Chemical characterization and evaluation of biological activity of Cynara cardunculus extractable compounds

The Mediterranean species Cynara cardunculus L. is recognized in the traditional medicine, for their hepatoprotective and choleretic effects. Biomass of C. cardunculus L. var. altilis (DC), or cultivated cardoon, may be explored not only for the production of energy and pulp fibers, but also for the extraction of bioactive compounds. The chemical characterization of extractable components, namely terpenic and phenolic compounds, may valorize the cultivated cardoon plantation, due to their antioxidant, antitumoral and antimicrobial activities. In this study, the chemical composition of lipophilic and phenolic fractions of C. cardunculus L. var. altilis (DC), cultivated in the south of Portugal (Baixo Alentejo region) was characterized in detail, intending the integral valorization of its biomass. The biological activity of cultivated cardoon extracts was evaluated in terms of antioxidant, human tumor cell antiproliferative and antibacterial effects. Gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) was used for the chemical analysis of lipophilic compounds. Sixty-five lipophilic compounds were identified, from which 1 sesquiterpene lactone and 4 pentacyclic triterpenes were described, for the first time, as cultivated cardoon components, such as: deacylcynaropicrin, acetates of β- and α-amyrin, lupenyl acetate and ψ-taraxasteryl acetate. Sesquiterpene lactones were the major family of lipophilic components of leaves (≈94.5 g/kg), mostly represented by cynaropicrin (≈87.4 g/kg). Pentacyclic triterpenes were also detected, in considerably high contents, in the remaining parts of cultivated cardoon, especially in the florets (≈27.5 g/kg). Taraxasteryl acetate was the main pentacyclic triterpene (≈8.9 g/kg in florets). High pressure liquid chromatography-mass spectrometry (HPLC-MS) was utilized for the chemical analysis of phenolic compounds. Among the identified 28 phenolic compounds, eriodictyol hexoside was reported for the first time as C. cardunculus L. component, and 6 as cultivated cardoon components, namely 1,4-di-O-caffeoylquinic acid, naringenin 7-O-glucoside, naringenin rutinoside, naringenin, luteolin acetylhexoside and apigenin acetylhexoside. The highest content of the identified phenolic compounds was observed in the florets (≈12.6 g/kg). Stalks outer part contained the highest hydroxycinnamic acids abundance (≈10.3 g/kg), and florets presented the highest flavonoids content (≈10.3 g/kg). The antioxidant activity of phenolic fraction was examined through 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH) free radical scavenging assay. Stalks outer part, and receptacles and bracts extracts demonstrated the highest antioxidant effect on DPPH (IC50 of 34.35 μg/mL and 35.25 μg/mL, respectively). (cont.) abstract (cont.) The DPPH scavenging effect was linearly correlated with the total contents of hydroxycinnamic acids (r = -0.990). The in vitro antiproliferative activity of cultivated cardoon lipophilic and phenolic extracts was evaluated on a human tumor cells line of triple-negative breast cancer (MDA-MB-231), one of the most refractory human cancers to conventional therapeutics. After 48 h of exposition, leaves lipophilic extract showed higher inhibitory effect (IC50 = 10.39 μg/mL) than florets lipophilic extract (IC50 = 315.22 μg/mL), upon MDA-MB-231 cellular viability. Pure compound of cynaropicrin, representative of the main compound identified in leaves lipophilic extract, also prevented the cell proliferation of MDA-MB-231 (IC50 = 17.86 μM). MDA-MB-231 cells were much more resistant to the 48 h- treatment with phenolic extracts of stalks outer part (IC50 = 3341.20 μg/mL) and florets (IC50 > 4500 μg/mL), and also with the pure compound of 1,5-di-O-caffeoylquinic acid (IC50 = 1741.69 μM). MDA-MB-231 cells were exposed, for 48 h, to the respective IC50 concentrations of leaves lipophilic extract and pure compound of cynaropicrin, in order to understand their ability in modelling cellular responses, and consequently important potentially signaling pathways for the cellular viability decrease. Leaves lipophilic extract increased the caspase-3 enzymatic activity, contrarily to pure compound of cynaropicrin. Additionally, leaves lipophilic extract and pure compound of cynaropicrin caused G2 cell cycle arrest, possibly by upregulating the p21Waf1/Cip1 and the accumulation of phospho-Tyr15-CDK1 and cyclin B1. The inhibitory effects of leaves lipophilic extract and cynaropicrin pure compound, against the MDA-MB-231 cell proliferation, may also be related to the downregulation of phospho-Ser473-Akt. The antibacterial activity of cultivated cardoon lipophilic and phenolic extracts was assessed, for the first time, on two multidrug-resistant bacteria, such as the Gram-negative Pseudomonas aeruginosa PAO1 and the Gram-positive methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), two of the main bacteria responsible for health care-associated infections. Accordingly, the minimum inhibitory concentrations (MIC) were determined. Lipophilic and phenolic extracts of florets did not have antibacterial activity on P. aeruginosa PAO1 and MRSA (MIC > 2048 μg/mL). Leaves lipophilic extract did not prevent the P. aeruginosa PAO1 growth, but pure compound of cynaropicrin was slightly active (MIC = 2048 μg/mL). Leaves lipophilic extract and pure compound of cynaropicrin blocked MRSA growth (MIC of 1024 and 256 μg/mL, respectively). The scientific knowledge revealed in this thesis, either by the chemical viewpoint, or by the biological viewpoint, contributes for the valorization of C. cardunculus L. var. altilis (DC) biomass. Cultivated cardoon has potential to be exploited as source of bioactive compounds, in conciliation with other valorization pathways, and Portuguese traditional cheeses manufacturing.

A espécie mediterrânica Cynara cardunculus L. é reconhecida na medicina tradicional, pelos seus efeitos hepatoprotetor e colerético. A biomassa de C. cardunculus L. var. altilis (DC), ou cardo cultivado, poderá ser explorada não só para a produção de energia e fibras de pasta de papel, mas também para a extração de compostos bioativos. A caracterização química dos componentes extratáveis, nomeadamente os compostos terpénicos e fenólicos, poderá valorizar a plantação de cardo cultivado, dadas as suas atividades antioxidante, antitumoral e antimicrobiana. Neste estudo, a composição química das frações lipofílica e fenólica de C. cardunculus L. var. altilis (DC), cultivado no sul de Portugal (região do Baixo Alentejo), foi caracterizada em detalhe, com vista à valorização integral da sua biomassa. A atividade biológica dos extratos de cardo cultivado foi avaliada em termos de efeitos antioxidante, antiproliferativa em células humanas tumorais, e antibacteriano. A análise química dos compostos lipofílicos foi realizada por cromatografia em fase gasosa acoplada à espectrometria de massa (GC-MS). Identificaram-se 65 compostos lipofílicos, dos quais 1 lactona sesquiterpénica e 4 triterpenos pentacíclicos foram descritos, pela primeira vez, como componentes do cardo cultivado, tais como: desacilcinaropicrina, acetatos de β- e α-amirina, acetato de lupenilo e acetato de ψ-taraxasterilo. As lactonas sesquiterpénicas foram a principal família de compostos lipofílicos das folhas (≈94,5 g/kg), maioritariamente representadas pela cinaropicrina (≈87,4 g/kg). Os triterpenos pentacíclicos foram também detetados, em teores consideravelmente elevados, nas restantes partes do cardo cultivado, em especial nos floretos (≈27,5 g/kg). O acetato de taraxasterilo foi o triterpeno pentacíclico maioritário (≈8,9 g/kg nos floretos). Para a análise química dos compostos fenólicos foi utilizada a cromatografia líquida de alta resolução acoplada à espectrometria de massa (HPLC-MS). Entre os 28 compostos fenólicos identificados, o erioditiol hexósido foi descrito pela primeira vez como componente de C. cardunculus L., e 6 como componentes do cardo cultivado, nomeadamente ácido 1,4-di-O-cafeoilquínico, naringenina 7-O-glucósido, naringenina rutinósido, naringenina, luteolina acetil-hexósido e apigenina acetil-hexósido. A concentração mais alta de compostos fenólicos identificados foi observada nos floretos (≈12,6 g/kg). A parte externa dos caules continha o maior teor em ácidos hidroxicinâmicos (≈10,3 g/kg), e os floretos apresentaram o maior teor em flavonoides (≈10,3 g/kg). A atividade antioxidante da fração fenólica foi examinada face ao radical livre 2,2-difenil-1-picril-hidrazilo (DPPH). Os extratos da parte externa do caule, e dos recetáculos e brácteas demonstraram o maior efeito antioxidante, face ao DPPH (IC50 de 34,35 μg/mL e 35,25 μg/mL, respetivamente). (cont.) resumo (cont.) A atividade antioxidante face ao DPPH foi correlacionada linearmente com a concentração total de ácidos hidroxicinâmicos (r = -0.990). A atividade antiproliferativa in vitro dos extratos lipofílicos e fenólicos de cardo cultivado foi avaliada numa linha de células tumorais humanas de cancro da mama de fenótipo triplo-negativo (MDA-MB-231), um dos tipos de cancro humano mais refratários às terapêuticas convencionais. Após 48 h de exposição, o efeito inibitório do extrato lipofílico das folhas (IC50 = 10,39 μg/mL) foi superior ao do extrato lipofílico dos floretos (IC50 = 315,22 μg/mL), sobre a viabilidade celular de MDA-MB-231. O composto puro da cinaropicrina, representativo do composto maioritário identificado no extrato lipofílico das folhas, também inibiu a proliferação das células MDA-MB-231 (IC50 = 17,86 μM). As células MDA-MB-231 foram muito mais resistentes, ao tratamento de 48 h, com os extratos fenólicos da parte externa dos caules (IC50 = 3341,20 μg/mL) e dos floretos (IC50 > 4500 μg/mL), e também com o composto puro do ácido 1,5-di-O-cafeoilquínico (IC50 = 1741,69 μM). As células MDA-MB-231 foram expostas, durante 48 h, às respetivas concentrações de IC50 do extrato lipofílico das folhas e do composto puro da cinaropicrina, de modo a perceber a sua capacidade em modelar respostas celulares, e consequentemente potenciais vias de sinalização importantes para o decréscimo da viabilidade celular. O extrato lipofílico das folhas aumentou a atividade enzimática da caspase-3, ao contrário do composto puro da cinaropicrina. Além disso, o extrato lipofílico das folhas e o composto puro da cinaropicrina causaram paragem do ciclo celular na fase G2, possivelmente através do aumento da expressão proteica de p21Waf1/Cip1 e da acumulação das proteínas fosfo-Tyr15-CDK1 e ciclina B1. Os efeitos inibitórios do extrato lipofílico das folhas e do composto puro da cinaropicrina, contra a proliferação das células MDA-MB-231, poderão também estar relacionados com a diminuição da expressão proteica da fosfo-Ser473-Akt. A atividade antibacteriana dos extratos lipofílicos e fenólicos de cardo cultivado foi avaliada, pela primeira vez, sobre duas bactérias multirresistentes, tais como a bactéria Gram-negativa Pseudomonas aeruginosa PAO1 e a bactéria Gram-positiva Staphylococcus aureus resistente à meticilina (MRSA), duas das principais bactérias responsáveis pelas infeções associadas aos cuidados de saúde. Para tal, determinaram-se as concentrações inibitórias mínimas (MIC). Os extratos lipofílicos e fenólicos dos floretos não revelaram atividade antibacteriana contra P. aeruginosa PAO1 e MRSA (MIC > 2048 μg/mL). O extrato lipofílico das folhas não inibiu o crescimento de P. aeruginosa PAO1, mas o composto puro da cinaropicrina foi ligeiramente ativo (CIM = 2048 μg/mL). O extrato lipofílico das folhas e o padrão puro da cinaropicrina bloquearam o crescimento de MRSA (MIC de 1024 e 256 μg/mL, respetivamente). O conhecimento científico revelado nesta tese, quer do ponto de vista químico, quer do ponto de vista biológico, contribui para a valorização da biomassa de C. cardunculus L. var. altilis (DC). O cardo cultivado tem potencial para ser explorado como fonte de compostos bioativos, em conciliação com outras vias de valorização, e a produção de queijos tradicionais portugueses.

Doutoramento em Química