne konstatieren, was über Aktivierung eines SKN-1/Nrf-2-vermittelten antioxidativen Signalwegs bewirkt wird. Weiterhin ergaben sich Hinweise für positive Effekte in Bezug auf die Stressresistenz der Nematoden und die Amyloid-β-Toxizität. Die molekularen Wirkungen des Extraktes sind wahrscheinlich zum überwiegenden Teil auf den Inhaltsstoff Baicalein zurückzuführen.

 
Zugehörigkeiten
1Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften, AG Biofunktionalität sekundärer Pflanzenstoffe, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
 
Kontakt
Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften
AG Biofunktionalität sekundäre Pflanzenstoffe
Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Biozentrum
Halle
wim.waetjen@landw.uni-halle.de
 
Mehr zu Pharma & Drug Discovery: http://www.git-labor.de/forschung/pharma-und-drug-discovery 
 
Mehr Informationen zu sekundären Pflanzenstoffen: https://www.dge.de/wissenschaft/weitere-publikationen/fachinformationen/...

Literatur

[1] Song HR et al. (2009) Scutellaria flavonoid supplementation reverses ageing-related cognitive impairment and neuronal changes in aged rats. Brain Inj 23: 146-53. doi: 10.1080/02699050802649670
[2] Gao L et al. (2016) A Bioinformatic Approach for the Discovery of Antiaging Effects of Baicalein from Scutellaria baicalensis Georgi. Rejuvenation Research 19: 414-422. doi:10.1089/rej.2015.1760.
[3] Havermann S et al. (2013) Molecular effects of baicalein in Hct116 cells and Caenorhabditis elegans: activation of the Nrf2 signaling pathway and prolongation of lifespan. J Agric Food Chem 61: 2158-64. doi: 10.1021/jf304553g.
[4] Havermann S et al. (2016) Baicalein modulates stress-resistance and life span in C. elegans via SKN-1 but not DAF-16. Fitoterapia 113: 123-7. doi: 10.1016/j.fitote.2016.06.018.
[5] Wille S. (2016) Untersuchungen zur lebensverlängernden Wirkung eines Pflanzenextraktes aus Scutellaria baicalensis im Modellorganismus Caenorhabditis elegans. Masterarbeit, Universität Halle-Wittenberg

 

 

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