Novel Molecular Targets of Boswellic Acids and Characterization of Bioactive Ingredients of Frankincense

Abstract

Lipophilic extracts from the gum resin of Boswellia spec. (BEs) have been traditionally used for the treatment of several inflammatory and cancer-related diseases. The extracts contain large amount of triterpenes, among them the prominent group of boswellic acids (BAs), as well as roburic acids (RAs) and lupanic acids (LAs). In search of the molecular mechanism of BEs, several targets of BAs were identified, which were mainly influenced by 3-O-acetyl-11-keto-beta-boswellic acid (AKBA). However, rather high concentrations were needed for efficient inhibition of these targets, while AKBA has a rather poor bioavailability. Therefore, it seems likely that additional targets or other ingredients participate in the beneficial outcome observed in several diseases treated with BEs. One aim of the present study was the identification of novel molecular targets of BAs. Several new targets were identified, among them LL-37, lipopolysaccharides (LPS), cathepsin G (catG), p21 Ras and Rap1B. A direct binding of BAs to LL-37 resulted in an inhibition of the biological activity of LL-37. This effect was most prominent for 3-O-acetyl-beta-boswellic acid (ABA, EC50 = 0.2 µM) and AKBA (EC50 = 0.8 µM). A 3-acetoxy or 3-hydroxy group was necessary for potent interference, while the 11-keto group was less important. Besides BAs, RAs and LAs were identified as LL-37-inhibiting compounds from frankincense. At higher concentrations (greater than or equal 10 µM), BAs stimulated LL-37-release from cytochalasin B/fMLP-stimulated neutrophils. Since inhibition of LL-37 activity occurs at much lower BA concentrations, the inhibitory effect seemingly dominates. BAs, RAs and LAs might play a role for the treatment of LL-37-related diseases as psoriasis. A second identified target was LPS, which was specifically bound in a direct manner by BAs without 11-keto moiety. This binding led to a potent inhibition of LPS activity (IC50 ~2 µM). Those BAs also influenced LPS signaling, as both LPS-induced iNOS expression and nitric oxide generation were inhibited. The obtained in vitro data suggests that BAs might become potentially valuable compounds for the treatment of severe LPS-mediated diseases as sepsis or septic shock. CatG was identified as a third functional target of BAs, which was bound through direct interaction. This binding led to an inhibition of the proteolytic activity, and the catG-induced Ca2+ influx in platelets was inhibited as well. In addition, cell migration into an extracellular matrix was inhibited by BAs. CatG activity of the plasma of stimulated blood from BE-treated patients was reduced, compared to the placebo-treated control group. Conclusively, catG inhibition might contribute to the anti-inflammatory effects of frankincense extracts. Besides LL-37, LPS and catG, two novel targets of BAs, small G-proteins belonging to the protein family Ras, were identified: p21 Ras and Rap1B. The direct interaction between p21 Ras and BAs did not led to a direct inhibition of p21 Ras activity, however. Similarly, the binding of BAs to Rap1B did not led to immediate functional effects. Therefore, a participation of these targets on the beneficial effects of frankincense seems questionable. An additional aim of the present study was the analysis of apotosis induction by ingredients of BEs. BAs without 11-keto moiety showed cytotoxic effects on Jurkat and PBMC cells (EC50 = 2.8-9.8 µM), while the related 11-keto BAs displayed less cytotoxicity. A prominent exception to this rule was ABA, which was cytotoxic for Jurkat cells but not for PBMCs. Such selectivity for cancer cells versus non-transformed cells might be of interest for the development of novel anti-cancer agents. Besides BAs, RAs and LAs were identified as apoptosis-inducing compounds from frankincense, which activated caspase-8 and caspase-3, cleaved PARP and finally led to DNA fragmentation. Taken together, LL-37, LPS and catG, all involved in inflammatory processes, were identified as novel targets of BAs. The BA concentrations needed for an efficient inhibition were in the range of BA plasma levels reached after treatment with BEs. The obtained data suggest that these molecular mechanisms might have physiological relevance. Moreover, novel triterpenes derived from frankincense were identified as potent apoptosis-inducing agents, encouraging for future studies of BE-derived compounds for their potential in the treatment of cancer and cancer-related diseases.

Lipophile Extrakte des Harzes von Weihrauchbäumen (Boswellia spec.) werden in der Volksmedizin eingesetzt, um diverse Entzündungs- und Krebskrankheiten zu behandeln. Die Extrakte enthalten unter anderem die in großen Mengen vorkommenden Boswelliasäuren (BAs), sowie Robursäuren (RAs) und Lupansäuren (LAs). Die Suche nach den molekularen Wirkmechanismen der Extrakte führte zu einer Identifizierung verschiedener Targets, die hauptsächlich von der BA 3-O-acetyl-11-keto-beta-boswellic acid (AKBA) in höheren Konzentrationen gehemmt wurden. Demgegenüber steht eine niedrige Bioverfügbarkeit von AKBA, welche eine Beteiligung weiterer Targets oder anderer Inhaltsstoffe wahrscheinlich erscheinen lässt. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war die Identifikation neuer molekularer Targets für BAs. Dabei wurden LL-37, Lipopolysaccharide (LPS), Cathepsin G (catG), p21 Ras und Rap1B als molekulare Bindungspartner identifiziert. Die direkte Bindung von BAs an LL-37 führte zu einer Hemmung der biologischen Aktivität. Dieser Effekt war am stärksten bei 3-O-acetyl-beta-boswellic acid (ABA, EC50 = 0,2 µM) und AKBA (EC50 = 0,8 µM) ausgeprägt. Eine 3-acetoxy- oder eine 3-hydroxy-Gruppe war notwendig für eine Hemmung, während die 11-keto-Gruppe keinen großen Einfluss auf die Aktivität der BAs hatte. Neben BAs wurden mit RAs und LAs weitere Inhaltsstoffe des Weihrauchs als aktive, LL-37-hemmende Komponenten identifiziert. In höheren Konzentrationen (größer/gleich 10 µM) stimulierten BAs die LL-37-Freisetzung aus Cytochalasin B/fMLP-stimulierten Neutrophilen, ein Effekt, der allerdings wegen den relativ hohen benötigten Konzentrationen gegenüber dem hemmenden Effekt vermutlich eine geringere Rolle spielt. BAs, RAs und LAs könnten eine Rolle bei der Behandlung von LL-37-bedingten Krankheiten wie Psoriasis spielen. Ein zweites identifiziertes Target war LPS, welches direkt und spezifisch an BAs ohne 11-keto-Gruppe binden konnte. Diese Bindung führte zu einer Hemmung der LPS-Aktivität (IC50 ~2 µM). LPS-induzierte Signalwege wurden ebenfalls durch BAs beeinflusst. So konnte gezeigt werden, dass die LPS-induzierte iNOS-Expression und die Stickstoffmonoxid-Freisetzung durch BAs gehemmt wurde. Die gewonnenen in vitro-Daten deuten an, dass BAs eventuell das Potential dazu hätten, eine Grundlage für die Behandlung schwerwiegender LPS-abhängiger Krankheiten wie Sepsis oder Septischer Schock zu bieten. CatG wurde als drittes Target identifiziert, welches von BAs direkt gebunden wurde. Die proteolytische Aktivität von catG wurde durch BAs gehemmt, und der catG-induzierte Ca2+-Einstrom in Thrombozyten wurde ebenfalls durch BAs inhibiert. Zusätzlich wurde die Zellmigration in eine extrazelluläre Matrix durch BAs gehemmt. Im Vergleich zu einer Placebo-behandelten Kontrollgruppe war die catG-Aktivität des Plasmas von stimuliertem Blut von Weihrauchextrakt-behandelten Patienten reduziert. Dieses deutet auf eine mögliche pharmakologische Relevanz der catG-Hemmung hin, die an den entzündungshemmenden Effekten von Weihrauchextrakten beteiligt sein könnte. Mit p21 Ras und Rap1B wurden zwei weitere neue Targets von BAs gefunden, die zu den kleinen G-Proteinen der Proteinfamilie Ras gehören. Die direkte Bindung an p21 Ras führte allerdings nicht zu einer direkten Hemmung der p21 Ras-Aktivität. Auch konnten keine unmittelbaren funktionellen Effekte der direkten Bindung von BAs an Rap1B gezeigt werden. Es ist daher fraglich, ob diese beiden Targets eine Rolle bei den heilsamen Effekten von Weihrauchextrakten spielen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit war die Analyse der Apoptoseinduktion durch Weihrauchinhaltsstoffe. BAs ohne 11-keto-Gruppe wirkten cytotoxisch auf Jurkat- und PBMC-Zellen (EC50 = 2,8-9,8 µM), während die entsprechenden 11-keto-BAs weniger cytotoxisch waren. Eine bemerkenswerte Ausnahme von dieser Regel war ABA, welches cytotoxisch auf Jurkatzellen, nicht aber auf PBMC wirkte. Diese Selektivität (Krebszellen gegen nicht-transformierte Zellen) könnte eine Bedeutung für die Entwicklung neuer Krebsmedikamente haben. Zusätzlich zu BAs wurden RAs und LAs als Apoptoseinduktoren aus Weihrauch identifiziert, die Caspase-8 und Caspase-3 aktivierten, PARP spalteten und zu einer Fragmentierung der zellulären DNA führten. Zusammengefasst wurden in der vorliegenden Arbeit LL-37, LPS und catG als neue Targets von BAs identifiziert, die an Entzündungsvorgängen beteiligt sind. Die für eine Hemmung notwendigen BA-Konzentrationen lagen auf oder unter den erreichbaren BA-Plasmaspiegeln, welches auf eine mögliche physiologische Relevanz hindeutet. Darüber hinaus wurden bisher unbekannte Triterpene aus Weihrauch als wirksame Apoptoseinduktoren identifiziert, welche weitere Studien über einzelne Weihrauchbestandteile und ihrer Wirkung auf Krebs interessant werden lassen.