Inhibitory effect of polyphenols in Houttuynia cordata on advanced glycation end-products (AGEs) by trapping methylglyoxal

Inhibitory effect of polyphenols in Houttuynia cordata on advanced glycation end-products (AGEs) by trapping methylglyoxal

Inhibitory effect of polyphenols in Houttuynia cordata on advanced glycation end-products (AGEs) by trapping methylglyoxal

Highlights

• • Quercitrin, rutin, and cholorgenic acid were identified as major polyphenols in 50% methanol extract of Houttuynia cordata. • H. cordata extract as well as its polyphenols scavenged MGO. • MGO formed mono- or di-MGO adducts of quercitrin and rutin. • H. cordata extract as well as its polyphenols inhibited AGE formation during glycation reaction. • Methanol extract of H. cordatainhibited the formation of AGEs though trapping MGO.
  

Abstract

The inhibitory effect of bioactive components from Houttuynia cordata (H. cordata) on advanced glycation end-products (AGEs) by trapping methylglyoxal (MGO) was investigated. MGO and its adducts of quercitrin, chlorogenic acid, rutin was analyzed by using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MSn). The remaining MGO were 52.3, 26.7, and 9.4% for chlorogenic acid, quercitrin, and rutin, respectively and the mono- or di-MGO conjugated adducts of quercitrin and rutin were identified at 24 h of reaction. The formation of AGEs was detected through the reaction of glucose with protein by the fluorescence method. During the glycation reaction, quercitrin, rutin, and methanol extract of H. cordata decreased the production level of AGEs by 91–94.6 %. H. cordatacontaining chlorogenic acid, quercitrin, and rutin may have potential role in minimizing AGEs formation.

Introduction

Houttuynia cordata Thunb. (H. cordata), known as ‘E-Sung-Cho’ in Korea, is a native perennial herbaceous plant from the Saururaceae family and is habitually cultivated in Korea (Han et al., 2009, Miyata et al., 2010). It has been used as a folk medicine to heal coughing, leucorrhea, nephrotic syndromes, ureteritis, and lung abscesses (Hayashi et al., 1995, Lau et al., 2008, Shim et al., 2009, Xu et al., 2005). It is rich in essential oils and alkaloids, particularly, flavonoids such as quercitrin, isoquercitrin, and rutin (Chou et al., 2009, Miyata et al., 2010, Shim et al., 2009). These flavonoids have been found to possess inhibitory effects on allergies, leukemia, oxidation, bacteria, mutagenesis, viruses, hypertension, and inflammation (S. Y. Jang et al., 2011, Miyata et al., 2010, Shin et al., 2010, Shim 2013).

Advanced glycation end-products (AGEs) are the result of protein glycation occurring by bonding of protein or lipid molecules with a sugar (L. Liu et al., 2012, Thornalley et al., 2000). The reaction takes place by forming a reversible Schiff base, which goes through a rearrangement stage to generate relatively stable Amadori products that results in irreversible AGEs via a complex process including further rearrangement, oxidation, dehydration, and polymerization (Ardestani and Yazdanparast, 2007, Choi et al., 2008; H. Liu et al., 2011). AGEs are factors to cause age-related diseases such as diabetes, diabetic complications, atherosclerosis, chronic heart failure, and Alzheimer's (Lv et al., 2011, Ma et al., 2011, Thornalley et al., 2000). An important source of early glycation products is mediated by reactive dicarbonyl species such as 3-deoxyglucosone, glyoxal and methylglyoxal (Ardestani & Yazdanparast, 2007). Among the reactive dicarbonyl compounds as AGE precursors, methylglyoxal (MGO) significantly results in intracellular AGEs formation owing to its high reactivity and its multiple origins under in vivo conditions (Lv et al., 2011). Accumulation of early glycation products and AGEs induce cell structural and functional alteration by cross-linking between proteins and the receptors for AGEs (L. Liu et al., 2012).

Drugs such as aminoguanidine, metformin, carnosine, and tenilsetam have been found as inhibitors of AGE formation and the development of diabetic complications by trapping MGO. However, several side effects of these drugs have been reported (Choi et al., 2008, Lv et al., 2011). For instance, side effects of aminoguanidine were found in phase III clinical trials owing to high toxicity in diabetic patients (Choi et al., 2008, Lv et al., 2011). Also, Thornalley (2003) reported that amninoguanidine induced flu-like symptoms, gastrointestinal disturbance, abnormalities in liver function tests, and a rare vasculitis.

Therefore, naturally occurring materials have been investigated to substitute these drugs. For example, caffeic acid, chlorogenic acid, isoquercitrin, quercetin, quercitrin and rutin, mainly found in H. cordata,have been studied to determine inhibitory effects on AGE formation. Jang, Lee, Kim, and Kim (2006) has reported that Flavonols from H. cordata extracts inhibited protein glycation and aldose reductase activity.

It was also reported that caffeic acid and chlorogeinc acid from Ilex paraguariensis extracts prevented the formation of glycation by MGO through the assessment of fluorescent AGEs (Gugliucci, Bastos, Schulze, & Souza, 2009). Rutin or its metabolites were proved to be effective inhibitors of AGE formation on collagen, eye lens protein and tissue protein incubations (Cervantes-Laurean et al., 2006, Muthenna et al., 2011, Nagasawa et al., 2003). Quercitrin from plant extracts showed an inhibitory effect on AGE formation (Hanamura, Hagiwara, & Kawagishi, 2005; D. S. Jang et al., 2008, Lee et al., 2009). For instance, the anti-glycation activity of the quercitrin extracted from Rumex japonicu showed high inhibitory activity of AGEs formation (IC50 values of 25.2 ± 0.44 μmol/L) (D. S. Jang et al., 2008).

However, few studies have been conducted for an in-depth-investigation on the capability of natural inhibitors to trap reactive dicarbonyls as AGE precursors. Therefore, the objective of the current study was to examine a capability to trap MGO resulting in AGE inhibition by chlorogenid acid, quercitrin, and rutin from H. cordata and H. cordata extract.

Section snippets

Standards and chemical reagents

Chlorogenic acid, quercitrin hydrate, rutin hydrate, and aminoguanidine bicarbonate for analytical standards were purchased from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA). Ultra performance liquid chromatography (UPLC) grade solutions of acetic acid, methanol, and water were obtained from Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) and J.T. Baker (Phillipsburg, NJ, USA), respectively. Methylglyoxal (40% in water), bovine serum albumin (BSA), fructose, glucose, and o-phenylenediamine were purchased from

Reaction of MGO with polyphenols in H. cordata extract

The kinetic curve of scavenging MGO by 50% methanol extract of H. cordata during reaction time was investigated (Fig. 1A). After reacting with methanol extract of H. cordata and MGO, the relative amount of remaining MGO were from 50.96 to 26.38% at 0.5 h and 24 h, respectively. Methanol extract of H. cordatashowed a remarkable effect on decreasing MGO within in a short reaction time. Scavenging capacity of MGO by H. cordata extract was approximately about 2.26–6.51 times higher than that by

Conclusion

The current study indicated that the ability of polyphenols (chlorogenic acid, quercitrin, and rutin) in H. cordata as well as extract of H. cordata to scavenge MGO could play a key role in inhibiting AGE formation caused by glucose-mediated protein glycation. Therefore, the results from this study propose that H. cordataextract containing chlorogenic acid, quercitrin, and rutin could be alternative natural remedies to currently used drugs for inhibition of a variety of degenerative processes

Conflict of interest

Authors have no conflict of interest to declare.

Acknowledgment

This work was carried out with the support of the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MEST) (No. 2014R1A2A2A01007627).

References (35)

• A. Ardestani et al.Cyperus rotundus suppresses AGE formation and protein oxidation in a model of fructose-mediated protein glycoxidation International Journal of Biological Macromolecules (2007)

• D. Cervantes-Laurean et al.Inhibition of advanced glycation end product formation on collagen by rutin and its metabolites The Journal of Nutritional Biochemistry (2006)

• A. Gugliucci et al.Caffeic and chlorogenic acids in Ilex paraguariensis extracts are the main inhibitors of AGE generation by methylglyoxal in model proteins Fitoterapia (2009)

• E.H. Han et al.Houttuynia cordata water extract suppresses anaphylactic reaction and IgE-mediated allergic response by inhibiting multiple steps of FcepsilonRI signaling in mast cells Food and Chemical Toxicology (2009)

• K.M. Lau et al.Immunomodulatory and anti-SARS activities of Houttuynia cordata Journal of Ethnopharmacology (2008)

• H. Matsuda et al.Structural requirements of flavonoids for inhibition of protein glycation and radical scavenging activities Bioorganic & Medicinal Chemistry (2003)

• S. Pashikanti et al.Rutin metabolites: novel inhibitors of nonoxidative advanced glycation end products Free Radical Biology & Medicine (2010)

• D.L. Price et al.Chelating activity of advanced glycation end-product inhibitors Journal of Biological Chemistry (2001)

• P.J. ThornalleyUse of aminoguanidine (Pimagedine) to prevent the formation of advanced glycation endproducts Archives of Biochemistry and Biophysics (2003)

• P.J. Thornalley et al.Kinetics and mechanism of the reaction of aminoguanidine with the α-oxoaldehydes glyoxal, methylglyoxal, and 3-deoxyglucosone under physiological conditions Biochemical Pharmacology (2000)

Inhibitory Effect of Polyphenols in Houttuynia cordata on Advanced Glycation End-Products (AGEs) by Trapping Methylglyoxal

Highlights

• Identification of Polyphenols: Quercitrin, rutin, and chlorogenic acid were identified as major polyphenols in a 50% methanol extract of Houttuynia cordata.

• MGO Scavenging: Both H. cordata extract and its polyphenols scavenged methylglyoxal (MGO).

• MGO Adducts: MGO formed mono- or di-MGO adducts with quercitrin and rutin.

• Inhibition of AGE Formation: H. cordata extract and its polyphenols inhibited AGE formation during the glycation reaction.

• Mechanism of Inhibition: Methanol extract of H. cordata inhibited AGE formation by trapping MGO.

Abstract

This study investigates the inhibitory effect of bioactive components from Houttuynia cordata on advanced glycation end-products (AGEs) by trapping methylglyoxal (MGO). Liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS) was used to analyze MGO and its adducts with quercitrin, chlorogenic acid, and rutin. The remaining MGO percentages were 52.3%, 26.7%, and 9.4% for chlorogenic acid, quercitrin, and rutin, respectively. The mono- or di-MGO conjugated adducts of quercitrin and rutin were identified at 24 hours of reaction. The formation of AGEs was detected using the fluorescence method. Quercitrin, rutin, and methanol extract of H. cordata decreased the production of AGEs by 91–94.6%. H. cordata, containing chlorogenic acid, quercitrin, and rutin, may have a potential role in minimizing AGEs formation.

Introduction

Houttuynia cordata Thunb., known as ‘E-Sung-Cho’ in Korea, is a perennial herb from the Saururaceae family, commonly used in traditional medicine. It contains essential oils, alkaloids, and flavonoids such as quercitrin, isoquercitrin, and rutin, which have been found to possess various inhibitory effects on allergies, leukemia, oxidation, bacteria, mutagenesis, viruses, hypertension, and inflammation.

Advanced glycation end-products (AGEs) result from protein glycation and contribute to age-related diseases such as diabetes, atherosclerosis, and Alzheimer’s. Reactive dicarbonyl species like methylglyoxal (MGO) are significant AGE precursors. Drugs like aminoguanidine, metformin, carnosine, and tenilsetam inhibit AGE formation by trapping MGO but have reported side effects. Therefore, naturally occurring materials such as caffeic acid, chlorogenic acid, isoquercitrin, quercetin, quercitrin, and rutin, mainly found in H. cordata, are being studied as potential inhibitors of AGE formation.

Materials and Methods

Standards and Chemical Reagents

Chlorogenic acid, quercitrin hydrate, rutin hydrate, and aminoguanidine bicarbonate were used as analytical standards. Methanol extract of H. cordata and other reagents were purchased from standard suppliers.

Reaction of MGO with Polyphenols in H. cordata Extract

The kinetic curve of scavenging MGO by 50% methanol extract of H. cordata was investigated. The relative amount of remaining MGO decreased significantly after reacting with the methanol extract of H. cordata.

Conclusion

Polyphenols (chlorogenic acid, quercitrin, and rutin) in H. cordata, as well as its extract, can scavenge MGO and play a key role in inhibiting AGE formation. H. cordata extract containing these polyphenols could be an alternative natural remedy for inhibiting various degenerative processes.

Conflict of Interest

Authors have no conflict of interest to declare.

Acknowledgment

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MEST) (No. 2014R1A2A2A01007627).

ผลการยับยั้งของโพลีฟีนอลใน Houttuynia cordata ต่อผลิตภัณฑ์การไกลเคชันขั้นสูง (AGEs) โดยการดักจับเมทิลไกลออกซาล

ข้อเด่น

• การระบุโพลีฟีนอล: Quercitrin, rutin, และ chlorogenic acid เป็นโพลีฟีนอลหลักในสารสกัดเมทานอล 50% ของ Houttuynia cordata

• การดักจับ MGO: ทั้งสารสกัด H. cordata และโพลีฟีนอลของมันดักจับเมทิลไกลออกซาล (MGO)

• สารประกอบ MGO: MGO สร้างสารประกอบ mono- หรือ di-MGO กับ quercitrin และ rutin

• การยับยั้งการสร้าง AGEs: สารสกัด H. cordata และโพลีฟีนอลของมันยับยั้งการสร้าง AGEs ในระหว่างการไกลเคชัน

• กลไกการยับยั้ง: สารสกัดเมทานอลของ H. cordata ยับยั้งการสร้าง AGEs โดยการดักจับ MGO

บทคัดย่อ

การศึกษานี้สำรวจผลการยับยั้งของส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพจาก Houttuynia cordata ต่อผลิตภัณฑ์การไกลเคชันขั้นสูง (AGEs) โดยการดักจับเมทิลไกลออกซาล (MGO) โดยใช้เทคนิค liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS) เพื่อวิเคราะห์ MGO และสารประกอบที่เกิดจากปฏิกิริยาของมันกับ quercitrin, chlorogenic acid, และ rutin ผลที่เหลือของ MGO อยู่ที่ 52.3%, 26.7%, และ 9.4% สำหรับ chlorogenic acid, quercitrin, และ rutin ตามลำดับ และสารประกอบ mono- หรือ di-MGO ของ quercitrin และ rutin ถูกระบุในช่วง 24 ชั่วโมงของปฏิกิริยา การสร้าง AGEs ถูกตรวจพบโดยวิธีการฟลูออเรสเซนส์ quercitrin, rutin, และสารสกัดเมทานอลของ H. cordata ลดระดับการผลิต AGEs ลงได้ 91–94.6% H. cordata ซึ่งมี chlorogenic acid, quercitrin, และ rutin อาจมีบทบาทสำคัญในการลดการสร้าง AGEs

บทนำ

Houttuynia cordata Thunb., ที่รู้จักกันในชื่อ ‘E-Sung-Cho’ ในเกาหลี เป็นพืชสมุนไพรยืนต้นจากครอบครัว Saururaceae มีสารที่จำเป็นและอัลคาลอยด์หลายชนิด รวมถึงโพลีฟีนอลอย่าง quercitrin, isoquercitrin, และ rutin ที่พบว่ามีผลยับยั้งการแพ้ ลูคีเมีย การออกซิเดชัน การติดเชื้อ แบคทีเรีย ไวรัส ความดันโลหิตสูง และการอักเสบ

ผลิตภัณฑ์การไกลเคชันขั้นสูง (AGEs) เกิดจากการไกลเคชันของโปรตีนและมีส่วนเกี่ยวข้องกับโรคที่เกิดจากอายุ เช่น เบาหวาน โรคหลอดเลือดแดงแข็ง และอัลไซเมอร์ สารประกอบ dicarbonyl ที่มีปฏิกิริยาสูงเช่น methylglyoxal (MGO) เป็นตัวกำเนิด AGEs ที่สำคัญ ยาเช่น aminoguanidine, metformin, carnosine, และ tenilsetam ยับยั้งการสร้าง AGEs โดยการดักจับ MGO แต่มีรายงานผลข้างเคียง ดังนั้นสารจากธรรมชาติจึงได้รับการศึกษาเพื่อตรวจสอบผลยับยั้งการสร้าง AGEs

วัสดุและวิธีการ

มาตรฐานและสารเคมี

Chlorogenic acid, quercitrin hydrate, rutin hydrate, และ aminoguanidine bicarbonate ถูกใช้เป็นมาตรฐานวิเคราะห์ สารสกัดเมทานอลของ H. cordata และสารเคมีอื่นๆ ถูกซื้อจากผู้จำหน่ายมาตรฐาน

ปฏิกิริยาของ MGO กับโพลีฟีนอลในสารสกัด H. cordata

โค้งจลนศาสตร์ของการดักจับ MGO โดยสารสกัดเมทานอล 50% ของ H. cordata ถูกสำรวจ ปริมาณ MGO ที่เหลือลดลงอย่างมากหลังจากทำปฏิกิริยากับสารสกัดเมทานอลของ H. cordata

สรุป

โพลีฟีนอล (chlorogenic acid, quercitrin, และ rutin) ใน H. cordata และสารสกัดของมันสามารถดักจับ MGO และมีบทบาทสำคัญในการยับยั้งการสร้าง AGEs สารสกัด H. cordata ซึ่งมีโพลีฟีนอลเหล่านี้อาจเป็นทางเลือกธรรมชาติสำหรับการยับยั้งกระบวนการเสื่อมต่างๆ

ความแตกแย้งทางผลประโยชน์

ผู้เขียนไม่มีความขัดแย้งทางผลประโยชน์ที่จะประกาศ

การขอบคุณ

งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิจัยแห่งชาติของเกาหลี (NRF) โดยรัฐบาลเกาหลี (MEST) (หมายเลข 2014R1A2A2A01007627)

อ้างอิง : https://www.mdpi.com/2227-9059/8/2/31