Полифенолы – органические соединения, структура которых содержит ароматические бензольные кольца с различным количеством гидроксильных групп. Эти вторичные метаболиты растений обладают антиоксидантной, противовоспалительной, антимикробной, противоопухолевой и противовирусной активностью и широко используются в фармакологии. Благодаря своей амфифильной природе полифенолы способны встраиваться в липидные мембраны и изменять их физико-химические свойства. Поскольку процесс слияния мембран чувствителен к изменению характеристик бислоя, можно предположить, что изучаемые соединения могут модулировать этот процесс.

Данная работа посвящена поиску ингибиторов кальций-опосредованного слияния отрицательно заряженных малых липидных везикул (МЛВ) среди полифенолов, установлению взаимосвязи между структурой тестируемых соединений и их способностью подавлять слияние мембран, а также выявлению возможных механизмов их антифузогенной активности.

Метод высвобождения кальцеина из липосом был использован для количественной оценки ингибирующего действия полифенолов при слиянии МЛВ, сформированных из смеси фосфатидилхолина (ФХ), фосфатидилглицерина (ФГ) и холестерина (ХОЛ) (40/40/20 мол. %). Была оценена способность восемнадцати полифенолов подавлять слияние липидных мембран. Ингибирующую активность продемонстрировали стильбен пицеатаннол (67%), флаванонол таксифолин (37%), флавонолы кверцетин (85%) и мирицетин (58%), а также флаван-3-ол катехин (22%). Агликоны, содержащие от 1 до 3 OH-групп, а также гликозиды не ингибировали кальций-опосредованное слияние МЛВ. Соединениями, способными подавлять слияние отрицательно заряженных мембран, являлись агликоны, содержащие от 4 до 6 OH-групп. Анализ данных показал, что определяющим фактором для проявления антифузогенной активности являлось количество гидроксильных групп в A- и B-кольцах, тогда как структура C-кольца могла быть различной.

Для выявления механизмов ингибирующего действия тестируемых полифенолов с помощью метода дифференциальной сканирующей микрокалориметрии была проанализирована способность растительных полифенолов изменять термотропные характеристики ФХ и ФГ. Влияние исследуемых соединений на фазовый переход ФХ было сильнее, чем на плавление ФГ. Показано, что способность полифенолов подавлять слияние липидных мембран связано с их разупорядочивающим действием.

Анализ структур тестируемых соединений и полученных результатов позволил выдвинуть предположение, что антифузогенное действие полифенолов зависит от глубины погружения молекул в бислой и их ориентации в мембране. Значительной способностью подавлять слияние МЛВ характеризуются полифенолы, преимущественно локализованные в области липидных головок и расположенные перпендикулярно нормали к плоскости бислоя. Вероятно, такие соединения индуцируют положительную кривизну монослоя, что приводит к ингибированию слияния липидных мембран вследствие увеличения энергетических затрат на образование промежуточных интермедиатов слияния, характеризующихся отрицательной кривизной.

Работа выполнена в рамках гранта РНФ № 22-15-00417.

Polyphenols are plant metabolites containing aromatic benzene rings with various number of hydroxyl groups. These compounds demonstrate antioxidant, anti-inflammatory, antimicrobial, antitumor and antiviral activity and are widely used in pharmacology. Due to their amphiphilic structure, polyphenols can interact to lipid membranes and change their physical properties. Since the process of membrane fusion is sensitive to changes in bilayer characteristics, we can propose that polyphenols can modulate this process.

This work is devoted to the search among polyphenols for inhibitors of calcium-mediated fusion of negatively charged small lipid vesicles (SLV) and to investigation of relation between the structure of tested compounds and their ability to inhibit membrane fusion, and to identification of possible mechanisms of their antifusogenic activity.

Calcein release assay was used to quantify the inhibitory effect of polyphenols on the fusion of SLVs composed of a mixture of phosphatidylcholine (PC), phosphatidylglycerol (PG) and cholesterol (CHOL) (40/40/20 mol%). The ability of eighteen polyphenols to inhibit lipid membrane fusion was found. Stilben piceatannol (67%), flavanonol taxifolin (37%), flavonols quercetin (85%) and myricetin (58%), and flavan-3-ol catechin (22%) demonstrated inhibitory effect. Aglycones containing 1-3 OH-groups as well as glycosides did not inhibit calcium-mediated SLV fusion. Aglycones containing 4-6 OH-groups were able to inhibit fusion of negatively charged vesicles. Analysis of the data showed that the number of hydroxyl groups in the A- and B-rings determined the antifusogenic activity of polyphenols, whereas the structure of the C-ring did not matter.

To reveal the mechanisms of the inhibitory effect of tested polyphenols, their ability to change the thermotropic characteristics of PC and PG was analyzed using differential scanning microcalorimetry. The influence of the studied compounds on the phase transition of PC was stronger than on the melting of PG. It was shown that the ability of polyphenols to inhibit the fusion of lipid membranes was associated with their disordering action.

Suggested that the antifusogenic effect of polyphenols was depended on the depth of immersion of molecules into bilayer and their orientation in the membrane. Polyphenols that are predominantly localized in the area of lipid heads and orientated perpendicular to the normal to the bilayer surface are characterized by a significant ability to inhibit SLV fusion. Probably, such compounds induce a positive curvature of the lipid monolayers, which leads to the inhibition of lipid membrane fusion due to the increased energy of the formation of fusion intermediates characterized by negative curvature.

This work was supported by Russian Science Foundation grant № 22-15-00417.