[학위논문]12종의 20(R)-, 20(S)- 진세노사이드 에피머의 Caco-2 세포 투과도, 약동학특성 그리고 in vitro 실험에서 약물대사효소 및 약물유출수송체에 대한 억제능 평가 연구 Assessment of Caco-2 cell permeability, pharmacokinetic properties, and in vitro inhibitory potentials on drug metabolizing enzymes and efflux transporters of twelve 20(R)- and 20(S)- ginsenoside epimers원문보기
김도윤
(The Catholic University of Korea
Major in Pharmacology/Pharmacokinetics, Department of Pharmacy
국내박사)
진세노사이드는 인삼의 주요 약리 활성 성분으로 항염증, 항암, 그리고 면역조절등의 다양한 활성을 가지고 있다. 비당 부위의 구조에 따라 크게 protopanaxadiol (PPD) 계열과 protopanaxatriol (PPT) 계열의 진세노사이드로 나눌 수 있다. PPD 계열과 PPT 계열의 차이는 골격에 수산화기가 결합되어 있는 위치에 따라 달라진다. PPD 계열은 C-3, C-12 그리고 C-20 위치에 수산화기가 결합되어 있고 PPT 계열은 C-3, C-6, C-12 그리고 C-20 위치에 수산화기가 결합되어 있다. PPD 계열과 PPT 계열은 ...
진세노사이드는 인삼의 주요 약리 활성 성분으로 항염증, 항암, 그리고 면역조절등의 다양한 활성을 가지고 있다. 비당 부위의 구조에 따라 크게 protopanaxadiol (PPD) 계열과 protopanaxatriol (PPT) 계열의 진세노사이드로 나눌 수 있다. PPD 계열과 PPT 계열의 차이는 골격에 수산화기가 결합되어 있는 위치에 따라 달라진다. PPD 계열은 C-3, C-12 그리고 C-20 위치에 수산화기가 결합되어 있고 PPT 계열은 C-3, C-6, C-12 그리고 C-20 위치에 수산화기가 결합되어 있다. PPD 계열과 PPT 계열은 글루코스 또는 다른 당이 비당 부위에 결합되는 것에 따라 나눌 수 있으며 C-20에 붙어 있는 수산기의 위치에 따라 입체이성질체인 20(R) 과 20(S)로 다시 분류할 수 있다. 20(R)- 또는 20(S)- 진세노사이드들의 서로 다른 약리효과에 대한 많은 연구들이 보고되고 있지만 에피머의 수산기의 위치에 따른 약동학 특성과 약물 상호작용에 대한 연구는 많이 연구되어 있지 않다. 이전 예비 실험에서 랫드에 20(R)-과 20(S)- 진세노사이드 Rg3와 Rh2를 경구투여한 뒤 혈중 농도를 측정하였을 때 각각의 R-형태의 진세노사이드 보다 S-형태의 진세노사이드가 혈중에서 높게 존재하고 있었다. 20번 탄소의 수산기 위치에 따른 진세노사이드 에피머의 차이는 약리효과뿐만 아니라 약동학적인 차이도 나타나고 있다. 이번 논문의 목적은 다음과 같다. Caco-2 세포주와 P-glycoprotein (P-gp) 또는 breast cancer resistance protein (BCRP)가 과발현된 Madin-Darby Canine Kidney (MDCK) II 세포주를 이용하여 12종의 20번 탄소가 이성질체인 진세노사이드들 [20(R)/(S)-Rg3, 20(R)/(S)-Rh2, 20(R)/(S)-PPD, 20(R)/(S)-Rg2, 20(R)/(S)-Rh1, and 20(R)/(S)-PPT]의 투과성을 in vitro에서 평가하고 in vivo에서의 흡수 정도를 예측하고자 하며 in vitro에서 사람 간 마이크로좀을 이용하여 20(R)/(S)-Rg3와 20(R)/(S)-Rh2의 대사 안정성을 평가하고 in vivo에서의 대사 클리어런스를 예측하고자 한다. 이러한 in vitro 실험 결과를 바탕으로 20(R)/(S)-Rg3와 20(R)/(S)-Rh2를 함유한 가공 인삼 추출물을 마우스, 랫드, 그리고 사람에게 경구 투여한 뒤 약동학 성질을 파악하고자 한다. 또한, 12종의 진세노사이드 C-20 에피머들이 P-gp와 BCRP가 과발현된 MDCKII세포주를 이용해 약물 유출 수송체 (P-gp와 BCRP), 사람 간 마이크로좀을 이용하여 대사효소인 9종의 cytochrome P450s (CYPs)와 10종의 UDP- Glucuronosyltransferases (UGTs)에 대한 약물 상호 작용 가능성을 평가하고자 한다. 마지막으로, molecular docking을 이용하여 당의 결합뿐만 아니라 C-20 위치에 수산화기의 위치에 따라 BCRP의 활성 부위에 결합하는 정도를 평가해보고자 한다. 실험결과 Caco-2 세포주를 이용한 약물 투과도는 PPT 계열의 진세노사이드들이 PPD 계열의 진세노사이드들 보다 더 높은 투과도를 보였으며 Rg3와 Rh2의 경우 각각의 S-형태가 R-형태보다 더 높은 투과도를 보였다. 실험을 통해 in vitro 클리어런스 값을 예측하였고 그 결과 20(S)-Rh2가 낮은 대사 안정성을 보임을 확인할 수 있었고 이는 in vivo에서 짧은 반감기가 나타남으로 확인할 수 있었다. 인삼 추출물을 마우스, 랫드 그리고 사람에게 경구 투여했을 때 20(S)-Rg3와 20(S)-Rh2만 혈장에 존재함을 확인하였고 랫드와 사람에서 20(S)-Rh2의 말단 반감기가 20(S)-Rg3보다 짧음을 확인할 수 있었다. Caco-2 세포주를 이용한 약물 투과도 및 대사 안정성 실험을 통해 이러한 in vivo 약동학 연구 결과가 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 6쌍의 진세노사이드 에피머들이 각 에피머에 따라서 약물 유출 수용체(P-gp와 BCRP)와 약물 대사 효소(9종의 CYPs와 10종의 UGTs)에 대해 서로 다른 억제능을 가짐을 확인할 수 있었다. 이러한 약물상호작용 연구의 결과 12종의 진세노사이드 C-20 에피머들의 약동학적 특성과 약물 유출 수송체와 약물 대사효소에 대한 억제능에 대해 유용한 정보를 제공하고 향후 인삼 관련 제품을 개발하는데 있어 임상적 적용에 도움을 줄 것이다.
진세노사이드는 인삼의 주요 약리 활성 성분으로 항염증, 항암, 그리고 면역조절등의 다양한 활성을 가지고 있다. 비당 부위의 구조에 따라 크게 protopanaxadiol (PPD) 계열과 protopanaxatriol (PPT) 계열의 진세노사이드로 나눌 수 있다. PPD 계열과 PPT 계열의 차이는 골격에 수산화기가 결합되어 있는 위치에 따라 달라진다. PPD 계열은 C-3, C-12 그리고 C-20 위치에 수산화기가 결합되어 있고 PPT 계열은 C-3, C-6, C-12 그리고 C-20 위치에 수산화기가 결합되어 있다. PPD 계열과 PPT 계열은 글루코스 또는 다른 당이 비당 부위에 결합되는 것에 따라 나눌 수 있으며 C-20에 붙어 있는 수산기의 위치에 따라 입체이성질체인 20(R) 과 20(S)로 다시 분류할 수 있다. 20(R)- 또는 20(S)- 진세노사이드들의 서로 다른 약리효과에 대한 많은 연구들이 보고되고 있지만 에피머의 수산기의 위치에 따른 약동학 특성과 약물 상호작용에 대한 연구는 많이 연구되어 있지 않다. 이전 예비 실험에서 랫드에 20(R)-과 20(S)- 진세노사이드 Rg3와 Rh2를 경구투여한 뒤 혈중 농도를 측정하였을 때 각각의 R-형태의 진세노사이드 보다 S-형태의 진세노사이드가 혈중에서 높게 존재하고 있었다. 20번 탄소의 수산기 위치에 따른 진세노사이드 에피머의 차이는 약리효과뿐만 아니라 약동학적인 차이도 나타나고 있다. 이번 논문의 목적은 다음과 같다. Caco-2 세포주와 P-glycoprotein (P-gp) 또는 breast cancer resistance protein (BCRP)가 과발현된 Madin-Darby Canine Kidney (MDCK) II 세포주를 이용하여 12종의 20번 탄소가 이성질체인 진세노사이드들 [20(R)/(S)-Rg3, 20(R)/(S)-Rh2, 20(R)/(S)-PPD, 20(R)/(S)-Rg2, 20(R)/(S)-Rh1, and 20(R)/(S)-PPT]의 투과성을 in vitro에서 평가하고 in vivo에서의 흡수 정도를 예측하고자 하며 in vitro에서 사람 간 마이크로좀을 이용하여 20(R)/(S)-Rg3와 20(R)/(S)-Rh2의 대사 안정성을 평가하고 in vivo에서의 대사 클리어런스를 예측하고자 한다. 이러한 in vitro 실험 결과를 바탕으로 20(R)/(S)-Rg3와 20(R)/(S)-Rh2를 함유한 가공 인삼 추출물을 마우스, 랫드, 그리고 사람에게 경구 투여한 뒤 약동학 성질을 파악하고자 한다. 또한, 12종의 진세노사이드 C-20 에피머들이 P-gp와 BCRP가 과발현된 MDCKII세포주를 이용해 약물 유출 수송체 (P-gp와 BCRP), 사람 간 마이크로좀을 이용하여 대사효소인 9종의 cytochrome P450s (CYPs)와 10종의 UDP- Glucuronosyltransferases (UGTs)에 대한 약물 상호 작용 가능성을 평가하고자 한다. 마지막으로, molecular docking을 이용하여 당의 결합뿐만 아니라 C-20 위치에 수산화기의 위치에 따라 BCRP의 활성 부위에 결합하는 정도를 평가해보고자 한다. 실험결과 Caco-2 세포주를 이용한 약물 투과도는 PPT 계열의 진세노사이드들이 PPD 계열의 진세노사이드들 보다 더 높은 투과도를 보였으며 Rg3와 Rh2의 경우 각각의 S-형태가 R-형태보다 더 높은 투과도를 보였다. 실험을 통해 in vitro 클리어런스 값을 예측하였고 그 결과 20(S)-Rh2가 낮은 대사 안정성을 보임을 확인할 수 있었고 이는 in vivo에서 짧은 반감기가 나타남으로 확인할 수 있었다. 인삼 추출물을 마우스, 랫드 그리고 사람에게 경구 투여했을 때 20(S)-Rg3와 20(S)-Rh2만 혈장에 존재함을 확인하였고 랫드와 사람에서 20(S)-Rh2의 말단 반감기가 20(S)-Rg3보다 짧음을 확인할 수 있었다. Caco-2 세포주를 이용한 약물 투과도 및 대사 안정성 실험을 통해 이러한 in vivo 약동학 연구 결과가 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 6쌍의 진세노사이드 에피머들이 각 에피머에 따라서 약물 유출 수용체(P-gp와 BCRP)와 약물 대사 효소(9종의 CYPs와 10종의 UGTs)에 대해 서로 다른 억제능을 가짐을 확인할 수 있었다. 이러한 약물상호작용 연구의 결과 12종의 진세노사이드 C-20 에피머들의 약동학적 특성과 약물 유출 수송체와 약물 대사효소에 대한 억제능에 대해 유용한 정보를 제공하고 향후 인삼 관련 제품을 개발하는데 있어 임상적 적용에 도움을 줄 것이다.
Ginsenosides, the major active components of ginseng, have multiple beneficial effects, such as anti-inflammatory, anticancer, and immunomodulatory effects. Based on the structure of aglycones, ginsenosides are classified into protopanaxadiol (PPD) and protopanaxatriol (PPT) groups. PPD and PPT have...
Ginsenosides, the major active components of ginseng, have multiple beneficial effects, such as anti-inflammatory, anticancer, and immunomodulatory effects. Based on the structure of aglycones, ginsenosides are classified into protopanaxadiol (PPD) and protopanaxatriol (PPT) groups. PPD and PPT have different hydroxylation patterns. PPD has hydroxyl groups on C-3, C-12, and C-20, whereas PPT has hydroxyl groups on C-3, C-6, C-12, and C-20. PPD and PPT can be subjected to glycosylation by glucose and other sugars. Among the isomers, 20(R) and 20(S) is a pair of stereoisomers that differ in the spatial orientation of the hydroxyl group at C-20. Several studies have shown that the different stereochemistry of 20(R)- and 20(S)-ginsenosides produce different pharmacological effects. However, their stereoselective pharmacokinetic characteristics and drug interaction potentials have not been fully examined. Although preliminary, the results of my previous study showed that the plasma concentrations of 20(S) epimers of both ginsenoside Rg3 and Rh2 were significantly higher than those of 20(R) epimers in rats after oral administration. The stereochemical role of C-20 hydroxyl group of the ginsenoside molecule can be observed not only in the varied pharmacological actions, but also in the pharmacokinetic properties. The objective of this study is to assess Caco-2 cell and P-gp/BCRP-MDCK-II cell permeability of the 12 ginsenoside C-20 isomers [20(R)/(S)-Rg3, 20(R)/(S)-Rh2, 20(R)/(S)-PPD, 20(R)/(S)-Rg2, 20(R)/(S)-Rh1, and 20(R)/(S)-PPT] to predict the absorption of the tested ginsenosides. The in vitro metabolic stability of 20(R)/(S)-Rg3 and 20(R)/(S)-Rh2 was also determined using human liver microsomes to predict the in vivo metabolic clearance. Based on the in vitro results, I examined the pharmacokinetic properties of 20(R)/(S)-Rg3 and 20(R)/(S)-Rh2 after single oral administration of ginseng extract in mice, rats, and humans. In addition, I evaluated the in vitro inhibitory potential of the twelve ginsenoside C-20 isomers on drug efflux transporters (P-gp and BCRP) in P-gp/BCRP-MDCK-II cells, as well as drug metabolized enzymes (nine CYPs and ten UGTs) in human liver microsomes. Finally, a molecular docking study revealed that not only the sugar moieties, but also the stereochemistry at C-20 might influence the active binding region of BCRP. In the Caco-2 cell model, the permeability of PPT-type ginsenosides was higher than that of PPD-type. Notably, the permeability of 20(S)-Rg3 and 20(S)-Rh2 was higher than that of their corresponding epimers [20(R)-Rg3 and 20(R)-Rh2]. Based on the predicted in vitro clearance value, 20(S)-Rh2 exhibited poor metabolic stability resulting in high systemic clearance and short elimination half-life in vivo. After the oral administration of processed ginseng extract in mice, rats, and humans, only the 20(S) epimers, 20(S)-Rg3 and 20(S)-Rh2, could be determined in plasma. The terminal half-life of 20(S)-Rh2 was shorter than that of 20(S)-Rg3 in rats and humans. These in vivo pharmacokinetic studies confirm the in vitro results of Caco-2 cell permeability and metabolic stability. The tested six pairs of ginsenoside isomers exhibited stereoselective inhibitory effects of varying degrees on drug efflux transporters (P-gp and BCRP) and drug metabolized enzymes (nine CYPs and ten UGTs) explored. These findings may help understand the pharmacokinetic characteristics and inhibitory potentials of the twelve ginsenoside C-20 isomers on drug transporters and metabolic enzymes, comprehensively, and provide useful information on the clinical application of ginseng products.
Ginsenosides, the major active components of ginseng, have multiple beneficial effects, such as anti-inflammatory, anticancer, and immunomodulatory effects. Based on the structure of aglycones, ginsenosides are classified into protopanaxadiol (PPD) and protopanaxatriol (PPT) groups. PPD and PPT have different hydroxylation patterns. PPD has hydroxyl groups on C-3, C-12, and C-20, whereas PPT has hydroxyl groups on C-3, C-6, C-12, and C-20. PPD and PPT can be subjected to glycosylation by glucose and other sugars. Among the isomers, 20(R) and 20(S) is a pair of stereoisomers that differ in the spatial orientation of the hydroxyl group at C-20. Several studies have shown that the different stereochemistry of 20(R)- and 20(S)-ginsenosides produce different pharmacological effects. However, their stereoselective pharmacokinetic characteristics and drug interaction potentials have not been fully examined. Although preliminary, the results of my previous study showed that the plasma concentrations of 20(S) epimers of both ginsenoside Rg3 and Rh2 were significantly higher than those of 20(R) epimers in rats after oral administration. The stereochemical role of C-20 hydroxyl group of the ginsenoside molecule can be observed not only in the varied pharmacological actions, but also in the pharmacokinetic properties. The objective of this study is to assess Caco-2 cell and P-gp/BCRP-MDCK-II cell permeability of the 12 ginsenoside C-20 isomers [20(R)/(S)-Rg3, 20(R)/(S)-Rh2, 20(R)/(S)-PPD, 20(R)/(S)-Rg2, 20(R)/(S)-Rh1, and 20(R)/(S)-PPT] to predict the absorption of the tested ginsenosides. The in vitro metabolic stability of 20(R)/(S)-Rg3 and 20(R)/(S)-Rh2 was also determined using human liver microsomes to predict the in vivo metabolic clearance. Based on the in vitro results, I examined the pharmacokinetic properties of 20(R)/(S)-Rg3 and 20(R)/(S)-Rh2 after single oral administration of ginseng extract in mice, rats, and humans. In addition, I evaluated the in vitro inhibitory potential of the twelve ginsenoside C-20 isomers on drug efflux transporters (P-gp and BCRP) in P-gp/BCRP-MDCK-II cells, as well as drug metabolized enzymes (nine CYPs and ten UGTs) in human liver microsomes. Finally, a molecular docking study revealed that not only the sugar moieties, but also the stereochemistry at C-20 might influence the active binding region of BCRP. In the Caco-2 cell model, the permeability of PPT-type ginsenosides was higher than that of PPD-type. Notably, the permeability of 20(S)-Rg3 and 20(S)-Rh2 was higher than that of their corresponding epimers [20(R)-Rg3 and 20(R)-Rh2]. Based on the predicted in vitro clearance value, 20(S)-Rh2 exhibited poor metabolic stability resulting in high systemic clearance and short elimination half-life in vivo. After the oral administration of processed ginseng extract in mice, rats, and humans, only the 20(S) epimers, 20(S)-Rg3 and 20(S)-Rh2, could be determined in plasma. The terminal half-life of 20(S)-Rh2 was shorter than that of 20(S)-Rg3 in rats and humans. These in vivo pharmacokinetic studies confirm the in vitro results of Caco-2 cell permeability and metabolic stability. The tested six pairs of ginsenoside isomers exhibited stereoselective inhibitory effects of varying degrees on drug efflux transporters (P-gp and BCRP) and drug metabolized enzymes (nine CYPs and ten UGTs) explored. These findings may help understand the pharmacokinetic characteristics and inhibitory potentials of the twelve ginsenoside C-20 isomers on drug transporters and metabolic enzymes, comprehensively, and provide useful information on the clinical application of ginseng products.
Keyword
#ginsenoside epimer protopanaxadiol protopanaxatriol pharmacokinetics drug interaction P-glycoprotein human breast cancer resistance protein cytochrome P450 isozyems UDP-glucuronosyltransferase isoforms
학위논문 정보
저자
김도윤
학위수여기관
The Catholic University of Korea
학위구분
국내박사
학과
Major in Pharmacology/Pharmacokinetics, Department of Pharmacy
지도교수
Sookyung Bae
발행연도
2018
총페이지
xv, 156 leaves
키워드
ginsenoside epimer protopanaxadiol protopanaxatriol pharmacokinetics drug interaction P-glycoprotein human breast cancer resistance protein cytochrome P450 isozyems UDP-glucuronosyltransferase isoforms
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.