Właściwości lecznicze chmielu zwyczajnego (Humulus lupulus L.)

The medicinal properties of Humulus lupulus L.

Katedra Biochemii Ogólnej, Uniwersytet Łódzki
Kierownik Katedry: prof. dr hab. Barbara Wachowicz

Summary
Humulus lupulus L. (Cannabaceae) is well known throughout the world as the raw material in the brewing industry. Recently, some different prenylated chalcones present in hops of Humulus lupulus have received much attention for their biological effects, and had been widely investigated because of its beneficial health properties; in particular, xanthohumol has been shown to exert cancer chemopreventive activity in experiments in vitro and 8-prenylnaringenin has been characterized as one of the most potent phytoestrogens isolated until now. The present review describes the morphological, phytochemical and pharmacological aspects of Humulus lupulus. In the article, the various biological activities of xanthohumol and 8-prenylnaringenin, and their role in various diseases are also described.

Key words: humulus lupulus, xanthohu-mol, 8-prenylnaringenin.

Polecane książki z księgarni medycznej BORGIS:

Wstęp

Chmiel zwyczajny (Humulus lupulus L.) jest byliną dwupienną, należącą do rodziny konopiowatych (Cannabinaceae). To roślina wieloletnia, wytwarzająca podziemne kłącza z rozłogami. Sugeruje się, że kolebką chmielu są Chiny, ponieważ na ich terytorium znaleziono wszystkie gatunki Humulus (1). Obecnie chmiel występuje w północnych regionach świata o klimacie umiarkowanym, jak również w niektórych rejonach Australii, Afryki Południowej i Ameryki Południowej. Dla celów przemysłowych uprawia się wyłącznie rośliny żeńskie, w celu utrzymania genetycznie konsekwentnego produktu. Szyszki chmielowe, czyli owocostany chmielu (Strobili Lupuli) stanowią cenny surowiec zarówno w przemyśle browarniczym, jak i w lecznictwie. Żeńskie kwiatostany są baziami podobnymi do szyszek, które określa się mianem strobili. Na powierzchni szyszek przy podstawie przylistków występują włoski gruczołowe, wypełnione żywiczną substancją – lupuliną, która też ma zastosowanie w lecznictwie (2). Związki chemiczne występujące w szyszkach chmielu przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Średnia zawartość składników w suszonych szyszkach chmielu (4).

Związki	Zawartość procentowa (w/w)
a-Kwasy	2-17
b-Kwasy	2-10
Polifenole	3-6
Olejki eteryczne	0,5-3 (v/w)
Monosacharydy	2
Aminokwasy	0,1
Białka	15
Lipidy i kwasy tłuszczowe	1-5
Pektyny	2
Sole	10
Celuloza – ligniny	40-50
Woda	8-12

Szyszki chmielowe są bogate w drugorzędowe metabolity roślin. Głównymi związkami występującymi w dojrzałych żeńskich kwiatostanach Humulus lupulus są kwasy goryczowe chmielowe, terpeny i chalkony. Zawierają one również glikozydy flawonolowe (rutynę, kemferol, kwercetynę, kwercytrynę) i katechiny (galusan katechiny, galusan epikatechiny) (2). W skład olejku eterycznego chmielu wchodzi wiele lotnych składników, w tym monoterpeny (myrcen) oraz seskwiterpeny (β-kariofilen, farnezen, humulon), które razem stanowią 57-82% całej zawartości. Różnice w ilości tych związków chemicznych są zależne od odmiany uprawnej oraz metod detekcji (3).

Kwasy goryczowe chmielu obejmują α-kwasy (humulony) i β-kwasy (lupulony) (ryc. 1). Związki te są prenylowymi pochodnymi floroglucyny. Występują w postaci bladożółtych olejów lub żywic łatwo rozpuszczalnych w rozpuszczalnikach organicznych. W zależności od bocznego łańcucha acylowego rozróżnia się pięć analogów: n-, ko-, ad-, pre-, posthumulony/lupulony. Głównym elementem składowym α-kwasów są analogi: n-humulonu (35-70% α-kwasów), kohumulonu (20-65% α-kwasów) i adhumulonu (10-15% α-kwasów). β-Kwasy w porównaniu do α-kwasów mają dodatkową grupę prenylową. Poza tym lupulony występują w dwóch różnych wzorach enolizacji. Przeważające analogi β-kwasów występujące w chmielu to: lupulony (20-55% β-kwasów), kolupulony (20-55% β-kwasów), adlupulony (10-15% β-kwasów). Główna rola α-kwasów w przemyśle browarniczym polega na ich izomeryzacji do odpowiednich gorzkich izo-α-kwasów podczas gotowania brzeczki.

Ryc. 1. Struktura chemiczna występujących w szyszkach chmielu α-kwasów i β-kwasów (4).

a-Kwasy (humulony) β-Kwasy (lupulony)

n-: R = CH₂CH(CH₃)₂

ko-: R = CH(CH₃)₂

ad-: R = CH(CH₃)CH₂CH₃

pre-: R = CH₂CH₂CH(CH₃)₂

post-: R = CH₂CH₃

Drugą ważną grupą drugorzędowych metabolitów szyszek chmielu są polifenole, obejmujące wiele prenylowych chalkonów, takich jak ksantohumol (X) i desmetyloksantohumol (DMX), które są prekursorami dla izomercznych flawanonów, odpowiednio: izoksantohumolu (IX) i 8-prenylonaryngeniny (8-PN) (ryc. 2) (4).

Ryc. 2. Struktura chemiczna prenylowanych flawonoidów występujących w chmielu (2).

Badania dotyczące biologicznej aktywności związków występujących naturalnie w chmielu skoncentrowane są na testowaniu ksantohumolu, α- i β-kwasów i 8-prenylonaryngeniny. Stwierdzono, że związki te wykazują różnorodną aktywność biologiczną: przeciwbakteryjną, antyoksydacyjną, antykolagenazową, estrogenną, chemoprewencyjną, przeciwzapalną, apoptotyczną, antyproliferacyjną wobec różnych linii komórek rakowych (np. wpływają na enzymy i czynniki transkrypcyjne zaangażowane w karcynogenezę), obniżają też poziom cholesterolu oraz wykazują właściwości przeciwwrzodowe (2, 4-6).

Właściwości antyoksydacyjne ekstraktu z szyszek chmielu

Ze względu na szeroki zakres działania biologicznego związków zawartych w chmielu, są one badane także jako potencjalne antyoksydanty. Yamaguchi i wsp. (7) wykazali w warunkach in vitro właściwości antyoksydacyjne dla kwasów goryczowych chmielu i ksantohumolu. W badaniach tych zastosowano metodę ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity – zdolność pochłaniania wolnych rodników tlenowych) wykorzystywaną powszechnie do oceny zdolności antyoksydacyjnej w próbkach biologicznych i żywności. Najwyższa wartość ORAC odpowiada najwyższej aktywności antyoksydacyjnej. Jako kontroli o najwyższej wartości ORAC spośród jadalnych roślin użyto polifenonu 60 (zawierającego katechiny z zielonej herbaty) i zaobserwowano, że całkowita wartość ORAC dla ksantohumolu była porównywalna do polifenonu 60 i znacznie wyższa niż dla witaminy E i C (tab. 2).

Tabela 2. Wartość ORAC dla wybranych związków chemicznych występujących w szyszkach chmielu (7).

Związki	Całkowita wartość ORAC (μmol troloksu)
Humulony	1,20
Lupulony	1,90
Ksantohumol	4,20
Witamina C	1,40
Witamina E	0,75
Polifenon 60	4,20

Autorzy zbadali również wartość SOAC, określającą zdolność wygaszania tlenu singletowego (Singlet Oxygen Absorbance Capacity), który powstaje w wyniku wzbudzenia cząsteczek tlenu i jest wysoce reaktywny. W białkach tlen singletowy (¹O₂) w największym stopniu uszkadza reszty aminokwasowe metioniny, cysteiny, histydyny i tryptofanu. Spośród składników kwasów nukleinowych najbardziej podatne na działanie ¹O₂ są reszty pirymidynowe, purynowe oraz guanina (8). Tlen singletowy jest też zaangażowany w patogenezę wielu chorób skórnych, takich jak trądzik, atopowe zapalenie skóry czy procesy starzenia skóry. W opisywanych badaniach dla ksantohumolu otrzymano wartość SOAC 8-15-krotnie wyższą niż dla witaminy E czy polifenonu 60. Wyniki tych badań wskazują jednoznacznie, że ksantohumol jest jednym z najlepszych naturalnie występujących antyoksydantów pod względem zdolności zmiatania tlenu singletowego (tab. 3) (7).

Tabela 3. Wartość SOAC dla wybranych związków występujących w szyszkach chmielu (7).

Związki chemiczne	SOAC μmol troloksu
Humulony	0,75
Lupulony	0,80
Ksantohumol	14,10
Witamina E	1,00
Polifenon 60	1,80

W innych badaniach nad kwasami goryczowymi chmielu wykazano hamowanie przez humulony hemolizy erytrocytów indukowanej nadtlenkiem wodoru. Odnotowano również inhibicję peroksydacji lipidów, zarówno w przypadku α-kwasów, jak i β-kwasów, a związki chmielu wykazały nawet silniejsze działanie niż α-tokoferol czy kwas askorbinowy (4).

Właściwości antybakteryjne i przeciwgrzybiczne ekstraktu z szyszek chmielu

Coraz więcej drobnoustrojów chorobotwórczych wytwarza oporność wobec stosowanych do tej pory antybiotyków. Poszukując nowych leków i związków wspomagających leczenie wielu chorób, naukowcy intensywnie badają różne ekstrakty roślinne, w tym również chmiel. W badaniach prowadzonych w warunkach in vitro wykazano silną aktywność hamującą lupulonów i ksantohumolu wobec bakterii indukujących powstawanie trądziku (Propionibacterium acnes, Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes i Kocuria rhizophila). Niskie wartości minimalnych stężeń hamujących związków chmielu są porównywalne do antybiotyków najczęściej stosowanych do leczenia trądziku (erytromycyna i klindamycyna) (7).

W innych badaniach wykazano, że ksantohumol jest związkiem o szerokim spektrum działania przeciwko bakteriom Gram-dodatnim (Streptococcus mutans i Staphylococcus aureus), grzybom (Trichophyton spp.) i wirusom (wirus zakaźnej biegunki bydła BVDV, wirus opryszczki pospolitej typ 1 i 2, cytomegalowirus, HIV-1). Wykazano również silne hamowanie replikacji zarodźca malarii, wywołującego malarię u ludzi (5). Ponadto, badania w układzie modelowym in vitro nad współdziałaniem lupulonów i ksantohumolu z niektórymi antybiotykami w hamowaniu rozwoju drobnoustrojów, wykazały pozytywne współdziałanie związków chmielu z polimyksyną, tobramycyną i cyprofloksacyną.

Nie zbadano jednak dotąd mechanizmów odpowiadających za to zjawisko. Sugeruje się, że antybakteryjne działanie związków występujących w chmielu oparte jest na zmianie właściwości i przepuszczalności błony komórkowej drobnoustrojów. Połączenie terapii antybiotykowej z ekstraktem z chmielu mogłoby spowodować obniżenie potrzebnej ilości antybiotyku, a tym samym zmniejszenie prawdopodobieństwa rozwoju oporności oraz zmniejszenie toksyczności leku dla osoby leczonej. Należy jednak pamiętać, że te badania mają charakter in vitro, a związki występujące w ekstrakcie z chmielu nie mogą być używane ogólnoustrojowo, gdyż ich przeciwdrobnoustrojowe działanie w surowicy krwi jest znacznie niższe (9).

Właściwości estrogenne ekstraktu z szyszek chmielu

W celu łagodzenia symptomów klimakterium często stosuje się hormonalną terapię zastępczą (HTZ). Dostępne dane wskazują na powiązanie stosowania HTZ ze zwiększonym ryzykiem wystąpienia choroby zakrzepowo-zatorowej. Zjawisko to powoduje zmniejszenie liczby pacjentek korzystających z HTZ (6). Wzrasta natomiast zainteresowanie wykorzystaniem ziołowych preparatów uważanych powszechnie za bezpieczne. Ponadto, wiadomo jest, że rośliny zawierają substancje fitoestrogenne, które dają efekt podobny do działania estrogenu. Pomimo, że ich chemiczna struktura nie jest powiązana ze steroidami, związki te mogą wiązać się z receptorami estrogenu (ER) (10).

Najsilniejszą aktywność estrogenną w chmielu wykazuje 8-prenylonaryngenina (8-PN), która powstaje przez izomeryzację prekursorowego chalkonu – desmetyloksantohumolu (11). 8-PN może powstawać również jako produkt demetylacji izoksantohumolu u ludzi dzięki aktywności mikroflory jelitowej. Konwersja ta (do 80%) ma miejsce jedynie w dystalnym odcinku okrężnicy (12). Dodatkowo w wyniku cyklizacji indukowanej przez kwas solny w żołądku ksantohumol może być przekształcony do izoksantohumolu. Wszystkie te procesy wpływają na poziom estrogennej 8-prenylonaryngeniny in vivo (13).

Schaefer i wsp. (18) wykazali, że substancja ta jest najsilniejszym roślinnym agonistą ERα, tj. około 10 razy silniejszym związkiem niż koumestrol i około 100-krotnie silniejszym niż genisteina. Ponadto stwierdza się, że in vitro 8-PN wykazuje ponad dwa razy większe powinowactwo do ERα niż do ERβ. Warto też zauważyć, że in vivo estrogenna działalność tej prenylowej pochodnej naryngeniny jest około 20 000 razy słabsza w porównaniu do 17β-estradiolu (14). W badaniach zapewniających losowość wyboru osób objętych badaniem, kontrolę przez placebo i wykorzystanie standaryzowanego na 8-PN (100 albo 250 μg) ekstraktu chmielowego, wykazano pozytywne działanie w odniesieniu do objawów naczynioruchowych i innych dolegliwości związanych z menopauzą. W szczególności zmniejszenie uderzeń gorąca przez podawanie wyciągu z chmielu było znaczące. Nie wykazano natomiast związku pomiędzy dawką a efektem leczniczym, ponieważ wyższa dawka (250 μg) była tylko niewiele bardziej skuteczna od placebo. Natomiast dawka 100 μg wykazywała wysoką efektywność. Jak sugerują autorzy, mogło to być spowodowane niewystarczającym wchłanianiem większych ilości 8-PN przez organizm. Pomimo to prenylowe flawonoidy chmielu mogą być skutecznym dodatkiem do alternatywnego leczenia objawów menopauzy (15).

Aktywność chemoprewencyjna ekstraktu z szyszek chmielu

Celem chemoprewencji jest zapobieganie procesowi nowotworowemu dzięki stosowaniu naturalnych lub syntetycznych związków hamujących pojawienie się zmian przednowotworowych. Substancje te, głównie pochodzenia roślinnego, przejawiają nieznaczącą toksyczność (16). Według dostępnych danych główne prenylowe flawonoidy chmielu wykazują w różnym stopniu właściwości chemoprewencyjne. Rozwój wielu chorób nowotworowych (m.in. raka śluzówki macicy, sutka, prostaty i okrężnicy) zależny jest od poziomu estrogenów. Zarówno żeńskie hormony płciowe, jak też ich metabolity, mogą indukować wolnorodnikowe uszkodzenia DNA oraz niestabilność genetyczną (17).

Ksantohumol, izoksantohumol i 8-PN w badaniach z użyciem komórek Sk-Br-3 raka piersi hamowały aktywność aromatazy, odpowiadającej za syntezę estrogenów. Ponadto związki te indukowały apoptozę i zmniejszały proliferację komórek rakowych. Hamowanie namnażania się komórek można wyjaśnić przynajmniej częściowo przez niedostateczną dostępność estrogenu spowodowaną zmniejszoną aktywnością aromatazy, gdyż w obecności 17β-estradiolu następuje przywrócenie proliferacji (18). Ksantohumol również w przypadku badań in vitro prowadzonych nad białaczką okazał się skuteczny. Po inkubacji chalkonu z limfocytami, pochodzącymi od pacjentów chorujących na limfocytową białaczkę B-komórkową, odnotowano zależne od dawki indukowanie śmierci komórek (19). Wykazano też, że w przypadku raka prostaty substancje X, 6-PN, 8-PN i IX wykazują aktywność antyproliferacyjną (20). Ksantohumol i jego utleniona pochodna – ksantoaurenol (XAL), indukują apoptozę zależną od dawki, zarówno w komórkach hyperplazji (BPH-1), jak też złośliwego raka prostaty (PC3). Komórki BPH-1 były bardziej wrażliwe na działanie XN niż komórki PC-3. Dlatego też skuteczność działania substancji XN i XAL ograniczona jest do wczesnej karcynogenezy lub hiperplazji prostaty.

Nowotwory człowieka odznaczają się również konstytutywną aktywacją czynnika transkrypcji NFκB prowadzącą do nadekspresji genów kodujących cytokiny zapalne, cząsteczki adhezyjne, czynniki wzrostu i białka antyapoptotyczne. Wykazano, że związki X i XAL hamują działanie NFκB jedynie w komórkach hiperplazji prostaty, ale nie w złośliwym nowotworze (21). Ponadto właściwości antymutagenne związków chmielu są niezwykle ważne dla chemoprewencji. Kac i wsp. (22) stwierdzili antymutagenną aktywność X przed mutacjami indukowanymi 2-amino-3-metyloimidazo (4,5-f) chinozolem (IQ), zarówno dla bakteryjnych komórek Salmonella typhimurium TA98, jak i ludzkich komórek wątrobiaka HepG2. Komórki HepG2 są bardzo dobrym wskaźnikiem przy badaniu antymutagenów żywieniowych, gdyż utrzymują działalność wielu enzymów metabolizujących leki w formie indukowalnej, a genotoksyczność wielu karcynogenów m.in. IQ zależy od ich metabolicznej aktywacji do reaktywnych mediatorów. Wykazano natomiast, że sam X nie wpływa na zdolności przeżyciowe komórek HepG2 i nie indukuje uszkodzeń DNA. Wyniki tych badań potwierdzają silnie ochronną aktywność X przed genotoksycznością pożywienia na przykładzie rakotwórczego IQ. Różnorodne działanie chemoprewencyjne ksantohumolu przedstawiono na rycinie 3.

Ryc. 3. Ksantohumol jako związek chemoprewencyjny o szerokim spektrum działania (22).

Właściwości uspokajające ekstraktu z szyszek chmielu

Połączenie terapii z zastosowaniem ekstraktu z Humulus lupulus z innymi ekstraktami ziołowymi jest od dawna stosowane w postaci środka uspokajającego i nasennego. Ziołowe mieszanki nie pozwalają jednakże ocenić potencjalnej skuteczności klinicznej chmielu zażywanego osobno. Początkowo uważano, że substancją odpowiedzialną za działanie uspokajające i nasenne chmielu jest 2-metylo-3-buten-2-ol, produkt reakcji degradacji kwasów goryczowych, ale zawartość procentowa tego alkoholu w świeżym chmielu wynosi jedynie 0,012-0,042%. Jest zatem zbyt niska, aby ten związek chemiczny mógł odgrywać główną rolę w aktywności uspokajającej.

Schiller i wsp. (23) badali konsekwencje do ustnego podawania szczurom zarówno etanolowego ekstraktu chmielowego, jak i ekstraktu uzyskanego w warunkach nadkrytycznych z wykorzystaniem dwutlenku węgla. Obydwa ekstrakty z chmielu redukowały spontaniczną aktywność motoryczną, wydłużyły czas snu indukowanego kolejno: ketaminą i eterem oraz obniżyły temperaturę ciała, potwierdzając uspokajającą aktywność chmielu. Jednak największą aktywność wykazano dla ekstraktu zawierającego głównie α-kwasy (25 mg/kg).

Nie można jednak wykluczyć, że chmiel może zawierać dodatkowe czynne substancje o aktywności uspokajającej (23). W badaniach z wykorzystaniem zwierząt, doustne podawanie lupulonów spowodowało obniżenie efektu nasennego pentobarbitalu, nasilenie drgawek indukowanych pikrotoksyną i wzmożoną motorykę. Wyniki te sugerują antagonistyczny wpływ β-kwasów na neurotrasmisję GABAergiczną, zmniejszając prawdopodobieństwo udziału tej frakcji kwasów goryczowych we właściwościach uspokajających chmielu (24).