Erding formula and bioactive markers in hyperuricemia: towards rational scientific approaches for the modernization of Traditional Chinese Medicine

ABSTRACT

Introduction: Traditional Chinese Medicine (TCM) represents one of the first holistic approaches in the world to treat and prevent disease. Herbal medicine is one of the major therapeutic remedy in TCM. It often involves multi-herb therapies instead of single herb preparations. Parallel to western medicine, hundreds of herbal formulas have been made available as finished products. Currently, the use of herbal products is popular as treatment option or to complement western medicine. Indications of the herbal formulas were established by TCM terms such as heat-clearing and/or detoxifying which lack modern pharmacological meanings. It is difficult for people without relevant background to understand such terms and their implications for treatments. Furthermore, due to the quality control issues of herbal medicines which contain multiple constituents, consumers may be confronted with the risk of using unstandardized products. Hence, in this thesis, the modernization of TCM is discussed through employing scientific pharmaceutical approaches to a traditional formula, called Erding formula (EF). The aim was to investigate if a new indication, hyperuricemia, can be assigned to a heat-clearing and detoxifying formula. Our hypothesis was Can Erding formula be used for hyperuricemia treatment and is esculetin a bioactive marker for this new indication? Methods: A hypoxanthine and potassium oxonateinduced hyperuricemic mouse model, a xyleneinduced inflammatory mouse model, and an acetic acidinduced pain model were used to investigate EF and its constituent herbs. The quantity of esculetin was measured by high-performance liquid chromatography. The therapeutic effect of esculetin was assessed using potassium oxonate induced hyperuricemic mouse model, and esculetin and its metabolites were characterized in serum via ultra-performance liquid chromatographyquadrupole time-of-flight mass spectrometry. To develop a modern dosage form, a laboratory-scale wet bead milling approach was employed to prepare esculetin nanocrystals. The formulation was further optimized by design of experiment, and an optimized formulation was then characterized for its saturation solubility and short-term stability. Results: The study showed that EF and Viola yedoensis Makino (Viola) lowered uric acid (UA) levels, while EF and all four individual herbs had antiinflammatory and analgesic activities. These findings revealed that EF was able to treat hyperuricemia and suggested that Viola was the main herb in EF on reducing UA levels. The study showed that esculetin significantly reduced UA levels and six metabolites of esculetin were identified in serum. This confirms that esculetin was absorbed and is a suitable bioactive and quality control marker for EF in hyperuricemia treatment. An esculetin-Povacoat nanocrystal formulation with a 200 nm particle size was successfully prepared. The formulation presented up to a 1.5-fold increase in saturation solubility compared to the bulk esculetin and it was stable for 180 days. Conclusion: The studies proved that Erding formula can be used for hyperuricemia treatment with esculetin as bioactive quality control marker. As well, a new nano-sized formulation of the bioactive marker, esculetin, was created. This presented the possibility to develop an innovative nanotechnological product of the active substances derived from herbal medicine. The findings facilitated a better understanding of TCM terms and concept through mechanistic scientific experiments. This study revealed a potential pathway and an idea to modernize TCM without setting aside its unique concepts. This might increase the global acceptance of TCM products. Furthermore, the TCM concept might be useful in the development of multi-component drug products

RESUMO

Medicina Tradicional Chinesa (MTC) representa uma das primeiras abordagens holísticas em âmbito global para tratar e prevenir doenças. A fitoterapia consiste na principal terapia na MTC. Frequentemente, envolve terapias com múltiplas ervas em vez de preparações individuais. Paralelamente à medicina ocidental, centenas de fórmulas herbais foram disponibilizadas como produtos acabados. Atualmente, o uso de produtos fitoterápicos é popular como opção de tratamento ou para complementar a medicina ocidental. As indicações das fórmulas fitoterápicas foram estabelecidas pelos termos da MTC, tais como "limpeza pelo calor e / ou desintoxicante", que não têm significados farmacológicos modernos. É difícil para a população em geral e mesmo para profissionais sem histórico relevante na área entender tais termos e suas implicações para os tratamentos. Além disso, devido às questões de controle de qualidade dos medicamentos fitoterápicos que contêm múltiplos constituintes, os pacientes podem ser confrontados com o risco de usar produtos não padronizados. Assim, nessa tese, a modernização da MTC é discutida por meio da utilização de abordagens farmacêuticas científicas para uma fórmula tradicional, denominada fórmula de Erding (FE). O objetivo foi o de investigar se uma nova indicação, a hiperuricemia, pode ser atribuída a uma fórmula desintoxicante e de compensação de calor. Nossa hipótese foi a fórmula de Erding pode ser usada para tratamento de hiperuricemia e a esculetina é um marcador bioativo para essa nova indicação? Foi empregado modelo de camundongo hiperuricêmico induzido por hipoxantina e oxonato de potássio, outro modelo de camundongo inflamatório induzido por xileno e, adicionalmente, modelo de dor induzida por ácido acético. Esses modelos foram usados para investigar a FE e suas ervas constituintes. A quantidade de esculetina foi determinada por cromatografia líquida de alta eficiência. O efeito terapêutico da esculetina foi avaliado utilizando modelo de camundongo hiperuricêmico induzido por oxonato de potássio, e a esculetina e seus metabólitos foram caracterizados no soro por cromatografia líquida de alto desempenho - espectrometria de massa. Para desenvolver forma farmacêutica moderna, uma abordagem de moagem em escala úmida reduzida foi empregada tendo em vista a preparação de nanocristais de esculetina. A formulação foi ainda otimizada empregado planejamento experimental. Essa fórmula foi caracterizada quanto à sua solubilidade de saturação e estabilidade a curto prazo. O estudo mostrou que a FE e a Viola yedoensis Makino (Viola) reduziram os níveis de ácido úrico (AU), enquanto a FE e as quatro plantas individuais apresentaram atividades antiinflamatória e analgésica. Esses resultados revelaram que a FE foi capaz de tratar a hiperuricemia e sugeriu que a viola foi a principal erva da FE na redução dos níveis de AU. O estudo mostrou também que a esculetina reduziu significativamente os níveis de AU e os seis metabólitos da esculetina foram identificados no soro. Tal resultado confirma que a esculetina foi absorvida e pode ser usada como marcador de controle bioativo e de qualidade para FE, no tratamento da hiperuricemia. A formulação de nanocristais de esculetin-povacoat® apresentou tamanho de partícula de 200 nm. A formulação apresentou aumento de 1,5 vezes na solubilidade de saturação em comparação com a esculetina em escala micrométrica e manteve-se estável durante 180 dias. Os estudos comprovaram que a fórmula de Erding pode ser utilizada no tratamento da hiperuricemia empregando a esculetina como marcador bioativo de controle de qualidade. Além disso, foi desenvolvida formulação inovadora, em escala nanométrica, do marcador bioativo, a esculetina. Esse resultado permitiu desenvolver produto com base nanotecnológica das substâncias ativas derivadas do fitoterápico, assim comol permitiram melhor compreensão dos termos e dos conceitos da MTC por meio de experimentos científicos mecanicistas. Esse estudo revelou potencial para a modernização da MTC sem excluir seus conceitos únicos. Isso pode aumentar a aceitação global dos produtos MTC. Além disso, o conceito de MTC pode ser útil no desenvolvimento de medicamentos de múltiplos componentes