| License: Publishing license for publications including print on demand (1MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-256071
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.25607
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 16 August 2012 |
| Referee: | Prof. Dr. Jörg Heilmann |
| Date of exam: | 6 August 2012 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institute of Pharmacy > Pharmaceutical Biology (Prof. Heilmann) |
| Interdisciplinary Subject Network: | Not selected |
| Keywords: | Hopfen, Humulus lupulus, Bittersäuren, humulone, lupulone, Leberfibrose, Hepatozelluläres Karzinom, hepatische Sternzelle, hop, bitter acids, liver, liver fibrosis, hepatocellular carcinoma, NF kappaB |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences 500 Science > 570 Life sciences 600 Technology > 615 Pharmacy |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 25607 |
Abstract (English)
Bitter acids (BA) from the hop plant Humulus lupulus L. exhibit multiple beneficial biological properties. However, no studies are available regarding the effects of hop bitter acids on liver cells or chronic liver diseases, respectively. Chronic liver diseases are accompanied by chronic hepatic inflammation which can lead to liver fibrosis. If left untreated, liver fibrosis can progress to ...
Abstract (English)
Bitter acids (BA) from the hop plant Humulus lupulus L. exhibit multiple beneficial biological properties. However, no studies are available regarding the effects of hop bitter acids on liver cells or chronic liver diseases, respectively.
Chronic liver diseases are accompanied by chronic hepatic inflammation which can lead to liver fibrosis. If left untreated, liver fibrosis can progress to cirrhosis, which can cause liver failure. Importantly, cirrhosis is also the main risk factor for the development of hepatocellular carcinoma (HCC). Both cirrhosis and HCC are associated with high morbidity and mortality, and up until now, no effective treatment options are available.
The aim of this thesis was to assess the effects of BA on hepatic stellate cells, the central mediators of liver fibrosis, and on hepatocellular carcinoma cells.
First, the effects of hop bitter acids on hepatic stellate cells (HSC) were analyzed. HSC were isolated from murine and human liver tissues and were incubated with a standardized hop bitter acid extract. At a concentration of 25 µg/ml hop bitter acids (BA) started to induce lactate dehydrogenase leakage. Already at lower concentrations BA led to a dose dependent inhibition of HSC proliferation and inhibited IkappaB-alpha-phosphorylation and nuclear p65 translocation in a dose dependent way. Accordingly, the same doses of BA inhibited the expression of pro-inflammatory and NFkappaB-regulated genes, but did not affect expression of genes not related to NFkappaB signaling. In addition to these effects on activated HSC, BA inhibited the in vitro activation of non-activated HSC as evidenced by delayed expression of collagen I and alpha-sma mRNA and protein. Together, these findings indicate that BA inhibit NFkappaB activation, and herewith, the activation and development of pro-fibrogenic phenotype of HSC in vitro.
Next, we analyzed the effects of BA on hepatocellular carcinoma (HCC) cells. Here, we used two different standardized BA extracts enriched for either alpha-acids or beta-acids to get a first insight whether biological activity vary between these two groups of bitter acids. At a concentration of 25 µg/ml, only the beta-acid rich extract started to induce aspartate aminotransferase (AST) release as marker for cell injury, whereas at a dose of 50 µg/ml both extracts led to a significant increase of AST liberation. Already at lower concentrations both extracts dose-dependently inhibited proliferation and migration of HCC cells. Analysis of different signaling pathways revealed an inhibition of ERK1/2 phosphorylation, down-regulation of AP-1 activity and an alleviation of NFkappaB activity in HCC cells in vitro. Hereby, the beta-acid rich extract showed more pronounced effects.
Furthermore, the stability of BA in a rodent chow supplemented with an alpha-acid rich extract was assessed applying high pressure liquid chromatography diode array detection technology. Mimicking feasible storage conditions we observed a very poor recovery, indicative of a strong degradation of BA. This prompted us not to proceed with application of this particular BA supplemented chow in rodent models, since in addition to imprecise BA-concentration also potential ill-defined degradation products would not have allowed a sound interpretation of such studies.
In conclusion, hop bitter acids alleviate the pro-fibrogenic phenotype of hepatic stellate cells and inhibit central signaling pathways, which are known to play important roles in tumor development and progression, in hepatocellular carcinoma cells. These data suggest the potential use of hop bitter acids as functional nutrient or therapeutical agent for both prevention and treatment of chronic liver diseases. Further studies are needed to verify the beneficial effects in experimental models of liver injury in vivo. However, analysis of a newly designed BA-supplemented experimental chow for rodents revealed strong degradation processes even under optimal storage conditions. Therefore, special care has to be taken when planning long term BA-application experiments.
Translation of the abstract (German)
Bittersäuren (BA) aus der Hopfenpflanze Humulus lupulus (L.) besitzen eine Reihe positiver biologischer Eigenschaften. Jedoch sind Wirkungen von BA auf Leberzellen bzw. chronischen Lebererkrankungen weitgehend unbekannt. Chronische Lebererkrankungen gehen einher mit chronischer, hepatischer Entzündung, welche zur Leberfibrose führen kann. Ohne Behandlung kann die Leberfibrose zur Leberzirrhose ...
Translation of the abstract (German)
Bittersäuren (BA) aus der Hopfenpflanze Humulus lupulus (L.) besitzen eine Reihe positiver biologischer Eigenschaften. Jedoch sind Wirkungen von BA auf Leberzellen bzw. chronischen Lebererkrankungen weitgehend unbekannt. Chronische Lebererkrankungen gehen einher mit chronischer, hepatischer Entzündung, welche zur Leberfibrose führen kann. Ohne Behandlung kann die Leberfibrose zur Leberzirrhose fortschreiten und somit bis zum Verlust der Leberfunktionen führen. Darüber hinaus stellt die Zirrhose einen erhöhten Risikofaktor für die Entwicklung des hepatozellulären Karzinoms (HCC) dar. Sowohl die Zirrhose als auch HCC sind gekennzeichnet durch hohe Morbidität und Mortaliät. Bis heute gibt es keine effektiven Behandlungsmethoden.
Ziel dieser Arbeit war es, die Effekte von BA auf hepatische Sternzellen, den zentralen Mediatoren der Leberfibrogenese und auf hepatozelluläre Karzinomzellen zu untersuchen.
Zuerst wurden die Effekte der Hopfenbittersäuren auf hepatische Sternzellen (HSZ) analysiert. HSZ wurden von murinen und humanen Lebergeweben isoliert und mit einem standardisierten Hopfenbittersäurenextrakt inkubiert. Ab einer Konzentration von 25 µg/ml BA wurde eine vermehrte Freisetzung der Lactatdehydrogenase beobachtet. Bereits niedrigere Konzentrationen führten zur dosisabhängigen Inhibierung der HSZ-Proliferation sowie einer Inhibierung der IkappaB-alpha-Phosphorylierung und Kerntranslokation von p65. Dementsprechend führten dieselben Konzentrationen zur Inhibierung der Expression von proinflammatorischen und NFkappaB-regulierten Genen. Im Gegensatz dazu wurde die Expression von Genen, welche nicht durch den NFkappaB-Signalweg gesteuert werden, nicht beeinflusst. Zusätzlich zu den eben erwähnten Effekten auf aktivierte Sternzellen inhibierten BA die in vitro Aktivierung von ruhenden HSZ, was durch die verzögerte Expression von Kollagen I und alpha-smooth muscle actin mRNA und Protein gezeigt werden konnte.
Die Daten deuten daraufhin, dass BA die Aktivierung von NFkappaB hemmt und somit die Aktivierung und Entwicklung des profibrogenen Phänotyps der HSZ in vitro verhindert.
Im zweiten Projekt wurden die Effekte von BA auf hepatozelluläre Karzinomzellen (HCC) untersucht. Verwendet wurden hierbei zwei unterschiedliche standardisierte BA-Extrakte, welche entweder reich an alpha- oder beta-Bittersäuren waren. Dadurch konnten wir einen ersten Einblick erhalten, ob die biologische Aktivität der beiden Bittersäuregruppen variiert. Der beta-reiche Extrakt führte bereits ab einer Konzentration von 25 µg/ml zu einer vermehrten Freisetzung der Aspartat-Aminotransferase (AST), ein Marker für Zellschäden. Eine Dosis von 50 µg/ml beider Extrakte führte zu einer vermehrten AST-Freisetzung. Bereits bei niedrigeren Konzentrationen inhibierten beide Extrakte dosisabhängig die Proliferation und Migration der HCC-Zellen. Des Weiteren führten die Bittersäuren zu einer Inhibierung der ERK1/2 Phosphorylierung, sowie zu einer Verminderung der AP1–Aktivität und einer Abschwächung der NFkappaB-Aktivität in den HCC-Zellen in vitro. Die Effekte des beta-reichen Extraktes waren stärker ausgeprägt.
Darüber hinaus wurde die Stabilität von BA in einem Futter für Nagetiere mittels HPLC DAD untersucht, welches mit einem alpha-reichen Extrakt supplementiert wurde. Auf der Suche nach optimalen Lagerungsbedingungen fanden wir nur noch geringe Mengen von BA, was für eine starke Degradierung spricht. Aufgrund dieser Tatsache sahen wir von der in vivo Applikation dieses BA-supplementierten Nagetierfutters ab, da neben der unpräzisen BA-Konzentration auch potentielle nicht-definierte Degradierungsprodukte eine genaue Interpretation unmöglich machen würde.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Hopfenbittersäuren den profibrogenen Phänotyp von hepatischen Sternzellen abschwächen und zentrale Signalwege, welche eine wichtige Rolle in der Tumorentstehung und Progression von hepatozellulären Karzinomzellen spielen, inhibieren. Aufgrund der erhobenen Daten stellen Hopfenbittersäuren ein potentielles Nahrungsergänzungsmittel bzw. Therapeutikum für die Prävention und Behandlung von chronischen Lebererkrankungen dar. Weitere Studien sind nötig, um die positiven Effekte in experimentellen Modellen der Leberschädigung in vivo zu verifizieren. Die Analyse eines neu entwickelten BA-supplementierten Nagetierfutters zeigte jedoch auch unter optimalen Lagerungsbedingungen einen sehr starken Degradierungsprozess von BA. Folglich ist bei der Planung von Langzeit-BA-Applikationsexperimenten besondere Sorgfalt notwendig.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 04:14
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