In dieser Studie sollte festgestellt werden, ob Phytochemikalien mit bekannter Funktion für die menschliche Gesundheit im Chininbaum (Rauvolfia caffra) vorkommen, einer Pflanze, die von traditionellen Gemeinschaften in vielen Ländern als Medizin zur Behandlung von Tumoren und anderen mit oxidativem Stress verbundenen Krankheiten verwendet wird. Das Vorhandensein solcher Phytochemikalien würde das indigene Wissen der traditionellen Gemeinschaften über den medizinischen Wert der Pflanze bestätigen und den Chininbaum als Kandidaten für eine Nutzung durch moderne Biotechnologie positionieren. Wir fanden heraus, dass R. caffra reich an Antioxidantien ist und mehrere bekannte Phytochemikalien enthält, von denen zwei eine antagonistische Wirkung zeigten.
Pflanzenökologie und Beschreibung: Es wurde bestätigt, dass Chininbäume an den Orten wachsen, die früher von traditionellen Praktikern in Kuria, Westkenia, beschrieben wurden. Wir fanden drei isolierte Bäume, die in der Nähe eines Tals wuchsen, durch das ein Bach etwa 500 Meter vom Baum entfernt floss. Die Blätter waren auf der Oberseite glänzend grün, was auf das Vorhandensein von Wachs auf der Epidermisschicht hindeutet. Die Blüten wiesen sowohl männliche als auch weibliche Fortpflanzungsmerkmale auf, wobei die Antheren oberhalb der Narben erschienen.
Quininbaum als reichhaltiges Antioxidans
Alle Tests zeigten, dass Methanol, das als Negativkontrolle verwendet wurde, 0,00% freie Radikale hemmte, während das im Handel erhältliche Quercetin, das als Positivkontrolle verwendet wurde, innerhalb der erwarteten Werte hemmte (82,63% ± 2,00), was die Methode als zuverlässigen Test für antioxidative Aktivität bestätigt. Extrakte aus der Stammrinde von R. caffra hemmten freie Radikale zu 79,65% ± 1,86, während die Blätter 70,55% ±1,26 aufwiesen (Tabelle 1). Es gab keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen der Radikalfängeraktivität von R. caffra-Stammrindenextrakten und dem Standard-Quercetin (p > 0,05), was darauf hindeutet, dass R. caffra ein konkurrenzfähiges starkes Antioxidans ist. In der Tat ist es wahrscheinlich, dass die antioxidative Aktivität von R. caffra stärker ist als die von Quercetin, da es sich bei den in dieser Studie untersuchten Proben um Rohextrakte handelte, während das kommerzielle Produkt in der Regel eine gereinigte Verbindung ist.
Die Beobachtung einer höheren antioxidativen Aktivität in den Stammrindenextrakten im Vergleich zu den Blättern stimmt mit früheren Erkenntnissen überein, bei denen die Pflanze auf antimikrobielle Aktivität untersucht wurde. Warum die Stammrindenextrakte ein besseres Antioxidans sind, ist nicht klar, kann aber möglicherweise mit dem Speichersystem der Pflanze oder dem Vorhandensein von antagonistischen Polyphenolen in den Blättern zusammenhängen.
Phytochemische Zusammensetzung von R. caffra-Rohextraktes
Das Screening auf phytochemische Stoffe in Rohextrakten aus Blättern und Stammrinde von R. caffra ergab die folgenden Verbindungsklassen: Alkaloide, Terpenoide, Saponin, Herzglykoside und Steroide (Tabelle 2). Diese Ergebnisse waren für jede Verbindungsklasse konsistent, selbst wenn verschiedene Tests/Ansätze verwendet wurden, wenn auch mit subtilen Unterschieden in der Häufigkeit. Der Nachweis von Alkaloiden, Terpenoiden, Saponin, Herzglykosiden und Steroiden bestätigte, dass die Proben von R. caffra tatsächlich Moleküle enthalten, die für ihre antioxidative Wirkung bekannt sind. Diese Ergebnisse bestätigen erneut den Wert des einheimischen Wissens bei der Identifizierung von Pflanzen für die pharmazeutische Verwendung. Die Verwendung des Chininbaums in der traditionellen Medizin wird durch das Vorhandensein von Phytochemikalien mit bekanntem Gesundheitsnutzen bestätigt. Das Vorhandensein von Herzglykosiden in R. caffra könnte erklären, warum das Kraut traditionell zur Behandlung von Herzkrankheiten verwendet wird.
Aufgrund der Pflanzenphysiologie sollten R. caffra und ähnliche Bäume Phenole und Tannine enthalten. Überraschenderweise wurden diese auch bei Mehrfachtests nicht nachgewiesen. Es ist möglich, dass die meisten Polyphenole im Lösungsmittelsystem (Hexan und DCM) verloren gegangen sind, bevor die Extrakte anschließend mit Methanol analysiert wurden. Die Blätter von R. caffra waren auf der Oberseite glänzend. Das Wachs, das für das glänzende Aussehen der Blätter verantwortlich ist, enthält in der Regel Phytochemikalien wie Flavonoide, Phenole und Sterole.
Antagonistische Bioaktivität von Alkaloiden und Saponinen
Obwohl Rohextrakte aus Stammrinde und Blattproben von R. caffra eine antioxidative Aktivität (Hemmung freier Radikale) von 79 % bzw. 70 % zeigten (Tabelle 1), ergab die Analyse der Fraktionen, dass die Aktivität mit der phytochemischen Zusammensetzung variiert. Die stärkste antioxidative Aktivität wurde bei Fraktionen beobachtet, die Alkaloide, Steroide, Terpenoide und Herzglykoside, aber keine Saponine enthielten (82,39%; Tabelle 3). Fraktionen, die Saponine enthielten, d.h. Alkaloide, Steroide, Terpenoide, Herzglykoside und Saponine, hatten eine geringere Aktivität von 58,99%. Alkaloide hatten nur eine Aktivität von 63%, aber Fraktionen, die eine Kombination aus Alkaloiden und Saponinen enthielten, wiesen die geringste antioxidative Aktivität von 15% auf (Tabelle 3). Alkaloide und Saponine schienen eine antagonistische Wechselwirkung zu haben, zumindest im Hinblick auf die antioxidative Aktivität. Dies senkt möglicherweise ihre antioxidative Aktivität und die Wirksamkeit von Extrakten, die beide Verbindungen enthalten. Bei den in dieser Studie beobachteten Saponinen handelt es sich wahrscheinlich um Steroide, wie sie in Wildpflanzen vorkommen, die als Kräuter verwendet werden, während es sich bei den in Kulturpflanzen vorkommenden Saponinen überwiegend um Triterpenoide handelt.
Moderne Biotechnologie und die Optimierung des medizinischen Wertes von R. caffra
Traditionelle Praktiker verabreichen ihren Patienten Gewebe des Chininbaums als Rohextrakte. In dieser Studie zeigen wir eine antagonistische Beziehung zwischen zwei Phytochemikalien (Alkaloide und Saponine), eine Beobachtung, die nur offensichtlich ist, wenn die Verbindungen fraktioniert und separat getestet werden. Ein solcher Antagonismus, an dem vielleicht mehr Verbindungen beteiligt sind als in dieser Studie beobachtet, würde die Wirksamkeit von Rohextrakten, wie sie in der traditionellen Medizin verwendet werden, beeinträchtigen. Die Daten legen nahe, dass für pharmazeutische Zwecke Alkaloide und Saponine in Arzneimittelformulierungen ausgeschlossen werden sollten. Außerdem wird bei der Verabreichung von Rohextrakten nicht die Möglichkeit berücksichtigt, dass einige Verbindungen in toxischen Konzentrationen vorliegen könnten. So ist beispielsweise bekannt, dass Saponine eine lytische Wirkung auf Erythrozytenmembranen haben, eine hämolytische Wirkung, von der man annimmt, dass sie auf die Affinität der Aglykonkomponente zu Membransterolen, insbesondere Cholesterin, zurückzuführen ist, mit denen sie unlösliche Komplexe bilden. Darüber hinaus wurde berichtet, dass Saponine in der Nahrung die Aufnahme von Mikronährstoffen behindern und die Verdaulichkeit von Proteinen verringern, wahrscheinlich durch die Bildung von schwer verdaulichen Saponin-Protein-Komplexen. Andererseits wurde nachgewiesen, dass Saponine die Nährstoffaufnahme durch die Darmmembran beeinflussen, indem sie die Permeabilität der Darmschleimhautzellen in vitro erhöhen, den aktiven Schleimhauttransport hemmen und die Aufnahme von Substanzen erleichtern, die normalerweise nicht absorbiert werden.
Genetische Veränderung von Stoffwechselwegen: Anders als in der Kräutermedizin wird der Einsatz moderner Biotechnologie bei der Extraktion, Reinigung und dem Entwurf optimaler Kombinationen effiziente Arzneimittelformulierungen mit optimaler Bioaktivität gewährleisten. Obwohl gentechnische Manipulationen weltweit umstritten sind, gibt es stärkere Einwände gegen den Anbau von Nahrungsmitteln, da sich gentechnische Eingriffe unbeabsichtigt auf menschliche Populationen auswirken würden. Die Manipulation wildlebender Baumarten wird nur auf der Grundlage eines möglichen Genflusses auf nicht zielgerichtete, eng verwandte Baumarten abgelehnt. R. caffra ist eine spärlich besiedelte Restbaumart, die sich nur selbst vermehrt, so dass die Gefahr eines Genflusses begrenzt ist.
Variation in der phytochemischen Zusammensetzung: R. caffra ist eine selbstbefruchtende Pflanze, bei der man normalerweise eine geringe genetische Vielfalt erwarten würde. Wir vermuten jedoch, dass R. caffra ein hohes Maß an genetischer Differenzierung aufweist, in Anlehnung an R. serpentina, eine ebenfalls selbstbefruchtende Baumart derselben Gattung, die Berichten zufolge ein hohes Maß an Vielfalt aufweist. Die genetische Variation zwischen den Pflanzenarten kann mit einer Variation in der phytochemischen Zusammensetzung korrespondieren und sich somit auf die Häufigkeit der bioaktiven Verbindungen auswirken. Die Schwierigkeit, die phytochemische Zusammensetzung vorherzusagen, die erheblich variieren kann und die aufgrund der Variation in toxischen Mengen eingenommen werden kann, macht R. caffra als Rohextrakt, wie er derzeit verwendet wird, ungeeignet. Dieses Kraut lässt sich am besten mit Hilfe der modernen Biotechnologie verwerten, bei der die phytochemische Zusammensetzung quantifiziert und kontrolliert werden kann. Mit den neuen Entwicklungen in der Gentechnik lassen sich die Pflanzenstoffe, von denen bekannt ist, dass sie wichtige biologische Aktivitäten im Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit haben, wie z. B. antioxidative, entzündungshemmende und antimikrobielle Wirkungen, nun so beeinflussen, dass eine kontinuierliche Versorgung mit seltenen und teuren Sekundärmetaboliten möglich ist. Ziel des Metabolic Engineering ist es, die Zusammensetzung der zellulären Metaboliten so zu verändern, dass neue Verbindungen produziert, bestehende Verbindungen vermehrt und/oder unerwünschte Verbindungen eliminiert werden können. Dies kann durch die Einführung neuer Gene oder Stoffwechselwege und/oder durch die Verstärkung oder Ausschaltung der Expression endogener Stoffwechselwege erreicht werden.