Loading…
Thumbnail Image

Ethnopharmacology of medicinal plants traditionally used in the Greater Mpigi region, Uganda

Schultz, Fabien

Relevance: This PhD thesis provides an ethnopharmacological assessment of 16 medicinal plant species used by traditional healers for the treatment of various infectious and inflammatory diseases in the Greater Mpigi region of Uganda. It includes the first detailed report on selected medicinal plant use in the local traditional medicine system. The ethnobotanical data obtained supports the conservation of local traditional knowledge and will enable future drug discovery research. As conventional drug therapies are becoming increasingly limited and inefficacious, some of the greatest threats to global health today are addressed in this work, including antibiotic resistance, malaria, cancer, inflammation, and related symptoms such as pain and fever. Aims of the PhD thesis: The overarching objectives were 1) the documentation of the medicinal use of (often understudied) plant species; 2) the development of a bibliographic assessment tool for selection of medicinal plants for lab studies; 3) the creation of a plant extract library; 4) the pharmacological in vitro assessment of these species regarding their respective traditional uses; 5) the contribution to early drug discovery stages and thereby the provision of a scientific basis for future drug lead identification endeavors; and 6) the integration of aspects of community work while fostering a bidirectional communication with indigenous communities. Methods: The results of diverse ethnopharmacological field research methods and pharmacological lab assays are reported in this dissertation, including a) an ethnobotanical survey using structured interviews with 39 traditional healers from 29 villages; b) the novel Degrees of Publication (DoP) method; c) antibacterial screenings against a panel of clinical isolates of multidrug-resistant human pathogens; d) antivirulence experiments, e.g., monitoring of quorum sensing inhibition and direct protein output (δ-toxin) in Staphylococcus aureus; e) antiinflammatory investigations (e.g., cyclooxygenase-2 inhibition); f) antimalarial studies against chloroquine-resistant Plasmodium falciparum K1; g) cytotoxicity counterscreens (e.g., against human MRC-5SV2 lung fibroblasts and HaCaT keratinocytes); h) a genotoxicity assessment model with simulation of human liver metabolism; and i) a method for transferring research results back to traditional healers in rural indigenous communities. Results: The results of the survey indicated a high level of local traditional use, as the 16 plant species are frequently used to treat a total of 75 different medical disorders. Many of these use reports were documented for the first time. The development and application of the DoP method allowed for assessment of what was already known about a species, while also estimating the quality of the evidence. In total, 634 peer-reviewed publications covering the period of 1960-2019 were reviewed. Six of the 16 species were then classified as being highly understudied, and three species as being understudied, which provided further justification for the subsequent lab investigations. The results of the pharmacological experiments generally showed a high correlation between the pharmacological activity and the respective traditional use. In the following, some examples of the strongest bioactive extracts are provided for a) growth inhibition activity: extracts of Zanthoxylum chalybeum and Harungana madagascariensis stem bark against S. aureus (MIC: 16 and 32 μg/mL) and Enterococcus faecium (MIC: 32 μg/mL); b) quorum sensing inhibition activity against four S. aureus accessory gene regulator (agr) alleles: extracts of Solanum aculeastrum root bark and Sesamum calycinum subsp. angustifolium leaves (IC50: 1–64 μg/mL); c) selective COX-2 inhibition activity: an extract of Leucas calostachys leaves (IC50: 0.66 μg/mL); and d) antiplasmodial activity against P. falciparum K1: extracts of W. ugandensis stem bark and L. calostachys leaves (IC50: 0.5 and 5.7 μg/mL). The transfer of lab results back to the traditional healers culminated in a video article showing a two-day workshop. Conclusions: The conservation of traditional knowledge continues to be vital for future generations, especially when facing the need for novel and more effective drugs, which have often been discovered from natural products in the past. The newly introduced DoP method is a useful tool for selecting traditionally used species for future lab studies, like costly pharmacological experiments and time-consuming isolation procedures. The results of the pharmacological studies provided scientific support for the potential therapeutic effects of the medicinal plants used in the Greater Mpigi region.
Relevanz: Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der ethnopharmakologischen Untersuchung von 16 Medizinpflanzen, die von traditionellen Heilerinnen und Heilern zur Behandlung von diversen Infektions- und Entzündungskrankheiten in der Großregion Mpigi in Uganda genutzt werden. Sie beinhaltet erstmalig einen detaillierten Bericht zur selektiven Medizinpflanzennutzung im örtlichen traditionellen Gesundheitssystem. Die erhobenen ethnobotanischen Daten tragen zum Erhalt des lokalen traditionellen Wissens bei und ermöglichen zukünftige Medikamentenwirkstoffentdeckungen und -entwicklungen. Da herkömmliche medikamentöse Therapien zunehmend in ihrer Anwendung beschränkt und wirkungslos sind, werden in dieser Arbeit einige der größten Bedrohungen für die globale Gesundheit thematisiert, darunter Antibiotikaresistenzen, Malaria, Krebs und Entzündungen sowie damit in Zusammenhang stehende Symptome wie Schmerzen und Fieber. Ziele der Doktorarbeit: Die übergeordneten Ziele sind 1) die Dokumentation der medizinischen Anwendung von (oftmals bislang wenig erforschten) Pflanzenspezies; 2) die Entwicklung einer bibliographischen Bewertungsmethode für die Auswahl von Medizinpflanzen für Laborstudien; 3) der Aufbau einer Pflanzenextrakt-Datenbank; 4) die pharmakologische in vitro Untersuchung dieser Spezies bezüglich ihrer traditionellen Anwendungen; 5) die Mitwirkung an frühen Wirkstofffindungs- und -entwicklungsphasen durch die Bereitstellung der wissenschaftlichen Basis für die zukünftige Identifikation von Arzneimittel-Leitstrukturen; und 6) die Integration von Aspekten der lokalen Community-Arbeit in die Forschung mit dem Ziel der Förderung einer bidirektionalen Kommunikation mit indigenen Gemeinschaften. Methoden: In dieser Dissertation werden Resultate von diversen ethnopharmakologischen Feldforschungsmethoden und pharmakologischen Labor-Assays präsentiert, unter anderem von a) einer ethnobotanischen Umfrage bei 39 traditionellen Heilerinnen und Heilern aus 29 Dörfern mittels strukturierten Interviews; b) der neuartigen „Degrees of Publication“-Methode (DoP-Methode); c) antibakteriellen Screenings gegen ein Panel bestehend aus klinischen Isolaten multiresistenter Humanpathogene; d) Antivirulenz-Experimenten, z.B. der Überwachung der Quorum Sensing Inhibition und der direkten Protein-Sekretion (δ-Toxin) bei Staphylococcus aureus; e) antiinflammatorischen Untersuchungen (z.B. der Cyclooxygenase-2-Inhibition); f) Antimalaria-Studien gegen den chloroquin-resistenten Plasmodium falciparum K1-Stamm; g) Cytotoxizitäts-Counterscreenings (z.B. gegen menschliche MRC 5SV2-Lungenfibroblasten und HaCaT-Keratinozyten); h) einem Gentoxizitäts-Beurteilungs-Modell mit Simulierung des menschlichen Lebermetabolismus; und von i) einer Methode zum Transfer von Forschungsergebnissen zurück zu den traditionellen Heilerinnen und Heilern in ländlichen indigenen Gemeinschaften. Ergebnisse: Die lokalen Umfrageresultate zeigten, dass die 16 Pflanzenarten häufig bei der traditionellen Behandlung von insgesamt 75 Erkrankungen angewendet werden. Viele dieser Anwendungsberichte wurden erstmalig dokumentiert. Die Entwicklung und Anwendung der DoP-Methode ermöglichte eine Bewertung darüber, inwiefern eine Spezies bereits erforscht wurde. Zudem wurde die Qualität der wissenschaftlichen Evidenz eingeschätzt. Insgesamt wurden 634 von Experten begutachtete wissenschaftliche Publikationen aus einem Zeitraum von 1960 bis 2019 geprüft. Sechs der 16 Spezies wurden dabei als hochgradig untererforscht und drei Spezies als untererforscht eingestuft, was die darauffolgenden Laboruntersuchungen zusätzlich legitimierte. Die Ergebnisse der pharmakologischen Experimente zeigten im Allgemeinen eine hohe Korrelation zwischen der pharmakologischen Aktivität und der jeweiligen traditionellen Anwendung. Im Folgenden sind einige Beispiele für die in den Versuchen am stärksten wirkenden Extrakte aufgeführt: a) Wachstumshemmungsaktivität: Extrakte aus Zanthoxylum chalybeum- und Harungana madagascariensis-Stammrinde gegen S. aureus (MIC: 16 und 32 μg/mL) und Enterococcus faecium (MIC: 32 μg/mL); b) Quorum Sensing-Hemmaktivität gegen vier S. aureus-Accessory-Gene-Regulator-Allele: Extrakte aus Solanum aculeastrum-Wurzelrinde und Sesamum calycinum subsp. angustifolium-Blättern (IC50: 1–64 μg/mL); c) selektive COX-2-Hemmaktivität: ein Extrakt aus Leucas calostachys-Blättern (IC50: 0,66 μg/mL); und d) antiplasmodiale Aktivität gegen P. falciparum K1: Extrakte aus W. ugandensis-Stammrinde und L. calostachys-Blättern (IC50: 0,5 und 5,7 μg/mL). Die Rückführung der Laborergebnisse zu den traditionellen Heilerinnen und Heilern resultierte in einem Videoartikel, der einen zweitägigen Workshop veranschaulicht. Fazit: Die Konservierung des traditionellen Wissens der lokalen Heilerinnen und Heiler ist fortwährend unerlässlich für zukünftige Generationen. Dieses ist vor allem bezogen auf die Nachfrage nach neuen, effektiveren Medikamenten der Fall, die in der Vergangenheit bereits häufig in Naturstoffen entdeckt und daraus entwickelt wurden. Die neu vorgestellte DoP-Methode erwies sich als ein leistungsfähiges Instrument für die Auswahl von traditionell genutzten Spezies für zukünftige Laborstudien, wie z.B. kostenintensive pharmakologische Experimente und zeitaufwendige Naturstoffisolationen. Die Ergebnisse der pharmakologischen Studien unterstützen die potenziellen therapeutischen Wirkungen der in der Großregion Mpigi genutzten Medizinpflanzen.