Evaluation of the antidiabetic efficacy and safety of medicinal plants of the genus Salvia

Abstract

Type 2 diabetes mellitus is a disease that is assuming epidemic proportions worldwide. The interest for the medicinal plants with antidiabetic properties has increased with the demand for new active compounds with minor side effects than the currently available drugs. In the present work, two species of the genus Salvia (S. fruticosa and S. officinalis) that enjoy of antidiabetic reputation were studied with regard to their mechanisms of action. In order to study the effects of S. fruticosa tea on plasma glucose and on the well known diabetes-induced expression of intestinal Na+/glucose-cotransporter (SGLT1), diabetes was induced with streptozotocin (STZ) in rats (chapter 2). We verified that, in diabetic rats, although sage tea treatment did not decrease blood glucose levels to near physiological values, it allowed their stabilisation, contrarily to its control group, where hyperglycaemia aggravated during the experiment. Sage tea treatment also reduced the induction of SGLT1 expression on the apical membrane of enterocytes by the diabetic condition. In healthy rats, S. fruticosa tea did not interfere neither with the expression of SGLT1, nor with the levels of blood glucose, indicating that it does not reveal hypoglycaemic properties and does not affect normal levels of SGLT1 expression. In a subsequent study using dietary manipulation of SGLT1 expression (chapter 3), we aimed to confirm in vivo the S. fruticosa tea effects on the SGLT1 glucose transporter, when mechanisms of induction of its expression are present. A low carbohydrate (LC) diet reduced the expression of rat glucose transporter. With the reintroduction of the diet rich in carbohydrates (HC diet), SGLT1 levels on the apical membrane (BBM) of enterocytes were re-established. When sage tea (instead of water) was given at the same time that HC diet was reintroduced, the recovery of SGLT1 levels on BBM was not fully achieved, indicating that S. fruticosa interferes with mechanism of increased expression of SGLT1. We also observed that rosmarinic acid (the most abundant phenolic compound of Salvia spp.) given as an aqueous solution (instead of water) attained the same results than sage tea, indicating that this seems to be the active principle in the extract. With this work we also aimed to understand the mechanism(s) that underlies the effect of S. fruticosa on SGLT1 expression. We found that the expression of protein kinase C (PKC) and of heat shock protein 70 (Hsp70) were affected by sage tea in a similar manner to the one obtained for SGLT1. These proteins have been reported to be involved in the translocation of SGLT1 to the plasma membrane, which aware for future studies on those signalling pathways in order to understand the molecular mechanisms. Taking into account that the previous observations on the expression of SGLT1 could indirectly result from a decrease in glucose available in the intestinal lumen induced by sage tea, due to inhibition of digestive enzymes, we further evaluated the effects of sage water extracts (teas), as well as some of their individual compounds on the activity of the digestive enzyme α-amylase (chapter 4). The different sage teas did not inhibited in vitro the α-amylase activity, which was only attained in some extent by the individual compound luteolin-7-glucoside (L7G). Therefore, the result of sage on the SGLT1 expression seems not to be due to secondary effects on the carbohydrate digestion. In chapter 4, we also studied some effects of L7G and ursolic acid (UA) in rats. Both sage compounds reduced postprandial glucose levels in the plasma, as well as improved the lipid profile of the animals. However, while L7G mechanisms of glycaemic control seem to involve a slight inhibition of carbohydrate digestion, UA seems to act on the stimulation of liver glycogen deposition. Both compounds showed beneficial effects on plasma cholesterol levels and (UA mainly) on lipoproteins, thus demonstrating potential for reducing the risk of cardiovascular complications. In the chapter 5, we performed some studies regarding the antidiabetic activities of S. officinalis tea. Previous results showed that S. officinalis tea treatment diminished fasting plasma glucose levels of non-diabetic mice, and did not produce effects on plasma glucose clearance mechanisms, which suggested effects on hepatic gluconeogenesis. Taking this into account, a study with STZ-diabetic and non-diabetic rats treated with S. officinalis tea was performed. Subsequently hepatocytes were isolated and their response to pancreatic hormones – insulin and glucagon – was studied. We verified that in hepatocytes isolated from non-diabetic rats, sage tea increased glucose consumption and decreased gluconeogenesis. S. officinalis essential oil increased hepatocyte insulin sensitivity and contributed to gluconeogenesis inhibition. Also in chapter 5 are results of a pilot trial with S. officinalis tea treatment during four weeks in human volunteers. Tea consumption was particularly beneficial on the control of lipid profile, as well as on their antioxidant defences, indicating beneficial properties namely on the prevention of cardiovascular diseases. We concluded with this work that the antidiabetic properties of S. fruticosa seem to be at the intestinal level, particularly on the reduction of the diet/diabetes-induced increases in SGLT1 expression. Both Hsp70 and PKC seem to be involved in this effect, and the active principle of this tea seems to be rosmarinic acid. On the other hand S. officinalis is more effective on the regulation of hepatic gluconeogenesis and on control of lipid profile. In both cases the drinking of sage teas can be considered safe.

Diabetes mellitus tipo 2 é uma doença que está a assumir proporções epidémicas a nível mundial. O interesse pelas plantas medicinais com propriedades antidiabéticas tem aumentado bem como a procura de novos compostos activos com efeitos secundários menores do que os dos fármacos actualmente utilizados. No presente trabalho foram estudadas duas espécies do género Salvia (S. fruticosa Mill. e S. officinalis L.) que gozam de reputação como antidiabéticas, no que respeita aos seus mecanismos de acção. Em primeiro lugar, com o intuito de estudar os efeitos do chá de S. fruticosa na glucose plasmática e no aumento característico da expressão do transportador de glucose (SGLT1) numa situação de diabetes, esta foi induzida com estreptozotocina em ratos (capítulo 2). Verificou-se que em ratos diabéticos, embora o tratamento com o chá não tivesse diminuído os valores da glucose no sangue para valores próximos dos fisiológicos, permitiu a sua estabilização, contrariamente ao respectivo grupo controlo, no qual a hiperglicémia se agravou ao longo do ensaio. O tratamento com chá também reduziu o característico aumento da expressão do transportador de glucose (SGLT1) ao nível da membrana apical (BBM) dos enterócitos, associado à situação de diabetes. Em ratos não-diabéticos o chá de S. fruticosa não interferiu com a expressão do SGLT1, nem com os níveis de glucose no sangue, indicando que este chá não revela propriedades hipoglicemiantes, nem altera valores basais de expressão do SGLT1. Num estudo posterior, de modo a confirmar in vivo os efeitos do chá de S. fruticosa sobre o SGLT1, recorreu-se à manipulação da dieta para a indução da expressão do SGLT1 (capítulo 3). Uma dieta pobre em hidratos de carbono (LC) reduziu a expressão dos transportadores de glucose dos ratos. Com a reintrodução da dieta rica em hidratos de carbono (HC) os níveis normais de SGLT1 foram retomados na BBM dos enterócitos. Contudo, quando administrado o chá de S. fruticosa aquando da reintrodução da dieta HC, a normalização dos níveis de SGLT1 na BBM foi bastante inibida, indicando uma vez mais que o chá interfere no mecanismo do aumento da expressão do SGLT1. Também se observou que o ácido rosmarínico (composto fenólico maioritário de espécies de Salvia) administrado em solução aquosa produziu efeitos semelhantes aos do chá, mas de uma forma mais significativa, indicando-o como um princípio activo do extracto. Com este trabalho procurou-se também perceber o(s) mecanismo(s) que estaria na base do efeito da S. fruticosa sobre o SGLT1. Verificou-se que a expressão da proteína cinase C (PKC) e da de choque térmico (Hsp70) foram afectadas de forma semelhante ao SGLT1. Uma vez que estas proteínas parecem estar envolvidas na translocação do SGLT1 para a membrana, mais estudos são necessários para compreender efeitos nessas vias de sinalização. Atendendo ao facto de os resultados obtidos sobre a expressão do SGLT1 poderem indirectamente resultar de uma diminuição da glucose no lúmen, induzida pelo chá devido à inibição de enzimas digestivas, avaliamos posteriormente os efeitos dos chás, bem como de alguns dos seus compostos individuais na actividade da enzima digestiva α-amilase (capítulo 4). Os diferentes chás de salva não inibiram in vitro a actividade da α-amilase, e apenas a luteolina-7-glicosídeo (L7G) o conseguiu em alguma extensão. Desta forma, o efeito do chá sobre a expressão do SGLT1 não parece ser devido a efeitos secundários sobre a digestão dos hidratos de carbono. No capítulo 4 também foram estudados alguns efeitos da L7G e do ácido ursólico (UA) em ratos. Ambos os compostos de salva diminuíram os níveis de glucose pós-prandial no plasma e melhoraram o perfil lipídico dos animais. Contudo, enquanto que os mecanismos de controlo da glicemia da L7G poderão envolver uma moderada inibição da digestão dos hidratos de carbono, o UA parece actuar na estimulação da deposição de glicogénio no fígado. Ambos os compostos tiveram efeitos benéficos sobre os níveis de colesterol no plasma, e o UA em particular sobre as lipoproteínas, mostrando assim potencial para reduzir o risco de complicações cardiovasculares. No capítulo 5 são apresentados estudos relativos à avaliação de actividades antidiabéticas do chá de S. officinalis. Resultados anteriores mostraram que o chá de S. officinalis diminuía os níveis de glucose plasmática em jejum de ratinhos não-diabéticos, não produzindo efeitos sobre os mecanismos de remoção da glucose plasmática, o que sugeriu efeitos sobre a gluconeogénese. Atendendo a estes resultados, foi realizado um estudo com ratos diabéticos e não-diabéticos tratados com chá de S. officinalis. Posteriormente foram isolados hepatócitos e estudada a sua resposta às hormonas insulina e glucagon. Em hepatócitos isolados de ratos não-diabéticos, o chá administrado in vivo aumentou o consumo de glucose in vitro e reduziu a gluconeogénese. O óleo essencial de S. officinalis aumentou a sensibilidade dos hepatócitos à insulina e contribuiu para a inibição da gluconeogénese. Ainda no capítulo 5 são apresentados resultados de um estudo piloto com voluntários humanos tratados com chá de S. officinalis. O chá apresentou sobretudo efeitos benéficos no controlo do perfil lipídico, bem como nas defesas antioxidantes, indicando propriedades benéficas em particular na prevenção de complicações cardiovasculares. Com este trabalho conclui-se que as propriedades antidiabéticas da S. fruticosa se situam sobretudo ao nível do intestino, em particular na redução da indução da expressão do SGLT1. Ambas as proteínas Hsp70 e PKC parecem estar envolvidas neste efeito e o princípio activo deste chá parece ser o ácido rosmarínico. Por outro lado, a S. officinalis é mais eficaz na regulação da gluconeogénese e no controlo do perfil lipídico. Em ambos os casos, a toma do chá de salva pode ser considerada segura.