Synergistic Effects of Curcumin and Piperine as Potent Acetylcholine and Amyloidogenic Inhibitors With Significant Neuroprotective Activity in SH-SY5Y Cells via Computational Molecular Modeling and in vitro Assay

Les caractéristiques de la pathologie de la maladie d'Alzheimer (MA) comprennent la carence en acétylcholine et le dépôt de plaques. Des études émergentes suggèrent que l'acétylcholinestérase (AChE) peut interagir avec la bêta-amyloïde (Aβ) pour favoriser l'agrégation de plaques bêta-amyloïdes insolubles dans le cerveau des patients. Les options thérapeutiques actuelles disponibles pour les patients atteints de MA, telles que les inhibiteurs de l'AChE, ne procurent qu'un soulagement symptomatique. Dans cette étude, nous avons examiné quatre composés naturels censés présenter des avantages cognitifs : la curcumine, la pipérine, le bacoside A et l'acide chébulinique. Dans la première section, le criblage préliminaire par des simulations d'amarrage moléculaire computationnelles a évalué l'adéquation des composés en tant que nouveaux inhibiteurs de l'AChE. À partir de là, seuls les composés répondant aux critères de sélection in silico ont été sélectionnés pour la deuxième section par des investigations in vitro, y compris le test d'inhibition de l'enzyme AChE, le test MTT, le test ThT et l'analyse biochimique via un modèle de lignée cellulaire neuronale. Parmi les quatre composés criblés, seules la curcumine (-9.6kcal/mol) et la pipérine (-10.5kcal/mol) ont montré des affinités de liaison et des interactions favorables vis-à-vis de l'AChE et ont donc été sélectionnées. In vitro, l'inhibition de l'AChE a démontré que la combinaison de curcumine et de pipérine présentait une plus grande inhibition de l'AChE avec une CI50 de 62,81 ± 0,01μg/mL par rapport aux composés individuels, c'est-à-dire une CI50 de curcumine à 134,5 ± 0,06µg/mL et une CI50 de pipérine à 76,6 ± 0,08µg/mL. Dans le modèle cellulaire SH-SY5Y, cette combinaison a préservé la viabilité cellulaire jusqu'à 85 %, ce qui indique que les composés protègent contre les dommages neuronaux induits par l'Aβ (p<0,01). Fait intéressant, nos résultats ont également montré que la curcumine et la pipérine avaient un effet synergique à 35 µM avec une valeur SQ de 1,824. Le comportement synergique indique que la combinaison de ces deux composés à des concentrations plus faibles peut fournir un meilleur résultat qu'individuellement pour les protéines Aβ. La curcumine et la pipérine combinées ont réussi à inhiber l'agrégation (intensité réduite de la ThT à 0,432 u.a.) (p<0,01) ainsi que la désagrégation (intensité réduite de la ThT à 0,532 u.a.) (p<0,01) de l'Aβ42 fibrillaire. De plus, la combinaison de curcumine et de pipérine a inversé la régulation positive du stress oxydatif neuronal induite par l'Aβ (p<0,01). En conclusion, la curcumine et la pipérine ont démontré des effets neuroprotecteurs prometteurs alors que le bacoside A et l'acide chébulinique peuvent ne pas être des composés de plomb appropriés. Ces résultats devraient faire progresser le domaine de la recherche sur les produits naturels en tant qu'agents thérapeutiques et curatifs potentiels de la MA.

Las características distintivas de la patología de la enfermedad de Alzheimer (EA) incluyen la deficiencia de acetilcolina y la deposición de placa. Estudios emergentes sugieren que la acetilcolinesterasa (AChE) puede interactuar con la beta amiloide (Aβ) para promover la agregación de placas beta amiloides insolubles en el cerebro de los pacientes. Las opciones terapéuticas actuales disponibles para los pacientes con EA, como los inhibidores de la AChE, solo proporcionan alivio sintomático. En este estudio, examinamos cuatro compuestos naturales que se cree que tienen beneficios cognitivos: curcumina, piperina, bacósido A y ácido chebulínico. En la primera sección, el cribado preliminar a través de simulaciones computacionales de acoplamiento molecular midió la idoneidad de los compuestos como nuevos inhibidores de la AChE. A partir de aquí, solo se seleccionaron los compuestos que cumplían con los criterios de selección in silico para la segunda sección a través de investigaciones in vitro, incluido el ensayo de inhibición de la enzima AChE, el ensayo MTT, el ensayo ThT y el análisis bioquímico a través de un modelo de línea celular neuronal. De los cuatro compuestos examinados, solo la curcumina (-9.6kcal/mol) y la piperina (-10.5kcal/mol) mostraron afinidades de unión e interacciones favorables hacia la AChE y, por lo tanto, se seleccionaron. La inhibición de AChE in vitro demostró que la combinación de curcumina y piperina mostró una mayor inhibición de AChE con una IC50 de 62.81 ± 0.01μg/mL en comparación con los compuestos individuales, es decir, IC50 de curcumina a 134.5 ± 0.06µg/mL e IC50 de piperina a 76.6 ± 0.08µg/mL. En el modelo de células SH-SY5Y, esta combinación conservó la viabilidad celular hasta en un 85%, lo que indica que los compuestos protegen contra el daño neuronal inducido por Aβ (p<0,01). Curiosamente, nuestros resultados también mostraron que la curcumina y la piperina lograron un efecto sinérgico a 35 µM con un valor SQ de 1.824. El comportamiento sinérgico indica que la combinación de estos dos compuestos a concentraciones más bajas puede proporcionar un mejor resultado que individualmente para las proteínas Aβ. La combinación de curcumina y piperina logró inhibir la agregación (intensidad de ThT reducida a 0.432a.u) (p<0.01), así como la desagregación (intensidad de ThT reducida a 0.532a.u) (p<0.01) de Aβ42 fibrilar. Además, la curcumina y la piperina combinadas invirtieron la regulación positiva inducida por Aβ del estrés oxidativo neuronal (p<0,01). En conclusión, la curcumina y la piperina demostraron efectos neuroprotectores prometedores, mientras que el bacósido A y el ácido chebulínico pueden no ser compuestos de plomo adecuados. Se espera que estos resultados avancen en el campo de la investigación de productos naturales como posibles agentes terapéuticos y curativos para la EA.

Hallmarks of Alzheimer's disease (AD) pathology include acetylcholine deficiency and plaque deposition. Emerging studies suggest that acetylcholinesterase (AChE) may interact with amyloid beta (Aβ) to promote aggregation of insoluble amyloid beta plaques in brains of patients. Current therapeutic options available for AD patients, such as AChE inhibitors, provide only symptomatic relief. In this study, we screened four natural compounds believed to harbour cognitive benefits- curcumin, piperine, bacoside A and chebulinic acid. In the first section, preliminary screening through computational molecular docking simulations gauged the suitability of the compounds as novel AChE inhibitors. From here, only compounds that met the in silico selection criteria were selected for the second section through in vitro investigations, including AChE enzyme inhibition assay, MTT assay, ThT assay and biochemical analysis via a neuronal cell line model. Of the four compounds screened, only curcumin (-9.6kcal/mol) and piperine (-10.5kcal/mol) showed favorable binding affinities and interactions towards AChE and were hence selected. In vitro AChE inhibition demonstrated that combination of curcumin and piperine showed greater AChE inhibition with an IC50 of 62.81 ± 0.01μg/mL as compared to individual compounds, i.e., IC50 of curcumin at 134.5 ± 0.06µg/mL and IC50 of piperine at 76.6 ± 0.08µg/mL. In SH-SY5Y cell model, this combination preserved cell viability up to 85%, indicating that the compounds protect against Aβ-induced neuronal damage (p<0.01). Interestingly, our results also showed that curcumin and piperine achieved a synergistic effect at 35µM with SQ value of 1.824. Synergistic behavior indicates that combination of these two compounds at lower concentrations may provide a better outcome than individually for Aβ proteins. Combined curcumin and piperine managed to inhibit aggregation (reduced ThT intensity at 0.432a.u) (p<0.01) as well as disaggregation (reduced ThT intensity at 0.532a.u) (p<0.01) of fibrillar Aβ42. Furthermore, combined curcumin and piperine reversed the Aβ-induced up-regulation of neuronal oxidative stress (p<0.01). In conclusion, curcumin and piperine demonstrated promising neuroprotective effects whereas bacoside A and chebulinic acid may not be suitable lead compounds. These results are hoped to advance the field of natural products research as potential therapeutic and curative AD agents.

تشمل العلامات المميزة لعلم أمراض الزهايمر (AD) نقص الأسيتيل كولين وترسب البلاك. تشير الدراسات الناشئة إلى أن أستيل كولينستراز (AChE) قد يتفاعل مع بيتا الأميلويد (Aβ) لتعزيز تجميع لويحات بيتا الأميلويد غير القابلة للذوبان في أدمغة المرضى. توفر الخيارات العلاجية الحالية المتاحة لمرضى الزهايمر، مثل مثبطات AChE، تخفيف الأعراض فقط. في هذه الدراسة، فحصنا أربعة مركبات طبيعية يُعتقد أنها تحتوي على فوائد معرفية - الكركمين والبيبيرين والباكوزيد أ وحمض الشيبولينيك. في القسم الأول، قام الفحص الأولي من خلال عمليات محاكاة الالتحام الجزيئي الحسابي بقياس مدى ملاءمة المركبات كمثبطات AChE جديدة. من هنا، تم اختيار المركبات التي تفي بمعايير اختيار السيليكو فقط للقسم الثاني من خلال الفحوصات المختبرية، بما في ذلك اختبار تثبيط إنزيم AChE، وفحص MTT، وفحص ThT والتحليل الكيميائي الحيوي عبر نموذج خط الخلية العصبية. من بين المركبات الأربعة التي تم فحصها، أظهر الكركمين (-9.6kcal/mol) والبيبيرين (-10.5kcal/mol) فقط روابط وتفاعلات ملزمة مواتية تجاه AChE وبالتالي تم اختيارهما. أظهر تثبيط AChE في المختبر أن مزيج الكركمين والبيبيرين أظهر تثبيط AChE أكبر مع IC50 من 62.81 ± 0.01ميكروغرام/مل مقارنة بالمركبات الفردية، أي IC50 من الكركمين عند 134.5 ± 0.06ميكروغرام/مل و IC50 من البيبيرين عند 76.6 ± 0.08ميكروغرام/مل. في نموذج خلية SH - SY5Y، حافظ هذا المزيج على بقاء الخلية بنسبة تصل إلى 85 ٪، مما يشير إلى أن المركبات تحمي من تلف الخلايا العصبية الناجم عن Aβ (p<0.01). ومن المثير للاهتمام أن نتائجنا أظهرت أيضًا أن الكركمين والبيبيرين حققا تأثيرًا تآزريًا عند 35 ميكرومتر بقيمة SQ تبلغ 1.824. يشير السلوك التآزري إلى أن الجمع بين هذين المركبين بتركيزات أقل قد يوفر نتيجة أفضل من بروتينات Aβ بشكل فردي. تمكن الكركمين والبيبيرين مجتمعين من منع التكتل (انخفاض كثافة THT عند 0.432a.u) (p<0.01) وكذلك التصنيف (انخفاض كثافة THT عند 0.532a.u) (p<0.01) من اللييفات Aβ 42. علاوة على ذلك، عكس الكركمين والبيبيرين مجتمعين التنظيم العلوي المستحث بـ Aβ للإجهاد التأكسدي العصبي (p<0.01). في الختام، أظهر الكركمين والبيبيرين تأثيرات واعدة على الحماية العصبية في حين أن الباكوزيد أ وحمض الشيبولينيك قد لا يكونا مركبين مناسبين للرصاص. ومن المأمول أن تعزز هذه النتائج مجال أبحاث المنتجات الطبيعية كعوامل علاجية وعلاجية محتملة لمرض الزهايمر.