Studies on the pro-oxidant chemistry of flavonoids

H.M. Awad

Research output: Thesisinternal PhD, WU

Abstract

<p>There is currently much interest in the development of functional foods aiming at the prevention of the development of some diseases, for example cancer, by the introduction of selected natural substances at elevated levels into the diet. The rationale for this approach is based especially on epidemiological data that indicate that food items containing such chemicals may reduce the risk of these diseases in humans. Epidemiological studies indicate, for example, that diets rich in fruit and vegetables protect against a variety of diseases, including heart diseases and certain forms of cancer. However, identification of the actual ingredient in a specific diet responsible for the beneficial health effects remains an important bottleneck for translating observational epidemiology to development of a functional food ingredient. The protection against cancer afforded by fruit and vegetables has been attributed to antioxidant micronutrients such as vitamin C, beta-carotene and vitamin E, which may act at many sites, including the stomach, intestine, lung and bladder. However, present scientific attention is focusing as well on the significance of other minor dietary components, notably the flavonoids as protectants against disease. Flavonoids are widespread in nature and are found in considerable quantities in fruits, vegetables, seeds, peel and tubers. The average Western diet may provide up to 1 g of flavonoids per day. Numerous <em>in vitro</em> studies show that flavonoids are potent antioxidants and metal chelators. Their potential as anti-inflammatory, antiallergic and antiviral compounds has also attracted attention. These studies provide the basis for the present rapidly increasing interest for the use of flavonoids as functional food ingredients. As a result increased human exposure to flavonoids can be expected in the near future. In shops and at the internet, food and food supplements based on (iso)flavonoids as functional ingredients are marketed. This, although hard scientific data supporting the health claims as well as data allowing a balanced risk-benefit evaluation are lacking. For flavonoids increased future human exposure regimens induce the question on their pro-oxidant chemistry. There is considerable evidence that some flavonoids are mutagenic in both bacterial and mammalian experimental systems. A high incidence of gastric cancer in some human populations has been linked to consumption of wine containing potentially mutagenic flavonoids (Tamura <em>et al.</em> , Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 77, 4961-4965, 1980, Hoey <em>et al.</em> , Am. J. Epidemiol., 113, 669-974, 1981). Relatively little is understood about either the toxicity or protection afforded by flavonoids in humans.</p><p>Since flavonoid quinone/quinone methides have been suggested as the major metabolites responsible for the possible pro-oxidant toxicity and mutagenicity of flavonoids, characterisation of flavonoid quinone chemistry is of importance. However, little information is available on the structure and reactivity of these flavonoid oxidation products. Therefore, the objective of this thesis was to investigate the pro-oxidant chemistry of flavonoids and to perform structure activity studies on the chemical behaviour of 3',4'-dihydroxyflavonoids with special emphasis on the nature and reactivity of the quinone/quinone methide type metabolites formed. Using the GSH trapping method, HPLC, LC/MS, MALDI-TOF, 1H NMR, 13C NMR and quantum mechanical computer calculations the quinone/quinone methide chemistry of a series of 3',4'-dihydroxyflavonoids could be characterised.</p><p>The results provide insight in structure-activity-relationships for the pro-oxidant chemistry of these electrophilic quinone/quinone methide flavonoid metabolites. The results obtained also reveal an unexpected pH-dependent electrophilic behaviour of B ring catechol flavonoids. Furthermore the results of this thesis also reveal, for the first time, evidence for the pro-oxidative chemistry of quercetin in a cellular <em>in vitro</em> model. The formation of these glutathionyl-flavonoid adducts provides evidence for the actual pro-oxidative formation of reactive quinone type metabolites from B ring catechol flavonoids in the selected cellular <em>in vitro</em> model using melanoma cells. Oxidation of the catechols to quinones and their isomeric quinone methides generates potent electrophiles that could alkylate DNA. Interestingly, the structural requirements essential for good antioxidant activity match the requirements essential for pro-oxidant action and quinone methide formation. Altogether, the pro-oxidant behaviour of flavonoids and their quinone/quinone methides are far from straight forward and need to be re-evaluated especially in the framework of the risk-benefit evaluation of the use of these flavonoids as functional food ingredients and/or food supplements.</p><p><strong>Samenvatting</strong><p><p>Er is momenteel veel interesse voor de ontwikkeling van functionele voedingsmiddelen (functional foods), met als doel het voorkomen van het ontstaan van ziekten zoals bijvoorbeeld kanker, via het in verhoogde mate introduceren van geselecteerde natuurlijke bestanddelen in het dieet. De basis voor deze aanpak wordt momenteel met name gevonden in epidemiologische studies die laten zien dat diëten rijk aan specifieke voedselcomponenten of ingrediënten de kans op bepaalde ziekten bij de mens verlagen. Zo geven epidemiologische studies bijvoorbeeld aan dat diëten die rijk zijn aan fruit en groenten beschermen tegen een aantal ziekten zoals hartziekten en bepaalde vormen van kanker. Echter, het identificeren van de belangrijke ingrediënten in het betreffende dieet die het gezondheidsbevorderende effect tot stand brengen is een knelpunt voor het vertalen van de resultaten uit de epidemiologie naar de ontwikkeling van een functioneel voedingsingrediënt.</p><p>De bescherming tegen kanker door groenten en fruit is toegeschreven aan antioxidanten zoals vitamine C, beta-caroteen en vitamine E, die op vele plaatsen in het lichaam, zoals de maag, darmen, long en de blaas actief zijn. Wetenschappelijk wordt momenteel veel aandacht besteed aan het mogelijke belang van andere belangrijke dieet componenten, zoals flavonoïden, als beschermende ingrediënten tegen ziekte. Flavonoïden komen in de natuur veel voor, en worden met name in hoge concentraties gevonden in fruit, groenten, knollen en zaden. Het gemiddelde Westerse dieet bevat ongeveer 1 gram aan flavonoïden per dag.</p><p>Vele in vitro studies tonen aan dat flavonoïden goede antioxidanten en metaal chelatoren zijn. Daarnaast hebben ze anti-inflammatoire, anti-allergische en anti-virale eigenschappen die van belang worden geacht. Deze bevindingen verschaffen de basis voor de momenteel snel groeiende interesse om flavonoïden te gebruiken als functionele voedingsingrediënten. Als gevolg hiervan zou er in de nabije toekomst een toename in de opname van flavonoïden via het dieet verwacht kunnen worden. In winkels en via het internet worden voedingsmiddelen en voedingssupplementen gebaseerd op (iso)flavonoïden als functionele voedingsingrediënten verkocht. Dit, terwijl zowel de wetenschappelijke onderbouwing voor de gezondheidsclaims als gegevens die een gebalanceerde "risk-benefit" analyse mogelijk maken, nog ontbreken. In het geval van verhoogde toekomstige blootstelling van mensen aan flavonoïden worden voor de risk-benefit evaluatie vragen van belang rond hun mogelijk pro-oxidatieve chemisch gedrag. Er zijn aanwijzingen dat sommige flavonoïden mutageen zijn in zowel bacteriële als zoogdier <em>in vitro</em> test systemen. Een verhoogde mate aan maagkanker in bepaalde humane populaties is in verband gebracht met de consumptie van wijn met daarin mogelijk mutagene flavonoïden (Tamura <em>et al.</em> , Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 77, 4961-4965, 1980, Hoey <em>et al.</em> , Am. J. Epidem., 113, 669-974, 1981). Alles samenvattend is er eigenlijk weinig bekend van de schadelijke maar ook van de gezondheidsbevorderende effecten van flavonoïden.</p><p>Omdat flavonoid chinon/chinon methides genoemd zijn als de belangrijkste metabolieten die verantwoordelijk zouden zijn voor de mogelijke pro-oxidatieve toxiciteit en mutageniteit van flavonoïden, is karakterisering van deze pro-oxidant chemie van flavonoïden van belang. Echter er is weinig bekend over de structuur en de reactiviteit van deze flavonoid oxidatie producten. Daarom was het doel van deze studie de pro-oxidant chemie van flavonoïden te onderzoeken en een structuur-activiteits studie uit te voeren naar het chemische gedrag van 3',4'-dihydroxyflavonoïden. Daarbij werd speciale aandacht besteed aan de aard en reactiviteit van de gevormde chinon/chinon methide metabolieten. Met behulp van de GSH-trapping methode, HPLC, LC/MS, MALDI-TOF, <sup>1</SUP>H-NMR, <sup>13</SUP>C-NMR en kwantum-chemische computerberekeningen kon de chinon/chinon methide chemie van een serie 3',4'-dihydroxyflavonoiden gekarakteriseerd worden.</p><p>De verkregen resultaten geven inzicht in de structuur-activteits relaties voor de pro-oxidatieve chemie van de electrofiele chinon /chinon methides metabolieten van de flavonoïden. De resultaten laten ook een onverwacht effect zien van de pH op het electrofiele gedrag van de B-ring catechol flavonoïden. Bovendien laten de resultaten van het proefschrift zien dat zelfs onder reducerende omstandigheden in een cellulair in vitro model (melanoma cellen) de pro-oxidatieve chemie van quercetine van belang kan zijn. Met name de vorming van glutathion-flavonoid conjugaten is een bewijs dat in het gekozen cellulaire model de pro-oxidatieve vorming van reactieve flavonoid chinon/ chinon methide metabolieten is opgetreden. Oxidatie van de catecholen naar chinonen en hun isomere chinon methides genereert electrofielen die DNA kunnen alkyleren. Van belang is dat de structurele randvoorwaarden die een flavonoid een goede antioxidant maken gelijk blijken te zijn aan de structurele kenmerken die essentieel zijn voor pro-oxidant gedrag en chinon methide vorming.</p><p>Al met al is de pro-oxidant chemie van flavonoïden en van hun chinon /chinon methides verre van recht toe recht aan gebleken en zou de pro-oxidatieve chemie en de toxiciteit van de flavonoïden in het kader van hun gebruik als functional food ingredienten beter onderzocht en afgewogen moeten worden, rekening houdend met hun mogelijk gezondheidsbevorderende effecten.
Original languageEnglish
QualificationDoctor of Philosophy
Awarding Institution
  • Wageningen University
Supervisors/Advisors
  • Rietjens, Ivonne, Promotor
  • van Bladeren, P.J., Promotor
  • Vervoort, J., Promotor, External person
Award date6 Mar 2002
Place of PublicationS.l.
Print ISBNs9789058085887
Publication statusPublished - 2002

Keywords

  • flavonoids
  • oxidants
  • antioxidants
  • quercetin
  • structure activity relationships
  • hplc
  • nuclear magnetic resonance spectroscopy
  • mass spectrometry

Fingerprint

Dive into the research topics of 'Studies on the pro-oxidant chemistry of flavonoids'. Together they form a unique fingerprint.

Cite this