Études in silico et activité inhibitrice de la MAO-A in vivo de coumarines isolées de l’extrait d’Angelica archangelica : une approche vers l’activité antidépressive
Référence : ACS Omega 2020. — PMID 32637779 · DOI 10.1021/acsomega.0c00887 Type : étude in vivo et in silico · Plante : Angelique officinale · Propriété → Depression & neuro Accès : ⭐ libre (open access) → texte intégral traduit Fidélité : traduction intégrale et fidèle du texte des auteurs. Appels [n] omis ; figures/tableaux « [ ] ».
Résumé
La présente investigation visait l’activité inhibitrice de la MAO-A in vivo des coumarines angélicine, bergaptène et scopolétine isolées des racines d’Angelica archangelica. Les composés isolés ont été criblés pour leur liaison à la MAO-A (ID pdb 2Z5y) par des études d’amarrage moléculaire (docking). Les résultats de l’amarrage moléculaire ont montré que le bergaptène possède une affinité maximale pour la MAO-A, suivi de l’angélicine et de la scopolétine. La prédiction in silico des paramètres physicochimiques a indiqué que la perméabilité maximale de la barrière hémato-encéphalique (BHE) était observée avec l’angélicine (2,3), suivie du bergaptène (2,0) et la plus faible avec la scopolétine (0,644). En cohérence avec les résultats des études d’amarrage moléculaire, une activité antidépressive appréciable in vivo de l’angélicine et du bergaptène a été observée sur le modèle murin de dépression induite par la réserpine. La modulation de la MAO-A dans l’effet antidépresseur de l’extrait et de ses fractions isolées a également été déterminée. L’examen biochimique du tissu cérébral a indiqué que le bergaptène présente une activité inhibitrice maximale de la MAO-A tandis que la scopolétine échoue à inhiber la MAO-A cérébrale.
Introduction
La dépression est un trouble mental invalidant qui est devenu une cause majeure d’incapacité et de mortalité dans le monde, avec une prévalence l’année précédente de 5 %. Elle affecte défavorablement la qualité de vie, réduit les capacités fonctionnelles et est souvent associée à l’anxiété. C’est un trouble mental complexe associé à des symptômes affectifs, cognitifs et physiques, caractérisé par une énergie réduite, une perte d’intérêt et des symptômes motivationnels tels que l’anergie et la fatigue. La physiopathologie de la dépression est très hétérogène et de nature pléiotrope. Anatomiquement, la dépression est caractérisée par des perturbations des circuits neuroplastiques composites et une atrophie neuronale dans le cerveau. Plusieurs changements biochimiques dans le cerveau, notamment un déséquilibre des amines biogènes, une réduction du facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF), un stress oxydatif accru, une perturbation de l’axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (HPA) et la génération de cytokines inflammatoires, médient la perturbation de la transmission synaptique et de la plasticité neuronale. Les médicaments utilisés pour la prise en charge thérapeutique de la dépression ciblent principalement les voies monoaminergiques. Les agents antidépresseurs sont associés à des effets indésirables, notamment des troubles métaboliques, cardiovasculaires et du sommeil ou un comportement aberrant, qui sont de graves préoccupations. La preuve croissante de la dépression et de ses effets néfastes sur la société ainsi que les graves préoccupations liées à l’utilisation des médicaments antidépresseurs conventionnels répondent à un besoin de développer de nouvelles molécules chefs de file présentant une meilleure tolérance et efficacité.
La plante Angelica archangelica (céleri sauvage), appartenant à la famille des Apiaceae, est une herbe vivace originaire des pays européens et asiatiques. On pense qu’elle a une importance significative dans le système de médecine à base de plantes traditionnel. Les preuves précliniques indiquent le large potentiel pharmacologique de la plante A. archangelica, notamment une activité anti-anxiété, une activité antitumorale, une activité hépatoprotectrice, une activité antiépileptique et une activité antifongique. L’investigation phytochimique a révélé qu’il s’agit d’une plante riche en coumarines, principalement caractérisée par la présence d’impératorine, d’osthole, d’ombelliférone et de bergaptène. Les autres noyaux trouvés dans cette plante sont des monoterpènes tels que le R-pinène, le δ-3-carène, le limonène, le β-phellandrène et le R-phellandrène. Chimiquement, la coumarine est un noyau 1,2-benzopyrone qui forme une molécule pharmacologiquement active et qui est documentée comme ayant des propriétés neuroprotectrices, antihypertensives, anti-inflammatoires, antibactériennes, antifongiques, antivirales, antioxydantes, anticancéreuses, antituberculeuses, anticonvulsivantes, antiadipogéniques, anticoagulantes, antihyperglycémiantes. Le potentiel pharmacologique élevé de la coumarine peut être attribué à son interaction avec diverses cibles cellulaires, notamment la métalloprotéinase matricielle, les protéines kinases et les enzymes oxydoréductases. Des études antérieures dans notre laboratoire ont également rapporté l’activité analgésique et anti-inflammatoire des coumarines dans les modèles de douleur aiguë ainsi que chronique et la fibromyalgie. Les aperçus moléculaires de ces activités ont suggéré l’interaction des coumarines avec iNOS, COX, NMDA et NFκB. Wszelaki et al. ont rapporté l’activité inhibitrice de la cholinestérase in vitro de diverses coumarines.
Ces dernières années, les molécules à base de plantes ont gagné une intense popularité de recherche. Les coumarines ont la possibilité de devenir une molécule chef de file dans la génération d’agents nouveaux efficaces pour la prise en charge thérapeutique des troubles neuronaux. Par conséquent, la présente investigation visait l’activité inhibitrice de la MAO-A in vivo des coumarines isolées de la plante A. archangelica.
Résultats et discussion
Extraction et isolement des coumarines
Les racines séchées d’A. archangelica ont été soumises à une extraction de Soxhlet, et la purification sur silice a fourni trois composés. Les analyses spectrales de masse et de résonance magnétique nucléaire (RMN) des composés isolés ont assuré la présence de coumarines (Figure 1 a–c) dans l’extrait. Les composés C (angélicine) et G (bergaptène) se sont révélés posséder un noyau furanocoumarine, tandis que le composé H (scopolétine) était une coumarine simple. Ces résultats étaient en accord avec les rapports précédents suggérant la présence de coumarines dans l’extrait d’A. archangelica.
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Études d’amarrage in silico
Avant les expériences in vivo, des études d’amarrage moléculaire ont été réalisées pour cribler les affinités de liaison de l’angélicine, de la scopolétine et du bergaptène dans le site actif de la MAO-A. Les meilleures poses des ligands, y compris leurs diagrammes d’interaction ligand correspondants, sont affichées dans la Figure 2. L’angélicine forme une liaison hydrogène avec MET445 et une molécule de H₂O présente dans le site actif. Elle a également présenté une interaction π–π avec TYR444. Ce complexe avait un G score de −6,25 kcal/mol et une énergie d’amarrage de −42,93 kcal/mol. De même, les résultats d’amarrage de la scopolétine correspondent à un G score de −7,93 kcal/mol et une énergie d’amarrage de −38,16 kcal/mol. Elle a principalement montré une liaison H avec la molécule d’eau et une interaction π–π avec TYR407. La meilleure pose d’amarrage du bergaptène présentait deux liaisons hydrogène avec les deux molécules d’eau et une interaction π avec TRP397 de la MAO. Cette pose a présenté un G score de −6,50 kcal/mol et une énergie d’amarrage de −38,25 kcal/mol.
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Prédiction des propriétés physicochimiques et des paramètres ADME
L’outil Swiss ADME a été utilisé pour prédire les propriétés physicochimiques et les paramètres ADME des trois coumarines. Les trois composés passent tous la règle des cinq de Lipinski avec une variation minimale. La gamme de diverses propriétés (lipophilie : XLOGP3 entre −0,7 et +5,0 ; taille : MW 150–500 g/mol ; solubilité : log S < 6 ; polarité : TPSA 20–130 Ų ; flexibilité : liaisons rotatives > 9 ; saturation : fraction de carbones hybridés sp³ dans sp³ > 0,25) répondant à la biodisponibilité était représentée par la zone rose dans le radar de biodisponibilité (Figure 3 a–c). Le radar indique que tous les composés se situent dans une gamme optimale de ces propriétés physicochimiques, ce qui pointe vers le comportement de ressemblance médicamenteuse (drug-likeness) de ces composés. Le comportement de ressemblance médicamenteuse de ces composés peut être classé comme maximal pour le bergaptène, suivi de l’angélicine et le plus faible pour la scopolétine. La perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE), représentée comme Conc.(cerveau)/Conc.(sang), a été calculée à l’aide de l’outil preADMET (https://preadmet.bmdrc.kr/adme/). Parmi ces trois coumarines, la perméabilité maximale de la BHE a été observée avec l’angélicine (2,3), suivie du bergaptène (2,0) et la plus faible avec la scopolétine (0,644), comme également représenté dans le modèle BOILED egg (Figure 3 d). L’utilisation de l’outil Swiss ADME pour la prédiction des paramètres pharmacocinétiques a été bien rapportée dans la littérature.
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Activité antidépressive in vivo
L’activité antidépressive de l’extrait et des coumarines isolées de l’extrait d’A. archangelica a été explorée dans le modèle murin de dépression induite par la réserpine. C’est un modèle animal bien établi utilisé pour évaluer l’activité des agents nouveaux. La réserpine, étant un déplétant des catécholamines, déclenche un dysfonctionnement monoaminergique neuronal, conduisant à la dépression. Dans la présente investigation, le temps d’immobilité de la souris dans le test de nage forcée (FST) a été mesuré comme indicateur de dépression. Il a été observé que l’administration de réserpine à une dose de 0,5 mg/kg a augmenté le temps d’immobilité dans le test FST par rapport à l’animal témoin. Les observations sont en accord avec les rapports de la littérature. De plus, nous avons observé que l’administration de l’extrait (400 mg/kg) et des composés testés bergaptène et angélicine a réduit de manière significative le temps d’immobilité par rapport au groupe réserpine, et l’effet de ces composés était comparable au médicament standard clorgyline. Cependant, aucune réponse significative n’a été observée avec le traitement à la scopolétine, suggérant que la scopolétine n’a pas réussi à atténuer la dépression induite par la réserpine. Une analyse comparative des résultats a indiqué que le potentiel antidépresseur de l’angélicine était supérieur à celui de l’extrait, tandis que l’activité du bergaptène était comparable à celle de l’extrait et que la scopolétine était inefficace (Figure 4 a). Ces observations des études in vivo étaient en accord avec la prédiction in silico, suggérant que la plus faible perméabilité de la BHE de la scopolétine pourrait être responsable de son inefficacité. L’activité de l’extrait d’A. archangelica a été rapportée dans d’autres troubles neuronaux tels que l’anxiété et l’épilepsie. Les coumarines sont également bien explorées dans les modèles animaux de douleur aiguë et chronique. Nous avons observé que l’activité antidépressive des furanocoumarines (bergaptène et angélicine) était supérieure à celle de la coumarine (scopolétine) ; de plus, il a été observé que la furanocoumarine linéaire (bergaptène) est plus efficace que la furanocoumarine angulaire (angélicine) dans un modèle murin de dépression. Ces résultats sont en accord avec les rapports précédents suggérant la capacité photosensibilisante plus élevée de la furanocoumarine linéaire par rapport aux coumarines. La faible activité de la scopolétine pourrait être attribuée à la présence d’un groupe hydroxyle anionique polaire, comme suggéré par les rapports précédents.
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Activité de la MAO-A cérébrale
La MAO-A est une cible prometteuse des médicaments antidépresseurs, et les inhibiteurs de la MAO sont indiqués dans la prise en charge thérapeutique de la dépression. Nous avons analysé l’activité de la MAO-A dans le cerveau des souris. Il a été observé qu’il y a une augmentation significative de l’activité de la MAO-A cérébrale chez les souris exposées à la réserpine par rapport aux souris témoins. Ces résultats ont été mis en évidence par les rapports précédents suggérant des niveaux accrus de MAO-A chez les sujets déprimés. Le traitement avec l’extrait d’A. archangelica et ses fractions isolées angélicine et bergaptène a réduit l’activité de la MAO-A par rapport au groupe réserpine. Les résultats étaient comparables à l’inhibiteur standard de la MAO-A clorgyline ainsi qu’aux coumarines rapportées et à leurs dérivés. La scopolétine n’a pas modifié l’augmentation de l’activité de la MAO-A induite par la réserpine (Figure 4 b). Les résultats de l’analyse biochimique étaient en accord avec les examens comportementaux observés dans le FST.
Conclusions
En conclusion, nous avons rapporté l’isolement de composés de la famille des coumarines à partir de l’extrait d’A. archangelica. L’extrait de racine et les composés isolés (angélicine et bergaptène) ont affiché une activité antidépressive appréciable dans le modèle murin de dépression induite par la réserpine. Les examens biochimiques du tissu cérébral ont suggéré que ces deux composés ont une tendance à bloquer l’activité de la MAO-A, ce qui pourrait être responsable de leur effet antidépresseur chez la souris. Les résultats des examens comportementaux in vivo et de l’activité inhibitrice de la MAO-A des coumarines isolées ont été anticipés par l’amarrage in silico et l’analyse de prédiction, indiquant l’activité maximale obtenue avec l’angélicine et le bergaptène, tandis que la scopolétine isolée s’est révélée inefficace.
Matériels et méthodes
Les spectres RMN ¹H ont été enregistrés sur des spectromètres RMN à 400 et 500 MHz (Bruker) avec l’enregistrement correspondant des spectres RMN ¹³C à 100 et 125 MHz en utilisant le tétraméthylsilane comme étalon interne et le CDCl₃ comme solvant. Les déplacements chimiques sont donnés en parties par million (ppm), et les valeurs J sont données en hertz. Les signaux ont été représentés par s—singulet, d—doublet et dd—double doublet. Les spectres de masse ont été enregistrés par HRMS (spectrophotomètre de masse à haute résolution Bruker micrOTOF QII). La chromatographie sur colonne a été réalisée en utilisant du gel de silice (60–120 mesh) comme phase stationnaire. Le bergaptène a été fourni par Sugam Herbal Creation, Uttarakhand, Inde. L’angélicine a été achetée auprès de Xenon Biosciences, Inde. La scopolétine, les solvants et autres produits chimiques utilisés ont été achetés auprès de Sigma-Aldrich (Inde).
Matériel végétal
Les racines d’A. archangelica ont été obtenues auprès de la Sri Venkateswara University, Inde. Le matériel végétal a été identifié et authentifié par le Dr A.S. Soodan, Professeur, Département des sciences botaniques et environnementales, Guru Nanak Dev University, Amritsar, Punjab, Inde (Réf n° 1012 Bot. & Env. Sc). Les racines ont été soigneusement nettoyées et séchées à l’ombre. Elles ont été broyées pour obtenir une fine poudre.
Extraction
La poudre de racine séchée a été extraite à l’aide de l’extracteur de Soxhlet en utilisant le méthanol comme solvant. Le matériel racinaire a été extrait à 60 °C pendant 36 h. L’extrait a été obtenu en évaporant le solvant dans un rota-évaporateur et par lyophilisation.
Isolement
L’extrait standardisé a été fractionné à l’aide de la chromatographie sur colonne. L’extrait (3,7 g) a été adsorbé sur du gel de silice G, tassé dans une colonne, et élué avec un système de solvant à gradient d’hexane et d’acétate d’éthyle. La colonne a été éluée avec de l’hexane pour éliminer les impuretés solubles dans l’hexane, suivie d’une élution avec un solvant à gradient comprenant 5 % d’acétate d’éthyle dans l’hexane. Les fractions ont été rassemblées sur la base de leur profil de chromatographie sur couche mince (CCM). Les profils CCM des fractions ont été comparés aux coumarines standard appliquées. La polarité du solvant d’élution a été augmentée à 10 % en utilisant l’acétate d’éthyle, et le regroupement des fractions a été effectué sur la base de leur profil CCM. Les fractions obtenues sous forme d’une seule tache en CCM ont été conservées séparément. L’élution de la colonne a été poursuivie en augmentant la polarité du solvant à 15 % avec l’acétate d’éthyle, et les fractions ont été rassemblées sur la base de leurs similitudes CCM. Les conditions chromatographiques sont représentées dans la Figure 5. Les fractions pures obtenues ont été identifiées à l’aide de la spectroscopie de masse, et l’élucidation de la structure a été réalisée par spectroscopie RMN.
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Caractérisation des composés isolés
Le composé C a été isolé sous forme de solide blanc ; sa formule moléculaire a été établie comme C₁₁H₆O₃ par un pic d’ion (m/z 225,6621), [M + K]⁺ et pf = 137–139,5 °C (pf litt. = 138–139 °C). RMN ¹H (400 MHz, CDCl₃) δ 6,39 (d, J = 9,6 Hz, 1H), 7,13 (d, J = 2,3 Hz, 1H), 7,41 (dd, J = 8,3, 8,5 Hz, 2H), 7,69 (d, J = 2,3 Hz, 1H), 7,81 (d, J = 9,6 Hz, 1H) ; RMN ¹³C (101 MHz, CDCl₃) δ 104,21 (CH), 108,92 (CH), 113,60 (ArC), 114,21 (CH), 116,77 (ArC), 123,90 (CH), 144,64 (CH), 145,97 (ArC), 157,53 (ArC), 161,31 (C=O) ont assuré que le composé C isolé est l’angélicine (Figure 6 a,b). La teneur en pourcentage du composé C isolé, à savoir l’angélicine, s’est révélée être de 0,135 % p/p. Le composé G a été isolé sous forme de cristaux en aiguilles et a montré un pic à m/z 239,0933, [M + Na]⁺, en HRMS, ce qui correspond au bergaptène. De plus, l’élucidation de la structure basée sur la RMN a assuré l’identification du composé G comme le bergaptène. RMN ¹H (500 MHz, CDCl₃) δ : 4,29 (s, 3H, CH₃), 6,29–6,31 (d, J = 9,4 Hz, 1H, ArH), 7,04–7,05 (m, 1H, ArH), 7,17 (s, 1H, ArH), 7,61–7,62 (m, 1H, ArH), 8,17–8,19 (d, J = 9,4 Hz, ArH). RMN ¹³C (125 MHz, CDCl₃) δ : 60,12, 93,91 (ArCH), 105,01 (ArCH), 106,48 (ArC), 112,62 (ArCH), 139,22 (ArCH), 144,79 (ArCH), 149,6 (ArC), 152,75 (ArC), 158,40 (ArC), 161,21 (C=O) (Figure 6 c–f). Ces données correspondent au bergaptène. La teneur en pourcentage du composé G isolé, à savoir le bergaptène, s’est révélée être de 0,064 % p/p. Il ressort clairement du spectre NOESY que le groupe méthoxy (C₁₄) montre une corrélation avec l’un des protons aromatiques, qui est (H₃) δ : 7,04–7,05, éliminant ainsi la possibilité du psoralène. Le pic m/z, 231,1191 [M + K]⁺, du composé H correspond à la scopolétine. La structure de la scopolétine a été confirmée par les données RMN : RMN ¹H (400 MHz, CDCl₃, 25 °C, TMS) δ 3,96 (s, 3H), 6,13 (s, 1H), 6,24 (d, J = 9,1 Hz, 1H), 6,85 (s, 1H), 6,92 (s, 1H), 7,59 (d, J = 9,6 Hz, 1H) ; RMN ¹³C (101 MHz, CDCl₃) δ 56,69 (OCH₃), 103,12 (CH), 107,69 (CH), 113,37 (CH), 143,13 (CH) (Figure 7 a,b). La teneur en pourcentage du composé H isolé, à savoir la scopolétine, s’est révélée être de 0,075 % p/p.
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Études in silico
Les coordonnées de la structure aux rayons X de la monoamine oxydase A humaine (MAO-A) (entrée PDB : 2Z5Y ; résolution, 2,17 Å) ont été téléchargées depuis la Protein Data Bank. La structure aux rayons X consiste en une séquence de chaîne de 513 acides aminés complexée avec la 7-méthoxy-1-méthyl-9H-β-carboline (harmine) étudiée précédemment. Pour explorer les modes de liaison à la MAO-A des composés, nous avons effectué l’amarrage au site de liaison de l’harmine en définissant le site de liaison avec un rayon de 6,0 Å. La préparation de la protéine a été réalisée en employant l’assistant de préparation de protéine (Protein Preparation wizard) tel qu’implémenté dans la suite Schrödinger. La structure des composés a été dessinée sur ChemDraw Ultra (2013), et son énergie a été minimisée par le champ de force MM2 dans le logiciel Chem 3D Ultra et ensuite optimisée. Tous les composés ont été utilisés sous forme protonée en solution aqueuse et amarrés dans le site de liaison préparé en employant le mode extra-précision, tel qu’implémenté dans le logiciel glide de Schrödinger. Les meilleures poses de liaison ont été sélectionnées sur la base de leurs Glide scores, et ainsi classées en conséquence. Ces Glide scores sont en kcal/mol. Tous les calculs susmentionnés ont été réalisés à l’aide de la suite de programmes Schrödinger.
Prédiction des propriétés physicochimiques et des paramètres ADME
L’outil Swiss ADME est utilisé pour prédire les propriétés physicochimiques et les paramètres ADME des trois composés isolés de l’extrait. La perméabilité de la barrière hémato-encéphalique, représentée comme (Conc.(cerveau)/Conc.(sang)), a été calculée à l’aide de l’outil preADMET (https://preadmet.bmdrc.kr/adme/).
Études in vivo
Animaux
Des souris albinos suisses pesant 25–30 g ont été obtenues auprès de l’Indian Institute of Integrative Medicine IIIM, Jammu, et ont été hébergées dans l’animalerie centrale de l’université dans des conditions atmosphériques standard (25 ± 5 °C) avec un cycle lumière-obscurité de 12 h. Les protocoles expérimentaux ont été approuvés par le Comité d’éthique animale de l’institution, et les procédures ont été réalisées selon les lignes directrices éthiques (226/CPSCEA2016/05).
Activité antidépressive
L’activité antidépressive a été évaluée à l’aide d’un modèle murin de dépression induite par la réserpine. Les animaux ont reçu par voie sous-cutanée de la réserpine à une dose de 0,5 mg/kg pendant 3 jours consécutifs. Le traitement par l’extrait (400 mg/kg, per os), les fractions isolées [angélicine (10 mg/kg, ip) ; bergaptène (10 mg/kg, ip) ; scopolétine (10 mg/kg, ip)] et le médicament standard (clorgyline, 3 mg/kg, ip) a été effectué en continu pendant une période de 5 jours, 1 h avant l’administration de réserpine pour les 3 premiers jours. Le comportement animal a été évalué avant l’administration du médicament (jour 0) et 24 h après la dernière dose d’administration du médicament (jour 6).
Le test
Le test de nage forcée a été utilisé pour évaluer l’activité antidépressive des composés testés selon la procédure déjà décrite dans la littérature. Le comportement dépressif chez les souris a été évalué en termes de temps d’immobilité dans le test de nage forcée. Les résultats obtenus ont été analysés statistiquement à l’aide d’une ANOVA à deux facteurs et exprimés en moyenne ± ESM.
Activité de la MAO-A in vivo
Le 6ᵉ jour, à la suite des analyses comportementales, les animaux ont été sacrifiés sous anesthésie légère (kétamine, 50 mg/kg, ip) et les tissus cérébraux ont été isolés pour la détermination de l’activité de la MAO-A à l’aide d’un kit de dosage de la monoamine oxydase basé sur ELISA disponible dans le commerce. Le dosage est basé sur le principe qu’une unité de MAO catalyse la formation de 1 μM de H₂O₂ par minute. Les résultats ont été exprimés en activité de la MAO (U/L), analysés statistiquement à l’aide d’une ANOVA à un facteur, et exprimés en moyenne ± ESM à l’aide du logiciel GraphPad Prism (version 8.3.0).