Identification of components of turmeric as potential therapeutic agents to slow the progression of neurodegeneration in Parkinson’s disease
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Parkinson’s disease (PD) is a neurological disorder associated with severe loss of dopaminergic neurons in
the substantia nigra. These neurons are particularly vulnerable due to increased iron and decreased
antioxidant levels with aging, constant exposure to reactive oxygen species (ROS), and the presence of
neurotoxic compounds. A literature review was compiled and published, in which we postulate that ROS,
iron, alpha-synuclein protein (α-syn), and neuromelanin form a toxic feedback loop in individuals with PD.
This feedback loop is theorised to be an early trigger culminating in neuronal death and subsequent spread
of the disease to neighbouring neurons. Consequently, antioxidants and iron-chelators may be important
therapeutic agents to target the accumulated ROS and iron in these neurons. Turmeric is an attractive
therapeutic candidate since it has well-established antioxidant properties and may chelate iron. This study
aimed to determine which components of turmeric have strong antioxidant and iron-chelating properties that
could potentially protect against dopaminergic neuronal degeneration in PD. A crude extract was obtained
from purchased turmeric using Soxhlet extraction. Subsequently, the crude extract was separated into
different compounds using thin-layer chromatography (TLC). Mass spectrometry (MS) was used to identify
the eluted compounds and a selected number of compounds were further analysed with liquid
chromatography-mass spectrometry (LCMS). After identifying the compounds, four were chosen to test their
total antioxidant capacity and iron chelation ability by comparing these compounds to Trolox (a known
antioxidant) and ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) (a strong iron chelator), respectively. Finally, a
human neuronal cell line, SH-SY5Y, was used to evaluate the effect of the extracted compounds on cell viability, through a 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay. We
successfully obtained a crude extract from turmeric powder after Soxhlet extraction. A total of 34 bands
were initially eluted from the TLC plate, with the experiment performed in duplicate. After MS, only 15 of
the 34 samples had identifiable compounds. Through LCMS, four compounds were identified with
confidence namely bis-demethoxycurcumin, demethoxycurcumin, curcumin, and aromatic (ar)-turmerone.
The antioxidant assays showed that curcumin had the strongest antioxidant activity while ar-turmerone had
the weakest. Analysis of the iron-chelating activity of these compounds found contradictory results.
However, with spectrophotometric observation and a commercially validated kit, the curcuminoids were
shown to have strong iron-chelation potential. Unexpectedly, ar-turmerone also showed iron-chelation
potential albeit to a lesser extent compared to the curcuminoids. The exploratory analysis with the SH-SY5Y
cells showed that bis-demethoxycurcumin increased cell viability by 152%, while ar-turmerone decreased it
by 73.5%, versus the vehicle control. These promising findings warrant further study using more targeted
techniques. Identifying new therapies for PD is of utmost importance since the current treatments only treat
the symptoms and do not address the pathobiology of neuronal loss. Natural compounds extracted from
plants may be particularly useful for the design of new treatment modalities since they may be more cost-
effective and have fewer side effects than synthetic medicines.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Parkinson se siekte (PS) is ‘n neurologiese afwyking wat geassosieer word met ernstige verlies van dopaminerge neurone in die substantia nigra. Hierdie neurone is kwesbaar as gevolg van verhoogde yster en verlaagde antioksidant vlakke met veroudering, konstante blootstelling aan reaktiewe suurstofspesies (RSS) en neurotoksiese verbindings. ‘n Literatuurstudie was gepubliseer, wat blyk dat RSS, yster, alfa-sinuklein (α-syn) en neuromelanien 'n toksiese terugvoer in PS-individue vorm. Hierdie terugvoer veroorsaak neuronale dood en die siekte versprei verder na aangrensende neurone. Antioksidante en ystercheleerders kan as belangrike terapeutiese middels beskou word om die opgehoopte RSS en yster in dopaminerge neurone te verminder. Borrie is ‘n geskikte terapeutiese kandidaat aangesien dit gevestigde antioksidante eienskappe beskik en mag dalk yster verbind. Die doel van hierdie studie is om vas te stel watter borrie komponente antioksidant- en ysterverbindings eienskappe toon, wat die moontlike afbraak van dopaminerge neurone in PS kan verhoed. ‘n Ru-ekstrak was met behulp van ‘n Soxhlet-ekstrakie uit borrie onttrek. Komponente was daarna met behulp van dunlaagchromatografie (DLG) uit die ru-ekstrak geëkstraheer. Massaspektrometrie (MS) was gebruik om die geëlueerde komponente te identifiseer. ‘n Geselekteerde aantal verbindings is verder ontleed deur vloeistofchromatografie massaspektrometrie (VCMS). Nadat die komponente geïdentifiseer was, was vier gekies om hulle antioksidant kapasiteit en ysterchelerings vermoë te bepaal. Hierdie komponente was onderskeidelik met Trolox (‘n sintetiese analoog van vitamien E) en etileendiamientetra-asynsuur (EDTA) (‘n sterk ysterchelaat vormer) vergelyk. Laastens is die menslike neuronale sellyn, SH-SY5Y, gebruik om die effek van die geskeide verbindings op dopaminerge neurone te evalueer, deur middel van 'n 3-(4,5-dimetieltiasool-2-yl)-2,5-difenieltetrazoliumbromied (MTT) toets. ‘n Ru-ekstrak was suksesvol verkry uit die borriepoeier na die Soxhlet-ekstraksie. ‘n Totaal van 34 bande was aanvanklik van die DLG-plaat geëlueer. Die eksperiment was in duplikaat uitgevoer. Na MS het slegs 15 van die 34 bande identifiseerbare komponente gehad. Deur VCMS was vier komponente met vertroue geïdentifiseer, naamlik bisdemetoksikurkumien, demetoksikurkumien, kurkumien, en aromatiese (ar)- turmeroon. Kurkumien het merwaardige antioksidant kapasiteit getoon, terwyl ar-termeroon swak was. Deur spektrofotometriese waarnemings en ‘n kommersiële bekragtigde stel, was daar getoon dat die kurkuminoïede sterk ysterchelaat vermoëns het. Die ar-turmeroon het ook ysterchelaat vermoëns getoon, alhoewel in ‘n mindere mate as die kurkuminoïede. Die proef eksperiment met die SH-SY5Y-selle het getoon dat bisdemetoksikurkumien sellewensvatbaarheid met 152% verhoog het, terwyl ar-turmeroon dit met 73.5% verlaag het, teenoor die voertuigkontrole. Hierdie belowende bevindinge regverdig verdere studie deur meer gespesialiseerde en geteikende tegnieke te gebruik. Die identifisering van nuwe terapieë vir PS is egter van uiterste belang aangesien die huidige terapieë slegs die simptome behandel en nie die patobiologie van neuronale verlies aanspreek nie. Plantaardige verbindings kan veral nuttig wees vir die ontwerp van nuwe behandelings modaliteite aangesien dit meer koste-effektief is en oor minder newe-effekte beskik as sintetiese medisyne.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Parkinson se siekte (PS) is ‘n neurologiese afwyking wat geassosieer word met ernstige verlies van dopaminerge neurone in die substantia nigra. Hierdie neurone is kwesbaar as gevolg van verhoogde yster en verlaagde antioksidant vlakke met veroudering, konstante blootstelling aan reaktiewe suurstofspesies (RSS) en neurotoksiese verbindings. ‘n Literatuurstudie was gepubliseer, wat blyk dat RSS, yster, alfa-sinuklein (α-syn) en neuromelanien 'n toksiese terugvoer in PS-individue vorm. Hierdie terugvoer veroorsaak neuronale dood en die siekte versprei verder na aangrensende neurone. Antioksidante en ystercheleerders kan as belangrike terapeutiese middels beskou word om die opgehoopte RSS en yster in dopaminerge neurone te verminder. Borrie is ‘n geskikte terapeutiese kandidaat aangesien dit gevestigde antioksidante eienskappe beskik en mag dalk yster verbind. Die doel van hierdie studie is om vas te stel watter borrie komponente antioksidant- en ysterverbindings eienskappe toon, wat die moontlike afbraak van dopaminerge neurone in PS kan verhoed. ‘n Ru-ekstrak was met behulp van ‘n Soxhlet-ekstrakie uit borrie onttrek. Komponente was daarna met behulp van dunlaagchromatografie (DLG) uit die ru-ekstrak geëkstraheer. Massaspektrometrie (MS) was gebruik om die geëlueerde komponente te identifiseer. ‘n Geselekteerde aantal verbindings is verder ontleed deur vloeistofchromatografie massaspektrometrie (VCMS). Nadat die komponente geïdentifiseer was, was vier gekies om hulle antioksidant kapasiteit en ysterchelerings vermoë te bepaal. Hierdie komponente was onderskeidelik met Trolox (‘n sintetiese analoog van vitamien E) en etileendiamientetra-asynsuur (EDTA) (‘n sterk ysterchelaat vormer) vergelyk. Laastens is die menslike neuronale sellyn, SH-SY5Y, gebruik om die effek van die geskeide verbindings op dopaminerge neurone te evalueer, deur middel van 'n 3-(4,5-dimetieltiasool-2-yl)-2,5-difenieltetrazoliumbromied (MTT) toets. ‘n Ru-ekstrak was suksesvol verkry uit die borriepoeier na die Soxhlet-ekstraksie. ‘n Totaal van 34 bande was aanvanklik van die DLG-plaat geëlueer. Die eksperiment was in duplikaat uitgevoer. Na MS het slegs 15 van die 34 bande identifiseerbare komponente gehad. Deur VCMS was vier komponente met vertroue geïdentifiseer, naamlik bisdemetoksikurkumien, demetoksikurkumien, kurkumien, en aromatiese (ar)- turmeroon. Kurkumien het merwaardige antioksidant kapasiteit getoon, terwyl ar-termeroon swak was. Deur spektrofotometriese waarnemings en ‘n kommersiële bekragtigde stel, was daar getoon dat die kurkuminoïede sterk ysterchelaat vermoëns het. Die ar-turmeroon het ook ysterchelaat vermoëns getoon, alhoewel in ‘n mindere mate as die kurkuminoïede. Die proef eksperiment met die SH-SY5Y-selle het getoon dat bisdemetoksikurkumien sellewensvatbaarheid met 152% verhoog het, terwyl ar-turmeroon dit met 73.5% verlaag het, teenoor die voertuigkontrole. Hierdie belowende bevindinge regverdig verdere studie deur meer gespesialiseerde en geteikende tegnieke te gebruik. Die identifisering van nuwe terapieë vir PS is egter van uiterste belang aangesien die huidige terapieë slegs die simptome behandel en nie die patobiologie van neuronale verlies aanspreek nie. Plantaardige verbindings kan veral nuttig wees vir die ontwerp van nuwe behandelings modaliteite aangesien dit meer koste-effektief is en oor minder newe-effekte beskik as sintetiese medisyne.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Parkinson's disease, Dopaminergic neuron, Antioxidant, Iron, Turmeric, Curcumin, Dopamine oxidation, UCTD