Evaluation of the anti-diabetic potential of Catharanthus roseus extracts

Abstract

Type 2 DM is a metabolic disorder that results from genetic and environmental factors and affects 100 million people worldwide. It is characterized by hyperglycemia due to: i) decreased secretion of insulin by the pancreas and ii) resistance to the action of insulin in tissues as muscle, liver and adipocytes, leading to impaired glucose uptake. The objectives of the present work were: i) the characterization of the HIT-T15 cell line (hamster pancreatic β-cell line) as an in vitro model to assess the anti-diabetic potential of plant extracts/compounds; ii) the evaluation of the anti-diabetic potential of C. roseus aqueous extracts as well as that of their major flavonoids (quercetin and kaempferol) in the β-cell context, through the assessment of parameters such as insulin secretion and insulin gene expression, β-cell protection against oxidative stress induced by dRib and other oxidant compounds, GSH levels and apoptosis. Concerning the effects of C. roseus extracts on glucose-induced insulin secretion, we observed no effects on insulin secretion. However, the aglycones of the major flavonoid glycosides present in the extracts, Q and K at 20 μM, exhibited a strong induction of insulin secretion to levels above those achieved by glb (10 nM). That stimulatory effect was inhibited by both nifedipine and diazoxide indicating a mechanism similar to that of the pharmaceutical drug, which is targeting the insulin exocytosis process. Under conditions of oxidative stress induced by dRib (30 mM) cell viability was decreased in approximately 50%, a condition that was not prevented by the co-incubation of dRib with the three C. roseus extracts. Despite this fact, Q, K and NAC (200 μM) exhibited protective effects against dRib-induced damage, in a concentration-dependent manner, except for K (40 μM). Regarding GSH levels, a significant diminishment was observed in the presence of 30 mM dRib when compared to control, a situation that was rescued by NAC, Q and K. The increase of GSH levels induced by NAC was mainly due to its role as precursor of GSH shynthesis, since the effect was totally abolished in the presence of BSO, an inhibitor of γ-GCS. Q and K alone also increased GSH levels of HIT-T15 cells indicating the potential of these flavonoids for maintain GSH homeostasis and prevention of oxidative stress, particularly beneficial in a diabetic condition. Taken together, these results indicate that C. roseus extracts might exert their attributed anti-diabetic activity in other organs like liver or skeletal muscle and that both Q and K, due to their antioxidant and remarkable insulin secretagogue effects, are good candidates for the prevention and/or management of type 2 DM.

DM tipo 2 é uma desordem metabólica resultante de factores genéticos e ambientais que afecta 100 milhões de pessoas em todo o mundo. É caracterizada por uma condição de hiperglicémia devido a: i) um défice na secreção de insulina pelo pancreas e ii) resistência à acção da insulina em tecidos como o músculo, fígado e adipócitos, comprometendo a absorção de glucose. Os objectivos deste trabalho experimental consistiram na: i) caracterização da linha celular HIT-T15 (células β-pancreáticas de hamster) como modelo in vitro para avaliar o potencial anti-diabético de extractos/compostos de plantas e ii) avaliação do potencial antidiabético de extractos aquosos de C. roseus e flavonóides maioritários (quercetina e canferol), ao nível das células beta, através da avaliação de parâmetros tais como indução da secreção de insulina e expressão do gene da insulina, protecção das células beta contra o stresse oxidativo induzido pela 2-desoxi-D-ribose (dRib) e outros compostos oxidantes, níveis de GSH e apoptose. Relativamente aos efeitos dos extractos de C. roseus na secreção de insulina induzida pela glucose, não se observaram efeitos a esse nível. Contudo, as agliconas dos principais flavonóides presentes nos extractos, Q e K a 20 μM, exibiram uma forte indução da secreção de insulina para níveis superiores aos alcançados pela glb (10 nM). Este efeito estimulatório foi inibido pela nifedipina e diazoxida, indicando um mecanismo de acção semelhante ao do fármaco, atingindo o processo de exocitose da insulina. Em condições de stresse oxidativo induzido pela dRib (30 mM), a viabilidade celular foi diminuida em cerca de 50%, uma condição que não foi prevenida pela co-incubação da dRib com nenhum dos três extractos de C. roseus. Apesar deste facto, foi observado um efeito protector contra os danos induzidos pela dRib por parte da Q, K e NAC (200 μM), de uma forma dependente da concentração, excepto para o K (40 μM). No que diz respeito aos níveis de GSH, ocorreu uma diminuição significativa destes na presença de 30 mM de dRib quando comparado com o controlo, sendo esta situação revertida pelo NAC, Q e K. O efeito do NAC no aumento dos níveis de GSH deveu-se maioritariamente ao facto deste ser um precursor da síntese de GSH pois o seu efeito foi totalmente inibido na presença do BSO, um inibidor da γ-GCS. Por si só, Q e K também aumentaram os níveis de GSH nas células HIT-T15, indicando o potencial destes flavonóides na manutenção da homeostasia da GSH e na prevenção do stresse oxidativo, uma situação particularmente benéfica numa condição diabética. No conjunto, estes resultados indicam que os extractos de C. roseus podem exercer o seu potencial anti-diabético em outros órgãos, como no fígado ou músculo esquelético, e que a Q e o K, devido à actividade antioxidante e efeitos como secretagogos da insulina, são bons candidatos para a prevenção e/ou controlo da DM tipo 2.