Structure-activity relationships of bioactive molecules of olive oil and their semisynthetic analogues

Abstract

The strong relationship between Mediterranean diet and health has been reported by several epidemiological studies. Its effects are possibly linked to olive and olive oil, the foremost source of fat in the Mediterranean area. Olive products are characterized by the presence of bioactive phenolic compounds with the most typical being oleuropein, ligstroside, hydroxytyrosol, tyrosol, oleacein and oleocanthal, which all present bioactive potential. The latter has attracted the scientific and pharmaceutical industry interest. However, just a few of them can be extracted in a large amount from the natural matrix and there is an apparent high-cost efficiency of the process. Additionally, their application as preventive agents or drugs is limited by their low membrane permeability. Therefore, there is a need to develop efficient synthetic ways to reach natural and non-natural olive bioactive compounds derivatives. The semi-synthetic procedures stand for efficient and economical options for the synthesis of the phenolic derivatives compared to total synthesis. Thus, combining extraction methods with specific synthetic conversions can lead to new or already known olive active compounds. In our study, we developed an efficient, five-step, three-pot procedure for the semi-synthesis of oleuropein and oleocanthal analogues. The synthesis has been performed by a convenient biomimetic approach for the preparation of oleoside from oleuropein. The diacid of oleoside was transformed efficiently into the mixed anhydride by treatment with acetic anhydride in the presence of pyridine. The method was stereo controlled and provided an efficient approach to the synthesis of various analogues with remarkable good yields. During this thesis, 47 semi-synthetic analogues were synthetized. Moreover, we examined the biological activity (antioxidant, antimutagenic, anti-inflammatory and cytotoxic activities) of these analogues in vitro, using human and mouse cell lines (i.e., HepG2, HeLa, MCF-7, MDA-MB-231, BT-474, MKN45, EA.hy926, MiaPaca-2, PANC-1, and C2C12) and radical assays (i.e., ABTS•+, DPPH•, O2•−, and OH•). Our main purpose was to extract outcomes regarding the structure-activity relationships and understand their potential mechanism of action. The results revealed that several compounds presented increased biological activity compared to the parental molecule (oleuropein), and cell line specificity. Finally, in a parallel experiment we aimed to examine the composition of olive leaves, fruits, and stones of different cultivars. For this purpose, the composition was studied qualitatively and quantitatively in 22 cultivars, grown in the same grove, under the same agronomical and environmental conditions. This orthogonal approach, combining data from three olive organs, provided valuable and unique information, regarding the impact of olive cultivar and determined possible varietal markers. Moreover, the outcome of this study was to track down the cultivar with the most noteworthy oleuropein level to be utilized for the semi-synthesis of analogues.

Η ισχυρή σχέση μεταξύ της μεσογειακής διατροφής και της υγείας έχει αναφερθεί σε αρκετές επιδημιολογικές μελέτες. Η αποτελεσματικότητά της συνδέεται πιθανώς με την ελιά και το ελαιόλαδο, την κύρια πηγή ελαίου στην περιοχή της Μεσογείου. Τα προϊόντα της ελιάς χαρακτηρίζονται από την παρουσία βιοδραστικών φαινολικών ενώσεων, με πιο χαρακτηριστικές την ελαιοευρωπεΐνη, τον λιγκστροσίδη, την υδροξυτυροσόλη, την τυροσόλη, την ολεασίνη και την ολεοκανθάλη. Όλες οι προαναφερθείσες ενώσεις παρουσιάζουν βιοδραστικό δυναμικό, το οποίο έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής και φαρμακευτικής βιομηχανίας. Ωστόσο, μόνο μερικά από αυτά τα μόρια μπορούν να εξαχθούν σε μεγάλη ποσότητα από τη φυσική μήτρα και υπάρχει ένα προφανές υψηλό κόστος για την εκτέλεση της διαδικασίας. Επιπλέον, η εφαρμογή τους ως προληπτικοί παράγοντες ή φάρμακα περιορίζεται από τη χαμηλή διαπερατότητά τους στη μεμβράνη. Συνεπώς, υπάρχει ανάγκη να αναπτυχθούν αποτελεσματικοί συνθετικοί τρόποι για την παραγωγή φυσικών και μη φυσικών παραγώγων βιοδραστικών ενώσεων της ελιάς. Οι ημισυνθετικές διαδικασίες αντιπροσωπεύουν αποτελεσματικές και οικονομικές επιλογές για τη σύνθεση των φαινολικών παραγώγων σε σύγκριση με την ολική σύνθεση. Έτσι, ο συνδυασμός μεθόδων εκχύλισης με συγκεκριμένες συνθετικές μετατροπές μπορεί να οδηγήσει σε νέες ή ήδη γνωστές δραστικές ενώσεις που περιέχονται στην ελιά. Στη μελέτη μας, αναπτύξαμε μια αποτελεσματική, διαδικασία πέντε βημάτων για την ημι-σύνθεση ελαιοευρωπεΐνης και αναλόγων ολεοκανθάλης. Η σύνθεση έχει πραγματοποιηθεί με μια βιομιμητική προσέγγιση για την παρασκευή ολεοσίδη από ελαιοευρωπεΐνη. Το διοξύ του ολεοσίδη μετασχηματίστηκε αποτελεσματικά στον μικτό ανυδρίτη με επεξεργασία με οξικό ανυδρίτη παρουσία πυριδίνης. Η μέθοδος ήταν στερεοελεγχόμενη και παρείχε μια αποτελεσματική προσέγγιση στη σύνθεση διαφόρων αναλόγων με αξιοσημείωτα καλές αποδόσεις. Κατά τη διάρκεια αυτής της παρούσας διδακτορικής διατριβής, συντέθηκαν 47 ημισυνθετικά ανάλογα. Επιπλέον, εξετάσαμε τη βιολογική δράση (αντιοξειδωτικές, αντιμεταλλαξιογόνες, αντιφλεγμονώδεις και κυτταροτοξικές δράσεις) αυτών των αναλόγων in vitro, χρησιμοποιώντας ανθρώπινες κυτταρικές σειρές αλλά και κυτταρικές σειρές από ποντίκια (HepG2, HeLa, MCF-7, MDA-MB-231, BT- 474, MKN45, EA.hy926, MiaPaca-2, PANC-1 και C2C12) καθώς και πραγματοποιώντας αναλύσεις με βάση ελεύθερες ρίζες (δηλ. ABTS•+, DPPH•, O2•−, και OH•). Ο κύριος σκοπός μας ήταν να εξαγάγουμε συμπεράσματα σχετικά με τη σχέση δομής-δράσης και να κατανοήσουμε τους πιθανούς μηχανισμούς δράσης. Τα αποτελέσματά έδειξαν πως αρκετά μόρια παρουσίασαν αυξημένη δραστικότητα σε σχέση με το μητρικό μόριο καθώς και εκλεκτικότητα σε κυτταρικές σειρές. Τέλος, σε ένα παράλληλο πείραμα εξετάσαμε τη σύσταση των φύλλων, των καρπών και του πυρήνα δειγμάτων ελιάς, διαφορετικών ποικιλιών. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιώντας 22 ποικιλίες που καλλιεργήθηκαν στην ίδια έκταση, κάτω από τις ίδιες γεωπονικές και περιβαλλοντικές συνθήκες, μελετήθηκε ποιοτικά και ποσοτικά η χημική σύσταση των διαφορετικών ποικιλιών. Αυτή η προσέγγιση παρείχε σημαντικές και ενδιαφέρουσες πληροφορίες σχετικά με την επίδραση της κάθε ποικιλίας στη σύσταση των φύλλων, των καρπών και του πυρήνα της ελιάς και προσδιόρισε πιθανούς δείκτες. Επιπλέον, τα αποτελέσματα ανέδειξαν την ποικιλία με το υψηλότερο επίπεδο ελαιοευρωπεΐνης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ημισύνθεση αναλόγων.