Alzheimer´s disease (AD) is a neurodegenerative disease and the most common form of dementia with still no preventive or curative treatment. Besides several risk factors, age is one of the major risks for AD and with an aging society, there is an urgent need for disease modifying agents. The strategy to address only one target within the intertwined network of AD failed so far.
Natural products especially the phytochemical flavonoids, which are poly-phenolic natural products, have shown great potential as disease modifying agents against neurodegenerative disorders like Alzheimer´s disease (AD) with activities even in vivo. Flavonoids are produced by many plants and the native Californian plant Eriodictyon californicum is particularly rich in flavonoids. One of the major flavonoids of E. californicum is sterubin, a very potent agent against oxidative stress and inflammation, two hallmarks and drivers of AD and neurodegeneration. Herein, racemic sterubin was synthesized and separated into its pure (R)- and (S)-enantiomer by chiral HPLC. The pure enantiomers showed comparable neuroprotection in vitro with no significant differences. The stereoisomers were configurationally stable in methanol, but fast racemization was observed in culture medium. Moreover, the activity of sterubin was investigated in vivo, in an AD mouse model. Sterubin showed a significant positive impact on short- and long-term memory at low dosages.
A promising concept for the increase of activity of single flavonoids is hybridization with aromatic acids like cinnamic or ferulic acids. Hybridization of the natural products taxifolin and silibinin with cinnamic acid led to an overadditive effect of these compounds in phenotypic screening assays related to neurodegeneration and AD. Because there are more potent agents as taxifolin or silibinin, the hybrids were further developed, and different flavonoid cinnamic acid hybrids were synthesized. The connection between flavonoids and cinnamic acid was achieved by an amide instead of a labile ester to improve the stability towards hydrolysis to gain better “druggability” of the compounds. To investigate the oxidation state of the C-ring of the flavonoid part, the dehydro analogues of the respective hybrids were also synthesized. The compounds show neuroprotection against oxytosis, ferroptosis and ATP-depletion in the murine hippocampal cell line HT22. While no overall trend within the flavanones compared to the flavones could be assigned, the taxifolin and the quercetin derivative were the most active compounds in course of all assays. The quercetin derivate even shows greater activity than the taxifolin derivate in every assay. As desired no hydrolysis product was found in cellular uptake experiments after 4h, whereas different metabolites were found. The last part of this work focused on synthetic bioisoteres of the natural product curcumin. Due to the drawbacks of curcumin and flavonoids arising from poor pharmacokinetics, rapid metabolism and sometimes instability in aqueous medium, we have examined the biological activity of azobenzene compounds designed as bioisoteres of curcumin, carrying the pharmacophoric catechol group of flavonoids. These bioisosteres exceeded their parent compounds in counteracting intracellular oxidative stress, neuroinflammation and amyloid-beta aggregation. By incorporating an azobenzene moiety and the isosteric behaviour to the natural parent compounds, these compounds may act as molecular tools for further investigation towards the molecular mode of action of natural products. / Die Alzheimersche Krankheit ist eine neurodegenerative Erkrankung und die häufigste Form der Demenz, für die es noch keine präventive oder kurative Behandlung gibt. Neben mehreren Risikofaktoren ist das Alter eines der Hauptrisiken für die Krankheit und in einer alternden Gesellschaft besteht ein dringender Bedarf an Mitteln zum Stoppen oder Heilen der Krankheit. Die Strategie, nur ein Ziel innerhalb des verflochtenen Netzwerks der Pathogenese von AD zu adressieren, ist bisher gescheitert.
Naturstoffe, insbesondere die sekundären Pflanzenmetabolite Flavonoide, bei denen es sich um polyphenolische Naturstoffe handelt, haben ein großes Potenzial zum Eindämmen von neurodegenerativen Erkrankungen. Zahlreiche Studien, in vitro und auch in vivo, legen eine Wirksamkeit dieser Stoffe nahe. Flavonoide werden von vielen Pflanzen produziert und die kalifornische Pflanze Eriodictyon californicum ist besonders reich an Flavonoiden. Eines der wichtigsten Flavonoide von E. californicum ist Sterubin, ein sehr potenter Wirkstoff gegen oxidativen Stress und Entzündungen, zwei Treiber der Alzheimerschen Erkrankung und Neurodegeneration. In dieser Arbeit wurde racemisches Sterubin synthetisiert und durch chirale HPLC in das reine (R)- beziehungsweise (S)-Enantiomer getrennt. Die reinen Enantiomere zeigten in vitro eine vergleichbare neuroprotektive Aktivität ohne signifikante Unterschiede. Die Stereoisomere waren in Methanol konfigurativ stabil, in Zellkulturmedium wurde jedoch schnelle Racemisierung beobachtet. Darüber hinaus wurde die Aktivität von Sterubin in vivo in einem Alzheimer-Mausmodell untersucht. Sterubin zeigte bei niedrigen Dosierungen einen signifikanten positiven Einfluss auf das Kurz- und Langzeitgedächtnis.
Ein vielversprechendes Konzept zur Aktivitätssteigerung einzelner Flavonoide ist die Hybridisierung mit aromatischen Säuren wie Zimt- oder Ferulasäure. Die Hybridisierung der Naturstoffe Taxifolin und Silibinin mit Zimtsäure führte zu einer überadditiven Wirkung dieser Verbindungen in phänotypischen Screening-Assays im Zusammenhang mit Neurodegeneration und Alzheimer. Da es potentere Moleküle als Taxifolin oder Silibinin gibt, wurden die Hybride weiterentwickelt und verschiedene Flavonoid-Zimtsäure-Hybride synthetisiert. Die Verbindung zwischen dem Flavonoid und der Zimtsäure wurde durch ein Amid anstelle eines labilen Esters geknüpft, um die Stabilität gegenüber Hydrolyse zu verbessern. Um die Oxidationsstufe des C-Rings des Flavonoidteils zu untersuchen, wurden auch die Dehydro-Analoga der jeweiligen Hybride synthetisiert. Die Verbindungen zeigten Neuroprotektion gegen Oxytose, Ferroptose und dem Verlust von ATP in der murinen Hippocampus-Zelllinie HT22. Während kein allgemeiner Trend zur besseren Wirksamkeit der Flavanone gegenüber den Flavonen festzustellen war, waren das Taxifolin und das Querzetin-Derivat die aktivsten Verbindungen in allen Assays. Das Querzetin-Derivat zeigt in jedemAssay sogar eine höhere Aktivität als das Taxifolin-Derivat. Wie erwartet wurde in zellulären Aufnahmeexperimenten nach 4 h kein Hydrolyseprodukt gefunden, wohingegen verschiedene Metabolite gefunden wurden.
Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigte sich mit synthetischen Bioisosteren des Naturstoffs Curcumin. Aufgrund der Nachteile von Curcumin und Flavonoiden, die aus einer schlechten Pharmakokinetik, einem schnellen Metabolismus und manchmal einer Instabilität in wässrigem Medium resultieren, wurde die biologische Aktivität von Azobenzolverbindungen untersucht, die als Bioisostere von Curcumin konzipiert sind und die pharmakophore Catecholgruppe der Flavonoide tragen. Diese Bioisostere übertrafen ihre Stammverbindungen in der Protektion gegen intrazellulären oxidativen Stress, Neuroinflammation und der anti-aggregativen Eigenschaften gegen Amyloid-Beta. Durch den Einbau einer Azobenzoleinheit und das isostere Verhalten zu den natürlichen Stammverbindungen könnten diese Verbindungen als molekulare Werkzeuge für die weitere Untersuchung der molekularen Wirkungsweise von Naturstoffen dienen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:26664 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Hofmann, Julian |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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