Pharmacologic Investigation and Identification of Molecular Modes of Action of Defined Extracts and Components from Frankincense

Abstract

Extracts from Boswellia species are used for therapy of diverse diseases since antiquity (1). Recent clinical studies with pilot character and experiments in animal models confirm the therapeutic efficacy in inflammatory diseases like osteoarthritis (2-5), inflammatory bowel diseases (6-9), asthma bronchiale (10), and different cancers (11-13). A central role in the anti-inflammatory efficiency is attributed to the species-specific boswellic acids (BAs), as different target structures were described for them. Even though further components are present in the oleo-gum resin with similar quantity as BAs, they were rather neglected in previous studies. This thesis highlights the pharmacologic action of extracts from the oleo-gum resin of different Boswellia species and the triterpenic acids isolated thereof. By activity-guided fractionation of extracts, several triterpenic acids could be identified as potent inhibitors of the microsomal Prostaglandin E2 synthase-1 (mPGES-1). The inhibitory effect of some quantitatively relevant tirucallic acids even exceeded that of the BAs. With minor impact on enzymes upstream of PGE2 biosynthesis (cyclooxygenases (COX), cPLA2alpha), this action suggests effective inhibition of inflammation with reduced risk of adverse effects. Moreover it could be shown that the recently identified triterpene 3-O-acetyl-28-hydroxy-lupeolic acid (Ac-OH-LA) is a direct inhibitor of the activity of the cytosolic phospholipase A2alpha (cPLA2alpha) (14). The inhibition of cPLA2alpha effected reduced release of arachidonic acid in cell-free systems as well as in different A23187-stimulated blood cells. The reduced formation of arachidonic acid metabolites in the cell model could partially be reversed by addition of exogenous arachidonic acid. Functionally, Ac-OH-LA reduced the cPLA2alpha-dependant platelet aggregation induced by collagen. In all target structures investigated in this thesis (5-lipoxygenase, mPGES-1, COX, cPLA2alpha, cathepsin G, human leukocyte elastase), further triterpenic acids showed similar or superior potency compared to BAs. This suggests a pivotal role of triterpenic acids besides BAs in the anti-inflammatory activity of frankincense extracts.

1. H. P. Ammon, Planta Med 72, 1100 (Oct, 2006). 2. N. Kimmatkar, V. Thawani, L. Hingorani, R. Khiyani, Phytomedicine 10, 3 (Jan, 2003). 3. S. Sontakke et al., Indian J Pharmacol 39, 27 (Feb, 2007). 4. K. Sengupta et al., Arthritis Research & Therapy 10, (2008). 5. K. Sengupta et al., Int J Med Sci 7, 366 (2010). 6. H. Gerhardt, F. Seifert, P. Buvari, H. Vogelsang, R. Repges, Z Gastroenterol 39, 11 (Jan, 2001). 7. I. Gupta et al., Planta Med 67, 391 (Jul, 2001). 8. I. Gupta et al., Eur J Med Res 2, 37 (Jan, 1997). 9. A. Madisch et al., Int J Colorectal Dis 22, 1445 (Dec, 2007). 10. I. Gupta et al., Eur J Med Res 3, 511 (Nov 17, 1998). 11. G. Janssen et al., Klin Padiatr 212, 189 (Jul-Aug, 2000). 12. J. R. Streffer, M. Bitzer, M. Schabet, J. Dichgans, M. Weller, Neurology 56, 1219 (May 8, 2001). 13. S. Kirste et al., Cancer, (Feb 1, 2011). 14. M. Verhoff et al., Biochem Pharmacol, (Jun 23, 2012).

Extrakte aus Boswellia-Arten werden seit der Antike in der Behandlung verschiedener Krankheiten eingesetzt (1). Neuere klinische Pilotstudien und Experimente im Tiermodell bestätigten die therapeutische Wirksamkeit bei entzündlichen Erkrankungen wie Osteoarthritis (2-5), entzündlichen Darmerkrankungen (6-9), Asthma bronchiale (10) und bestimmten Krebserkrankungen (11-13). Für die Art-spezifischen Boswelliasäuren (BAs) wurden mehrere Zielstrukturen beschrieben, weshalb ihnen eine zentrale Rolle in der anti-entzündlichen Wirkung zugeschrieben wird. Doch obwohl einige der übrigen Inhaltsstoffe ähnliche Anteile des Harzes ausmachen wie BAs, wurden sie in bisherigen Untersuchungen eher vernachlässigt. In dieser Arbeit wird die pharmakologische Wirkung von Harz-Extrakten aus verschiedenen Boswellia-Arten und von daraus isolierten Triterpensäuren untersucht. So konnte durch aktivitätsgeleitete Fraktionierung von Extrakten eine Reihe von Triterpensäuren als potente Hemmstoffe der mikrosomalen Prostaglandin E2 Synthase-1 (mPGES-1) identifiziert werden. Die Hemmwirkung durch verschiedene quantitativ bedeutsame Tirucallensäuren überstieg dabei die der BAs. Bei geringem Einfluss auf übergeordnete Enzyme der PGE2-Biosynthese (Cyclooxygenasen (COX), cPLA2alpha) verspricht diese Wirkung eine effektive Hemmung von Entzündungsvorgängen bei geringem Risiko unerwünschter Effekte. Des Weiteren konnte die direkte Aktivitätshemmung der zytosolischen Phospholipase A2alpha (cPLA2alpha) durch das kürzlich identifizierte Triterpen 3-O-Acetyl-28-hydroxy-Lupansäure (Ac-OH-LA) nachgewiesen werden (14). Sowohl im zellfreien System als auch in verschiedenen A23187-stimulierten Blutzellen bewirkte die cPLA2alpha-Hemmung eine reduzierte Arachidonsäurefreisetzung. Im Zellmodell konnte die herabgesetzte Bildung daraus abgeleiteter Metabolite durch Zugabe von Arachidonsäure teilweise umgekehrt werden. Funktionell reduzierte Ac-OH-LA die cPLA2alpha-abhängige Thrombozytenaggregation nach Stimulation mit Kollagen. An allen in dieser Arbeit untersuchten Zielstrukturen (5-Lipoxygenase, mPGES-1, COX, cPLA2alpha, Cathepsin G, humane Leukozytenelastase) zeigten weitere Triterpensäuren ähnliche oder höhere Potenz als BAs. Dies legt eine wesentliche Rolle der Triterpensäuren neben BAs in den anti-entzündlichen Wirkungen von Weihrauchextrakten nahe.

1. H. P. Ammon, Planta Med 72, 1100 (Oct, 2006). 2. N. Kimmatkar, V. Thawani, L. Hingorani, R. Khiyani, Phytomedicine 10, 3 (Jan, 2003). 3. S. Sontakke et al., Indian J Pharmacol 39, 27 (Feb, 2007). 4. K. Sengupta et al., Arthritis Research & Therapy 10, (2008). 5. K. Sengupta et al., Int J Med Sci 7, 366 (2010). 6. H. Gerhardt, F. Seifert, P. Buvari, H. Vogelsang, R. Repges, Z Gastroenterol 39, 11 (Jan, 2001). 7. I. Gupta et al., Planta Med 67, 391 (Jul, 2001). 8. I. Gupta et al., Eur J Med Res 2, 37 (Jan, 1997). 9. A. Madisch et al., Int J Colorectal Dis 22, 1445 (Dec, 2007). 10. I. Gupta et al., Eur J Med Res 3, 511 (Nov 17, 1998). 11. G. Janssen et al., Klin Padiatr 212, 189 (Jul-Aug, 2000). 12. J. R. Streffer, M. Bitzer, M. Schabet, J. Dichgans, M. Weller, Neurology 56, 1219 (May 8, 2001). 13. S. Kirste et al., Cancer, (Feb 1, 2011). 14. M. Verhoff et al., Biochem Pharmacol, (Jun 23, 2012).