title: Sesquiterpenes and sesquiterpenoid derivatives in food aromas: Physiological derivates and structure-activity relationships in the modulation of GABAA and glycine receptors
Creators: name: Slavik, Benedikt
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Sesquiterpene und Sesquiterpenoide (SQTs) sind häufig vorkommende und strukturell vielfältige Naturstoffe und stellen bei vielen ätherischen Ölen einen wichtigen Hauptbestandteil dar. Nur ein Bruchteil dieser Substanzen konnte bisher synthetisiert oder isoliert werden, so dass biochemische und physiologische Untersuchungen von Einzelkomponenten bisher selten sind. Noch weniger untersucht sind synergistische Effekte, die auf dem Zusammenwirken von zwei oder mehreren Molekülen basieren. Da SQTs auch Bestandteile der Nahrung sind, ist es von Bedeutung Kenntnisse über deren Metabolisierung zu erhalten. Darüber hinaus können diese Stoffe den GABAA-Rezeptor, den wichtigsten inhibitorischen Rezeptor im zentralen Nervensystem modulieren und so für die beruhigenden, angstlösenden oder sedierenden Eigenschaften von einigen Naturstoffgemischen und Extrakten verantwortlich sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden fünf Pflanzen ausgewählt und zunächst deren SQTs-Profile durch gaschromatographisch-massenspektrometrische Untersuchungen aufgeklärt. Insgesamt konnten 52 SQTs identifiziert und ab einer definierten Schwellenkonzentration auch quantifiziert werden. Die Ergebnisse bestätigten bereits zuvor berichtete Ergebnisse, und komplementieren diese durch die quantitativen Werte. Anschließend lag der Fokus dieser Arbeit auf der Isolierung von SQTs, da nur wenige der identifizierten Strukturen kommerziell verfügbar waren. Hierbei konnten durch die Kombinationen unterschiedlicher chromatographischer Verfahren, insbesondere der Gegenstromverteilungschromatographie, die Sesquiterpenoide α-Bisabolol oxid A, Spathulenol, α-Bisabolol oxid B und α-Bisabolon oxid A aus getrockneten Kamillenblüten (Matricaria chamomilla L.) gewonnen werden. Die Pflanze wurde aufgrund des insgesamt hohen SQTs Gehalts in der volatilen Fraktion und der für physiologische Untersuchungen interessanten Strukturen ausgewählt. Darüber hinaus wurden weitere Extraktions- und Destillationsverfahren, sowie die präparative Gaschromatographie verwendet, um definierte Extrakte herzustellen sowie weitere Stoffe zu isolieren. Aus diesen und weiteren kommerziell erhältlichen SQTs wurden sechs unterschiedliche Moleküle ausgewählt und deren mögliche Metabolisierung im menschlichen Körper durch ein künstliches in vitro Verdauungssystem untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass insbesondere das saure Milieu während der Magen-Phase verantwortlich für Stoffänderungen ist. Insgesamt ließ sich aber feststellen, dass die ausgewählten SQTs größtenteils unverändert, bzw. nur mit niedrigen Konversionsraten transformiert werden. Diese Erkenntnisse wurden für GABAA Rezeptorstudien in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Prof. Villmann, Universität Würzburg, herangezogen, denn bei den für diese Untersuchungen ausgewählten 11 Strukturen wurden mit Humulol und Caryolanol auch Substanzen gewählt, die erst bei der Verstoffwechselung im Körper aus α-Humulen und β-Caryophyllen entstehen. Es wurden mit α1β2, α1β2γ2, α4β3δ, sowie der α6β3δ Variante verschiedene Rezeptorkonfigurationen für diese Untersuchungen gewählt. Es konnten sowohl positive als auch negative allosterische Modulatoren gefunden werden, die meisten SQTs sind auf den getesteten Subtypen dabei aber als negative Modulatoren zu betrachten. Bei der Messung an hippocampalen Neuronen konnte nur das Sesquiterpenoid Guaiol von den getesteten Strukturen als positiver Modulator bestätigt werden.
description: Sesquiterpenes and sesquiterpenoids (SQTs) are a frequently occurring natural substance class with diverse chemical structures and represent an important compound class in many essential oils. Only a few of these substances could be synthesized or isolated so far, so that biochemical and physiological studies of individual components are rare. Synergistic effects based on the interaction of two or more molecules are even less studied. Since SQTs are also components of foods, it is important to obtain knowledge about their metabolization. Furthermore, these substances may modulate the GABAA receptor, which is the most important inhibitory receptor in the central nervous system. This receptor mediates the calming, anxiety-relieving or sedative properties of some natural substance mixtures and extracts. In this work, five plants were selected and first their SQTs profiles were elucidated by gas chromatography coupled with mass spectrometry. A total of 52 SQTs could be identified and also quantified above a defined threshold concentration. The results complement previously reported findings with the addition of quantitative values. Subsequently, the focus of this work was on the isolation of SQTs, as only a few of the identified structures were commercially available. Here, the sesquiterpenoids α-bisabolol oxide A, spathulenol, α-bisabolol oxide B and α-bisabolone oxide A were obtained from dried chamomile flowers (Matricaria chamomilla L.) by combining different chromatographic methods, in particular countercurrent chromatography. The plant was selected due to the overall high SQTs content in the volatile fraction and the promising structures for physiological studies. In addition, other extraction and distillation methods as well as preparative gas chromatography were used to produce defined extracts and to isolate further substances. Six molecules were selected by using these techniques, and additionally other commercially available SQTs. Then, their possible metabolization in the human body was investigated using an artificial in vitro digestion system. It could be shown that especially the acidic environment during the stomach phase is responsible for metabolic changes. Overall, however, it was found that the selected SQTs remain structurally unchanged or are only converted with low conversion rates. These findings were used for GABAA receptor studies in collaboration with the working group of Prof. Villmann, University of Würzburg. Along the 11 structures for these studies, two of the selected substances were humulol and caryolanol, which are transformed from α-humulene and β-caryophyllene during metabolization in the human body. With α1β2, α1β2γ2, α4β3δ, as well as the α6β3δ subtype, different receptor configurations were chosen for these investigations. Both positive and negative allosteric modulators could be found, but most SQTs are to be considered negative modulators on these subtypes. When measuring hippocampal neurons, only the sesquiterpenoid guaiol could be confirmed as a positive modulator from the tested structures.