Identification and Characterization of natural products as dual inhibitors of microsomal Prostaglandin E 2 Synthase-1 and 5- Lipoxygenase Identifizierung und Charakterisierung von Naturstoffen als duale Hemmstoffe der mikrosomalen Prostaglandin E 2 Synthase-1 und 5- Lipoxygenase DISSERTATION der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) vorgelegt von Julia Seegers aus Heidelberg Tübingen 2014 Identification and Characterization of natural products as dual inhibitors of microsomal Prostaglandin E 2 Synthase-1 and 5- Lipoxygenase Identifizierung und Charakterisierung von Naturstoffen als duale Hemmstoffe der mikrosomalen Prostaglandin E 2 Synthase-1 und 5- Lipoxygenase DISSERTATION der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Eberhard Karls Universität Tübingen zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) vorgelegt von Julia Seegers aus Heidelberg Tübingen 2014 Tag der mündlichen Qualifikation: 13. Oktober 2014 Dekan: Prof. Dr. Wolfgang Rosenstiel Erster Berichterstatter: Prof. Dr. O. Werz Zweiter Berichterstatter: Prof. Dr. S. Laufer ACKNOWLEDGEMENTS I ACKNOWLEDGEMENTS Die vorliegende Arbeit wurde unter der Leitung von Prof. Dr. Oliver Werz am Pharmazeutischen Institut der Eberhard Karls Universität Tübingen angefertigt. Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr. Oliver Werz für die Überlassung des spannenden Themas, die stets sehr gute Unterstützung und Zusammenarbeit sowohl in Tübingen als auch aus Jena. Herrn Prof. Dr. Stefan Laufer danke ich herzlich für die Aufnahme und Hilfsbereitschaft in Tübingen, vor allem nachdem Prof. Dr. Oliver Werz seinem Ruf nach Jena gefolgt ist, sowie die Übernahme des Zweitgutachtens. Bei Herrn Prof. Dr. Michael Lämmerhofer möchte ich mich herzlich für die Unterstützung und das Verständnis bei der Fertigstellung meiner Experimente in Tübingen bedanken. Des Weiteren danke ich herzlich: Prof. Dr. Lidia Sautebin, Friederike Dehm und Dr. Antonietta Rossi (Universität Neapel) für die erfolgreiche Testung im Rahmen der Tierexperimente. Prof. Dr. Hinnak Northoff und seinem Team in der Transfusionsmedizin des Universitätsklinikums Tübingen für die Bereitstellung von Buffy-Coats und Vollblut. ACKNOWLEDGEMENTS II Prof. Dr. Giovanni Appendino und seinem Team sowie Prof. Dr. Hermann Stuppner und seinem Team für die Bereitstellung der Testsubstanzen und die gute Zusammenarbeit, die zu gemeinsamen Publikationen geführt hat. Meinen Kollegen vom „AK Werz“, „AK Laufer“ und „AK Lämmerhofer“ für die gute Laborgemeinschaft und angenehme Arbeitsatmosphäre. Ein ganz großes Dankeschön geht an meine Kollegen: Susann Luderer, für die Unterstützung und stets motivierende Gespräche und Diskussionen. Friederike Dehm, die immer ein offenes Ohr für Probleme des Laboralltags in Tübingen und bei meinen Forschungsaufenthalten in Jena hatte. Silke Bauer, Daniela Müller, Bianca Jazzar und Aleksandra Zimmermann, für die wunderschöne Zeit in und außerhalb der Universität Tübingen. Hanne Braun und Karin Ward für die stets unkomplizierte Hilfe im Uni- Alltag und Verwaltungsdschungel. Prof. Dr. Karl-Artur Kovar für die gute Zusammenarbeit und Unterstützung in Tübingen. Bei meinem neuen Arbeitgeber, der LAK-BW, möchte ich mich von Herzen für die Unterstützung und das Verständnis zur Fertigstellung dieser Arbeit bedanken. Mein besonderer Dank gilt dem Geschäftsführer Dr. Karsten Diers, sowie dem Bereichleiter der Abteilung AFWB Patrick Schäfer und dem gesamten Team. Mein größtmöglicher und herzlichster Dank geht an meine Familie und meinen Mann Daniel, die einen nicht unwesentlichen Anteil am Gelingen dieser Arbeit haben, für ihr Verständnis, ihre Geduld und Unterstützung. PUBLICATIONS III PUBLICATIONS List of publications [1] Oettl SK, Gerstmeier J, Khan SY, Wiechmann K, Bauer J, Atanasov AG, Malainer C, Awad EM, Uhrin P, Heiss EH, Waltenberger B, Remias D, Breuss JM, Boustie J, Dirsch VM, Stuppner H, Werz O and Rollinger JM, Imbricaric acid and perlatolic acid: multi-targeting anti-inflammatory depsides from Cetrelia monachorum. PLoS One, 2013. 8(10): p. e76929. [2] Bauer J, Waltenberger B, Noha SM, Schuster D, Rollinger JM, Boustie J, Chollet M, Stuppner H and Werz O, Discovery of depsides and depsidones from lichen as potent inhibitors of microsomal prostaglandin E 2 synthase-1 using pharmacophore models. Chem Med Chem. 2012 Dec;7(12):2077-81. [3] Elkady M, Nieß R, Schaible AM, Bauer J , Luderer S, Ambrosi G, Werz O and Laufer SA, Modified Acidic Nonsteroidal Anti-Inflammatory Drugs as Dual Inhibitors of mPGES-1 and 5-LOX. J Med Chem. 2012 Oct 25;55(20):8958-62. [4] De Simone R, Bruno I, Riccio R, Stadler K, Bauer J , Schaible AM, Laufer S and Werz O, Identification of new γ-hydroxybutenolides that preferentially inhibit the activity of mPGES-1. Bioorg Med Chem. 2012 Aug 15;20(16):5012-6. [5] Bauer J, Kuehnl S, Rollinger JM, Scherer O, Northoff H, Stuppner H, Werz O and Koeberle A. Carnosol and carnosic acids from Salvia officinalis inhibit microsomal prostaglandin E 2 synthase-1. J Pharmacol Exp Ther. 2012 Jul;342(1):169-76. [6] Minassi A, Cicione L, Koeberle A, Bauer J , Laufer S, Werz O and Appendino G. A Multicomponent Carba-Betti Strategy to Alkylidene PUBLICATIONS IV Heterodimers - Total Synthesis and Structure-Activity Relationships of Arzanol. European J Org Chem, 2012(4): p. 772-779. [7] Baumgartner L, Sosa S, Atanasov AG, Bodensieck A, Fakhrudin N, Bauer J , Favero GD, Ponti C, Heiss EH, Schwaiger S, Ladurner A, Widowitz U, Loggia RD, Rollinger JM, Werz O, Bauer R, Dirsch VM, Tubaro A and Stuppner H. Lignan derivatives from Krameria lappacea roots inhibit acute inflammation in vivo and pro-inflammatory mediators in vitro. J Nat Prod. 2011 Aug 26;74(8):1779-86. [8] Koeberle A, Rossi A, Bauer J , Dehm F, Verotta L, Northoff H, Sautebin L and Werz O. Hyperforin, an Anti-Inflammatory Constituent from St. John's Wort, Inhibits Microsomal Prostaglandin E(2) Synthase-1 and Suppresses Prostaglandin E(2) Formation in vivo. Front Pharmacol. 2011 Feb 18;2:7. [9] Waltenberger B, Wiechmann K, Bauer J , Markt P, Noha SM, Wolber G, Rollinger JM, Werz O, Schuster D and Stuppner H. Pharmacophore modeling and virtual screening for novel acidic inhibitors of microsomal prostaglandin E(2) synthase-1 (mPGES-1). J Med Chem. 2011 May 12;54(9):3163-74. [10] Bauer J , Koeberle A, Dehm F, Pollastro F, Appendino G, Northoff H, Rossi A, Sautebin L and Werz O. Arzanol, a prenylated heterodimeric phloroglucinyl pyrone, inhibits eicosanoid biosynthesis and exhibits anti- inflammatory efficacy in vivo. Biochem Pharmacol. 2011 Jan 15;81(2):259-68. [11] Koeberle A, Rossi A, Zettl H, Pergola C, Dehm F, Bauer J , Greiner C, Reckel S, Hoernig C, Northoff H, Bernhard F, Dötsch V, Sautebin L, Schubert-Zsilavecz M and Werz O. The molecular pharmacology and in vivo activity of 2-(4-chloro-6-(2,3-dimethylphenylamino)pyrimidin-2- ylthio)octanoic acid (YS121), a dual inhibitor of microsomal prostaglandin PUBLICATIONS V E2 synthase-1 and 5-lipoxygenase. J Pharmacol Exp Ther. 2010 Mar;332(3):840-8. [12] Koeberle A, Bauer J , Verhoff M, Hoffmann M, Northoff H and Werz O. Green tea epigallocatechin-3-gallate inhibits microsomal prostaglandin E(2) synthase-1. Biochem Biophys Res Commun. 2009 Oct 16;388(2):350-4. Manuscripts accepted Werz O, Seegers J , Schaible AM, Weinigel C, Barz D, Koeberle A, Allegrone G, Pollastro F, Zampieri L, Grassi G and Appendino G. Cannflavins from hemp sprouts, a novel cannabinoid-free hemp food product, target microsomal prostaglandin E 2 synthase-1 and 5- lipoxygenase. (2014) PharmaNutrition Manuscripts in preparation Seegers, J., Boustie, J., Rollinger, J., Stuppner, H., Weinigel, C., Barz, D. and Werz, O. (2014) The pharmacological profile of perlatolic acid and physodic acid from lichen species as inhibitors of eicosanoid biosynthesis. PUBLICATIONS VI Presentations Bauer, J. , Kuehnl, S., Rollinger, J.M., Scherer, O., Northoff, H., Stuppner, H., Werz, O., Koeberle, A. (2012) Carnosol and carnosic acid from Salvia officinalis inhibit microsomal Prostaglandin E 2 synthase-1. Poster, DPhG joint meeting 2012, Greifswald (Germany) Bauer, J., Dehm, F., Koeberle, A., Pollastro, F., Appendino, G., Rossi, A., Sautebin, L., Werz O. (2010) In vitro and in vivo evaluation of the anti- inflammatory effects of Arzanol from Helichrysum italicum . Poster, 58th International Congress and Annual Meeting of the Society for Medicinal Plant and Natural Product Research 2010, Berlin (Germany) Bauer, J. , Dehm, F., Koeberle, A., Pollastro, F., Rossi, A., Appendino, G., Sautebin, L. and Werz, O. (2010) Arzanol, a dual inhibitor of 5-LO and mPGES-1. Poster, III European Workshop on Lipid Mediators 2010, Paris (France) TABLE OF CONTENT VII TABLE OF CONTENT ACKNOWLEDGEMENTS ...........................................................................I PUBLICATIONS........................................................................................III TABLE OF CONTENT ............................................................................ VII ABBREVIATION..................................................................................... XII 1 INTRODUCTION.................................................................................1 1.1 Role of lipid mediators in inflammation .........................................1 1.1.1 Acute inflammation..................................................................2 1.1.2 Chronic inflammation and cancer ............................................3