АРОНИЯ ЧЕРНОПЛОДНАЯ (ARONIA MELANOCARPA) КАК ИСТОЧНИК СОЕДИНЕНИЙ С ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ГЕРОПРОТЕКТОРНОЙ АКТИВНОСТЬЮ

Е.Ю. Платонова¹, С.Н. Плюснин², М.В. Шапошников¹, А.А. Москалев^{1, 2}

¹ Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, Сыктывкар
² Сыктывкарский государственный университет им. Питирима Сорокина, Сыктывкар

E-mail: dega37@yandex.ru

BLACK CHOKEBERRY ARONIA MELANOCARPA IS THE PROMISING SOURCE OF SUBSTANCES KNOWN AS POTENTIAL GEROPROTECTORS

Е.Y. Platonova¹, S.N. Plusnin², М.V. Shaposhnikov¹, А.А. Моskalev^{1, 2}

¹ Institute of Biology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Syktyvkar
² Syktyvkar State University Pitirim Sorokin, Syktyvkar

Введение

Новые научные тенденции предполагают использование натуральных продуктов (таких как экстракты растений или выделенные растительные соединения) как в терапии, так и в профилактике многочисленных заболеваний с целью поддержания здорового долголетия (Fontana, 2015). Многочисленные исследования подтвердили, что диета, богатая растительной пищей, дает определенные преимущества для здоровья человека и защищает от рака, сердечно-сосудистых заболеваний, диабета, остеопороза, нейродегенеративных заболеваний (Black chokeberry ..., 2014; Neuroprotective ..., 2017). По этой причине интерес к исследованию новых биологически активных молекул и их источников растет, особенно в пищевой промышленности, которая обратилась к внедрению различных натуральных компонентов в продукты питания для улучшения их функциональности.

Арония черноплодная (Aronia melanocarpa (Michx.) Elliot) известна как ценная плодовая культура. Она принадлежит к семейству розоцветные (Rosaceae), подсемейству яблоневые (Pomodieae) (Kokotkiewicz, 2010). Ее использовали в традиционной медицине. В последние годы аронию черноплодную начали применять в качестве пищевого красителя, кроме того, она является потенциальным источником ценных фитонутриентов.

Цель данного обзора состоит в обобщении имеющихся в литературе сведений о влиянии экстрактов аронии черноплодной на различные модельные объекты и внутриклеточные процессы для выявления ее потенциальных геропротекторных свойств.

Существуют основные критерии геропротектора (Developing ..., 2016):

1. Увеличение продолжительности жизни;

2. Улучшение биомаркеров старения;

3. Низкая токсичность;

4. Слабые побочные эффекты;

5. Улучшение качества жизни;

6. Эволюционный консерватизм мишени;

7. Воспроизводимость геропротекторных эффектов на различных модельных организмах;

8. Влияние одновременно на несколько ассоциированных со старением причин смерти млекопитающих и человека;

9. Увеличение стрессоустойчивости.

Ранее в исследованиях специалистов лаборатории геропротекторных и радиопротекторных технологий отдела радиоэкологии Института биологии Коми НЦ УрО РАН на моделях культур клеток человека, нематоды Caenorhabditis elegans и плодовой мушки Drosophila melanogaster было продемонстрировано, что такие компоненты диеты и биологически активные соединения растительного происхождения, как полисахариды (цитрусовые и яблочные пектины), каротиноиды (бета-каротин и фукоксантин), флавоноиды (кверцетин, (-)-эпикатехин, нарингин, лютеолин, хризин), фитоэкдистероиды серпухи венценосной Serratula coronata L. (20-гидроксиэкдизон и инокостерон), стероидные гликозиды пажитника сенного Trigonella foenum-graecum L. (диосцин и протодиосцин) и терпены пихты сибирской Аbies sibirica обладают выраженными геропротекторными свойствами. Они увеличивают продолжительность жизни и замедляют процессы старения, а также повышают устойчивость животных к различным неблагоприятным факторам среды, таким как ионизирующее излучение, гипертермия, окислительный стресс и голодание (Влияние препаратов ..., 2014; The effect ..., 2014; Fucoxanthin ..., 2015; Effects ..., 2016; Geroprotective ..., 2016; The evaluation ..., 2017). С использованием методов полногеномного секвенирования транскриптома и количественной ПЦР с обратной транскрипцией в реальном времени (ОТ-ПЦР) мы установили, что геропротекторые свойства веществ растительного происхождения могут быть обусловлены способностью модулировать уровень экспрессии генов стресс-ответа клетки (антиоксидантной защиты, белков теплового шока, репарации повреждений ДНК) и активность связанных со старением внутриклеточных сигнальных путей, включая MAPK, mTOR, Wnt, Notch и Hippo (Transcriptome ..., 2018).

Содержание биологически активных соединений

Плоды аронии черноплодной содержат комплекс биологически активных веществ. Наиболее важными их составляющими являются полифенольные соединения, такие как проантоцианидины, антоцианы, флавоноиды и фенольные кислоты (Hudec, 2006; Borowska, 2016). Проантоцианидины (конденсированные таннины), отвечающие за вяжущий вкус аронии, представляют собой олигомерные и полимерные катехины, состоящие из (-)-эпикатехина. Проантоцианидины образуют комплексы с белками и полисахаридами. Антоцианины (цианидин-3-O-галактозид, цианидин-3-O-арабинозид, цианидин-3-O-ксилозид и цианидин-3-О-глюкозид) присутствуют во внешних частях кожуры плода и отвечают за цвет аронии черноплодной (Underutilized ..., 2013; Eremeeva, 2016). Флавоноиды аронии представлены также различными производными кверцетина: кверцетин-3-рутинозид, кверцетин-3-галактозид, кверцетин-3-глюкозид (Hudec, 2006; Borowska, 2016). Кроме того, плоды аронии содержат фенольные кислоты: неохлорогеновую, хлорогеновую и кофейную (Borowska, 2016). Содержание общих полифенолов и отдельных полифенольных соединений в аронии черноплодной представлено в табл. 1.

Дополнительно ягоды содержат минеральные вещества и микроэлементы: бор, фтор, железо, медь, цинк, марганец, молибден, кобальт и йод (Hudec, 2006). В них также представлены витамины и витаминоподобные соединения (табл. 2).

Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что биологически активные соединения содержатся не только в плодах, но и в листьях аронии, при этом более молодые листья аронии содержат большее количество полифенолов (Thi, 2014). Показано, что экстракты листьев и ягод содержат больше биологически активных соединений по сравнению со стеблями (Comparative ..., 2018). На содержание биологически активных соединений аронии черноплодной влияют условия сушки. Лиофилизированные ягоды обладают наиболее выраженной антиоксидантной активностью. Сублимационная сушка является оптимальной для поддержания высоких уровней биологически активных соединений в 80%-ных этанольных экстрактах аронии черноплодной (Thi, 2016).

Эксперименты по продлению жизни

Исследований влияния вытяжек из A. melanocarpa на продолжительность жизни модельных организмов немного. В одной из недавних работ (Jo, 2017) показано, что применение экстракта A. melanocarpa в концентрации 2.5 мг/мл вызвало увеличение медианной (на 18 %) и максимальной (на 9 %) продолжительности жизни самцов плодовой мушки Drosophila melanogaster по сравнению с контрольной группой. Помимо этого, проводили анализ локомоторной активности D. melanogaster в тесте на отрицательный геотаксис. Было продемонстрировано, что двигательная активность значительно снижалась с возрастом и была существенно выше в группе с добавкой 2.5 мг/мл экстракта аронии как у молодых, так и старых особей в возрасте 10 и 40 сут. соответственно.

Данные результаты свидетельствуют о том, что экстракт аронии черноплодной не только увеличивает продолжительность жизни, но и способствует повышению двигательной активности в старости, а значит и улучшению качества жизни в целом. Увеличенная продолжительность жизни и улучшенная локомоция, вероятно, были обусловлены повышением уровней антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутаза (SOD), каталаза (CAT) и глутатионпероксидаза (GPx) и активацией экспрессии генов, контролирующих стрессоустойчивость (Sod1, Sod2, Cat, Hsp68, l (2) efl и Jafrac1) (Jo, 2017).

Механизм воздействия на процессы старения

Благодаря наличию и высокому содержанию полифенольных соединений, экстракты плодов A. melanocarpa обладают широким спектром положительных эффектов (табл. 3). Прежде всего, к благоприятным эффектам аронии относятся сильная антиоксидантная и противовоспалительная активность, а также гастропротекторное, гепатопротекторное и антипролиферативное действие (Kokotkiewicz, 2010; Fruits ..., 2017).

Оценку биологического потенциала экстрактов из листьев, стеблей и плодов аронии проводили путем определения их антиоксидантной активности (с использованием DPPH, ABTS и анализа перекисного окисления липидов), антимикробных свойств, способности ингибировать ферменты (холинэстераза и эластаза) и цитотоксического действия (на злокачественные клеточные линии HeLa, A-549, LS-174T и нормальные фибробласты легких MRC-5). Наиболее сильное ингибирование холинэстеразы и эластазы было обнаружено для экстракта из ягод. Точно так же экстракты, полученные из листьев и ягод, показали значительные цитотоксические эффекты на вышеупомянутые тестируемые клеточные линии (Comparative ..., 2018). Помимо того было выявлено, что клетки HeLa гораздо более чувствительны к экстрактам аронии, чем A-549, LS-174T, MRC-5, тем самым демонстрируя противоопухолевые свойства экстрактов аронии (Comparative ..., 2018).

Экстракт аронии черноплодной (в концентрациях 1, 5 и 10 мкмоль/л в пересчете на антоцианы) вызвал увеличение уровня таких антиоксидантных ферментов, как супероксиддисмутаза (SOD), каталаза (CAT) и глутатионпероксидаза (GPx) в β-клетках поджелудочной железы по сравнению с клетками, подвергшимися воздействию прооксидантнов (перекисью водорода (H₂O₂) и высокой концентрации глюкозы) (Ruginа, 2015).

Применение экстрактов аронии оказывает влияние на метаболизм липидов. Стандартизированный экстракт A. melanocarpa, используемый в качестве добавки против метаболического синдрома, обладает способностью снижать кровяное давление и оказывает положительное влияние на работу сердца. Он улучшает толерантность к глюкозе, ослабляет патологические изменения печени и уменьшает окислительный стресс, присутствующий в условиях метаболического синдрома (Standardized ..., 2018).

Ряд работ посвящен изучению влияния экстрактов аронии на метаболизм холестерина. Исследовано влияние in vivo экстракта аронии на мембраны эритроцитов у пациентов с гиперхолестеринемией. Добавление аронии в рацион пациентов в течение двух месяцев привело к снижению концентрации холестерина на 22 % и уменьшению перекисного окисления липидов на 40 %, а также к увеличению текучести мембран (In vivo ..., 2012).

Механизм воздействия на процессы, способствующие долголетию

Несколько работ посвящено изучению воздействие экстракта аронии черноплодной на систему свертывания крови. В исследованиях in vitro показано, что экстракт A. melanocarpa модифицирует гемостаз (табл. 4).

Были выявлены разнообразные механизмы воздействия экстракта аронии на сердечно-сосудистую систему. Показано влияние биологически активных соединений на сердечно-сосудистую систему при экспериментальной гипертонии: активные вещества уменьшали кровяное давление и индуцировали провоспалительные процессы при гипертонии (Effect of bioactive ..., 2017).

Показано влияние натурального экстракта ягод аронии черноплодной на выработку оксида азота эндотелиальными клетками. Его относительно низкие концентрации (0.1 мкг/мл) значительно индуцировали синтез NO и фосфорилирование eNOS после 10 мин обработки. Повышенная чувствительность eNOS и значительное увеличение синтеза NO обусловлены более длительной стимуляцией с помощью аронии (48 ч) и острой повторной обработкой клеток (10 мин) (Effects of a natural ..., 2016). Экстракт плодов аронии черноплодной проявляет противовоспалительное действие в эндотелиальных клетках аорты человека, ингибируя экспрессию эндотелиальных молекул клеточной адгезии, активацию NF-кB и продукцию активных форм кислорода (Aronia melanocarpa fruit ..., 2012).

Изучено участие богатого полифенолами эк- стракта A. melanocarpa при окислительном стрессе на модели экспериментальной артериальной гипертонии. Все измеренные компоненты артериального давления выявили статистически значимое падение и нормализацию концентрации восстановленного глутатиона (GSH), а также значительное снижение концентрации малонового диальдегида (MDA) (The involvement ..., 2013). Комбинированная терапия статинами и экстрактом из плодов аронии черноплодной способствовала снижению маркеров сердечно-сосудистого риска у пациентов после инфаркта миокарда (Combination ..., 2007).

Некоторые публикации посвящены анализу нейропротекторного действия экстрактов аронии. Противовоспалительное действие этанольного экстракта аронии черноплодной показано на стимулированные липополисахаридом клетки BV2 и мышей ICR (Anti-neuroinflammatory ..., 2018).

В одной из работ отмечено противовоспалительное действие экстракта аронии в ответ на увеит (воспаление сосудистой оболочки глаза), вызванный эндотоксином у крыс. Противовоспалительный эффект экстракта аронии при заболевании глаз обусловлен прямой блокировкой экспрессии ферментов iNOS и COX-2 и приводит к подавлению продукции NO, PGE2 и TNF-α (Anti-inflammatory ..., 2005).

В нескольких работах рассмотрено воздействие экстракта аронии на инсулиновую сигнализацию и его использование в терапии сахарного диабета. Изучено влияние ягод аронии черноплодной на модели диабета первого типа in vivo и in vitro. Показано, что экстракт аронии вызывал уменьшение уровня глюкозы в крови, а также обладал защитным эффектом на β-клетки поджелудочной железы (The effect of ..., 2018). Экстракты из аронии существенно снижали выработку фибриногена у диабетических крыс по сравнению с контрольной группой крыс с диабетом. Природные полифенолы, выделенные из A. melanocarpa, моделировали специфическую и неспецифическую иммунную защиту, снижали воспалительный статус и способствовали поддержанию уровня инсулина при инсулин-дефицитном диабете (Badescu, 2015).

Экстракт аронии черноплодной снижал прибавку в весе и факторы риска, связанные с резистентностью к инсулину, путем модулирования инсулиновых, адипогенных и провоспалительных сигнальных каскадов эпидидимальной жировой ткани крыс, получавших богатую фруктозой диету (Qin, 2012).

Экстракты из ягод аронии могут обеспечивать защиту от токсического воздействия металлов. Так, в экспериментах на крысах было продемонстрировано, что вещества из ягод аронии предотвращают вызванный кадмием окислительный стресс в печени (Extract from aronia ..., 2018). Экстракт аронии улучшал биосинтез костного коллагена и биомеханические свойства бедренной кости. Потребление продуктов из аронии при воздействии кадмия может улучшить биомеханические свойства кости и защитить ее от переломов (Protective effect ..., 2017).

Гастропротекторное действие A. melanocarpa показано на модели острого геморрагического поражения желудка крыс. Защитное действие экстракта аронии черноплодной и его гидролизата, вводимых в дозе 2 г/кг массы тела, опосредовано регуляцией сигналов HSP-70, NF-кB и MCP-1 (Aronia melanocarpa (Black chokeberry) ..., 2017). Фракция красного пигмента из аронии черноплодной имеет аналогичное значительное защитное действие на слизистую оболочку желудка (Gastroprotective ..., 2004). Обогащенный антоцианинами экстракт из A. melanocarpa вызывал блокаду клеточного цикла в клетках рака толстой кишки, но не влиял на нормальные клетки толстой кишки (Anthocyanin-rich ..., 2003).

Некоторые работы выявили противораковую активность экстрактов аронии черноплодной. Так, была показана индукция апоптоза и снижение экспрессии генов матриксных металлопротеиназ (ММР) в клеточной линии U373 полифенолами A. melanocarpa. Результаты ОТ-ПЦР доказывают подавление экспрессии генов ММР-2, -14, -16 и -17 (Induction ..., 2012).

Экстракт из ягод аронии моделировал образование супероксидных анионных радикалов в тромбоцитах у больных раком молочной железы. Отмечалось статистически значимое увеличение биомаркеров окислительного стресса, таких как O^2–·, и снижение GSH в тромбоцитах у пациентов с раком молочной железы по сравнению со здоровой группой. Продемонстрирована защитная роль экстракта A. melanocarpa у пациентов с раком молочной железы в экспериментах in vitro (Changes of platelet ..., 2011).

Выявлена антиоксидантная активность экстрактов аронии черноплодной, цитотоксическое действие их антоциановой фракции на клетки опухоли шейки матки человека HeLa. Цианидингликозиды ингибировали пролиферацию клеток опухоли шейки матки человека HeLa и увеличивали образование активных форм кислорода после 48 ч обработки. Это позволяет предположить, что они могут быть ответственны за антипролиферативную активность (Antioxidant ..., 2012).

Дополнительные активности

Для проверки эффективности аронии черноплодной в отношении различных штаммов сезонного и устойчивого к вирусу гриппа В был использован вирусный анализ. Экстракт аронии в низких концентрациях ингибировал почти 70 % вирусных бляшек вирусов H1 и H3, а также устойчивый штамм H1/K2785. Эти эффекты были приписаны двум составляющим – эллаговой кислоте и мирицетину, которые можно использовать в качестве средств от гриппа (Fruits ..., 2017).

Антибактериальная активность экстрактов из листьев, ягод и стеблей A. melanocarpa была изучена для семи концентраций (19.5, 39.1, 78.1, 156.2, 312.5, 625 и 1250 мкг/мл) против двух грамположительных (Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis) и четырех грамотрицательных (Escherichia coli, Klebsiella pneumonia, Proteus vulgaris, Proteus mirabilis) бактериальных штаммов. Противогрибковую активность определяли в отношении двух видов грибов (Candida albicans, Aspergillus niger) в одинаковом диапазоне концентраций. Согласно полученным результатам, Klebsiella pneumonia оказалась наиболее устойчивой к исследуемому экстракту. Наибольшую антимикробную активность наблюдали при взаимодействии экстракта из стеблей аронии с минимальной концентрацией (19.5 мкг/мл) к Proteus mirabilis (Comparative ..., 2018).

Заключение

В результате анализа опубликованных данных следует заключить, что Aronia melanocarpa является потенциальным геропротектором, так как соответствует нескольким основным критериям геропротекторов (Developing ..., 2016):

– выявлено увеличение продолжительности жизни у самцов Drosophila melanogaster (медиальной на 18 %, а максимальной на 9 %) под воздействием экстрактов аронии (Jo, 2017);

– наблюдается улучшение биомаркеров старения в виде изменения активности холинэстеразы крови и снижения общего холестерина, ЛПНП и триацилглицерина, также снижение уровня перекисного окисления липидов (Changes in cholinesterase ..., 2018);

– побочные и токсические эффекты аронии черноплодной не обнаружены;

– отмечается эволюционный консерватизм мишени. Обнаружено улучшение метаболизма липидов в печени за счет снижения экспрессии PPARγ2 и его генов-мишеней aP2 и LPL (Aronia melanocarpa extract ..., 2017) и индукции экспрессии NRF (Protection ..., 2019);

– установлено одновременное влияние на несколько ассоциированных со старением причин смерти млекопитающих и человека. Выявлена антимикробная активность экстракта из стеблей аронии на грамотрицательные бактерии (Comparative ..., 2018);

– в экспериментах на крысах было показано увеличение стрессоустойчивости: вещества из ягод аронии предотвращают вызванный кадмием окислительный стресс в печени (Extract from Aronia ..., 2018);

Таким образом, арония черноплодная соответствует большинству критериев геропротекторов, однако ее влияние на качество жизни еще не изучено и может являться предметом последующих исследований. Необходимы дальнейшие изыскания в области применения и влияния экстрактов аронии в качестве геропротектора как на модельных объектах, так и в клинических испытаниях.