Cumarine

Ágnes Alberti

17. 03. 2016

Cumarin* wurde im Jahre 1822 bei Vogel aus den Tonkabohnen

(2-3% Cumarin) isoliert. Das sind die Samen eines in Guayana

heimischen Baumes, Coumarouna odorata Aubl. (Synonym: Dipteryx

odorata Willd.) (Familie: Fabaceae). Nach der Bezeichnung

„Coumarouna“ für die Samen erhielt die intensiv duftende Substanz

den Namen Cumarin. Dieser Name für die Einzelsubstanz ging

später auf die dasselbe Grundgerüst aufgewiesenen Pflanzenstoffe

als Gruppenbezeichnung über.

Cumarine sind intensiv duftend. Sie verleihen dem frischen Heu den

charakteristischen Duft.

Cumarine

*Cumarin: Artefakt, das aus der glykosidischen Vorstufe, dem o-Cumarsäureglucosid beim Trocknen des Pflanzenmaterials entsteht.

In der Pharmazie / Lebensmittelindustrie als Aromatikum verwendet. Wegen des Verdachts auf Karzinogenität wurde seine Verwendung in den 1950er-Jahren verboten.

Neues Interesse: Immunomodulatorisch, direkte Antitumoreigenschaften (Nierenzellkarzinom, malignen Melanom, Prostatakarzinom)

CUMARINE

BILDUNG VON PHENOLEN / CUMARINEN ÜBER DEN

SHIKIMATWEG

Cumarin-Grundgerüst: Benzo-α-pyron / 1,2-Benzopyron

immunomodulierend, Antitumoreigenschaften (beim Nierenzellkarzinom, malignen

Melanom und Prostatakarzinom)

weitere Cumarinwirkungen: analgetisch, antifungal, antioxidativ, choleretisch,

ödemhemmend, sedativ, spasmolytisch, photosensibilisierend

(PEP + Erythrose-4-Phosphat → Shikimisäure → aromtische

Aminosäuren (Phe / Tyr) → Zimtsäure (Hydroxyzimtsäuren)

5

8

6

7

3

2

4

O1

O

COOH COOH

OH

COOH

O Glc

O GlcCOOH

OHCOOH

O O

Kumarin; C9H6O2

E

Z

transz-Fahéjsav o-Kumársavo-Kumársav glikozid

(=Melilotosid)

o-Kumarinsav glikozid Kumarinsav Kumarin

Hidroxiláció Glikozidáció

Izomerizáció

(Enzim)

Enzim spontán

-H2O

BILDUNG DER GLYKOSIDISCHEN CUMARINVORSTUFEN IN DER PFLANZE UND

IHRE UMWANDLUNG IN CUMARIN

ortho-Hydroxylierung der Zimtsäure → Konfigurationswechsel in der Seitenkette

der 2-Hydroxyzimtsäure (photokatalisiert) → cis-Konfiguration (instabil) →

spontane Lactonisierung → Lactongerüst (Cumarine: Lactonderivate der

Zimtsäuren)

7-Hydroxycumarin / Umbelliferon Muttersubstanz für die Mehrheit der

Cumarine

CUMARIN GRUNDGERÜSTE UND IHRE ENTSTEHUNG

Nomenklatur nach IUPAC: 2H-1-Benzopyran-2-on

Cumarine oder 1,2-Benzopyrone: stellen Lactone einer entsprechenden

o-Hydroxycarbonsäure dar

In Lauge öffnet sich der Lactonring (α-Pyron-Ring)

Bildung der o-Hydroxycarbonsäuren; Ansäuern führt zur Rezyklisierung

Cumarine sind meist in der C7 Position substituiert

Ferulasäure

p-Methoxy-Kaffeesäure Kaffeesäure

o-Hydroxyzimtsäure Ferulasäure

Herniarin Aesculetin Scopoletin

CHEMISCHE EIGENSCHAFTEN

Cumarine kommen in zwei Polaritätsstufen vor:

Glykoside von Hydroxycumarinen

Lipophile Cumarine (durch terpenoide Reste substituiert)

Löslichkeit in wässriger alkalischer Lösung und Extrahierbarkeit mit Ether oder Ethylacetat nach Sauerstellen der wässrigen Phase → Isolierung

Lipophile Cumarine sind sublimierbar, oder mit Wasserdampf flüchtig charakteristische Inhaltsstoffe bestimmter ätherischen Öle, z.B. von Citrus-Arten (Agrumenöle).

Bergamottöl, ein wichtiger Bestandteil des Kölnisch Wasser, enthält die lipophilen Cumarine: Bergapten, Citropten, Bergamottin.

intensive Fluoreszenz (UV 365 nm)

Viele Cumarine zeigen intensive

Fluoreszenz (v.a. im alkalischen Milieu)

Stellungsisomere Cumarine können

sich im Fluoreszenzverhalten

grundlegend unterscheiden

(z.B. Aesculin/Cichoriin) UV-365

Umbelliferon

Scopoletin

Herniarin

Hern

iari

ae

herb

a

Melilo

ti

herb

a

Asp

eru

lae

herb

a

Ab

rota

ni

herb

a

Ru

tae

herb

a

KOH

UV-365

Cumarin Herniarin

Umbelliferon

Scopoletin

HYDROXYCUMARINE

Hydroxy- und Methoxy-cumarinaglykone und –glykoside

Pyranocumarine Furano-γ-chromone

(in Ammi visnaga-Früchten)

Biogenetische Zusammenhänge zwischen den Furano- und den Pyranocumarinen:

sie sind Varianten einer durch Isoprenyl substituierten Cumarinstufe.

Prenylierung: In 6-Stellung führt zu den linearen Pyranocumarinen vom Xanthyletintyp

In 8-Stellung führt zu den angularen Pyranocumarinen vom Seselintyp

FURANOCUMARINE

Prenylierung: In 6-Stellung führt zu den linearen Furanocumarinen vom Psoralentyp In 8-Stellung führt zu den angularen Furanocumarinen vom Angelicintyp Die linearen Furanocumarine / Psoralene haben photosensibilisierende

Eigenschaften.

Vorkommen von Cumarinen

• Vorkommen von Cumarinen beschränkt sich auf gewisse

Pflanzen-Familien, doch sind sie über das ganze Pflanzenreich

verbreitet.

Vor allem in der Familie von Apiaceae

Weitere Familien sind z.B. Asteraceae, Rutaceae, Solanaceae

• Cumarine kommen in allen Organen vor.

• Höchster Cumaringehalt:

Daphne odora - Duftender Seidelbast (Thymelaeaceae)

Daphnetin (22%)

WIRKUNGEN VON CUMARINEN

Je nach chemischen Struktur Verschiedene Bioaktivitäten von medizinisch-pharmazeutischem / toxikologischem Interesse

Hepatotoxische und karzinogene Aflatoxine (Cumarinteil)

Antibiotisch: Novobiocin und Coumermycin A1

Cumarinwirkungen sind u. a.: analgetisch, antifungal, antiviral, antioxidativ, antimitotisch, immunmodulierend, choleretisch, ödemhemmend, sedativ, spasmolytisch, photosensibilisierend.

Mit Ausnahme von Cumarin wenige Angaben über Metabolismus und Pharmakokinetik.

Lipophile Cumarine werden vom Magen-Darm-Trakt aus resorbiert, nach Resorption gelangen sie in das Zentralnervensystem.

Sie werden in der Haut abgelagert und gespeichert.

Sie können unbemerkt bleiben (Ausgenommen lineare Furanocumarine der Psoralenreihe – photosensibilisierende Eigenschaften.

Dicumarol: Muttersubstanz vieler synthetischer Antikoagulanzien.

Aflatoxin ist nur formalisch als

Cumarin betrachtet. Biogenetisch

ist es Polyketid mit einem

Cumarinteil.

Cumarin-Derivate in Mikroorganismen,

Bakterien und Pilzen

Aflatoxin-B1

Mykotoxin

(Aspergillus flavus)

Novobiocin

Streptomyces niveus

(Gram+ Bacterie)

Aminocumarin (Benzoesäure-Derivat

+ Cumaringruppe + Novobios

Zuckerteil)

Bedeutung von Aflatoxinen

• Wegen Pilzinfektion gewisser Lebensmittel, z. B. Erdnüsse, Getreide und

Gewürzpaprika, entstehen toxische Verbindungen, sog. Micotoxine.

• Mehrere Sorten (> 20) sind bekannt.

• Ist von groβer Bedeutung für Gesundheit und Wirtschaft!

Akute und kronische Vergiftungen

→ Schädigung der Leber, der Nieren und des Nervensystems

→ kronische Vergiftung: Leberkarzinom

→ sogar tödliche Fälle

• Das betroffene Lebensmittel ist nicht mehr verzehrbar - weder nach

Entfernung der Pilz-Mycelien!!!

• Aflatoxine sind thermostabil!!!

Aflatoxin B1: die letale Dosis beträgt bei Erwachsenn 1-10 mg/kg

Körpergewicht bei oraler Aufnahme → stark giftig!

Nach Aufnahme in Hepatozyten wird Aflatoxin während der Biotransfornation oxidativ in

ein sehr reaktionsfähiges Epoxid umgewandelt, das in den Nucleus eingedringt bildet

Addukte mit der DNA, und verursacht Mutationen und Tumore.

LICHTSENSIBILISIERENDE CUMARINE Photosensibilisatoren:

absorbieren biologisch unschädlichen UV-Bereichs 320–400 nm, induzieren chemische Reaktionen,

zelltoxische Pyrimidindimeren und hochreaktive Radikale werden gebildet → Hautläsionen

Phototoxische Stoffe steigern bei Einwirkung auf die Haut und gleichzeitiger Lichtexposition die Empfindlichkeit der Haut gegen Sonnenbestrahlung:

Photodermatitiden „Wiesendermatitis“

Photodermatitis hervorrufende Arten:

• Gartenraute (Ruta graveolens L.)

• Bärenklau-Arten (Heracleum-Arten)

• Schafgarbe (Achillea millefolium L.)

• Pastinak (Pastinaca sativa L.)

• Engelwurz (Angelica archangelica L.)

• Liebstöckel (Levisticum officinale L.)

• Blätter des Feigenbaums (Ficus carica L.)

• Ammi majus L.

Berloque-Dermatitis: phototoxische Reaktion von Bergamottöl hervorgerufen

nach dem Verreiben von Kölnisch Wasser.

lineare Furanocumarine der Psoralenreihe: Psoralen, Xanthotoxin, Bergapten

LICHTSENSIBILISIERENDE LINEARE FURANOCUMARINE

ENTSTEHUNG ZELLTOXISCHER PYRIMIDINDIMEREN

Photochemotherapie: bei Hauterkrankungen Vitiligo, Psoriasis, Dermatosen Anwendung (peroral/äußerlich) von Xanthotoxin (Ammi majus L.), zusätzliche Bestrahlung mit

langwelligem UV-Licht (UV-A) Als Folge der Reaktion mit der DNA die Melaninbildung erhöht.

Lineare Furanocumarine können mit der DNA reagieren Furanocumarine werden an die Pyrimidinbasen der DNA angelagert → Bei der Bestrahlung mit UV-A werden sie kovalent verknüpft

Bei längerer Bestrahlung entstehen Diaddukte → Verknüpfung der beiden Einzelstränge des DNA-Doppelstränges (Cross-linking) → Replikation und Transkription der DNA verunmöglicht Auch Psoralen-Protein-Photoaddukten können entstehen.

Furanocumarine ( pl. Xanthotoxin = 8-Methoxypsoralen)

Phototoxische Effekte – Wiesendermatitis:

- Rotfärbung der Haut

- Schwellung (Oedema)

- Blasenbildung

- Gewebeschädigung

- erhöhte Pigmentation

24 h

72 h

Mehrere Heracleum-Arten enthalten

Furanocumarine z. B. H. montana in Siebenbürgen.

Riesen-Bärenklau (H. mantegazzianum)

3 m hoche, dekorative Zierpflanze

Im Europa war es etwa 1890 aus dem Kaukasus

eingeführt.

Heracleum-Arten (Bärenklau)

Intensive UV Strahlung und hohe Luftfeuchtigkeit

verstärken die Hautreaktion.

Mikrobiologische Bildung von Dicumarol

Durch schlechte Lagerung verdorbener Steinklee führt, an Rinder verfüttert, zur

sog. „sweet clover disease“. Die erkrankten Tiere zeigen eine schwere

Blutungsneigung, an der sie zugrunde gehen.

Als toxisches Prinzip wurde Dicumarol [3,3′-Methylen- bis(4-hydroxycumarin)]

identifiziert, es ist nicht nativ im Steinklee enthalten (Artefakt).

Bildung von Dicumarol aus cis-o-Dihydrocumarsäure (cis-Melilotsäure) unter dem Einfluss von Schimmelpilzen wie Aspergillus fumigatus. Das C-Atom der Methylenbrücke scheint über ein Formaldehydäquivalent gebildet zu werden. Cumarin ist keine Vorstufe der mikrobiellen Dicumarolbildung.

Dicumarol ist ein Vitamin-K-Antagonist, hemmt die Synthese von Prothrombin,

sowie die Gerinnungsfaktoren VII, IX, X in der Leber

→ Hemmt die Blutgerinnung

Ausgangspunkt zur Entwicklung synthetischer Cumarine mit

gerinnungshemmenden Eigenschaften → Therapeutisch werden

Antikoagulanzien zur Thromboseprophylaxe eingesetzt

Dicumarol als Rhodentizid

Pestepidemien im Mittelalter wurden bei Ratten vermittelt.

Ratten verzehren kein giftiges Futter, wenn die Anderen gleich eingehen.

Dicumarole → die Ratten gehen an Gewebs- und Hautblutungen zugrunde,

Die Verbindungen weisen eine geringe akute Toxizität auf, wirken aber

aufgrund ihrer chronischen Toxizität.

Dicumarol als Chemotherapeutikum

Dicumarol hat antiproliferative Eigenschaften. Die Substanz interagiert mit

Tubulin und hat eine einzigartige, die Mikrotubuli stabilisierende Wirkung, die

diejenige von Taxol synergistisch beeinflusst.

Wirkungen von Dicumarol

Drogen mit einfachen Cumarinen

- Meliloti herba (+ Dicumarol)

- Asperulae odoratae herba (Galiae odoratae herba)

- Hyppocastani semen (Aesculetin)

- Solanaceae-Spezies (Scopoletin)

- Herniariae herba (Herniarin)

- Rutae herba

- Matricaria recutita

- Manna (Fraxin, Fraxetin)

Drogen mit Furanocumarinen - Ammi majus, Pastinaca sativa

Drogen mit Pyranocumarinen - Ammi visnaga

Einordnung der Drogen

Inhaltsstoffe

• Cumarin (0,4–0,9%; Ph.Eur. mindestens 0,3%)

3,4-Dihydrocumarin (Melilotin)

Hydroxycumarine (Scopoletin und Umbelliferon)

• Phenolische Säuren und Glykoside: Kaffeesäure, p- und o-Cumarsäure, Salicylsäure, o-Dihydrocumarsäure (Melilotsäure)

• Flavonoide (Kämpferol- und Quercetinglykoside)

• Triterpensaponine (mit den Aglykonen Melilotigenin und Soyasapogenol B)

Analytische Kennzeichnung

DC-Nachweis (Ph.Eur.) von Cumarin und o-Cumarsäure

Gehaltsbestimmung: Ph.Eur. bestimmt den Gehalt an Cumarin mit der HPLC

In Mitteleuropa und Kleinasien verbreitet. reich verästelter, derber Stängel, dreizählige Laubblätter,

Teilblättchen länglich bis elliptisch geformt, der Rand ist gezähnt,

gelbe Schmetterlingsblüten in einseitswendigen lockeren Trauben

UMBILDUNG VON MELILOTUS-CUMARINEN

Melilotosid bildet sich durch die Wirkung von Enzym + Licht zu Cumarin um.

Cumarin (0,4–0,9%; Ph.Eur. mindestens 0,3%)

3,4-Dihydrocumarin (Melilotin)

Hydroxycumarine (Scopoletin und Umbelliferon)

Cumarsäure

(cis) Cumarsäure-Glucoside

(cis)

H+ Enzym

H+ Enzym

Melilotosid

(o-Cumarsäure-Glucoside (trans)) o-Cumarsäure (trans)

Cumarin

WIRKUNGEN, ANWENDUNG

In der Volksmedizin: als Diuretikum Zubereitungen aus Steinklee

Innerlich gegen Beschwerden bei chronischer venöser Insuffizienz (Schmerzen und Schweregefühl in den Beinen, nächtliche Wadenkrämpfe, Juckreiz und Schwellungen)

zur unterstützenden Behandlung von Thrombophlebitis, von postthrombotischen Syndroms, von Hämorrhoiden und Lymphstauungen.

Äußerlich zur Behandlung von Prellungen, Verstauchungen und oberflächlichen Blutergüssen

entzündungshemmend, spasmolytisch und ödemhemmend

Chronische venose Insuffizienz (CVI): Störungen des venosen Abflusses Symptome:

Knochel und Unterschenkelödeme, Schwere- und Spannungsgefühl oder Schmerzen in den Beinen, die

Erweiterung subkutaner Venen, zusätzliche Hyper- und Depigmentierung der Haut und/oder Induration

(Verhärtung und Verdichtung) des Unterhautgewebes, floride/abgeheilte Geschwüre

Nichtoperative Therapieansatze: Extrakte aus Rosskastaniensamen, Steinkleekraut,

isolierte Flavonoide wie Diosmin, Hesperidin, Rutin

Vorkommen: in kühlen, schattigen Wälder von Europa und Nordafrika

ausdauernde Pflanze, vierkantiger Stängel, quirlig angeordnete, lanzettliche Blätter,

kleine weiße Blüten, endständige, verzweigte Trugdolde

Die frische Pflanze riecht nicht, der Duft entsteht erst beim Anwelken.

Waldmeisterkraut besteht aus den zur Blütezeit

gesammelten und getrockneten oberirdischen

Teilen von Galium odoratum.

INHALTSSTOFFE

• Cumarin (0,4–1,1%), Cumarinvorstufen

• phenolische Verbindungen:

Gallussäure, Kaffeesäure, p-Cumarsäure,

p-Hydroxybenzoesäure, Vanillin

• Iridoidglucoside: Asperulosid

Monotropein

Scandosid

ANWENDUNG

• zum Aromatisieren von Kräuterteemischungen • Durchblutungsstörungen, Venenerkrankungen, Venenschwäche, Hämorrhoiden Die Wirksamkeit bei den beanspruchten Gebieten ist nicht belegt, weshalb eine Anwendung nicht befürwortet werden kann (Kommission E). Verwendung von Cumarin / Waldmeisterkraut ist laut Aromenverordnung in Deutschland verboten. Ausnahme: Herstellung von Maiwein oder Maibowle Höchstgehalt: 5 ppm Cumarin im Getränk (etwa 3 g frischem Waldmeister für 1 l Bowle) Metabolismus: zum ungiftigen 7-Hydroxycumarin (katalysiert durch CYP2A6) in Form der Glucuronid- und Sulfatkonjugate ausgeschieden Metabolismus über toxische Produkte nicht ausgeschlossen werden kann → tolerierbare tägliche Aufnahmemenge (TDI-Wert): 0,1 mg je kg Körpergewicht 3 Mal höherer TDI-Wert während 1-2 Wochen kein Sicherheitsrisiko darstellt

Hippocastani semen

Rosskastaniensamen

Aesculus hippocastanum L.

Hippocastanaceae

• Aesculetin (Hydroxycumarin) – keimhemmend

• Aesculin (Hydroxycumarin-Glucosid) – Lichtschutz

• Therapie gegen Chronische venose Insuffizienz

Herniariae herba

Bruchkraut / Herniariahirsuta-Kraut

Herniaria hirsuta L. / Herniaria glabra L.

Caryophyllaceae

• Herniarin – antibiotisch

Rutae herba

Gartenrautenkraut

Ruta graveolens L.

Rutaceae

knospentragende oberirdische Teile sind geerntet

Vorkommen: Südeuropa

ausdauernder Halbstrauch

Inhalststoffe: Rutin

Hydroxy-, Methoxy-Cumarine

Furanocumarine

Acridonalkaloide (Karzinogenität)

ätherische Öle

Ammi fructus

Ammi-majus-Früchte

Ammi majus L.

Apiaceae

Vorkommen: in den Mittelmeerländern heimisch

Inhaltsstoffe: Furanocumarine

Bergapten 0,4%, Imperatorin 0,3%, Xanthotoxin (8-Methoxypsoralen) 0,5%

FURANOCUMARINE VON AMMI MAJUS

O OO

R2

R1

R1 R2

H OCH3 Xanthotoxin

OCH3 H Bergapten

OCH3 OCH3 Isopimpinellin

• bei Hauterkrankungen (Vitiligo, Psoriasis, Ekzema, Dermatosen)

PUVA-Therapie:

Anwendung von Psoralene (Xanthotoxin, Bergapten, Isopimpinellin),

zusätzliche Bestrahlung mit langwelligem UV-A-Licht (320-390 nm)

Bei der Bestrahlung mit UV-Licht werden Furanocumarine mit der

DNA in den Epidermiszellen kovalent verknüpft

→ stabile Furanocumarin-Pyrimidin-Addukte

Anwendung von Ammi majus

Inhaltsstoffe

• Furanochromone, insbesondere Khellin (2–4%)

• Pyranocumarine (0,2–0,5%), insbesondere Visnadin

• Flavonoide (Quercetin, Isorhamnetin, Kämpferol) meist in Form ihrer 3-Sulfate

• ätherisches Öl (0,02–0,03%)

Analytische Kennzeichnung

DC-Nachweis von Khellin und Visnagin

Quantitative Bestimmung von Khellin mit Hilfe der HPLC (DAC)

A. visnaga ist ein 1- oder 2-jähriges Kraut

mit fiederteiligen Blättern und schirmförmigen Blütendolden, die Doldenstrahlen

verholzen zur Reifezeit. Die reifen Früchte (Doppelachänen) sind meist in ihre

Teilfrüchte zerfallen.

A. visnaga kommt von den Kanarischen Inseln bis nach Persien vor.

Die Droge stammt aus dem Anbau in Ägypten, Marokko und Tunesien.

R

Samidin

Dihydrosamidin

Visnadin

INHALTSSTOFFE VON AMMI VISNAGA

Furano-γ-chromone

Pyranocoumarine

R1 R2 R3

-OCH3 -OCH3 -CH3 Khellin

-OCH3 -H -CH3 Visnagin

-OCH3 -H -CH2OH Khellol

-OCH3 -OCH3 -CH2OH Ammiol

-OCH3 -OCH3 -CH2O-Glucose Ammiolglucoside

-OH -OCH3 -CH3 Khellinol

-OCH3 -H -CH2O-Glucose Khellenin

O

O

O

R1

R2

R3

O OO

OR

H3C

H3CO C CH3

O

WIRKUNG UND ANWENDUNG

Visnadin, Khellin: Spasmolytisch auf die Koronargefäße, die Bronchien, den Magen-Darm-Trakt, die Gallenwege, die ableitenden Harnwege

Die gefäßdilatierende Wirkung bei niedriger Dosierung durch Blockierung der Ca2+-Kanäle, bei höherer Dosierung auch andere Wirkungsmechanismen

Gemäß Kommission E ist die in der Literatur beschriebene Anwendung von Zubereitungen aus Ammi-visnaga-Früchten (bei Angina pectoris, Asthma, Koronarinsuffizienz, krampfartigen Beschwerden des Unterleibs) nicht ausreichend belegt.

Die Furanochromone Khellin und Visnagin erzeugen unter UV-Bestrahlung bei Vitiligopatienten Hautpigmentierung.

→ KUVA-Therapie: Khellin und UVA-Bestrahlung

Wirkung: durch Hemmung der Adenylatcyclaseaktivität (G-Protein-gekoppelt)

Nebenwirkungen. Photosensibilisierung, die bei den Furanochromonen weniger stark ist als im Falle der Furanocumarine.

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!