Plant-derived bioactive compounds for inflammatory diseases

Abstract

A Organização Mundial da Saúde qualifica as doenças inflamatórias crónicas como a principal causa de morbilidade e mortalidade no mundo. A inflamação crónica é caracterizada por uma resposta inflamatória anormal e persistente que conduz à disfunção de tecidos e órgãos (p. ex. artrite). Nas últimas décadas, foram observadas melhorias significativas no tratamento destas doenças. No entanto, a contínua administração de fármacos anti-inflamatórios é limitada devido à sua associação com efeitos secundários graves. Assim, terapias mais seguras e eficazes devem ser exploradas. As plantas, sendo a base da medicina tradicional em muitas culturas por milhares de anos, são uma excelente fonte de moléculas bioativas, tornando-se algumas delas marcos na indústria farmacêutica (p. ex. morfina). Duas plantas tradicionalmente utilizadas no tratamento de doenças imunológicas são a Salvia officinalis e a Echinacea purpurea. Todavia, a sua atividade imunomoduladora ainda não foi amplamente estudada de forma a fornecer evidências científicas sólidas acerca da sua eficácia. Neste trabalho foram preparados extratos de diferentes órgãos dessas plantas (flores, folhas e raízes) para explorar o seu potencial como formulações pró- ou anti-inflamatórias. Diferentes solventes e métodos de extração foram usados para preparar extratos com diferentes características. Em particular, os extratos da E. purpurea foram separados em duas frações (fenóis/ácidos carboxílicos e alquilamidas) para permitir identificar a classe de compostos responsável pela maior bioatividade. A composição química dos extratos e das frações foi caracterizada por diferentes técnicas cromatográficas. A atividade antioxidante das diferentes formulações foi avaliada na presença de espécies reativas relevantes. Os efeitos pró- e anti-inflamatórios dos diferentes extratos e frações foram investigados, respetivamente, em macrófagos não estimulados e estimulados com lipopolissacarídeos. Relativamente às propriedades pró-inflamatórias, somente os extratos aquosos de E. purpurea demonstraram bioatividade ao induzir as principais vias de sinalização inflamatória e os mediadores pró-inflamatórios. Considerando as atividades antioxidantes e anti inflamatórias, todos os extratos e frações preparados apresentaram grande eficácia, a qual foi influenciada pelo método de extração, solvente utilizado e órgão da planta selecionado. Posteriormente, o extrato mais promissor foi encapsulado em vesículas unilamelares grandes, funcionalizadas com ácido fólico, com o objetivo de melhorar a sua biodistribuição. Por fim, demonstrou-se a segurança e a eficácia terapêutica desta formulação num modelo experimental de inflamação em ratos. Assim, concluiu-se que os extratos de plantas são formulações com grande potencial para serem posteriormente utilizadas como base no tratamento eficaz de doenças que afetam o sistema imunológico, seja quando este está comprometido ou hiper-reativo.

Chronic inflammation-related diseases are ranked by the World Health Organization as the major cause of morbidity and mortality in the world. Chronic inflammation is characterized by a persistent and abnormal inflammatory response that leads to tissue damage and/or dysfunction (e.g., arthritis). There were remarkable improvements in the last decades in the management of chronic inflammatory diseases. However, the constant administration of the clinically available anti-inflammatory drugs is limited due to their association with serious side effects. Therefore, alternative, safer and more effective therapies must be investigated. Plants, being the basis of traditional medicine in many cultures for thousands of years, are a rich source of bioactive molecules. Some of them became landmarks in the pharmaceutical field (e.g., morphine). Two plants traditionally used in the treatment of immune-related diseases are Salvia officinalis and Echinacea purpurea. However, their immunomodulatory activity has not been extensively studied in a scientifically soundness. Therefore, in this work, we obtained extracts from different organs of those plants (flowers, leaves, and roots) to explore their potential as pro- or anti-inflammatory formulations. Different solvents and extraction methods were used to prepare a variety of extracts. Particularly for E. purpurea extracts were fractionated into phenolic/carboxylic acids and alkylamide fractions to identify the class of compounds responsible for the strongest bioactivity. Then, the chemical fingerprint in the extracts and fractions was evaluated by different chromatographic techniques. The antioxidant activity of the different formulations was evaluated against relevant reactive species. The proand anti-inflammatory effects of the different extracts and fractions were evaluated using non-stimulated and lipopolysaccharide-stimulated macrophages, respectively. Regarding pro-inflammatory properties, aqueous E. purpurea extracts were the most promising by the induction of main inflammatory signaling pathways and pro-inflammatory mediators. Considering antioxidant and anti-inflammatory activities, all the developed extracts displayed strong efficacy that was influenced by the extraction method, solvent used, and source organ of the plant. Afterward, the most promising extract was loaded in folic acidfunctionalized large unilamellar vesicles (FLUVs) to improve its therapeutic biodistribution. Finally, it was demonstrated in an experimental rat model of inflammation the safety and enhanced therapeutic efficacy of the most powerful extracts loaded in FLUVs. Therefore, we showed that the plant extracts are promising natural formulations that can be further used as a basis for the effective treatment for disorders in which the immune system is either overactive or impaired.