Natural therapies for the reduction of complications in patients with type 2 diabetes and COVID-19

Abstract
Background: In December 2019, a series of cases occurred in Wuhan (China), caused by a new coronavirus. On March 11, 2020, the WHO declared the COVID-19 disease, caused by SARS-CoV-2, as a pandemic. In Peru, the first person infected with SARS-CoV-2 was confirmed on March 6, 2020. The number of infected has been constantly increasing to this day. Purpose: It is relevant to the current pandemic, understanding the mechanism of infection of SARS-CoV-2 in diabetic patients and in this way to be able to provide natural alternatives to reduce the complications that these patients can carry out until death. Methodology: An information search was carried out between April 6 and August 25 of 2020 in databases and indexed journals, whose articles have been published between 2011 and 2020. Results: It was found regarding inhibitors of dipeptidyl peptidase (DPP-4) evaluated in in vitro tests, that the Berberis aristata species has a metabolite called "berberine", which has the highest inhibitory capacity among the mentioned species, and, concerning furine inhibition, among the in vitro tests, catechin has a significant inhibitory capacity; it also has DPP-4 inhibitory activity. Conclusion: There is a great variety of medicinal plants with inhibitory properties for DPP-4 and some for furin. These properties are beneficial in patients with type 2 diabetes, since they reduce the activity of these proteases and, consequently, the complications in SARS-CoV-2 infection

Key words
diabetes mellitus type 2, furine, COVID-19, DPP-4

Artículo completo
Introducción

En diciembre de 2019 se produjeron una serie de casos en Wuhan (China), producidos por un nuevo coronavirus llamado 2019-nCov, de acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (OMS), y SARS-CoV-2 (coronavirus 2 causante del síndrome respiratorio agudo grave) por el Comité Internacional de Taxonomía de Virus. El 11 de marzo de 2020, la OMS declaró a la COVID-19, enfermedad causada por el SARS-CoV-2, como una pandemia.¹


Prevalencia de diabetes mellitus en Perú

De acuerdo con el boletín Estado de la población peruana 2020, publicado por el Instituto Nacional de Estadística e Informática (INEI), se determinó que para la población adulta mayor de 60 años con diagnóstico de diabetes mellitus (DBT), según la condición de pobreza en el Perú, el 23.1% corresponde a personas en estado de pobreza, y el 76.9% a individuos en estado no pobre.² Asimismo, en el boletín Perú: Factores de riesgo asociados a complicaciones por COVID-19, también publicado por el INEI, se mostró la prevalencia de comorbilidades asociadas con el SARS-CoV-2, entre las cuales se destacan: hipertensión arterial, diabetes y obesidad. A nivel nacional, el 37.2% de la población mayor de 15 años padece alguna de estas enfermedades, mientras que la prevalencia en personas con 80 años o más fue del 67.6%.³


Diabetes mellitus tipo 2, dipeptidilpeptidasa-4 y furina

El control de la secreción de insulina y glucagón por las células del islote pancreático depende principalmente de la glucosa circulante, pero intervienen otros estímulos como las incretinas: péptido 1 similar al glucagón (GLP-1) y polipéptido insulinotrópico dependiente de glucosa (GIP).⁴

La proteasa dipeptidil peptidasa-4 (DPP-4) actúa cortando los dipéptidos N-terminales de varios sustratos, incluidas las citoquinas e incretinas. Sin embargo, también se expresa en una forma unida a la membrana en la superficie de varios tipos de células, y se libera mediante la ruptura proteolítica para generar la forma soluble.⁵

La hiperglucemia y la hipoxia son los principales desencadenantes de la sobreexpresión de la DPP-4 y de su secreción en el torrente sanguíneo, lo que probablemente contribuya a su aumento en niveles plasmáticos detectados en la diabetes tipo 2 (DBT2). Además, la DPP-4 en sí misma tiene un efecto directo sobre el sistema vascular humano, estimulando la inflamación, las respuestas proliferativas y, de esta forma, participando en los mecanismos que conducen a la activación endotelial y la disfunción.⁶

La furina es una proteasa unida a la membrana de tipo 1 de la familia de la subtilisina/ kexina de la proteína convertasa (PCSK). Se expresa de forma ubicua en todos los tejidos de mamíferos y en las líneas celulares examinadas; sin embargo, su nivel de expresión difiere, y es alto en los tejidos endocrinos, intermedio en el hígado y el tracto gastrointestinal, y muy bajo en los tejidos musculares.⁶

Asimismo, es fundamental para varios patógenos que requieren la escisión por furina para su funcionamiento. Es de destacar que los virus desarrollan una alta patogenicidad una vez que se vuelven reactivos con furina, entre los que destaca la proteína de espiga (spike) del SARS-CoV-2. La acción de la furina en el SARS-CoV-2 permite la escisión de un sitio polibásico en S1 y S2, las dos subunidades de la espiga, lo cual tiene un papel determinante en la infectividad viral.⁷

Los pacientes con DBT2 presentan niveles bajos de irisina, hormona que disminuye los niveles de furina; por lo tanto, en estos individuos los niveles de furina aumentan.⁸


COVID-19 y sistema inmunitario

La diabetes se caracteriza por una inmunidad deteriorada, que conduce a mayor susceptibilidad al contagio de la COVID-19, particularmente en los individuos con un nivel elevado de glucosa en sangre. Codo et al. demostraron que el aumento de glucosa y la glucólisis promueven la replicación del SARS-CoV-2 y la producción de citoquinas dependientes de especies reactivas del oxígeno (ROS)/factor-1a inducible a la hipoxia, lo que da como resultado la disfunción de las células T y la muerte de las células epiteliales.⁹

Ante esto, el objetivo general de esta investigación es realizar una búsqueda bibliográfica sobre el efecto de las terapias naturales en la disminución de las complicaciones en la infección grave por SARS-CoV-2, en pacientes de 60 años a más con DBT2, mediante la inhibición de las proteasas furina y DPP-4.



Metodología

Para la obtención de los artículos analizados, se definieron las siguientes palabras clave a usar en la búsqueda: fisiopatología (physiopathology), diabetes, COVID-19, DPP-4, furina, inhibidores naturales de DPP-4 (natural inhibitors of DPP-4), inhibidores naturales de furina (natural inhibitors of furin) (estos dos últimos términos con el objetivo de buscar alternativas terapéuticas), y Perú, para obtener datos a nivel nacional.

La búsqueda de información se realizó entre el 6 de abril y el 25 de agosto de 2020, mediante las palabras clave previamente mencionadas. Se revisaron 153 artículos, publicados entre 2010 y 2020.


Consideraciones éticas

Al ser un trabajo documental, no se requiere de un consentimiento informado; además, se deja aclarado que en este estudio no se trabajó con animales. La información obtenida de los artículos cumple con la discreción, respetando la dignidad humana de los participantes


Resultados

Inhibidores de la DPP-4

De acuerdo con la información revisada, se encontraron diferentes especies vegetales con propiedades tradicionalmente antidiabéticas de las que, con el objetivo de entender su mecanismo de acción, se evaluó su capacidad inhibitoria del receptor para DPP-4. Para ello, como parte de las investigaciones al respecto encontradas, se realizaron estudios in silico e in vitro. 


In silico. En los estudios in silico, el método más aplicado fue el acoplamiento molecular (molecular docking), con el cual se compara la afinidad de los metabolitos por el receptor con el valor de energía libre de unión ?G (kcal/mol), además de la energía de interacción total (kcal/mol).

En la Tabla 1 se presenta un resumen de las especies vegetales estudiadas.





In vitro. De los artículos estudiados, la mayoría menciona la utilización de extracto hidroalcohólico (metanólico) de hojas, tallos y corteza. En la Tabla 2 se presentan las especies vegetales estudiadas con actividad inhibitoria de la DPP-4. 




Inhibidores de furina

In silico. En los estudios in silico, la metodología utilizada fue el acoplamiento molecular (molecular docking), en el cual se determinó la afinidad de los metabolitos por el receptor con el valor de energía libre de unión, ?G (kcal/mol). 
En el estudio realizado por Abdirahman Elmi et al., se estudiaron 3 especies vegetales: Acacia seyal, Cymbopogon commutatus e Indigofera caerulea, de las cuales se extrajeron 9 metabolitos principales. Solo 5 metabolitos (véase Tabla 3) mostraron mayor afinidad por los receptores de furina que los controles de hidroxicloroquina (-4.277 kcal/mol) y remdesevir (-5.544 kcal/mol). 






In vitro. Se recopilaron estudios experimentales de especies vegetales in vitro, en los cuales se determinó la presencia de metabolitos con actividad inhibitoria de furina.

En el estudio realizado por S. Majumdar se aislaron tres compuestos flavonoides de la corteza y el tallo de la planta mediante métodos espectrométricos (rayos ultravioleta [UV], IR, resonancia magnética nuclear [RMN] H⁺, RMN C¹³ y MS); se determinó su actividad inhibitoria de furina utilizando sustrato Boc-RVRR-MCA, mientras que en el estudio realizado por Hu Tao se determinó que al modificar el fragmento de lisina del inhibidor de tripsina de frijol mungo, este presentaba mayor actividad inhibitoria de furina, encontrándose una modificación estable con potencial de compuesto líder (plantilla M6) (véase Tabla 4).







Discusión

La proteína S que permite la fusión de la membrana viral con la célula huésped, depende de la escisión en las subunidades S1 y S2. De acuerdo con Angelidi et al.,²⁵ la relación que explica cómo los pacientes con DBT2 representan parte de la población de riesgo ante la COVID-19 hace referencia a su sistema inmunitario, dado que estos pacientes presentan alteraciones en la producción de citoquinas proinflamatorias, activación de linfocitos T y quimiotaxis de neutrófilos, lo que, en conjunto, disminuye su capacidad de respuesta ante cualquier patógeno, incluido el SARS-CoV-2. Además, la hiperglucemia favorece su proliferación a nivel tisular. Sin embargo, esta no es la única forma de relacionar a estos pacientes con el virus, dado que también deben incluirse la participación de las proteasas DPP-4 y furina. En las personas con DBT2, los niveles de la proteasa furina se encuentran aumentados, y teniendo en cuenta que la furina va a encargarse de clivar a la proteína S del virus, se facilita su ingreso a la célula. Esto favorece la diseminación de la infección y, por tanto, la evolución de un cuadro más grave de la enfermedad.²⁶

Li et al. realizaron un estudio de acoplamiento molecular de DPP-4 y enzima convertidora de angiotensina 2 (ECA2) con la proteína principal (S) de SARS-Cov-2; los resultados obtenidos indicaron que la afinidad de la ECA2 por el SARS-CoV-2 es más fuerte que por DPP-4, por lo cual la ECA2 desempeñaría la principal función como receptor.²⁷ Inicialmente se planteó la posibilidad de inhibir el receptor de la ECA2 para bloquear la unión del SARS-CoV-2; sin embargo, esto podría ser contraproducente, ya que al inhibir la ECA2 los efectos serán similares a la unión ECA2/SARS-CoV-2 (reducción de la expresión de la ECA2), con la acumulación de angiotensina II y, en consecuencia, lesión pulmonar.²⁸ Entonces, la inhibición de la DPP-4 sería el método más adecuado para tratar el SARS-CoV-2; los inhibidores de la DPP-4 (iDPP-4) son una forma de tratamiento aplicado en pacientes con DBT2, ya que impiden el metabolismo del GLP-1, hormona encargada de estimular la secreción de insulina en las células beta pancreáticas.²⁹ Por ello sería provechoso usarlos para reducir la mortalidad en pacientes con DBT2 con infección por SARS-CoV-2 a la vez que se trata estos individuos.³⁰

Se encuentran una diversidad de estudios in vitro e in silico de los iDPP-4, de los cuales destacan algunos metabolitos. La charantina, componente de Momordica charantia, actúa como iDPP-4; la acción antidiabética de la planta es a través de la activación de TGR5, la liberación de GLP-1, la inhibición de DPP-4 y la liberación de insulina, lo que lleva a mayor sensibilidad a esta hormona.¹² El extracto de metanol al 100% de raíces maduras de Withania somnifera contiene el compuesto catequina, que muestra actividad inhibitoria de la DPP-4.¹⁴ De todos los alcaloides de Ephedra sp. son los más potentes en la inhibición de la DPP-4, y entre ellos destaca la norefedrina, con mayor potencia de inhibición.¹⁵

En estudios in vitro de plantas que inhiben la DPP-4, se destacan los extractos metanólico y etanólico, presentes en la corteza de cúrcuma (Berberis aristata). El extracto crudo de corteza había mostrado una concentración inhibitoria del 50% (CI₅₀) de 14.4 µg/ml, es decir, buena actividad inhibitoria.¹⁷ Las cáscaras de Punica granatum son fuente natural de compuestos antioxidantes y anticancerígenos, como el ácido elágico, el ácido carboxílico, el ácido tánico y el ácido gálico; los extractos metanólicos manifestaron mayor poder de extracción de inhibición de la DPP-4, así como actividad antioxidante.¹⁸ El extracto crudo de Hedera nepalensis K posee una buena actividad inhibitoria (CI₅₀: 17.2 µg/ml), y esta actividad se retuvo en gran medida cuando se fraccionó adicionalmente en acetato de etilo (HNE; CI⁵⁰: 344 µg/ml) o n-hexano (HNN; 34.2 µg/ml).²⁰

En cuanto a los inhibidores naturales de furina, uno de los estudios in silico revisados muestran que la quercetina, la catequina, la rutina y el ácido gálico, al ser compuestos fenólicos, tienen mejor energía de unión, lo que significa mayor afinidad de la molécula terapéutica con la proteasa humana de furina; estos metabolitos fueron aislados de las plantas Acacia seyal, Cymbopogon commutatus e Indigofera caerulea.²² Asimismo, en el estudio realizado por Majumdar et al., de los tres metabolitos con capacidad inhibitoria estudiados en Oroxylum indicum, la oroxilina A resaltó por presentar una actividad entre cinco y siete veces más potente que la baicaleína y la crisina, en el estudio in vitro llevado a cabo, lo cual puede deberse a la mejor interacción del compuesto con el dominio catalítico de la proteasa.

Debido a que los estudios de especies vegetales con actividad inhibitoria de furina fueron escasos, a continuación sugerimos especies vegetales, como Nasturtium officinale L., Apium graveolens, Brassica oleracea var. Sabellica y Spinacia oleracea, que presentan en su composición quercitina (compuesto fenólico), que posee una potente actividad inhibitoria de furina, lo cual convierte a estas especies en potenciales alternativas terapéuticas que necesitan de estudios para confirmar su actividad.


Conclusiones

La importancia de la presente investigación radica en la búsqueda de alternativas terapéuticas naturales para la reducción de complicaciones graves en pacientes con DBT2, dado que esta ha sido reconocida como comorbilidad de la COVID-19. Para ello, se estudió el planteamiento de dos dianas terapéuticas: las proteasas DPP-4 y furina. Ambas han sido poco estudiadas hasta la fecha, en conjunto y como alternativa de tratamiento, por lo que esta revisión bibliográfica significa una propuesta para implementar estudios experimentales en ambos aspectos y confirmar si, efectivamente, se obtendrán los beneficios teóricamente planteados.

En la evaluación de dichas alternativas, de los componentes inhibidores de la DPP-4 evaluados en ensayos in vitro, la especie Berberis aristata posee un metabolito denominado berberina y calendulósido E, el cual presentó la mayor capacidad inhibitoria entre las especies mencionadas. Con respecto a la inhibición de furina, entre los ensayos in vitro, la catequina presenta capacidad inhibitoria significativa, además de actividad inhibitoria de la DPP-4. Aún es necesario realizar más estudios que complementen la información encontrada, lo cual podría significar una gran contribución al tratamiento de pacientes con DBT2 y SARS-CoV-2.

Bibliografía del artículo
1. Marchiori P, Tobar S. La COVID-19 y las oportunidades de cooperación internacional en salud. Rev Cad Saúde Pública 36(4):1-3, 2020.
2. INEI. Estado de la población peruana 2020. Lima; 2020.
3. INEI. Perú: Factores de riesgo asociados a complicaciones por COVID-19, ENDES 2018 - 2019. Lima; 2020.
4. Quintanilla C, Zuñiga S. El efecto incretina y su participación en la diabetes mellitus tipo 2. Rev Med Inst Mex Seguro Soc 48(5):509-520, 2010.
5. Barchetta I, Ciccarelli G, Barone E, Cimini F, Ceccarelli V, Bertoccini L, et al. Greater circulating DPP4 activity is associated with impaired flow-mediated dilatation in adults with type 2 diabetes mellitus. Nutr Metab Cardiovasc Dis 29:1087-1094, 2019.
6. Fernández C, Rysä J, Almgren P, Nilsson J, Engstrom G, Orho M, et al. Plasma levels of the proprotein convertase furin and incidence of diabetes and mortality. J Int Med 284:377-387, 2018.
7. Fakhry AbdelMassih A, Ye J, Kamel A, Mishriky F, Ismail H, Ragab H, et al. A multicenter consensus: A role of furin in the endothelial tropism in obese patients with COVID-19 infection. Obesity Medicine 19:100281, 2020.
8. de Oliveira M, de Sibio T, Solla Mathias L, Moretto Rodrigues B, Sakalem ME, Nogueira CR. Irisin modulates genes associated with severe coronavirus disease (COVID-19) outcome in human subcutaneous adipocytes cell culture. Mol Cell Endocrinol 515:515917, 2020.
9. Das S, Anu K, Raosaheb Birangal S, Nitin Nikam A, Pandey A, Mutalik S. Joseph A. Role of comorbidities like diabetes on severe acute respiratory syndrome coronavirus-2: A review. Life Sci 258:118202, 2020.
10. Codo A, Gastao G, Monteiro L, Nakaya H, Farias A, Moraes P. Elevated glucose levels favor SARS-CoV-2 infection and monocyte response through a HIF-1a/glycolysis-dependent axis. Cell Metabolism 32:1-10, 2020.
11. Kalhotra P, Chittepu V, Osorio G, Gallardo T. Phytochemicals in garlic extract inhibit therapeutic enzyme DPP-4 and induce skeletal muscle cell proliferation: A possible mechanism of action to benefit the treatment of diabetes mellitus. Biomolecules 10(305):1-16, 2020.
12. Olalekan O, Opeyemi E, Orimoloye M, Sam O, Olalekan A, Gbadura I, Teixeira J. Potential use of bitter melon (Momordica charantia) derived compounds as antidiabetics: In silico and in vivo studies. Pathophysiology 25:327-333, 2018.
13. Ayachi H, Merad M, Ghalem S. Study of interaction between dipeptidyl peptidase-4 and products extracted from the stevia plant by molecular modeling. Int J Pharm Sci Rev Res 23(1):87-90, 2013.
14. Kempegowda P, Zameer F, Kumar C, Prasad S, Kumar S. Inhibitory potency of Withania somnifera extracts against DPP-4: An in vitro evaluation. Afr J Tradit Complement Altern Med 15(1):11-25, 2018.
15. Ojeda M, Ardid A, Tomás S, Gimeno A, Cereto A, Beltrán R, et al. Ephedrine as a lead compound for the development of new DPP-4 inhibitors. Future Med Chem 9(18):2129-2146, 2017.
16. Ahmad I, Arifianti AE, Sakti AS, Saputri FC, Mun'im A. Simultaneous natural deep eutectic solvent-based ultrasonic-assisted extraction of bioactive compounds of cinnamon bark and sappan wood as a dipeptidyl peptidase IV inhibitor. Molecules (Basel, Switzerland) 25(17):E3832, 2020.
17. Chakrabarti R, Bhavtaran S, Narendra P, Varghese N, Vanchhawng L, Shihabudeen M, Thirumurgan K. Dipeptidyl peptidase-IV inhibitory activity of Berberis aristata. J Nat Prod 4:158-163, 2011.
18. Malik L, Ad'hiah A, Aziz G. Phytochemical contnt and the potential Punica granulatum peel extracts as radical scavengers and dipeptidyl peptidase-4 inhibitors. Journal of Biotechnology Research Center 13(1):5-11, 2019.
19. Riyanti S, Suganda A, Yulinah E. Dipeptidyl peptidase-IV inhibitory activity of some Indonesian medicinal plants. Asian J Pharm Clin Res 9(2):375-377, 2016.
20. Saleem S, Jafri L, ul Haq I, Chang L, Calderwood D, Green B, Mirza B. Plants Fagonia cretica L. y Hedera nepalensis K. Koch contain natural compounds with potent dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) inhibitory activity. J Ethnopharmacol 156:26-32, 2014.
21. Gao Y, Zhang Y, Zhu J, Li B, Li1 Z, Zhu W, et al. Recent progress in natural products as DPP-4 inhibitors. Future Med Chem 7(8):1079-1089, 2015.
22. Kato E, Kawakami K, Kawabata J. Macrocarpal C isolated from Eucalyptus globulus inhibits dipeptidyl peptidase 4 in an aggregated form. J Enzyme Inhib Med Chem 33(1):106-109, 2018.
23. Kato E, Uenishi Y, Inagaki Y, Kurokawa M, Kawabata J. Isolation of rugosin A, B and related compounds as dipeptidyl peptidase-IV inhibitors from rose bud extract powder. Biosci Biotechnol Biochem 80(11):2087-2092, 2016.
24. Elmi A, Al-Jawad Sayem S, Ahmed M, Abdoul-Latif F. Natural compounds from djiboutian medicinal plants as inhibitors of COVID-19 by in silico investigations. Int J Curr Pharm Res 12(4):52-57, 2020.
25. Majumdar S, Mohanta BC, Chowdhury DR, Banik R, Dinda B, Basak A. Proprotein convertase inhibitory activities of flavonoids isolated from Oroxylum indicum. Curr Med Chem 17(19):2049-2058, 2010.
26. Tao H, Zhang Z, Shi J, Shao X, Cui D, Chi C. Template-assisted rational design of peptide inhibitors of furin using the lysine fragment of the mung bean trypsin inhibitor. FEBS J 273 (17):3907-3914, 2006.
27. Li Y, Zhang Z, Yang L, Lian X, Xie Y, Li S, Lu J. The MERS-CoV receptor DPP4 as a candidate binding target of the SARS-CoV-2 spike. iScience 23(6):101160, 2020.
28. Rangel-Méndez JA, Moo-Puc RE. N-acetylcysteine as a potential treatment for novel coronavirus disease 2019. Future Microbiol 20221, 2020.
29. Figueredo A, Reyes F, Pérez M, Batista Y, Peña Y. Inhibidores de la dipeptidil peptidasa 4 y una nueva estrategia farmacológica en la diabetes mellitus tipo 2. Rev Cubana Med 55(3):239-256, 2016.
30. Bassendine MF, Bridge SH, McCaughan GW, Gorrell MD. COVID?19 and comorbilities: A role for dipeptidyl peptidase 4 (DPP4) in disease severity? J Diabetes 12(9):649-658, 2020.