Synthesis, Chemical Characteristics and Antimicrobial Activity of Aldehyde-Linked Stereoisomeric Catechin Polymers : A Comparative Analysis with Natural Analogues

Abstract

The increasing prevalence of antimicrobial resistance has necessitated the research in novel mechanisms towards pathogens, and especially the research on polyphenols has gained prominence due to their diverse bioactivities and favourable lead structures. Consequently, the combined study of natural, polyphenolic analogues and semisynthesized derivatives aims to elucidate their structure-activity correlation and thereby support the early stages of drug development.

Many various oligomers and polymers based on flavan-3-ols such as catechin and epicatechin, and their mixtures can be found in high concentrations in the plant kingdom, especially in green tea and cocoa. These procyanidins (PC) are documented to have broadly antioxidative, anti-inflammatory, and neuroprotective effects, which are associated with health promotion in humans. The constituent units of PCs, (epi)catechins, can further be used to produce semisynthetic polymers by linking the monomer units with aldehydes. However, it is unclear which polymers, naturally occurring or semisynthetic, have more promising chemical characteristics and thus bioactivity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) bacteria.

In this study, 16 different combinations of aldehyde-linked (epi)catechin polymers were synthesized and investigated alongside with naturally occurring polymers. The reaction precipitates that formed promising, broad and intense chromatographic hump, were separated into five different fractions by semi-preparative high-performance liquid chromatography. The properties of the original precipitates and their corresponding fractions were studied by radial diffusion test, oxidation assay, water-octanol partition coefficient determination and lastly with size exclusion chromatography combined with triple quadrupole mass spectrometry to gain insight of structural properties. Subsequently, the antimicrobial activity against MRSA was determined for each sample. This allowed a comparison study for 80 semisynthetic and 50 natural compounds and their fractions with each other.

Both natural and semisynthetic compounds exhibited variation in their chemical properties, although they are composed of fundamentally identical units. The results provided valuable information on the properties of natural vs. semisynthetic flavan-3-ol-based polymers and their relevance to antimicrobial activity or lack thereof.

Mikrobilääkeresistenssin yleistyminen on edellyttänyt uusien mekanismien tutkimusta taudinaiheuttajia vastaan, ja erityisesti polyfenolien tutkimus on korostunut niiden monipuolisten bioaktiivisuuksien ja suotuisien lähtörakenteiden vuoksi. Näin ollen, luonnollisten polyfenoli-analogien ja puolisyntetisoitujen johdannaisten yhdistetty tutkimus pyrkii selventämään niiden rakenne-aktiivisuuskorrelaatiota ja siten tukea lääkekehityksen alkuvaiheita.

Kasvikunnassa, erityisesti vihreässä teessä ja kaakaossa esiintyy suurina pitoisuuksina erilaisia flavan-3-oleihin, kuten katekiiniin ja epikatekiiniin, perustuvia oligo- ja polymeerejä sekä niiden seoksia. Näillä prosyanidiineilla (PC) on dokumentoitu olevan laajasti antioksidatiivisia, tulehdusta estäviä ja hermostoa suojaavia vaikutuksia, jotka liittyvät ihmisen terveyden edistämiseen. PC- yhdisteiden rakenneosia, (epi)katekiineja, voidaan hyödyntää myös puolisynteettisten polymeerien valmistukseen linkittämällä monomeeriyksiköitä aldehydeillä. On kuitenkin epäselvää, millä polymeereillä, luonnossa esiintyvillä vai puolisynteettisillä, on lupaavampia kemiallisia ominaisuuksia ja siten bioaktiivisuutta metisilliiniresistenttiä Staphylococcus aureus (MRSA) -bakteeria vastaan.

Tässä tutkimuksessa syntetisoitiin ja tutkittiin 16 erilaista aldehydilinkitettyä (epi)katekiinipolymeerien yhdistelmää luonnossa esiintyvien seosten rinnalla. Reaktiosakasta muodostuneet, lupaavan polymeerikummun muodostaneet kromatografiset piikit jaettiin viiteen eri fraktioon semipreparatiivisella korkean suorituskyvyn nestekromatografialla. Alkuperäisten sakkojen ja vastaavien fraktioiden ominaisuuksia tutkittiin säteittäisellä diffuusiotestillä, hapetusmäärityksellä, vesi-oktanoli-jakautumiskertoimen määrityksellä ja lopuksi kokoekskluusiokromatografialla yhdistettynä kolmois-kvadrupolimassaspektrometriaan rakenteellisten ominaisuuksien selvittämiseksi. Lopuksi mitattiin kaikkien näytteiden antimikrobinen aktiivisuus MRSA-bakteeria vastaan. Tämä mahdollisti 80 puolisynteettisen ja 50 luonnollisen yhdisteen, ja niiden fraktioiden vertailututkimuksen keskenään.

Sekä luonnolliset että puolisynteettiset yhdisteet osoittivat vaihtelua kemiallisissa ominaisuuksissaan, vaikka ne koostuvat pohjimmiltaan identtisistä rakennusyksiköistä. Tulokset antoivat arvokasta tietoa luonnollisten ja puolisynteettisten flavan-3-oli-pohjaisten polymeerien ominaisuuksista ja niiden merkityksestä antimikrobisen aktiivisuuden tai sen puuttumisen kannalta.