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Authors: Ooko, Edna
Title: Molecular mechanism of action and pharmacogenomics of curcumin, curcumin synthetic derivatives and combinations with curcumin in cancer therapy
Online publication date: 24-Nov-2016
Language: english
Abstract: Curcumin has been shown to be active against various cancers and it has also been seen to exhibit good synergism with other nutraceutical for example resveratrol, piperine and genistein. In this study we have investigated nineteen new synthetic derivatives of curcumin for their anticancer activity and further assessed the effect on cancer cells of a combination of curcumin and ascorbic acid (AA). The first part of this work focused on overcoming multidrug resistance and the nineteen synthetic derivatives of curcumin were tested on acute lymphoblastic CCRF-CEM leukemia cells and the P-gp overexpressing subline CEM/ADR5000. The cytotoxicity of the new synthetic derivatives was established using the resazurin assay. Ability to inhibit P-gp function was also assessed by the doxorubicin uptake assay and in silico studies of the same have been carried out using molecular docking tools and QSAR studies. The compounds displayed varied levels of cytotoxicity with some of them exhibiting lower IC50 values in comparison to the parent compound curcumin. The new synthetic derivatives also showed ability to inhibit P-gp function of extrusion of doxorubicin from the cells and some of them inhibited P-gp better than the control drug verapamil. These derivatives can be used to design novel and better P-gp inhibitors. The second part of our study focused on the cytotoxic effect of a combination of curcumin with AA on varied cancer cell lines. Here we carried out the chemoprofiling of three different members of the curcuma species and observed that curcumin was present in all curcuma species while AA was only available in C. longa. The combination of curcumin and AA was tested for cytotoxicity on human cancer cell lines including CCRF-CEM and CEM/ADR5000 leukemia, HCT116p53+/+ and HCT116p53-/- colon cancer, and U87MG and U87MG.∆EGRF glioblastoma. The drug combination exhibited additive cytotoxicity in leukemia and colon cancer cell lines while in the glioblastoma cell lines additive to supra additive cytotoxicity was recorded. Further we assessed the pharmacogenomics of curcumin and AA by microarray- based mRNA expression, COMPARE analysis and hierarchical cluster analysis. Gene profiles were obtained and they were used to predict sensitivity and resistance of the tumor cells to curcumin and AA. From these gene profiles we also established the gene functions that our compounds affected by assessing up and down regulation patterns as exhibited by the color coded heat map analysis. Both curcumin and AA affected varied groups of genes and varied functions in the cell lines. The pharmacogenomics results further supports the cytotoxicity results of additive effects.
Curcumin besitzt nicht nur eine Wirksamkeit gegen verschiedene Krebsarten, sondern es wurden auch Synergien in Verbindung mit anderen Nutraceuticals wie Reservatol, Piperin und Genistein nachgewiesen. In der vorliegenden Arbeit untersuchte ich 19 neue synthetische Curcumin-Derivate auf ihre Wirksamkeit gegen Krebs. Außerdem bewertete ich den Effekt einer Kombination von Curcumin und Askorbinsäure (AA) auf Krebszellen. Der erste Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Überwindung von Multidrug-Resistenzen. Aus diesem Grund wurden die 19 synthetischen Curcumin-Derivate an einer Zelllinie der akuten lymphoplastischen Leukämie (CCRF-CEM) und ihrer P-Glykoprotein-überexprimierenden Sublinie (CEM/ADR 500) getestet. Die Zytotoxizität der Derivate wurde mit einem Resazurin-Assay bestimmt. Die Fähigkeit zur Hemmung der P-Glykoprotein-Wirkung wurde mit einem Doxorubicin-Aufnhame-Test gemessen sowie mittels in silico Studien, bei denen molekulare Docking-Methoden und Berechnungen zu quantitative Struktur-Wirkungsbeziehungen (QSAR) verwendet wurden. Die Substanzen zeigten unterschiedliche Grade der Zytotoxizität, wobei einige im Vergleich zur Ursprungssubstanz sogar niedrigere IC50 Werte besaßen. Die neuen synthetischen Derivate besaßen außerdem die Fähigkeit die P-Glykoprotein-Wirkung zur Verdrängung von Doxorubicin aus den Zellen zu hemmen, einige sogar in höherem Maße als die Kontrolldroge Verapamil. Der zweite Teil der Arbeit konzentrierte sich auf den zytotoxischen Effekt von Curcumin mit AA auf verschiedenen Krebsarten. Es wurden Chemoprofile der sekundären Pflanzenstoffe von drei verschiedenen Mitgliedern der Curcuma-Familie erstellt, wobei in allen drei Arten Curcumin gefunden wurde, jedoch nur in einer Art, C. longa, AA nachgewiesen wurde. Die Kombination von Curcumin mit AA wurde an verschiedenen menschlichen Krebszelllinien, unter anderem CCRF-CEM und CEM/ADR 5000 Leukämie-Zellen, HTC116p53+/+ und HTC116p53-/- Darmkrebs-Zellen, sowie U87MG und U87MG.∆EGRF Glioblastom-Zellen, getestet. Eine Kombination der Substanzen ergab einen additiven Effekt auf Leukämie- und Darmkrebs-Zellen, wohingegen die Glioblastom-Zelllinien additive bis supra additive Effekte zeigten. Desweiteren beschäftigte ich mich mit den pharmakogenomischen Eigenschaften von Curcumin und AA über Microarray-basierte mRNA Expressionsprofile, COMPARE-Analyse und hierarchische Cluster-Analyse. Genprofile wurden erstellt und zur Vorhersage der Empfindlichkeit bzw. Resistenz der Tumorzellen gegenüber Curcumin und AA benutzt. Diese Genprofile zeigten hoch- und nieder-exprimierte Gene in den verschiedenen Zelllinien. Es wurde ebenfalls eine color-coded heatmap analysis für die betroffenen Gene erstellt. Beide, Curcumin und AA beeinflussten vielfältige Gengruppen und unterschiedliche Funktionen innerhalb der Zelllinien. Die pharmakogenomischen Ergebnisse unterstützen die Ergebnisse zu dem additiven zytotoxischen Effekt der beiden Substanzen.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4568
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000008213
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: XI, 106 Blätter
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