Η χημική ένωση του μήνα

 [Σεπτέμβριος 2006]

Επιμέλεια σελίδας:

Θανάσης Βαλαβανίδης, Καθηγητής - Κωνσταντίνος Ευσταθίου, Καθηγητής

 * LD50 (lethal dose 50): ποσότητα ουσίας που προκαλεί τον θάνατο στο 50% των πειραματόζωων, εκφραζόμενη συνήθως σε ποσότητα ουσίας ανά kg σωματικού βάρους.

Αποξηραμένοι καρποί γαρδένιας: 'Ενα παραδοσιακό Κινέζικο φάρμακο

Σε αντίθεση με την κοινή αντίληψη ότι οι επιστήμονες δεν ενδιαφέρονται για την παραδοσιακή ιατρική των διαφόρων λαών, έρχονται οι πρόσφατες μελέτες γύρω από τη γενιπίνη. Η περίπτωση αυτή αποτελεί ένα ενδιαφέρον παράδειγμα του πως εργάζεται η επιστημονική κοινότητα και ανακαλύπτει χρήσιμες φαρμακευτικές ουσίες από φυτικά προϊόντα, αξιοποιώντας αρχαίες θεραπευτικές αγωγές και γνώσεις.

Η γαρδένια μας είναι περισσότερο γνωστή ως ένα από τα πλέον αρωματικά και όμορφα φυτά, ωστόσο, κάτι που ίσως οι περισσότεροι αγνοούν, είναι το ότι η γαρδένια είναι και ένα πανίσχυρο φαρμακευτικό φυτό. H Γαρδένια ιασμινοειδής (Gardenia jasminoides J. Ellis, συνώνυμα: Gardenia grandiflora, οικογένεια: Rubiaceae, γένος: Genipa) ανήκει στην οικογένεια των Ρουβιωδών και προέρχεται από την Κίνα και την Ιαπωνία (αναφ. 3). Οι αποξηραμένοι καρποί της γαρδένιας αποτελούν ένα από τα πλέον δραστικά φάρμακα της παραδοσιακής Κινέζικης βοτανοθεραπείας.  

Το εκχύλισμα του καρπού της γαρδένιας χρησιμοποιείται επί αιώνες σε Ασιατικές χώρες για θεραπευτικούς σκοπούς και φαίνεται ότι δρα ως αντιφλεγμονώδες, αντιπυρετικό και αντιυπερτασικό φάρμακο. Επιπλέον, χρησιμοποιείται για την επούλωση πληγών. Ακόμη, στην παραδοσιακή Κινεζική ιατρική το εκχύλισμα αυτό χρησιμοποιούνταν για τη θεραπεία της ηπατίτιδας και του διαβήτη. Επιπλέον χρησιμοποιείται και ως μια φυσική χρωστική ουσία διαφόρων τροφίμων (αναφ. 4).  

Η δραστική ουσία του εκχυλίσματος είναι η γενιπίνη (GP), μια σχετικά απλή οργανική ένωση, η οποία βρίσκεται στο εκχύλισμα κυρίως ως γλυκοζίτης με γλυκόζη (γενιποζίτης) ή γεντιοβιόζη (γενιπινο-1,β-γεντιοβιοζίτης). Οι γλυκοζίτες μετά τη λήψη, υπόκεινται σε ενζυματική υδρόλυση στο έντερο ή το ήπαρ απελευθερώνοντας γενιπίνη. Οι συντακτικοί τύποι της γενιπίνης και των γλυκοζιτών της ίδιας (γενιποζίτης, γενιπινο-1,β-γεντιοβιοζίτης) και ενός υδροξυ-παραγώγου της (γαρδενοζίτης) δείχνονται παρακάτω (αναφ. 5):

Γενιπίνη: απομόνωση, δομή, χημικές ιδιότητες

Κρύσταλλοι γενιπίνης (φωτογραφία από την αναφ. 7)

Χρωματογραφήματα λεπτής στιβάδας (TLC) αμινοξέων "εμφανισμένα" με (α) γενιπίνη και (β) νινυδρίνη (φωτογραφία από την αναφ. 9).

Η GP έχει αποτελέσει αντικείμενο έρευνας της περίφημης ομάδας συνθετικής χημείας Djerassi et al. To 1961 η ομάδα Djerassi συνέθεσε τη GP και έτσι πιστοποίησε τη δομή της (αναφ. 6). Ο μοριακός τύπος της GP είναι C₁₁H₁₄O₅  και το μόριό της περιλαμβάνει ένα δακτύλιο διυδροπυρανίου. Χαρακτηριστική της ιδιότητα είναι η άμεση αντίδρασή της με αμινοξέα με παραγωγή μιας έντονα κυανής χρωστικής.

Η απομόνωσή της GP από αποξηραμένους καρπούς γαρδένιας είναι μια σχετικά απλή διαδικασία και υπάρχουν οδηγίες στο διαδίκτυο (αναφ. 4). Σύμφωνα με διάφορες αναλυτικές μελέτες, η περιεκτικότητα των αποξηραμένων καρπών γαρδένιας σε διάφορους γλυκοζίτες της GP είναι της τάξης των 3-12 mg/g (αναφ. 5).

Από διάφορες δημοσιεύσεις φαίνεται ότι η GP διατίθεται στο εμπόριο από διάφορες Κινεζικές και Ιαπωνικές εταιρίες παραγωγής ειδικών αντιδραστηρίων. Στο διαδίκτυο διαφημίζεται μια εταιρία η οποία διαθέτει ποσότητες καθαρής (98% με HPLC) GP με κόστος 22 USD /g και ελάχιστη παραγγελία 10 g (αναφ. 7).

Η GP παρουσιάζει δύο ενδιαφέρουσες χημικές ιδιότητες: α) Ως αναλυτικό αντιδραστήριο ανίχνευσης και προσδιορισμού πρωτοταγών αμινών και β) ως αντιδραστήριο διασύνδεσης (cross-linker) μορίων φυσικών ή τεχνητών μακρομοριακών ενώσεων.

Η γενιπίνη ως αναλυτικό αντιδραστήριο

Η GP αντιδρά ταχύτατα με πρωτοταγείς αμίνες παρέχοντας εντόνως κυανέρυθρες χρωστικές. Ο μηχανισμός της αντίδρασης φαίνεται εξαιρετικά πολύπλοκος και δεν έχει διευκρινισθεί πλήρως. Στη βιβλιογραφία υπάρχει μια μελέτη της αντίδρασης γενιπίνης -  μεθυλαμίνης (CH₃NH₂) σε αδρανή ατμόσφαιρα. Στην εργασία αυτή απομονώνεται αριθμός μονομερών, διμερών και τριμερών εγχρώμων προϊόντων, διευκρινίζεται η δομή τους και προτείνονται οι σχετικοί μηχανισμοί των αντιδράσεων (αναφ. 8).

Ανάλογες αντιδράσεις φαίνεται ότι παρέχει η GP με κάθε ένωση που διαθέτει πρωτοταγείς αμινομάδες, όπως π.χ. τα αμινοξέα. Ήταν γνωστό ότι εκχυλίσματα καρπών γαρδένιας χρησιμοποιούνταν από φυλές της Ασίας και Ινδιάνους της Αμερικής για να βάφουν το δέρμα τους και είναι προφανές ότι η χρώση η αυτή οφείλεται σε αντίστοιχες αντιδράσεις παραγωγής χρωστικών με αμινοξέα.

Έτσι, η GP μπορεί να αντικαταστήσει τη νινυδρίνη που αποτελεί το "παραδοσιακό" αντιδραστήριο για τον φασματοφωτομετρικό προσδιορισμό αμινοξέων. Πράγματι, έχουν διεξαχθεί σχετικές συγκριτικές μελέτες η οποίες αποδεικνύουν ότι με τη χρήση της GP πετυχαίνεται μεγαλύτερη αναλυτική ευαισθησία. Επιπλέον, χρωματογραφήματα λεπτής στιβάδας μίγματος αμινοξέων (βλέπε σχήμα), που "εμφανίσθηκαν" με GP παρέμειναν σταθερά επί μήνες, ενώ εκείνα που εμφανίσθηκαν με νινυδρίνη εξασθένισαν μετά την πάροδο λίγων ωρών (αναφ. 9).

Η χρωστική ικανότητα της GP έχει αξιοποιηθεί στην Εγκληματολογική Χημεία για την "εμφάνιση" αφανών δακτυλικών αποτυπωμάτων (fingerprint marker), σε αντικατάσταση της νινυδρίνης, η οποία υστερεί σε σχέση με τη GP, τόσο ως προς την ένταση του χρωματισμού, όσο και ως προς τη σταθερότητα. Τα "εμφανισμένα" με GP αποτυπώματα διατηρούνται επί μήνες και επιπλέον εμφανίζουν έντονο φθορισμό, γεγονός που διευκολύνει σημαντικά τη διαδικασία ταυτοποίησης (αναφ. 10).

H γενιπίνη ως αντιδραστήριο διασύνδεσης (cross-linker) μακρομοριακών ενώσεων

Ο μηχανισμός των σχετικών αντιδράσεων δεν έχει διευκρινισθεί πλήρως. Εικάζεται ότι πρώτα η GP υφίσταται ένα είδος διμερισμού μέσω αντίδρασης ριζών. Το προϊόν του διμερισμού οδηγεί σε ενδομοριακές και διαμοριακές διασυνδέσεις με συνδετικές γέφυρες ετεροκυκλικού χαρακτήρα μακρομοριακών ενώσεων, που περιέχουν πρωτοταγείς αμινομάδες (αναφ. 11). Σε μια περίπτωση αναφέρεται η παρακάτω αντίδραση διασύνδεσης μέσω ενός μόνο μορίου γενιπίνης (αναφ. 12).

Η ιδιότητα αυτή της GP ίσως είναι και η σπουδαιότερη και η πλέον αξιοποιήσιμη και σε αυτή εστιάζεται η ερευνητική προσπάθεια πολλών ερευνητικών ομάδων. Στην ιδιότητα αυτή φαίνεται ότι οφείλεται η επουλωτική δράση της GP.

Μερικές από τις φυσικές ή τεχνητές μακρομοριακές ενώσεις που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι η ζελατίνη (πρωτεΐνη), η χιτοζάνη (πολυσακχαρίτης της γλυκοζαμίνης), η πολυαιθυλενογλυκόλη (PEG). Η δράση της GP είναι ανάλογη με εκείνη γνωστών διλειτουργικών (bifunctional) αντιδραστηρίων, όπως η γλουταρική διαλδεΰδη  (OHCCH₂CH₂CH₂CHO), με τη διαφορά ότι GP είναι πολύ λιγότερο τοξική (αναφέρεται ως 10.000 φορές λιγότερο τοξική), είναι βιοσυμβατή και οι προκύπτουσες από τη διασύνδεση μακρομοριακές ενώσεις (διασταυρούμενα μακρομόρια) υφίστανται ευκολότερα βιοδιάσπαση (αναφ. 13). 

Για παράδειγμα, το προϊόν της αντίδρασης GP και ζελατίνης δρα ως δυσδιάλυτη στο νερό "βιοσυγκολλητική ουσία" (bioadhesive), σε αντίθεση με την απλή ζελατίνη, που διαλύεται εύκολα. Η "κόλλα" αυτή συνδυάζεται με στερεό φωσφορικό ασβέστιο παρέχοντας ένα είδος κονίας, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο οστικού ιστού για την "επιδιόρθωση" οστών (defect bone substitute) (αναφ. 14, 15). 

Το προϊόν της αντίδρασης GP,  χιτοζάνης και αλγινικού νατρίου έχει εξετασθεί ως υλικό-ελεγχόμενης αποδέσμευσης φαρμακευτικών ουσιών (αναφ. 16), ενώ η αντίδραση της GP με  πολυαιθυλενογλυκόλη οδηγεί στην παρασκευή υδρογελών (hydrogels), που είναι κατάλληλα ως υλικά στήριξης (scaffolding) για μεγάλη ποικιλία τεχνητών ιστών (tissue engineering) (αναφ. 17). 

Η γενιπίνη ως  αναστολέας του διαβήτη τύπου ΙΙ

Πρόσφατα, η ομάδα του Καθ. Lowell Bradford (Τμήμα Ενδοκρινολογίας, Harvard Medical School), σε συνεργασία με το εργαστήριο Φαρμακευτικής Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου Nanjing της Κίνας ενδιαφέρθηκε για τον εντοπισμό του δραστικού θεραπευτικού παράγοντα του εκχυλίσματος του καρπού της γαρδένιας, ο οποίος αποδείχθηκε ότι είναι η GP. Η ερευνητική ομάδα περιέλαβε έναν Κινέζο ερευνητή, που ήταν αρκετά ενήμερος με την παραδοσιακή ιατρική της πατρίδας του και αυτό οδήγησε στη έρευνα της φαρμακευτικής δραστικότητας του καρπού γαρδένιας.

Η ομάδα έρευνας ξεκίνησε με μελέτη του μεταβολισμού της αποσυζευκτικής πρωτεΐνης 2 (Uncoupling protein 2, UCP2), που ρυθμίζει την έκκριση της ινσουλίνης στα β κύτταρα του παγκρέατος. 

Η δραστικότητα της UPC2 θεωρείται μεγάλης σημασίας για την παθογένεση του διαβήτη. Μελέτες έδειξαν ότι υψηλές συγκεντρώσεις της UPC2 σε ζώα και στον άνθρωπο, παρεμποδίζουν την έκκριση ινσουλίνης από τα β κύτταρα και οδηγούν σε διαβήτη τύπου II (ο συνήθης διαβήτης των ενηλίκων). 'Αλλες έρευνες έδειξαν ότι σε πειραματόζωα, που παρουσιάζουν έλλειψη της πρωτεΐνης UCP2 (μέσω της τεχνικής του gene knockout), βελτιώνεται η λειτουργία των β κυττάρων με αποτέλεσμα τη μείωση του κινδύνου για διαβήτη τύπου ΙΙ.

Οι ερευνητές στο Χάρβαρντ παρατήρησαν ότι σε κυτταρικές καλλιέργειες η GP παρεμποδίζει ταχύτατα τη διαρροή πρωτονίων που ενεργοποιεί η πρωτεΐνη UCP2. Σε απομονωμένα μιτοχόνδρια, η GP παρεμποδίζει παρόμοια δράση. Σε παγκρεατικά κύτταρα η GP αυξάνει τη δραστικότητα της μιτοχονδριακής μεμβράνης, αυξάνει τα επίπεδα ΑΤΡ και ενεργοποιεί την έκκριση ινσουλίνης. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η GP ή παράγωγά της θα μπορούσαν να αποτελέσουν ερευνητικά όπλα στη μελέτη των βιολογικών μηχανισμών ρύθμισης της UCP2, ενώ συγχρόνως οι ουσίες αυτές θα αποτελέσουν το αρχικό σημείο ερευνών για θεραπευτικές αγωγές κατά της δυσλειτουργίας των παγκρεατικών β κυττάρων  (αναφ. 18-20).

Η γενιπίνη ως αντιφλεγμονώδες φάρμακο

Ανασκόπηση της επιστημονικής βιβλιογραφίας έδειξε ότι η GP είναι γνωστή και για άλλες ενδιαφέρουσες ιδιότητες. Αιθανολικό εκχύλισμα του καρπού της γαρδένιας περιέχει σε αρκετή ποσότητα του γλυκοζίτη γενιποζίτη (geniposide, βλ. χημικό τύπο παραπάνω) και GP. Η μελέτη της αντιφλεγμονώδους δράσης σε ποντίκια, που είχαν υποστεί οίδημα στα πόδια, έδειξε ότι η GP διαθέτει ισχυρή αντιφλεγμονώδη δράση. Η δράση αυτή βρέθηκε να είναι ανάλογη της συγκέντρωσης της GP (αναφ. 21).

Η GP χρησιμοποιήθηκε και σε πειράματα με ηπατικά κύτταρα. Παρατηρήθηκε ότι προκαλεί μεταγωγή σημάτων που οδηγούν σε απόπτωση των ηπατικών κυττάρων με μηχανισμό που χρησιμοποιεί την οξειδάση της NADPH και την παραγωγή δραστικών οξυγονούχων ενώσεων (ROS, reactive oxygen species), οι οποίες είναι γνωστές για τον χρήσιμο φυσιολογικό τους ρόλο στους αερόβιους οργανισμούς (αναφ. 22).  

Βιβλιογραφία και πηγές από το διαδίκτυο για τη γενιπίνη

1. S. Dharmananda: "Gardenia: Key herb for dispelling dampness and heat via the triple burner", Institute for Traditional Medicine, Portland, Oregon (http://www.itmonline.org/arts/gardenia.htm).

2. J.L. Reveal: "An array of botanical images", University of Maryland (http://www.life.umd.edu/emeritus/reveal/pbio/FindIT/ehret.html).

3. "Plants of the rubiaceae family" (http://www.desert-tropicals.com/Plants/Rubiaceae/?Gardenia_jasminoides.html).

4. B. Vaandering: "Genipin", Western Oregon University (http://www.wou.edu/las/physci/ch350/Projects_2006/Vaandering/Genipin.htm).

5. H. Liu, L. Gao, M. Liu, Q. Li, Y. Jiang, S. Zhang: "Characterization and determination of genipin-1-β-gentiobioside in gardenia fruit by high-performance liquid chromatography with ultraviolet detection following electrospray ionization mass spectrometry", Microchemical Journal, υπό δημοσίευση (2006).

6. C. Djerassi, T. Nakano, A.N. James, L.H. Zalkow, E.J. Eisenbraun, J.N. Shoolery: "Terpenoids XLVII. The structure of genipin", J Organic Chemistry, 26, 1192-1206, 1961.

7. Challenge Bioproducts Co, Ltd.: "Genipin: An excellent natural cross-linker" (http://www.genipin.org/).  

8. R. Touyama, K. Inoue, Y. Takeda, M. Yatsuzuka, T. Ikumoto, N. Moritome, T. Shingu, T. Yoko, H. Intuye. "Studies on the blue pigments produced from genipin and methylamine. II. On the formation mechanisms of brownish-red intermediates leading to the blue pigment formation", Chem. Pharm. Bull., 42, 1571-1578, 1994.

9. S.-W. Lee, J.-M. Lim, S.-H. Bhoo, Y.-S. Paik, T.-R. Hahn, "Colorimetric determination of amino acids using genipin from Gardenia jasminoides", Analytica Chimica Acta, 480, 267-274, 2003.

10. J. Almog, Y. Cohen, M. Azoury., T.-R. Hahj, "Genipin: A novel fingerprint reagent with colorimetric and fluorogenic activity", Journal of Forensic Sciences, 49(2), 255-257, 2004.

11.  W.H. Chang, Y. Chang, P.H. Lai , H.W. Sung: "A genipin-crosslinked gelatin membrane as wound-dressing material: in vitro and in vivo studies", J. Biomater. Sci. Polymer Edn., 14, 481-495, 2003.

12. F.-L. Mi, H.-W. Sung, S.-S. Shyu, C.-C. Su, C.K. Peng: "Synthesis and characterization of biodegradable TPP/genipin crosslinked chitosan gel beads", Polymer, 44, 6521-6530, 2003.

13. H.W. Sung, D.M. Huang, W.H. Chang, R.N. Huang, J.C. Hsu: "Evaluation of gelatin hydrogel crosslinked with various crosslinking agents as bioadhesives: In vitro study", J. Biomed. Mater. Res., 46, 529, 1999.

14.  B.-S. Liu, C.-H. Yao, Y.-S. Chen, S.-H. Hsu: "In vitro evaluation of degradation and cytotoxicity of a novel composite as a bone substitute", J Biochem Materials Res Part A, 67A, 1163-1169, 2003.

15. C.-H. Yaoa, B.-S. Liua, S.-H. Hsuc, Y.-S. Chend: "Calvarial bone response to a tricalcium phosphate-genipin crosslinked gelatin composite", Biomaterials, 26, 3065-3074, 2005.

16. F.-L. Mi, H.-W. Sung, S.-S. Shyu: "Drug release from chitosan-alginate complex beads reinforced by a naturally occuring cross-linking agent", Carbohydrates Polymers, 48, 61-72, 2002.

17. K.L. Moffat, K.G. Marra: "Biodegradable poly(ethylene glycol) hydrogels crosslinked with genipin for tissue engineering applications",  J Biomed Materials Res, Part B: Applied Biomaterials, 71B(1), 181-187, 2004.

18. C.Y. Zhang, L.E. Parton, C.P. Ye, S. Krauss, R. Shen, C.T. Lin, J.A. Porco Jr, B.B. Lowell: "Genipin inhibits UCP2 proton leak and acutely reverses obesity- and high glucose-induced beta cell dysfunction in isolated pancreatic islets", Cell Metabolism, 3, 417-427, 2006, (βλέπε: http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/mednat/diabetes_y_gardenia.pdf, αρχείο PDF 457 KB)

19. Medical News Today: "Gardenia fruit compound genipin starting point for diabetes therapy" (June 7, 2006) (http://www.medicalnewstoday.com/medicalnews.php?newsid=44667)

20. S.L. Rovner: "Natural diabetes treatments. Gardenia fruit compound and estrogen disrupt disease", Chemical Engineering News June 6, 2006 (http://pubs.acs.org/cen/news/84/i24/8424diabetes.html).

21. H.J. Koo, K.H. Lim, H.J. Jung, E.H. Park: "Anti-inflammatory evaluation of gardenia extract, geniposide and genipin", J Ethnopharmacol., 103(3), 496-500, 2006.

22. B.C. Kim, H.G. Kim, S.A. Lee, S. Lim, E.H. Park, S.J. Kim, C.J. Lim: "Genipin-induced apoptosis in hepatoma cells is mediated by reactive oxygen species/c-Jun NH₂-terminal kinase-dependent activation of mitochndrial pathway", Biochem Pharmacol., 70(9), 1398-1407, 2005.

  

Αποποίηση ευθυνών: Έχει καταβληθεί κάθε προσπάθεια για να εξασφαλισθεί η ορθότητα των πληροφοριών που περιλαμβάνονται σε αυτή τη σελίδα, ωστόσο οι έχοντες την επιμέλεια της σελίδας αυτής και το Τμήμα Χημείας δεν αναλαμβάνουν τη νομική ευθύνη για τυχόν σφάλματα, παραλείψεις ή ανακριβείς πληροφορίες. Επιπλέον, το Τμήμα Χημείας δεν εγγυάται την ορθότητα των αναφερόμενων σε εξωτερικές ιστοσελίδες, ούτε η αναφορά μέσω συνδέσμων (links) στις ιστοσελίδες αυτές, υποδηλώνει ότι το Τμήμα Χημείας επικυρώνει ή καθ' οιονδήποτε τρόπο αποδέχεται το περιεχόμενό τους.