Flavonoids through the eyes of a pharmacologist. Features and problems of pharmacokinetics

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The review focused on pharmacokinetics of the six major subclasses of flavonoids: their distribution, consumption and metabolism. Particular attention is paid to the problem of the bioavailability of these plant polyphenolic compounds, the differences of the effects obtained in experiments in vitro and in vivo. Discusses the dependence of the efficiency of flavonoids by the characteristics of the processes of metabolism in humans. Emphasizes the role of the epithelium of small intestine and microbiota of the colon in ensuring biological activity of flavonoids.

About the authors

Yakov F. Zverev

Altai State Medical University

Author for correspondence.
Email: zver@agmu.ru

DrMedSci (Pharmacology), Professor, Dept. of Pharmacology

Russian Federation, 40, Lenina street, Barnaul, 656038

References

  1. Спрыгин В.Г., Кушнерова Н.Ф. Природные олигомерные проантоцианидины — перспективные регуляторы метаболических нарушений // Вестник ДВО РАН. – 2006. – № 2. – С. 81–90. [Sprygin VG, Kushnerova NF. Natural oligomeric proanthocyanidins – promising re gulators of metabolic disorders. Vestnik DVO RAN. 2006;(2):81-90. (In Russ.)]. http: //www.cnb.dvo.ru/vestnik/index.htm.
  2. Agati G, Brunetti C, Di Ferdinando M, et al. Functional roles of flavonoids in photoprotection: New evidence, lessons from past. Plant Physiol Biochem. 2013;72:35-45. doi: 10.1016/j.plaphy.2013.03.014. Epub 2013 Mar 28.
  3. Bang SH, Hyun YJ, Shim J, et al. Metabolism of rutin and poncirin by human intestinal microbiota and cloning of their metabolizing α-L-rhamnosidase from Bifidobacterium dentium. J Microbiol Biotechnol. 2015;25(1):18-25. doi: 10.4014/jmb.1404.04060.
  4. Barnes S. The biochemistry, chemistry and physiology of the isoflavones in soybeans and their food products. Lymph Res Biol. 2010;8(1):89-98. doi: 10.1089/Irb.2009.0030.
  5. Barnes S, Prasain J, D’Alessandro T, et al. The metabolism and analysis of isoflavones and other dietary polyphenols in foods and biological systems. Food Funct. 2011;2(5): 235-44. doi: 10.1039/c1fo10025d. Epub 2011 May 9.
  6. Beecher GR. Overview of dietary flavonoids: Nomenclature, occurrence and intake. J Nutr. 2003;3:3248S-54S. PMID: 14519822.
  7. Braune A, Blaut M. Bacterial species involved in the human gut. Gut Microbes. 2016;7(3):216-34. doi: 10.1080/ 19490976.2016.1158395. Epub 2016 Mar 10.
  8. Burdulis D, Šarkinas A, Jasutiene I, et al. Comparative study of anthocyanin composition, antimicrobal and antioxidant activity in bilberry (Vaccinium myrtillus L.) and blueberry (Vaccinium corymbosum L.) fruits. Acta Pol Pharm.-Drug Res. 2009;66(4):399-408. PMID: 19702172.
  9. Cani PD, Delzenne NM. The role of the gut microbiota in energy metabolism and metabolic disease. Curr Pharm Des. 2009;15:1546-58. doi: 10.2174/138161209788168164.
  10. Chen J, Lin H, Hu M. Metabolism of flavonoids via enteric recycling: Role of intestinal disposition. J Pharmacol Exp Ther. 2003;304(3):1228-35. doi: 10.1124/jpet.102.046409.
  11. Crozier A, Jaganath IB, Clifford MN. Dietary phenolics: Chemistry, bioavailability and effects on health. Nat Prod Rep. 2009;26(8):1001-43. doi: 10.1039/b802662a. Epub 2009 May 13.
  12. D’Archivio M, Filesi C, Di Benedetto R. Polyphenols, dietary sources and bioavailability. Ann Ist Super Sanita. 2007;43(4):348-61. PMID: 18209268.
  13. Day AJ, Cañada FJ, Diaz JC. Dietary flavonoid and isoflavone glycosides are hydrolysed by the lactase site of lactase phlorizin hydrolase. FEBS Lett. 2000;468(2-3): 166-70. doi: 10.1016/S0014-5793(00)01211-4. Epub 2000 Feb 22.
  14. Deprez S, Mila I, Huneau JF. Transport of proanthocyanidin dimer, trimer, and polymer across monolayers of human intestinal epithelial Caco-2 cells. Antiox Redox Signaling. 2001;3(6):957-67. doi: 10.1089/152308601317203503. Epub 2004 Jul 5.
  15. Donovan JL, Crespy V, Manach C. Catechin is metabolized by both the small intestine and liver of rats. J Nutr. 2001;131(6):1753-57. PMID: 11385063.
  16. Duda-Chodak A, Tarko T, Satora P, Sroka P. Interaction of dietary compounds, especially polyphenols, with the intestinal microbiota: A Review Eur J Nutr. 2015;54:325-41. doi: 10.1007/s00394-015-0852-y. Epub 2015 Feb 12.
  17. Franke AA, Lai JF, Halm BM. Absorption, distribution, metabolism, and excretion of isoflavonoids after soy intake. Arch Biochem Biophys. 2014;559:24-8. doi: 10.1016/ j.abb.2014.06.007. Epub 2014 Jun 16.
  18. Gee JM, DuPont MS, Day AJ. Intestinal transport of quercetin glycosides in rats involves both deglycosylation and interaction with the hexose transport pathway. J Nutr. 2000;130(11):2765-71. PMID: 11053519.
  19. Gerristen J, Smidt H, Rijkers GT, de Vos WM. Intestinal microbiota in human health and disease: The impact of probiotics. Genes Nutr. 2011;6:209-40. doi: 10.1007/s12263-011-0229-7. Epub 2011 May 27.
  20. Graefe EU, Wittig J, Mueller S, et al. Pharmacokinetics and bioavailability of quercetin glycosides in humans. J Clin Pharmacol. 2001;41(5):492-99. doi: 10.1177/ 00912700122010366. Epub 2001 May.
  21. Hao WL, Lee YK. Microflora of the gastrointestinal tract: A review. Methods Mol Biol. 2004;268:491-502. doi: 10.1385/1-59259-766-1:491.
  22. Hollman PC, Buijsman MN, van Gameren Y, et al. The sugar moiety is a major determinant of the absorption of dietary flavonoid glycosides in man. Free Radic Res. 1999;31:569-73. PMID: 10630681.
  23. Hooper LV, Gordon JI. Commensal host-bacterial relationships in the gut. Science. 2001;292:1115-18. doi: 10.1126/science.1058709.
  24. Huber GM, Rupasinghe HPV. Phenolic profiles and antioxidant properties of apple skin extracts. J Food Sci. 2009; 74:693-99. doi: 10.1111/j.1750-3841.2009.01356.x.
  25. Jiang N, Doseff AI, Grotewold E. Flavones: From biosynthesis to health benefits. Plants (Basel). 2016;5(2):27. doi: 10.3390/plants 5020027. Epub 2016 Jun 21.
  26. Kottra G, Daniel H. Flavonoid glycosides are not transported by the human Na+/glucose transporter when expressed in Xenopus laevis oocytes, but effectively inhibit electrogenic glucose uptake. J Pharmacol Exp Ther. 2007;322(2):829-35. doi: 10.1124/jpet.107.124040. Epub 2007 May 10.
  27. Kozlowska A, Szostak-Wegierek D. Flavonoids – food sources and health benefits. Rocz Panstw Zakl Hig. 2014;65(2):79-85. PMID: 25272572.
  28. Kroon PA, Clifford MN, Crozier A, et al. How should we assess the effects of exposure to dietary polyphenols in vitro? Am J Clin Nutr. 2004;80(1):15-21. PMID: 15213022.
  29. Lago JHG, Toledo-Arruda AC, Mernak M, et al. Structure-activity association of flavonoids in lung diseases. Molecules. 2014;19(3):3570-95. doi: 10.3390/molecules19033570.
  30. Landete JM. Updated knowledge about polyphenols: Functions, bioavailability, metabolism, and health. Crit Rev Food Sci Nutr. 2012;52(10):936-48. doi: 10.1080/ 10408398.2010.513779.
  31. Li AN, Li S, Zhang YJ, et al. Resources and biological activities of natural polyphenols. Nutrients. 2014;6(12): 6020-47. doi: 10.3390/nu6126020.
  32. Liu Y, Hu M. Absorption and metabolism of flavonoids in the caco-2 cell culture model and a perused rat intestinal model. Drug Metab Dispos. 2002;30(4):370-77. doi: 10.1124/dmd.30.4.370.
  33. Manach C, Williamson G, Morand C, et al. Bioavailability and bioefficacy of polyphenols in humans. I. Review of 97 bioavailability studies 1-3. Am J Clin Nutr. 2005; 81(1 Suppl):230S-42S. PMID: 15640486.
  34. Marín L, Miguelez EM, Villar CJ, Lombo F. Bioavailability of dietary polyphenols and gut microbiota metabolism: Antimicrobal properties. BioMed Res Int. 2015. doi: 10.1155/2015/905215, Article ID 905215, 18 pages. Epub 2015 Feb 23.
  35. Mori M, Yoshida K, Ishigaki Y, et al. UV-B protective effect of a polyacylated anthocyanin, HBA, in flower petals of the blue morning glory, Ipomoea tricolor cv. Heavenly Blue. Bioorg Med Chem. 2015;13(6):2015-20. doi: 10.1016/ j.bmc.2005.01.011.
  36. Nakagawa K, Okuda S, Miyazawa T. Dose-dependent incorporation of tea catechins, (-)-epigallocatechin-3-gallate and (-)-epigallocatechin, into human plasma. Biosci Biotechn Biochem. 1997;61(12):1981-85. doi: 10.1271/bbb.61.1981.
  37. Nemeth K, Plumb GW, Berrin JG, et al. Deglycosylation by small intestinal epithelial cell b-glucosidases is a critical step in the absorption and metabolism of dietary flavonoid glycosides in humans. Eur J Nutr. 2003;42(1):29-42. doi: 10.1007/s00394-003-0397-3.
  38. Ohnishi-Kamcyama M, Yanagida A, Kanda T, Nagata T. Identification of catechin oligomers from apple (Malus pumila cv. Fuji) in matrix assisted laser desorption/ioni zation time-of-flight mass spectrometry. Rapid Commun Mass Spectrom. 1997;11:31-6. doi: 10.1002/(SICI)1097-0231(19970115)11:1<31::AID-RCM784>3.0.CO:2-T.
  39. O’Leary KA, Day AJ, Needs PW, et al. Flavonoid glucuronides are substrates for human liver β-glucuronidase. FEBS Lett. 2001;503(1):103-6. doi: 10.1016/S0014-5793(01)02684-9.
  40. O’Leary KA, Day AJ, Needs PW. Metabolism of quercetin glucuronides in an in vitro cell model. In: Biologically-active phytochemicals in foods: analysis, metabolism, bioavailability and function. Ed. by W. Pfaunhauser, G.R. Fenwick, S. Khokhar. Cambridge: Royal Soc. of Chem; 2001. P. 441-442.
  41. Otaki N, Kimira M, Katsumata S. Distribution and major sources of flavonoid intakes in the middle-aged Japanese women. J Clin Biochem Nutr. 2009;44(3):231-38. doi: 10.3164/jcbn.08-231. Epub 2009 Apr 25.
  42. Ozdal T, Sela DA, Xiao J, et al. The reciprocal interactions between polyphenols and gut microbiota and effects on bioaccessibility. Nutrients. 2016;8:78. doi: 10.3390/nu8020078. Epub 2016 Feb 6.
  43. Qin J, Li R, Raes J, et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomics sequencing. Nature. 2010;464(7285):59-65. doi: 10.1038/nature08821.
  44. Rafii F. The role of colonic bacteria in the metabolism of the natural isoflavone daidzin to equol. Metabolites. 2015;5:56-73. doi: 10.3390/metabo5010056.
  45. Rangel-Huerta OD, Pastor-Villaescusa B, Aguilera CM, Gil A. A systemic review of the efficacy of bioactive compounds in cardiovascular disease: Phenolic compounds. Nutrients. 2015;7:5177-5216. doi: 10.3390/nu7075177.
  46. Richelle M, Pridmore-Merten S, Bodenstab S, et al. Hydrolysis of isoflavone glycosides to aglycones by β-glucosidase does not alter plasma and urine isoflavone pharmacokinetics in postmenopausal women. J Nutr. 2002;13(9):2587-92. PMID: 12221213.
  47. Romano B, Pagano E, Montanaro V, et al. Novel insights into the pharmacology of flavonoids. Phytother Res. 2013;27(11):1588-96. doi: 10.1002/ptr.5023. Epub 2013 Jul 4.
  48. Rusznyak SP, Szent-Gyorgi A. Vitamin P: Flavones as vitamins. Nature. 1936;138:27.
  49. Somerset SM, Johannot L. Dietary flavonoid sources in Australian adults. Nutr Cancer. 2008;60:442-49.
  50. Tangney C, Rasmussen HE. Polyphenols, inflammation, and cardiovascular disease. Curr Atheroscler Rep. 2013;15(5):324. doi: 10.1007/s11883-013-0324-x.
  51. Testa R, Bonfigli AR, Genovese S, et al. The possible role of flavonoids in the prevention of diabetic complications. Nutrients. 2016;8(5):310. doi: 10.3390/nu8050310.
  52. Thilakarathna SH, Rupasinghe HPV. Flavonoid bioavailability and attempts for bioavailability enhancement. Nutrients. 2013;5:3367-87. doi: 10.3390/nu5093367.
  53. Vogiatzoglu A, Mulligan AA, Lenjes MAH, et al. Flavonoid intake in European adults (18 to 64 years). PLoS One. 2015;10(5):e0128132. doi: 10.1371/journal.pone. 0128132.
  54. Vrhovsek U, Rigo A, Tonon D, Mattivi F. Quantitation of polyphenols in different apple varieties. J Agric Food Chem. 2004;52:6532-38. doi: 10.1021/jf049317z.
  55. Wallace TC, Slavin M, Frankenfeld CL. Systematic review of anthocyanins and markers of cardiovascular disease. Nutrients. 2016;8:32. doi: 10.3390/nu8010032.
  56. Walle T. Serial review: Flavonoids and isoflavones (phytoestrogens): Absorption, metabolism, and bioactivity. Free Radic Biol Med. 2004;36:829-37. doi: 10.1016/ j.freeradbiomed.2004.01.002.
  57. Williamson G. The use of flavonoid aglycones in vitro systems to test biological activities: Based on bioavailability data, is this a valid approach? Phytochem Rev. 2002;1:215-22.
  58. Williamson G, Manach C. Bioavailability and bioefficacy of polyphenols in humans. II. Review of 93 intervention studies 1-4. Am J Clin Nutr. 2005;81(Suppl.):243S-55S. PMID: 15640487.
  59. Yang Z, Kulkarni K, Zhu W, Hu M. Bioavailability and pharmacokinetics of genistein: Mechanistic studies on its ADME. Anticancer Agents Med Chem. 2012;12(10): 1264-80. PMCID: PMC4010305.
  60. Zamora-Ros R, Andres-Lacueva C, Lamuela-Raven tos RM, et al. Estimation of dietary sources and flavonoid intake in a Spanish adult population (EPIC-Spain). J Am Diet Assoc. 2010;110(3):390-98. doi: 10.1016/ j.jada.2009.11.024.
  61. Zhang Y, Li Y, Cao C, et al. Dietary flavonol and flavone intakes and their major food sources in Chinese adults. Nutr Cancer. 2010;62(8):1120-27. doi: 10.1080/ 01635581.2010.513800.
  62. Zhu B, Wang X, Li L. Human gut microbiome: The second genome of human body. Protein Cell. 2010;1(8): 718-25. doi: 10.1007/s13238-010-0093-z. Epub 2010 Aug 28.

Copyright (c) 2017 Zverev Y.F.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».