Phytochemical investigation of alpine plants : the cottonsedges Eriophorum scheuchzeri Hoppe, E. angustifolium Honck. and E. latifolium Hoppe (CYPERACEAE)

Résumé: Alpine plants living at high altitudes undergo a series of climatic stress factors (chilling, enhanced UV radiation, short growing season, low nutriment supply...) which may influence their secondary compounds composition. Many publications showed in these last years that plants under stress conditions do synthesize a range of specific defence compounds (terpenes, flavonoids, coumarines...). A careful phytochemical investigation of those plants could therefore lead to the discovery of active molecules. Thus, for the biological and chemical screening, about 30 alpine plants have been collected above 2000 metres, in the alpine grass-lands. Eriophorum scheuchzeri Hoppe (Cyperaceae), not yet investigated phytochemically, revealed in its lipophilic and polar extracts the presence of various radical scavengers in a TLC autography with the DPPH (2,2-dipheny1-1- picrylhydrazyl) radical as spray reagent, as well as several antifungal compounds acitve against Cladosporium cucumerinum and Candida albi cans. The first part of this study consisted in the detection, isolation and characterization of the bioactive natural compounds present in the lipophilic extract of Eriophorum scheuchzeri. Among the eight isolated compounds, six were isoflavones. No isoflavones have been reported in the Cyperaceae family yet, nor in related families such as Poaceae or Juncaceae. Besides, isoflavones are generally rare in the plant kingdom and and they occur only in some families, such as Fabaceae, Rosaceae or Myristicaceae. In addition, out of these six isoflavones, three were new isoflavones. The known compounds were parvisoflavone A and B and cajanin which are already known isoflavones in the Fabaceae family. Two of the new isoflavones were particular, as they were C-methylated on the B-ring at the C-3' position. Methylated flavonoids are particularly rare in the plant kingdom. At present, no C-methylated isoflavones with methyl groups on the B-ring have ever been reported. The fourth new compound was a prenylated flavanone. Flavanones are also rare in the Cyperaceae family since they were found only in two genera (Cyperus and Schoenus). Finally, the widespread flavone tricin, characteristic of the Cyperaceae and Poaceae family has also been isolated. The second part of this study consisted in the characterization of the polar components present in the Me0H extract. In order to obtain mass and UV information about the secondary compounds present in the Eriophorum scheuchzeri methanolic extract, a LC-UV/DAD-APCl/MSn analysis has been performed as a first dereplication step. The UV/DAD spectra showed the presence of polyphenol compounds (phenylpropanoids and flavonoids). The LC-APCI/MSn analysis allowed the determination of the molecular weight of these compounds. Moreover, the fragmentation pattern of the [M+H]+ ions indicated presence of mono-, di- and tri-glycosides. LC-UV in combination with UV shift reagents added post-column was used in a second phase for the structural elucidation of the flavonoids. It allowed the positioning of the sugars on the aglycones. Finally, LC-NMR was used for a more detailed structural investigation of the compounds present in the crude MEOH extract. Thus, 10 fiavonoids have been totally or partially characterized by LC-UV-MS and LC-1H-RMN and UV-shift reagents added post column. However, the information obtained on-line was not always sufficient to allow a complete identification of all the compounds. Some of these compounds especially those with more than two sugar units attached to them, have been isolated in order to proceed to their complete characterization. Moreover, the Eriophorum scheuchzeri species was compared to two other species from the same genus. A LC-UV-ESI/MS analysis enabled a survey of the chemical composition of the DCM extracts of two related species E. angustifolium (Honck) and E. latifolium (Hoppe). The chromatograms of the three species showed some similarities in their flavonoid contents, especially by the recurrent presence of three compounds. The MEOH extracts of all three species have been compared by means of LC-UV-APCl/MS analyses. The chromatographic profile of all the three species showed even closer similarities than those found in the DCM extracts. E. angustifolium Honck. and E. latifolium species showed 7 compounds in common. Finally, the pure compounds obtained from the DCM (CH2Cl2) fraction were tested at different concentration, in order to evaluate their chemical and biological activities. All eight compounds showed an anti-scavenger activity against the DPPH radical, and four compounds showed antifungal activities against Cladosporium cucumerinum and Candida albicans. The pure compounds isolated from the MeOH extract were tested only for their biological activities as their antioxidant activity is already well documented in the literature. No compound showed a biological activity against Cladosporium cucumerinum and Candida albicans. Résumé: De nombreux travaux ont démontré ces dernières décennies que les plantes soumises à différents types de stress (basse température, UV, stress hydrique) synthétisent des composés secondaires (fiavonoides, coumarines, terpènes...) de protection et de défense. Les plantes d'altitude par exemple qui sont exposées à des conditions climatiques et environnementales difficiles, ont tendance à synthétiser des substances antioxydantes et antiradicalaires. Une investigation phytochirnique de ces plantes a conduit à la découverte de nouvelles molécules actives. Ainsi plusieurs plantes alpines ont été sélectionnées en fonction de leur habitat en vue de les soumettre aux tests biologiques (antifongiques) et chimiques (antiradicalaires) menés en routine dans notre laboratoire. Dans ce criblage biologique préliminaire, les extraits d'Eriophorum scheuchzeri Hoppe (Cyperaceae) ont réagi positivement aux différents tests. Il a donc été décidé d'entreprendre l'isolement des composés actifs. La première partie de ce travail a consisté à détecter, isoler et caractériser les composés naturels actifs présents dans l'extrait apolaire d' Eriophorum scheuchzeri. Parmi les huit composés isolés, quatre d'entre eux sont nouveaux. Un de ces produits est une flavanone et trois sont de nouvelles isoflavones, particulièrement intéressantes car elles possèdent des groupements C-méthylés au niveau du cycle B. Les flavonoides C-méthylés sont peu répandus dans le règne végétal et les rares exemples connus sont généralement C-méthylés sur le cycle A. Les quatre autres composés isolés n'ont jamais été décrits dans cette famille. Il s'agit d' isoflavones, les parvisoflavones A et B et la cajanine. Enfin, la flavone tricine, flavonoide caractéristique des Cyperaceae et des Poaceae a également été isolée. La deuxième partie de ce travail a consisté à caractériser les constituants polaires présents dans l'extrait methanolique. L'extrait a été analysé par chromatographie analytique couplée à différentes méthodes spectroscopiques (LC-UV-MS et LC-UV-1H RMN). De cette façon, douze flavonoides et un dérivé du phénylpropane, l'acide chlorogénique ont été identifiés. Les flavonoides tri-glycosylés ont dû être isolés afin de déterminer la nature et l'enchaînement des sucres. Finalement, l'espèce Eriophorum scheuchzeri a été comparée à deux autres espèces d' Eriophorum, soit E. angustifolium et E. latifolium. En conclusion, cette étude phytochimique a abouti à l'isolement de plusieurs nouvelles isoflavones aux activités antioxydantes et antifongiques ainsi qu'oestrogéniques.

Phytochemical investigation of plants used in African traditional medicine: "Dioscorea sylvatica" (Dioscoreaceae), "Urginea altissima" (Liliaceae), "Jamesbrittenia fodina" and "Jamesbrittenia elegantissima" (Scrophulariaceae)

Les plantes médicinales représentent la seule source de médicaments pour près de 90 % de la population de certains pays d?Afrique. Le savoir-faire des guérisseurs traditionnels, d?une valeur inestimable, représente un point de départ pour l?investigation pharmacologique et phytochimique de ces médicaments naturels. Dans le cadre de ce travail, nous nous sommes dans un premier temps intéressés à valider l?utilisation en médecine traditionnelle de deux plantes, Diuscorea sylvatica (Dioscoreaceae) et Urginea altissima (Liliaceae), qui produisent, lorsqu?elles sont frottées sur la peau, une inflammation et des démangeaisons. Ces réactions cutanées ont pu être expliquées, au moins en partie, par la présence d?aiguilles acérées d?oxalate de calcium dans les organes souterrains. Ces microtraumatismes répétés de l?épiderme risquent de provoquer, lors d?une utilisation prolongée, des lésions granulomateuses. L?histamine n?a pas été détectée, mais d?autres substances pourraient être impliquées dans le processus inflammatoire. La seconde partie de ce travail a consisté en la détection, l?isolement et la caractérisation de nouveaux composés naturels présentant un intérêt thérapeutique potentiel. 70 extraits provenant de 28 plantes supérieures du Zimbabwe ont été soumis à un criblage chimique et biologique. Les extraits méthanoliques des parties aériennes de Jamesbrittenia fodina et J. elegantissima (Scrophulariaceae) ont été sélectionnés sur la base de leurs nombreuses activités. Le fractionnement guidé par l?activité de J. fudina a permis l?isolement des saponines A et B, responsables des activités antifongique, antibactérienne et molluscicide de l?extrait. De plus, les deux saponines ont montré une activité équivalente en tant qu?inhibiteurs de l?acétylcholinestérase, propriété encore non décrite pour cette classe de composés. Une analyse LC/uv/MS de l?extrait a permis d?attribuer l?activité antiradicalaire au verbascoside, un dérivé du phenylpropane; cette analyse a de plus montré la présence d?une série de dérivés de l?acide cinnamique, dont l?isolement a été entrepris. Deux problèmes d?instabilité sont apparus, empêchant l?isolement des composés par des méthodes chromatographiques de pointe, en dépit de très bonnes conditions de séparations. Des analyses LC/?H-NMR combinées à des analyses RMN classiques des mélanges ont permis d?attribuer ces instabilités d?une part à une isomérisation cis/trans induite par la lumière, et d?autre part à une transacylation du groupe cinnamoyl sur une unité de sucre. Ceci a permis l?identification de 12 esters cinnamiques d?iridoïdes, dont 8 nouveaux produits naturels. Ces dérivés présentent un intérêt thérapeutique, car des composés similaires ont montré des propriétés anti-inflammatoires significatives dans différents modèles in vivo. Deux flavanones ont aussi été isolées de l?extrait. Cette classe de composés n?a jamais été rapportée chez un membre des Scrophulariaceae. Une analyse LC/UV/MS comparative des extraits polaires des deux espèces, J. fodina et J. elegantissima, a été effectuée pour détecter la présence éventuelle de compos.és communs. Les saponines A et B et le verbascoside ont été identifiés dans l?extrait de J. elegantissima. Trois flavonoïdes ont de plus été isolés de ce dernier par CPC et HPLC semi-préparative.<br/><br/>In certain African countries, medicinal plants represent the unique source of to 90% of the population. The knowledge of traditional healers represents a basis for the pharmacological and phytochemical investigation of these natural medicines. This work first focused on the validation of use of two plants frequently employed in traditional medicine, Dioscorea sylvatica (Dioscoreaceae) and Urginea altissimu (Liliaceae), which produce mild inflammation and itching when rubbed on the skin. These cutaneous reactions were shown to be due, at least in part, to the presence of sharp needles of calcium oxalate, implying the risk of granulomatous lesions following a long term use. Histamine was not detected, but other compounds could be involved in the inflammatory process. The second part of this work consisted of the detection, isolation and characterisation of new natural compounds of potential therapeutic interest from African plants. Seventy extracts obtained from 28 higher plants of Zimbabwe were submitted to a chemical and biological screening. The methanol extracts of the whole plants of Jamesbrittenia fodina and J. elegantissima (Scrophulariaceae) were selected for their various activities. An activity-guided fractionation of J. fodina led to the isolation of the saponins A and B, responsible for the antifungal, antibacterial and molluscicidal properties. Both saponins were equally active as inhibitors of acetylcholinesterase, a property that has, to our knowledge, never been described for this class of compounds. A LC/UV/MS analysis of the extract allowed the identification of verbascoside as the product with radical scavenging activity, and indicated the presence of a series of potentially interesting cinnamic acid derivatives. Two types of instability problems occurred in the course of their isolation, as some compounds could not be separated despite very good chromatographic conditions. LC/'H-NMR analyses combined with in-mixture NMR analyses enabled the attribution of the cause of the instability in one case to a cidtrans light-induced isomerisation, and in the other case to a transacylation of the cinnamoyl moiety on a sugar residue. These problems of instability have not been the object of previous studies. 12 cinnamic iridoid esters could be characterised, 8 of these being new natural compounds. Several similar substances have displayed significant anti-inflammatory properties in different in vivo models, suggesting a therapeutic interest for these new derivatives. Two flavanones were isolated from the same extract. This class of compound has not been previously reported from species of the Scrophulariaceae family. A comparative LCAJVNS study of the polar extracts of the two species J. elegantissima and J. fodina was performed in order to detect possible common compounds. Saponins A and B and verbascoside were thus identified in .J. elegantissima. Moreover, three supplementary flavonoids were isolated from J. elegantissima..