Melanie Mülek

• Dietary polyphenols have been related to beneficial effects on humans’ health. Pycnogenol®, a dietary polyphenol-rich food supplement complies with the monograph “Maritime pine extract” in the United States Pharmacopeia (USP) and has demonstrated effects in different diseases. Several human trials concerning knee osteoarthritis have shown significant improvement of the symptoms like reducing the pain and the stiffness of the joint(s) upon intake of Pycnogenol®. After oral intake of multiple doses of Pycnogenol® previously low concentrations inDietary polyphenols have been related to beneficial effects on humans’ health. Pycnogenol®, a dietary polyphenol-rich food supplement complies with the monograph “Maritime pine extract” in the United States Pharmacopeia (USP) and has demonstrated effects in different diseases. Several human trials concerning knee osteoarthritis have shown significant improvement of the symptoms like reducing the pain and the stiffness of the joint(s) upon intake of Pycnogenol®. After oral intake of multiple doses of Pycnogenol® previously low concentrations in the nanomolar range of monomeric extract constituents have been found in human plasma as well as a bioactive metabolite, δ-(3,4-dihydroxy-phenyl)-γ-valerolactone (M1), which is formed by the human intestinal flora from the procyanidins’ catechin units. It is not clear yet which compound(s) of the complex extract is (are) mainly responsible for the described clinical effects of Pycnogenol®. To gain deeper insights into the in vivo fate of the pine bark extract the distribution of its constitutents and metabolites was closer investigated in the present thesis. Initial in vitro experiments suggested a facilitated cellular uptake of M1 into human erythrocytes, possibly via GLUT-1 transporter. For elucidating further the in vitro and in vivo metabolism of M1 in human blood cells, a metabolomic approach was performed using UPLC-ESI-qTOF-MSE analysis, which revealed a comprehensive and rapid metabolism of M1 to a variety of biotransformation products in human blood cells. Predominant metabolites were found to be conjugates of glutathione (GSH) isomers, namely M1-S-GSH and M1-N-GSH. Further sulfur-containing biotransformation products of M1 were conjugates with oxidized glutathione (M1-GSSG) and cysteine (M1-CYS) and the sulfated derivative of M1 (M1-sulfated). Other in vitro biotransformation products constituted the open-chained ester form of M1 (M1-COOH), hydroxybenzoic acid and the methylated (M1-methylated), acetylated (M1-acetylated), hydroxylated (M1-hydroxylated) and ethylated (M1-ethylated) derivatives of M1. Indeed, six of these in vitro metabolites, respectively M1-COOH, M1-sulfated, hydroxybenzoic acid, M1-S-GSH, M1-methylated and M1-acetylated, were also identified in vivo in blood cells of human volunteers after ingestion of Pycnogenol®. Related reference material was synthesized for reliable confirmation of the metabolites M1-GSH, M1-GSSG, M1-CYS and M1-COOH. In the course of a randomized controlled clinical trial patients suffering from severe osteoarthritis ingested multiple doses of 200 mg/day Pycnogenol® for three weeks before they were scheduled for an elective knee replacement surgery. Various biological specimen, respectively blood cells, synovial fluid and serum samples, were to be analyzed to investigate the distribution and disposition of possibly bioactive constituents and metabolites. Therefore, highly sensitive methods were developed using liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS)- technology because of the expected low concentrations of the analytes in the related matrices. Initially, for each matrix different sample preparation techniques (protein precipitation, liquid-liquid extraction, solid phase extraction and useful combinations thereof) were compared to achieve maximum detection sensitivity of the analytes that were of highest interest, namely M1, ferulic acid and taxifolin. By comparing 32 various sample clean-up procedures in human serum, the highest recovery of the metabolite M1 was achieved using a liquid-liquid extraction with ethyl acetate and tert-butyl methyl ether at a serum pH-value of 3.2. A similar extraction method was also chosen for analyte detection in human synovial fluid after comparing 31 different sample preparation techniques. Whole blood or blood cells are difficult to handle because of their high viscosity and strong coloration. The QuEChERS (quick, easy, cheap, effective, rugged and safe) approach which was originally developed for the food safety and thus for the determination of pesticide residues in fruits and vegetables yielded the highest total recovery rate of M1 in human blood cells when assessing 18 different sample clean-up techniques. By applying the QuEChERS method for the first time for the simultaneous and highly sensitive quantification of selected polyphenols in human blood cells it was demonstrated that this fast and inexpensive technique can be applied in clinical fields for cleaning-up highly complex and thus challenging biological matrices. All developed methods for the different biological specimen were optimized to achieve maximum sensitivity of the target analytes. The determined lower limits of quantification (LLOQs) were sufficient for the quantification of the study samples. The LLOQs ranged from 113 pg/mL for taxifolin to 48 ng/mL for caffeic acid in blood cells and from 80 pg/mL for taxifolin to 3 ng/mL for caffeic acid in synovial fluid. In human serum the LLOQs even ranged down to 35 pg/mL for taxifolin and up to 8 ng/mL for caffeic acid. All analytical methods were subjected to a full validation according to current EMA and FDA guidelines and fulfilled those criteria, showing excellent performance and reliability of the developed and optimized methods. Serum, blood cells and synovial fluid samples of the osteoarthritis patients were all processed with an enzymatic incubation with ß-glucuronidase/sulfatase to hydrolyse conjugates (phase-II-metabolism) prior the actual sample preparation. Additionally, serum samples of the osteoarthritis patients were prepared without enzymatic hydrolysis to determine the individual degree of conjugation with sulfate and glucuronic acid of the analytes. All determined concentrations in the patients’ samples were in the lower ng/mL range. Notably, highest total concentrations of the polyphenols were not detected in serum, in which the degree of analyte conjugation with sulfate and glucuronic acid ranged from 54.29 ± 26.77% for catechin to 98.34 ± 4.40% for M1. The flavonoids catechin and taxifolin mainly partitioned into blood cells, whereas the metabolite M1, ferulic and caffeic acid primarily resided in the synovial fluid. The concentration of M1 in the blood cells was low, however, this could be explained by the previously observed extensive and rapid intracellular metabolism in vitro. This was now supported by the in vivo evidence in samples of patients who received Pycnogenol® in which the open-chained ester form of M1 (M1-COOH) as well as the glutathione conjugate of M1 (M1-GSH) were identified, indicating that M1 does not accumulate in its original form in vivo. Possibly, a variety of bioactive metabolites exist which might play an important role for the clinical effects of Pycnogenol®. Although the study participants were requested to avoid polyphenol-rich food and beverages within the last two days before the blood samplings this was obviously difficult for most of the patients. Hence, no statistically significantly difference was observed in the mean polyphenol concentrations in serum, blood cells and synovial fluid between the intervention and the control group. Nevertheless, it was possible to identify marker compounds for Pycnogenol® intake under real life conditions with occasional or regular consumption of polyphenol-rich foods and beverages. Thereby, ferulic acid was found in serum samples exclusively after intake of Pycnogenol®, confirming that ferulic acid is a suitable marker of consumption of French maritime pine bark extract. Taxifolin was present in serum and synovial fluid exclusively in the intervention group indicating a role as further marker of Pycnogenol® intake. Taxifolin, ferulic acid and caffeic acid were detected in both serum and synovial fluid only in the intervention group. Moreover, the metabolite M1, taxifolin and ferulic acid were only detected simultaneously in all matrices (serum, blood cells and synovial fluid) after ingestion of Pycnogenol®. Thus, deeper insights into the distribution of bioactive constituents and metabolites of Pycnogenol® into serum, blood cells and synovial fluid after oral administration to patients with severe osteoarthritis were gained. The present study provides the first evidence that polyphenols indeed distribute into the synovial fluid of patients with osteoarthritis where they might contribute to clinical effects.…
• Polyphenole in Nahrungsmitteln werden mit positiven Wirkungen auf die menschliche Gesundheit in Verbindung gebracht. Pycnogenol®, ein polyphenolreiches Nahrungs-ergänzungsmittel, welches der Monographie "Maritime Pine Extract" im US-Amerikanischen Arzneibuch (United States Pharmacopeia, USP) entspricht, wurde bereits Effekte bei verschiedenen Krankheiten zugeschrieben. Eine orale Einnahme von Pycnogenol® hat in mehreren Humanstudien, welche sich mit Arthrose am Knie beschäftigt haben, eine signifikante Verbesserung der Symptome wie diePolyphenole in Nahrungsmitteln werden mit positiven Wirkungen auf die menschliche Gesundheit in Verbindung gebracht. Pycnogenol®, ein polyphenolreiches Nahrungs-ergänzungsmittel, welches der Monographie "Maritime Pine Extract" im US-Amerikanischen Arzneibuch (United States Pharmacopeia, USP) entspricht, wurde bereits Effekte bei verschiedenen Krankheiten zugeschrieben. Eine orale Einnahme von Pycnogenol® hat in mehreren Humanstudien, welche sich mit Arthrose am Knie beschäftigt haben, eine signifikante Verbesserung der Symptome wie die Reduzierung von Schmerzen und der Steifheit des Gelenks gezeigt. Nach Mehrfacheinnahmen von Pycnogenol® wurden im menschlichen Plasma bereits niedrige Konzentrationen (im nanomolaren Bereich) von monomeren Extraktbestandteilen gefunden sowie ein bioaktiver Metabolit, δ-(3,4-Dihydroxy-phenyl)-γ-Valerolacton (M1), welcher durch die menschliche Darmflora aus den Catechin-Einheiten der Procyanidine gebildet wird. Bis jetzt ist noch unklar, welche Verbindung(en) des komplexen Extraktes für die beschriebenen klinischen Wirkungen von Pycnogenol® hauptsächlich verantwortlich ist (sind). Um einen tieferen Einblick in das in vivo Verhalten des Kiefernrindenextraktes zu gewinnen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Verteilung von Bestandteilen und Metaboliten des Extraktes näher untersucht. Erste in vitro Experimente wiesen auf eine erleichterte zelluläre Aufnahme von M1 in menschliche Erythrozyten hin, möglicherweise vermittelt über den GLUT-1-Transporter. Um den in vitro und in vivo Metabolismus von M1 in menschlichen Blutzellen weiter aufzuklären, wurden metabolomische Untersuchungen mittels UPLC-ESI-qTOF-MS-Analyse durchgeführt, welche eine umfassende und schnelle Metabolisierung von M1 in menschlichen Blutzellen zu einer Vielzahl von Biotransformationsprodukten zeigten. Die Hauptmetabolite waren Konjugate von Glutathion(GSH)-Isomeren, nämlich M1-S-GSH und M1-N-GSH. Daneben entstanden schwefelhaltige Biotransformationsprodukte von M1, nämlich Konjugate mit oxidiertem Glutathion (M1-GSSG) und Cystein (M1-CYS) sowie ein Derivat von M1 mit Sulfat (M1-sulfatiert). Andere in vitro Biotransformationsprodukte waren die offenkettige Esterform von M1 (M1-COOH), Hydroxybenzoesäure, die methylierte (M1-methyliert), acetylierte (M1-acetyliert), hydroxylierte (M1-hydroxyliert) und ethylierte (M1-ethyliert) Form von M1. Sechs dieser in vitro Metabolite, nämlich M1-COOH, M1-sulfatiert, Hydroxybenzoesäure, M1-S-GSH, M1-methyliert und M1-acetyliert, wurden tatsächlich auch in vivo in humanen Blutzellen von freiwilligen Spendern identifiziert, welche zuvor Pycnogenol® oral eingenommen hatten. Für eine zuverlässige Bestätigung der Metaboliten M1-GSH, M1-GSSG, M1-CYS und M1-COOH wurde entsprechendes Referenzmaterial synthetisiert. Im Rahmen einer randomisiert-kontrollierten Studie wurden Patienten, welche an einer schweren Arthrose litten, eine orale Mehrfachdosis von 200 mg Pycnogenol® pro Tag über drei Wochen hinweg verabreicht, bevor sich diese anschließend einer notwendigen Kniegelenksersatz-Operation unterzogen. Um das Auftreten und die Verteilung von möglichen bioaktiven Bestandteilen und Metaboliten zu untersuchen, wurden verschiedene biologische Flüssigkeiten, nämlich Serum, Blutzellen und die Gelenkflüssigkeit analysiert. Da sehr geringe Konzentrationen der Analyten in den einzelnen Matrizes erwartet wurden, waren hochempfindliche Methoden erforderlich. Daher wurde Flüssigkeitschromatographie gekoppelt mit Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) eingesetzt. Zunächst wurden unterschiedliche Probenvorbereitungstechniken (Proteinfällung, Flüssig-Flüssig-Extraktion, Festphasenextraktion und sinnvolle Kombinationen davon) für jede Matrix verglichen, um eine maximal empfindliche Detektion der wichtigsten Analyten, nämlich M1, Ferulasäure und Taxifolin, zu erzielen. Durch den Vergleich von 32 verschiedenen Probenaufarbeitungen in humanem Serum wurde die höchste Wiederfindung des Metaboliten M1 unter Verwendung einer Flüssig-Flüssig-Extraktion mit Essigsäureethylester und Methyl-tert-butylether bei einem pH-Wert im Serum von 3,2 erreicht. Zum Nachweis der Analyten in der humanen Gelenkflüssigkeit wurde nach einem Vergleich von 31 verschiedenen Probenaufarbeitungen eine ähnliche Extraktion angewandt. Aufgrund der hohen Viskosität und der starken Färbung ist die Aufarbeitung von Vollblut oder Blutzellen sehr anspruchsvoll. Das QuEChERS (quick, easy, cheap, effective, rugged and safe) Verfahren, welches ursprünglich für die Lebensmittelüberwachung zur Bestimmung von Pestizidrückständen in Obst und Gemüse entwickelt wurde, ergab bei der Bewertung von 18 Probenaufarbeitungs-techniken die höchste Gesamtwiederfindungsrate von M1 in menschlichen Blutzellen. Durch die erstmalige Anwendung von QuEChERS zur hochempfindlichen und simultanen Quantifizierung von ausgewählten Polyphenolen in menschlichen Blutzellen wurde gezeigt, dass diese schnelle und kostengünstige Methode durchaus auch in klinischen Bereichen zur Aufreinigung von sehr komplexen und anspruchsvollen biologischen Matrizes angewendet werden kann. Alle entwickelten Methoden wurden umfassend optimiert um eine maximal empfindliche Quantifizierung der Analyten zu erhalten. Die ermittelten unteren Bestimmungs-grenzen (lower limit of quantification, LLOQ) waren ausreichend für die Quantifizierung der Studienproben. Die LLOQs reichten in humanen Blutzellen von 113 pg/mL für Taxifolin bis 48 ng/mL für Kaffeesäure und in der menschlichen Gelenkflüssigkeit von 80 pg/mL für Taxifolin bis hin zu 3 ng/mL für Kaffeesäure. In humanem Serum bewegten sich die Bestimmungsgrenzen sogar bis zu 35 pg/mL für Taxifolin und bis zu 8 ng/mL für Kaffeesäure. Alle analytischen Methoden wurden einer „Full Validation“ nach den gegenwärtigen EMA- und FDA-Richtlinien unterzogen und erfüllten deren Kriterien, was eine hervorragende Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der entwickelten und optimierten Methoden bewies. Serum-, Blutzell- und Gelenkflüssigkeitsproben der Arthrose-Patienten wurden einer enzymatischen Inkubation mit ß-Glucuronidase/Sulfatase unterworfen, um die konjugierten (Phase-II-Metabolismus) Verbindungen vor der eigentlichen Probenvorbereitung zu hydrolysieren. Die Serumproben der Studienteilnehmer wurden zusätzlich noch ohne enzymatische Hydrolyse aufgearbeitet, um den individuellen Grad der Analytkonjugation mit Sulfat und Glucuronsäure zu bestimmen. Alle ermittelten Konzentrationen in den Patientenproben lagen im unteren ng/mL-Bereich. Bemerkenswerterweise wurden die höchsten Gesamtkonzentrationen der Polyphenole nicht in Serum, in welchem der Grad der Analytkonjugation mit Sulfat und Glucuronsäure von 54,29 ± 26,77 % für Catechin bis 98,34 ± 4,40 % für M1 reichte, bestimmt. Die beiden Flavonoide Catechin und Taxifolin verteilten sich vor allem in die Blutzellen, während der Metabolit M1, Ferulasäure und Kaffeesäure in erster Linie in Gelenkflüssigkeit zu finden war. Die Konzentration von M1 in den Blutzellen war gering, was durch den zuvor beobachteten umfangreichen und schnellen intrazellulären in vitro Metabolismus erklärt werden konnte. Durch den in vivo Nachweis der offenkettigen Esterform von M1 (M1-COOH) als auch des Glutathion-Konjugats von M1 (M1-GSH) in Proben von Patienten, welche zuvor Pycnogenol® eingenommen hatten, konnte dies bestätigt werden. Dies deutet darauf hin, dass M1 in vivo nicht in der ursprünglichen Form akkumuliert und möglicherweise eine Vielzahl von biologisch aktiven Metaboliten vorliegt, was für die klinische Wirkung von Pycnogenol® eine wichtige Rolle spielen könnte. Obwohl die Studienteilnehmer darum gebeten wurden in den letzten zwei Tagen vor den Blut-entnahmen weitestgehend auf polyphenolreiche Nahrungsmittel und Getränke zu verzichten, war die Umsetzung für die meisten der Patienten doch sehr schwierig. Daher wurden keine statistisch signifikanten Unterschiede zwischen der Interventions- und der Kontrollgruppe in den mittleren Polyphenolkonzentrationen im Serum, Blutzellen und in der Gelenkflüssigkeit beobachtet. Dennoch war es möglich, einige Markerverbindungen für eine Aufnahme von Pycnogenol® unter Alltagsbedingungen mit gelegentlichem oder regelmäßigem Konsum von polyphenolreichen Lebensmitteln und Getränken zu identifizieren. So wurde Ferulasäure nur in Serumproben nach der Einnahme von Pycnogenol® gefunden, was bestätigt, dass Ferulasäure ein geeigneter Marker für die Einnahme des Kiefernrindenextraktes ist. Taxifolin wurde ausschließlich im Serum und Gelenkflüssigkeit der Interventionsgruppe nachgewiesen, was auf einen weiteren Marker der Pycnogenol®-Einnahme hindeutet. Taxifolin, Ferulasäure und Kaffeesäure wurden nur in der Interventionsgruppe in den beiden Matrizes Serum und Gelenkflüssigkeit nachgewiesen. Darüber hinaus wurde das gleichzeitige Vorhandensein des Metaboliten M1, Taxifolin und Ferulasäure in allen Körperflüssigkeiten (Serum, Blutzellen und Gelenkflüssigkeit) nur nach einer Aufnahme von Pycnogenol® festgestellt. Somit konnten tiefere Einblicke in die Verteilung von bioaktiven Inhaltsstoffen und Metaboliten von Pycnogenol® in Serum, Blutzellen und Gelenkflüssigkeit nach oraler Verabreichung an Patienten mit schwerer Arthrose gewonnen werden. Die vorliegende Studie liefert den ersten Beweis dafür, dass sich Polyphenole durchaus in die Gelenkflüssigkeit von Patienten mit Osteoarthritis verteilen, in welcher diese möglicherweise zu klinischen Effekten beitragen können.…