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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA FACULDADE DE VETERINÁRIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS VETERINÁRIAS NADJA SOARES VILA NOVA ALTERNATIVAS FITOTERÁPICAS PARA O TRATAMENTO DA LEISHMANIOSE FORTALEZA-CE 2012

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO CEARÁ

PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA

FACULDADE DE VETERINÁRIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS

VETERINÁRIAS

NADJA SOARES VILA NOVA

ALTERNATIVAS FITOTERÁPICAS PARA O TRATAMENTO DA

LEISHMANIOSE

FORTALEZA-CE

2012

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NADJA SOARES VILA NOVA

ALTERNATIVAS FITOTERÁPICAS PARA O TRATAMENTO DA

LEISHMANIOSE

Tese apresentada ao programa de Pós-Graduação em

Ciências Veterinárias da Faculdade de Veterinária

da Universidade Estadual do Ceará, como requisito

parcial para obtenção do título de Doutor em

Ciências Veterinárias.

Área de Concentração: Reprodução e Sanidade

Animal

Linha de Pesquisa: Reprodução e Sanidade de

carnívoros, onívoros e aves

Orientadora: Selene Maia de Morais

FORTALEZA

2012

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V695a Vila Nova, Nadja Soares

Alternativas fitoterápicas para o tratamento da leishmaniose / Nadja Soares Vila Nova. — 2012.

CD-ROM. 147f. il. (algumas color) ; 4 ¾ pol.

“CD-ROM contendo o arquivo no formato PDF do trabalho acadêmico, acondicionado em caixa de DVD Slin (19 x 14 cm x 7 mm)”. Tese (doutorado) – Universidade Estadual do Ceará, Faculdade de Veterinária, Programa de Pós-graduação em Ciências Veterinárias, Fortaleza, 2012.

Área de concentração: Reprodução e Sanidade de Carnívoros, Onívoros e Aves.

Orientação: Profa. Dra. Selene Maia de Morais.

1. Leishmania. 2. Alcalóides. 3. Acetogeninas. 4. Cumarinas. 5. Flavonóides. I. Título.

CDD: 636.089

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Ao meu pai que sempre

acreditou mais em mim do que

eu mesma.

Saudades eternas suas!

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AGRADECIMENTOS

Ao nosso Senhor Jesus por ter me iluminado e me dado força nesses quatro anos.

Minha sábia mãe Nadir Soares Vila Nova, por ser uma mulher incrível e um exemplo de

profissional, esposa, mãe e mulher. Meu amado pai Jarbas Maciel Vila Nova, que tanto

amo, sinto saudades suas todos os dias, o que muitas vezes me moveu foi saber que

sempre se orgulhou de mim. Obrigada aos meus pais por ter enchido a minha vida de

livros, música, estudos e oportunidades. Meus irmãos Alexandre Vila Nova e Helena

Maria Vila Nova por estarem presentes e me apoiarem nessa jornada.

Ao meu melhor amigo e amado marido Matheus Wagner Paulino de Sousa,

obrigada por ser tão paciente, carinhoso, presente e compreensível. O amor e admiração

que sinto por você são indescritíveis, casei com um homem sensível, inteligente,

esforçado, honesto e de um caráter enorme. Não vejo minha vida mais sem você.

Obrigada a minha orientadora Selene Maia de Morais pela orientação e pelos

ensinamentos não somente na área acadêmica mais também na vida. Hoje sou uma

pessoa mais calma, centrada e focada, pois tive uma orientação que foi além do preparo

de um profissional. Fui doutrinada não apenas a realizar pesquisas mais também a

compreender os problemas diários dos alunos, procurar sempre o melhor para o

próximo e entender que a vida dá voltas e que devemos enfrentar as diversidades e nos

adaptar a realidade.

A família do Laboratório de Química de Produtos Naturais – LQPN foi muito

bom ter todos vocês nesses anos, obrigada meus queridos amigos Pablito, Tayse,

Noemia, Daysiane, Igor, Cristiane, Micheline, Adailson, Danyelle, Clécio e todos que

participam desta enorme família. Um agradecimento especial a Maria José Cajazeiras

Falcão por ter se dedicado tanto no desenvolvimento deste trabalho assim como pela

amizade.

Ao professor Heitor Frando de Andrade Jr. e a professora Mary E. Wilson pela

paciência, ensinamentos e principalmente por ter aberto as portas dos seus laboratórios

para que eu pudesse realizar os experimentos, muito obrigada.

Aos meus amigos que mesmo distantes são muito importantes Marianna,

Romena, Bruna, Rosângela, Ana Tereza, Darlete, Iara, Priscila, Rodrigo, Davi, Talícia,

Juliana, sinto a falta das nossas risadas e tempo que passamos juntos.

A todos os funcionários e professores do Programa de Pós-Graduação em

Ciências Veterinárias – PPGCV agradeço por proporcionarem anos tão agradáveis. Um

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agradecimento especial ao Carlos Lobo e Débora Sales pela ajuda na biologia molecular

e pela inesperada, porém sincera, amizade.

Obrigada CNPq, PPSUS e FULBRIGHT pelo apoio financeiro.

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RESUMO

A Leishmaniose Visceral (LV) é uma zoonose característica das regiões

tropicais e subtropicais do mundo causada pelo protozoário Leishmania infantum

chagasi. Acomete, além do homem, os canídeos, felídeos, roedores e marsupiais, sendo

transmitida pelo flebotomíneo Lutzomia longipalpis. A LV no estado do Ceará teve seus

primeiros casos registrados no ano de 1934, provenientes de Sobral e atualmente se

encontra até hoje em processo de extensão, tanto em magnitude, como geograficamente.

A observação das propriedades terapêuticas de plantas medicinais tem levado à pesquisa

de princípios ativos de várias espécies vegetais. Metabólitos secundários tais como

alcalóides, terpenóides, flavonóides, considerados no passado como inativos, são hoje

ferramentas importantes no tratamento e investigação clínica da LV. Na procura de

novos compostos com atividade leishmanicida destacam-se os alcalóides como a classe

que tem maior número de compostos, dentre outros como os acetogeninas, flavonóides

e componentes de óleos essenciais. Neste estudo foram utilizados alcalóides e

acetogeninas extraídos da semente da Annona muricata (graviola); rutina e quercetina

isolados das sementes Dimorphandra gardneriana (faveira), o eugenol, timol e seus

derivados sintéticos, além da cumarina isolada do caule e cerne Platymiscium

floribundum (sacambu). Foi realizado um screening in vitro com as formas

promastigotas e amastigotas de L. i. chagasi, L. major, L. donovani e L. mexicana.

Utilizou-se o método colorimétrico MTT ou cepas dependentes de Luciferase para a

avaliação da efetividade das substâncias em promastigotas. E para a avaliação em

amastigotas foi utilizado o método de leishmania in situ. Para os testes in vivo foram

utilizados camundongos BALB/c infectados com promastigotas de L. i. chagasi na

concentração de 107, via intraperitoneal. Os animais foram divididos em grupos de

cinco, e tratados com 100 µg/Kg dos derivados do eugenol e timol assim com as

acetogeninas isoladas das sementes da graviola. Após 30 dias da infecção deu-se inicío

ao tratamento em todos os grupos. Para o controle positivo foi utilizando um veículo de

solubilização por via oral e para o grupo negativo foi utilizado o antimonial N-metil-

glucamina administrado 60mg/kg/dia por via intramuscular durante 30 dias. Os grupos

de animais tratados e não tratados foram eutanasiados após 30 dias de tratamento, e

retirados, de maneira asséptica, o baço e o fígado, para a determinação da carga

parasitária e para os estudos posteriores da quantificação da parasitemia por qPCR.

Palavas chaves: Leishmania. Alcalóides. Acetogeninas. Cumarinas. Flavonóides

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ABSTRACT

Visceral leishmaniasis (VL) is a characteristic zoonosis of tropical and subtropical

regions of the world caused by a protozoan, Leishmania chagasi. It affects, besides

humans, canines, felines, rodents and marsupials, being transmitted by Lutzomia

longipalpis sandfly. The VL in Ceará State had their first cases recorded in 1934,

reported in Sobral and are found until today in expansion process, in both, magnitude

and geographically. The notice of therapeutic properties of medicinal plants is leading

to the research the active principles of several plant species. Secondary metabolites such

as alkaloids, terpenoids, flavonoids, considered inactive in the past, are now important

tools in clinical investigation and treatment of VL. Alkaloids stand out in search of new

compounds with leishmanicidal activity, as a class with the greatest number of

compounds, among others like acetogenins, flavonoids and components of Essential

Oils. In this study, alkaloids and acetogenins extracted from the seed of Annona

muricata (soursop), rutin and quercetin isolated from the seeds of Dimorphandra

gardneriana (faveira), eugenol, thymol and their synthetic derivates, in addition of

coumarin, isolated from the trunk heartwood Platymiscium floribundum (sacambu) were

used. In vitro Screening was conducted with promastigotes and amastigotes forms of L.

i. chagasi, L. major, L. donovani and L. mexicana, using either the MTT colorimetric

method or Luciferase dependent strains to the evaluation of these studied substances

effectiveness against promastigotes, and the in situ leishmania to the assessment against

amastigotes. To the in vivo tests BALB/c infected with promastigotes of L. i. chagasi

were used at the concentration of 107 intrapetitoneally. The animal were divided into

groups of five, and treated with 100 µg/Kg of thymol and eugenol derivatives, and the

acetogenins isolated from graviola. Thrity days post infections began the treatment in all

groups. As positive control an oral solubilization vehicle was used and to the negative

group N-methyl-glucamine antimony 60mg/kg/day administered intramuscularly for 30

days. The treated and not treated groups were euthanized after 30 days of treatment, and

had spleen and liver aseptically removed, to the determination of parasite load and

further studies of the measurement of parasitemia by qPCR.

Key-words: Leishmania. Alkaloids. Acetogenins. Cumarins. Flavonoids

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LISTA DE FIGURAS

Pág.

Revisão de Literatura

Figura 1. A planta Annona muricata......................................................................... 27

Figura 2. A planta Annona squamosa....................................................................... 28

Figura 3. Acetogenina triidroxilada com dois anéis tetraidrofurânicos e anel

lactônico ,-insaturada de 37 átomos de carbono isolado das sementes de A.

squamosa..................................................................................................................

30

Figura 4. Estrutura química da (I) Anonaina, (II) Xilopina e (III) O-

metilarmeparvina......................................................................................................

32

Figura 5. A planta e sementes de Dimorphandra gardneriana................................ 33

Figura 6. Representação da estrutura molecular da quercetina................................. 34

Figura 7. Representação da estrutura molecular da Rutina....................................... 35

Figura 8. As flores e planta Platymisciym floribundum............................................ 36

Figura 9. Estrutura química auraptene..................................................................... 37

Figura 10. Estrutura química escoparona.................................................................. 37

Figura 11. Representação da estrutura molecular do Eugenol.................................. 38

Figura 12. Representação da estrutura molecular do Timol..................................... 39

Figura 13. Processos de (a) Acetilação Eugenol e (b) Acetilação Timol................. 40

Figura 14. Processos de (a) Benzoilação Eugenol e (b) Benzolição timol............... 40

Capítulo 1

Figura 1. Chemical structures of leishmanicidal compounds O-methylarmepavine

(I) and C37 trihydroxy adjacent bistetrahydrofuran acetogenin (II) from A.

squamosa and Corossolone (III) and Annonacinone (IV) from A. muricata………

52

Capítulo 2

Figura 1. Toxicity of compounds at 120 µg/mL on murine RAW 264.7

macrophage cells comparing with Anphotericin B and Pentamidine (40 µg/mL

and 100 µg/mL, respectively). P < 0,05…………………………………………

73

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11

Capítulo 3

Figura 1. Leishmanicidal activity of corossolone (I), annonacinone (II) and

scoporone (III), against promastigotes of L. donovani, L. major and L. mexicana.

Promastigotes in a logarithimic phase were seeded at 1x106/well and incubated

for 24 h with the isolated compounds, the number of living promastigotes was

determined indirectly by optical density (OD-620nm) and correlated to the

perncentage of survival. Control wells contained DMSO or no additives, and

Pentamidine was used as positive control. Each concentration was tested in

triplicate in replicate experiments.………………………………………………

89

Capítulo 4

Figura 1. Representation of chemical structures of thymol and eugenol

derivatives………………………………………………………………………….

106

Figura 2. Immunohistochemistry from spleen samples of mouse BALB/c infected

with L. i. chagasi during 30 days and treated for 20 days, (a) Infected not trated,

(b) Glucantime, (c) acetyl-eugenol, (d) Benzoyl-eugenol, (e) Acetyl-thymol, (f)

Benzoyl-thymol. Arrows pointing to Leishmania amastigotes stained in brown….

111

Capítulo 5

Figura 1. Relative kDNA mRNA expression detected by qPCR in the liver and

spleen of BALB/c groups infected with L. i. chagasi and treated with

annonacinone, corossolone and glucantime………………………………………..

123

Figura 2. Parasite burden by anti-Leishmania immunohistochemistry (a) Infected

not treated, (b) Glucantime, (c) annonacinone, and (d)

corossolone…………………………………………………………………………

124

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LISTA DE TABELAS

Capítulo 1

Tabela 1. 1H (CDCl3, 500 MHz) and

13C-NMR (CDCl3, 125 MHz) chemical shifts

of compounds 3 and 4 isolated from Annona muricata…………………………

54

Tabela 2. Effect of A. squamosa and A. muricata compounds and standards on

extra-extracellular promastigote, intra-intracellular amastigote forms of

Leishmania chagasi and their cytotoxicity in mammalian cells……………………

55

Capítulo 2

Tabela 1. NMR 1H and

13C data from 6,7-dimethoxycoumarin…..………………. 71

Tabela 2. Leishmanicidal activity against L. i. chagasi and acetylcholinesterase

inhibition activities of phenolic compounds scoparone, rutin and quercetin and

standard drugs amphotericin B and Pentamidine…………………………………...

72

Capítulo 3

Tabela 1. Leishmania spp. response to secondary metabolites isolated from

Brazilian Northeastern plants and A. salina toxicity……………………………

87

Capítulo 4

Tabela 1. 1H and

13C NMR Spectroscopic data of O-acetyl-thymol (AT), O-

benzoyl-thymol (BT), O-acetyl-eugenol (AE) and O-benzoyl-eugenol (BE)

(CDCl3, 400Mhz)…………………………………………………………………...

105

Tabela 2. Leishmanicidal activity of thymol and eugenol derivatives and toxicity

against L. i. chagasi and RAW 264.7 cells…………………………………………

107

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

LV – Leishmaniose Visceral

LVC – Leishmaniose Visceral Canina

LVH – Leishmaniose Visceral Humana

OMS – Organização Mundial da Saúde

MAPA – Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento.

MG – Minas Gerais

SP – São Paulo

EUA – Estados Unidos da América

RJ – Rio de Janeiro

SER - Secretarias Executivas Regionais

CCZ – Centro de Controle de Zoonoses

SESA – Secretaria de Saúde

BA – Bahia

Sb-III – Antimonial trivalente

DNA – Ácido desoxirribonucleico

K+ - Potássio

FDA – Food and Drug Administration

iNOS2 - óxido nítrico sintetase 2

NO – Óxido Nítrico

UV – Ultravioleta

ATP – Adenosina Trifosfato

NADH - nicotinamida adenina dinucleótidio hidreto

MTT – diphenyltetrazolium

CE50 – Concenttração Efetiva capaz de matar 50% da população

EC50 – 50% effective concentration

IC50 – 50% Inhibitory Concentration

µg/mL – Microgramas por mililitro

Kg – Quilogramas

CE – Crude Extract

CE – Ceará

ACE - acetogenin-rich extract

TLC - Thin Layer Chromatographic

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AE - alkaloid extract

CDCL3 – Clorofórmio Delterado

°C – Graus Celsius

% - Por cento

CO2 – Gás Carbônico

µl – Microlitros

mg/mL – Miligramas por mililitros

OD - Optical density

µm – Micrômetro

SDS – Sulfato Dodecil de Sódio

nm – Nanômetros

FCS - Fetal calf serum

M – Molar

HCl – Ácido Clorídrico

CI - Confidence interval

NMR – Nuclear Magnetic Resonance

µM – Micromolar

mg/Kg – Miligrama por quilograma

SbV – Antimoniato pentavalente

CENAUREM – Laboratório de Ressonância Magnética Nuclear

AChE - enzima acetilcolinesterase

GPI - glycosyl phosphatidylinositol

WHO -World Health Organization

g – Gramas

qPCR – Quantitative Polimerase Chain Reaction

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SUMÁRIO

PG

1 INTRODUÇÃO....................................................................................................... 16

2 REVISÃO DE LITERATURA.............................................................................. 18

2.1 HISTÓRICO DA LEISHMANIOSE VISCERAL.......................................... 18

2.2 RELAÇÕES ENTRE LEISHMANIOSE VISCERAL HUMANA E

LEISHMANIOSE VISCERAL CANINA........................................................

19

2.3 MEDICAMENTOS UTILIZADOS NO TRATAMENTO DA

LEISHMANIOSE VISCERAL............................................................................

21

2.4 USO DE PRODUTOS NATURAIS COMO ALTERNATIVAS PARA O

TRATAMENTO DA LEISHMANIOSE.................................................................

24

2.4.1 PLANTAS MEDICINAIS ............................................................................. 24

2.4.2 ANNONACEAS............................................................................................. 26

2.4.2.1 ACETOGENINAS....................................................................................... 28

2.4.2.2 ALCALÓIDES ............................................................................................ 30

2.4.3 Dimorphandra Gardneriana............................................................................ 32

2.4.3.1 QUERCETINA........................................................................................... 33

2.4.3.2 – RUTINA................................................................................................... 34

2.4.4 Platymiscium Florundum................................................................................. 35

2.4.4.1 CUMARINAS............................................................................................... 36

2.4.5 - COMPONENTES DE ÓLEOS ESSENCIAIS - MONOTERPENOIDES E

FENILPROPANOIDES............................................................................................

37

2.4.5.1 EUGENOL.................................................................................................... 37

2.4.5.2 TIMOL.......................................................................................................... 38

2.4.5.3 DERIVADOS SINTÉTICOS DO EUGENOL E TIMOL........................ 39

3. JUSTIFICATIVA................................................................................................. 41

4. HIPÓTESE.............................................................................................................. 42

5. OBJETIVOS............................................................................................................. 43

5.1 Objetivos Gerais............................................................................................. 43

5.2 Objetivos Específicos................................................................................ 43

6 CAPÍTULO 1........................................................................................................... 44

7 CAPÍTULO 2......................................................................................................... 62

8 CAPÍTULO 3............................................................................................................ 79

9 CAPÍTULO 4............................................................................................................ 96

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16

10 CAPÍTULO 5.......................................................................................................... 115

11 CONCLUSÃO......................................................................................................... 126

12 PERSPECTIVAS.................................................................................................... 127

13 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS............................................................... 128

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1. Introdução:

A Leishmaniose visceral (LV) é uma zoonose emergente e reemergente nas

regiões tropicais e subtropicais do mundo causado por um protozoário Leishmania

infantum chagasi. Acomete além do homem, canídeos, felídeos, roedores e marsupiais,

sendo transmitida pelo flebotomíneo Lutzomia longipalpis (ALENCAR et al., l99l).

No Novo Mundo, a principal forma de transmissão do parasito para o homem e

outros hospedeiros mamíferos é através da picada de fêmeas de dípteros da família

Psychodidae, sub-família Phlebotominae, conhecidos genericamente por flebotomíneos.

O gênero Lutzomyia é o responsável pela transmissão das leishmanioses nas Américas,

existindo 350 espécies catalogadas, distribuídas desde o sul do Canadá até o norte da

Argentina. Destas, pelo menos 200 ocorrem na bacia amazônica (GILL et al., 2003).

Lutzomyia longipalpis é o principal vetor da Leishmania infantum chagasi no Brasil

(GONTIJO; MELO, 2004).

A leishmaniose canina é um problema grave na medicina veterinária e na saúde

pública, pois o cão é considerado o principal reservatório. A Organização Mundial da

Saúde (OMS) indica a eutanásia de cães soroposivos como forma de controle da

leishmaniose, no entanto este tipo de abordagem gera desconforto com os proprietários

e discussões junto com as organizações protetoras de animais, e o seu impacto na

diminuição dos casos em humanos não está totalmente esclarecido (NUNES et al.,

2010). Na Europa é utilizado quatro abordagens para impedir a disseminação da

leishmaniose canina para outros cães e humanos. A primeira é a vacinação, a segunda é

a utilização de repelentes, a terceira é a eutanásia dos animais soropositivos seguida pela

quarta que é o tratamento destes animais (AIT-OUTHIA et al., 2012).

Estudos realizados em cães utilizando diversos medicamentos de uso humano

demonstram a remissão dos sintomas e a cura clínica, no entanto não garante a cura

parasitológica e as recaídas são frequentes (SOLANO-GALEGO et al., 2009). Esta

baixa eficácia pode estar relacionada com o estado imunológico do animal, com as

propriedades farmacocinéticas das drogas e com a sensibilidade das diferentes cepas de

Leishmania além da resistência aos fármacos (AIT-OUTHIA et al., 2012). No entanto, o

tratamento dos animais é capaz de reduzir os sintomas a parasitemia, e diminuir a

possibilidade de transmissão (SOLANO-GALEGO et al., 2009).

Porém no Brasil o Ministério da Saúde, em Nota Técnica - “USO DO

ANTIMONIATO DE MEGLUMINA EM CÃES”, de 20 de janeiro de 2004, baseado

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no parecer nº 0299/2004 da Advocacia Geral da União, determinou a proibição do uso

de medicamento para o tratamento da leishmaniose em cães, quando o mesmo for de

distribuição do Ministério da Saúde. Uma portaria interministerial MAPA/MS

1.426/2008, proibe em todo o território nacional, o tratamento da leishmaniose visceral

em cães infectados ou doentes, com produtos de uso humano ou produtos não

registrados no Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (MAPA).

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2 REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Histórico da Leishmaniose Visceral

A Leishmaniose visceral (LV) foi descrita na Grécia em 1835 quando então era

denominada "ponos" ou "hapoplinakon". Foi na Índia em 1869 que recebeu o nome

"kala-jwar" que quer dizer febre negra ou "kala-azar" que significa pele negra em

virtude do discreto aumento da pigmentação da pele ocorrido durante a doença

(MARZOCHI et al., 1981).

Em 1900 foi identificada pelo Major W.B. Leishman, que descreveu um caso de

um jovem militar inglês que havia regressado de Dum-Dum na Índia, o paciente

demonstrava sintomas semelhantes a outros que Leishman observou. Na autopsia

constatou-se um aumento excessivo do baço e no exame histológico observaram-se

estruturas redondas ou ovais, com um núcleo redondo, características das formas

amastigotas de Leishmania (GILLESPIE; PEARSON, 2001).

O primeiro caso no Brasil foi descrito por Migone em 1913. O paciente era um

imigrante italiano que vivera muitos anos em Santos, SP, e após viajar para Mato

Grosso, adoeceu, tendo sido diagnosticada a doença no Paraguai (ALENCAR, 1977).

Foi Penna (1934) quem iniciou os estudos sobre a distribuição geográfica da

Leishmaniose Visceral nas Américas, quando comprovou parasitologicamente, 41 casos

dentre as 40.000 viscerotomias examinadas para febre amarela provenientes de vários

estados do Brasil.

A LV no estado do Ceará teve seus primeiros casos registrados por Deane e

Deane (1954a) em 1934, provenientes de Sobral e se encontrava em processo de

expansão, tanto em magnitude, como geograficamente. Na década de 50 também na

cidade de Sobral, houve uma concentração de casos de LV alóctones, onde o número de

diagnóstico na cidade ultrapassou o número de diagnóstico dos anos anteriores no país

(DEANE; DEANE, 1954b).

Entre maio de 1953 e agosto de 1954 foi feito um estudo que abrangeu os

municípios de Sobral, Massapé, Tianguá e Viçosa do Ceará. Na época, a população

destes municípios era de 1550 pessoas e durante o período estudado ocorreram 52 casos

de leishmaniose humana. Também foi realizado um estudo de leishmaniose canina nesta

região, onde foram examinados 174 cães dos quais 7 se mostraram positivos. Além dos

cães estudou-se a incidência da enfermidade em raposas da região identificadas como

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Cerdocyon thous. Examinaram-se 33 animais dos quais 10 foram provenientes do foco

estudado e 23 apanhadas em zona de sertão ou tope de serra. Entre as 10 raposas

capturadas no foco de leishmaniose em estudo, 3 estavam parasitadas, das outras 23

apenas 1 apresentou parasitismo. Indicando assim que na área em estudo havia três

mamíferos hospedeiros naturais: o homem, o cão doméstico e a raposa (DEANE;

DEANE, 1955).

Os cães freqüentemente acompanhavam as famílias nordestinas em suas

migrações, o que foi comprovado em inquérito sobre a leishmaniose visceral canina

(LVC) em Sobral, onde dentre os animais acometidos, alguns tinham sido trazidos por

seus donos de localidades rurais, algumas das quais eram focos de LV. O que já

indicava que o homem e o cão doentes eram potencialmente responsáveis pelo

aparecimento de LV em localidades para onde migravam ou por onde passavam desde

que nestas áreas existissem os flebotomíneos transmissores (DEANE; DEANE, 1955).

Tal como na cidade de Sobral, no Vale do Jaguaribe, ainda no Estado do Ceará, também

foram detectados alguns casos urbanos da infecção, não somente em humanos como

também em cães (ALENCAR et al., 1956).

2.2 Relações entre Leishmaniose Visceral Humana e Leishmaniose Visceral Canina

A análise deste assunto polêmico leva ao questionamento se a LV não existiria

na ausência de cães, se a erradicação da doença seria possível através do controle da

transmissão em cães. Este aspecto merece ser analisado, pois até o momento, no Brasil,

apesar das medidas implantadas pelos órgãos governamentais, os indicadores

epidemiológicos revelam que ainda não foi observado o impacto positivo esperado no

controle desta doença (FUNASA, 2002).

Nunes et al. (2001) afirmam que apesar de a leishmaniose visceral humana

(LVH) nem sempre obedecer a uma distribuição espacial paralela à da LVC, observa-se

que as infecções caninas são mais freqüentes que as humanas e que, normalmente, as

precedem. Na maioria dos estudos sobre epidemias de LVH tem-se encontrado cães

positivos, e ainda mais, não existe nenhum relato na literatura brasileira de epidemias de

LVH sem a presença de cão positivo (período 1953-1997) (FUNASA, 2002). Oliveira et

al. (2001) encontraram evidências que em Belo Horizonte, MG, os casos de LVH

ocorria em locais onde a LVC apresentava altos índices. Em Belo Horizonte e

Araçatuba-SP, locais onde não existia a LVH foram possíveis observar primeiro a

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introdução da doença canina e depois a doença humana (FUNASA, 2002). Em

Araçatuba, Assis et al. (2008) não obtiveram uma associação significante entre

eutanásia canina e incidência de LVH entre os anos 2000 a 2002, no entanto a

incidência de casos humanos tiveram uma propensão a aumentar, associada com a taxa

de eutanásia em cães. Contudo, a LVC não parece ser a causa suficiente, mas sim a

causa necessária para o aparecimento da LVH em uma região.

Rab et al. (1995) afirmam que no Paquistão, mesmo com altos índices de cães

infectados a LVH não está relacionada com as infecções em cães, que famílias que

possuem cães soropositivo possuem o mesmo risco de infecção daquelas famílias com

cães saudáveis. Dietze et al. (1997) estudaram o impacto da retirada dos cães no Espírito

Santo sobre a transmissão da LV. Neste estudo, foram escolhidas três cidades separadas

através de barreira geográfica (montanhas), todas endêmicas para LV. Em duas delas,

após inquérito sorológico, promoveram a retirada de todos os cães soro-reagentes e na

cidade controle, foram matidos todos os cães. Durante 12 meses as taxas de

soropositividade humanas foram medidas pelo teste Dot–Elisa e aumentaram de 14%

para 54% na cidade controle e de 15% para 54% nas cidades em intervenção. Paranhos-

Silva et al. (1998), estudando, numa coorte de cães, o efeito da migração sobre a

incidência da LV no estado da Bahia, demonstraram que apesar de terem sido

eliminados todos os cães soropositivos da área de estudo, o número de notificações da

doença em humanos nos anos seguintes aumentaram. Em Barra de Guabiraba, RJ, uma

cidade endêmica para LV, foi evidenciada que medidas de controle da doença, como

sacrifício de cães diagnosticados com LV não influencia o número de casos da doença

(CABREIRA et al., 2003). Estes estudos vêm demonstrando, que o critério de

eliminação do cão necessita ser reavaliado.

A LV no município de Fortaleza historicamente apresentou baixas prevalências

tanto de infecção canina como de leishmaniose humana, no entanto a partir de 2001

ocorre um registro crescente no número de casos de LV, com registro de transmissão na

maioria dos bairros da cidade (SMS, 2007).

Rondon et al. (2008) analisaram a situação da LVC, entre os aos de 2005 a 2007,

nas diferentes Secretarias Executivas Regionais (SER) nas quais a cidade de Fortaleza é

dividida. Neste estudo os autores examinaram 1.381 animais, sendo 750 animais

domiciliados e 631 cães de rua, obtendo soroprevalência de 21,4% (135/631) em cães

de rua e 26,2% (197/750) em cães domiciliados. No entanto, de acordo com dados

cedidos pelo Centro de Controle de Zoonoses (CCZ) de Fortaleza, entre os anos de 2005

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a 2007 foram diagnosticados pelo CCZ, 9002 animais e eutanaziados 6096 animais

soropositivos para leishmaniose.

De acordo com a Secretaria Estadual de Saúde do Estado do Ceará (SESA), de

1986 até agosto de 2012, no estado, o ano de 2006 demonstrou o maior número de casos

de leishmaniose humana (796 casos), seguido pelo ano de 2007 (720 casos) (SESA,

2012). A cidade de Fortaleza se encontra em uma situação epidemiológica de

transmissão intensa, entre os anos de 2009 até 2011 foram diagnosticados 783 casos de

leishmaniose humana com 73 óbitos, e até agosto de 2012 já havia sido diagnosticado

161 casos (SESA, 2012).

Estudos em locais endêmicos em diferentes regiões do país encontram-se índices

distintos de LV. Um estudo realizado em Araçatuba, SP no ano de 2005, mostrou que

16,7% dos 5.861 cães eutanasiados naquele ano eram soropositivos (ASSIS et al.,

2008). Na Bahia, nos municípios de Lauro de Freitas e Camaçaria, entre os anos de

2003 e 2004 constatou-se uma taxa de incidência de LVC de 17,4% e 18,5%

respectivamente (BARBOZA et al., 2006). Moreira et al. (2003), através de um estudo

de coorte na população canina de um bairro do município de Jequié, BA, registraram a

incidência de 11,8%. França- Silva et al. (2003), trabalhando no município de Montes

Claros, MG registraram 6,4% de incidência na população canina e Fisa et al. (1999)

relataram a incidência de 6,7% para LV canina na Catalunha, Espanha.

Apesar da LV ser de notificação compulsória (isto é obrigatória), praticamente

não ocorre registro da doença pelas clínicas e hospitais veterinários particulares, sendo

os casos registrados provenientes de animais examinados pelos CCZs do estado. Isto

dificulta o programa de combate à leishmaniose e o conhecimento real da LVC no

Ceará.

2.3 Medicamentos utilizados no tratamento da Leishmaniose Visceral

A utilização de medicação humana no tratamento de cães não permite a cura

parasitológica do animal, no entanto, diminui os sintomas e a quantidade de parasitas

circulantes e na pele, ocorrendo infecçãoo dos flemobotomíneos em menor grau

(SOLANO-GALLEGO et al., 2009). Sendo assim, o tratamento de animais positivos

para leishmaniose poderia ser considerado uma forma de controle da leishmaniose

visceral.

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O tártaro emético foi durante muitos anos a única alternativa para o tratamento

da leishmaniose, porém devido aos seus efeitos tóxicos, difícil administração e recidivas

recorrentes, este medicamente foi substituído pelos antimoniais pentavalentes

(MAYRINK et al., 2006). Os antimoniais são utilizados a mais de 50 anos, na América

do Sul é utilizado o antimoniato de meglumina (Glucantime®), que no Brasil, é utilizado

como medicamento de primeira escolha, mas causam alterações hepáticas e distúrbios

cardiológicos como os principais efeitos tóxicos. O antimônio pode ser detectado no

cabelo de pacientes tratados até um ano após o término do tratamento. A utilização

desta droga requer mais de 28 dias de administração por via parenteral e o surgimento

de resistência vem se tornando um grave problema de saúde pública (CROFT;

COOMBS, 2003; AWASTHI et al., 2004; RATH et al., 2003; ANDERSEN et al.,

2005). Mesmo com a alta toxicidade, este medicamento continua sendo usado como

tratamento de primeira escolha. Tempone e Andrade (2008) desenvolveram uma

formulação lipossomal do antimônio com alta eficácia e capaz de diminuir a dose total

administrada em 133 vezes. As rotas de entrada dos antimoniais no macrófago ainda são

incertas, porém acredita-se que a aquagliceroporina parasitária (proteína transportadora

aquaporina 1) é responsável pelo transpote dos antimoniais para dentro das amastigotas

(SINGH et al., 2012). Ao entrar na célula hospedeira, o medicamento sofre uma redução

para sua forma trivalente (antimonial trivalente – SbIII), induzindo então um efluxo de

tripanotiona e glutationa a partir das células e também inibe a tripanotiona redutase,

causando uma grande perda do potencial de redução de tióis nas células (BRUNTON et

al., 2006). O antimônio também possui mecanismos de ação indiretos, elevando os

níveis de citocina, e também os de DNA induzindo ao dano do DNA in vivo (FREITAS-

JUNIOR et al., 2012).

A pentamidina é um quimioterápico que faz parte do grupo das diamidas e é

utilizada como alternativa em casos onde o indivíduo não responde ao tratamento com o

antimoniato, no entato sua nefrotoxicidade e cadiotoxocidade, também leva a uma

limitação na utilização deste medicamento, podento o paciente chegar à morte. Há dois

sais de pentamidina, o isotionato de pentamidina (Pentamidina®), disponível nas

Américas e Europa e o mesilato de pentamidina (Lomidine®). O seu mecanismo de ação

não está totalemente elucidado (RATH et al., 2003; PAULA et al., 2003; BLUM et al.,

2004). Andersen et al. (2005) compararam os tratamentos com o antimoniato e a

pentamidina e observaram que em condições idênticas a pentamidina se mostrou menos

eficaz comparada ao glucantime.

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A anfoterina B é um antibiótico antifúngico derivado do Streptomyces nodosus e

utilizada no tratamento de infecções fúngicas sistêmicas. A utilização desta droga no

tratamento da leishmaniose é realizada em casos de resistência aos medicamentos de

primeira escolha. Este medicamento é capaz de se ligar ao ergosterol presente na

membrana da Leishmania, implicanto no aumento da permeabilidade celular do parasita

e consequente perda de pequenos cátios como o K+ (ORDONEZ-GUTIÉRREZ et al.,

2007; RATH et al., 2003). No entanto, a anfotericina B possui baixa capacidade de

absorção gastrointestinal e característica hidrofóbica, podendo também interagir em vias

celulares de mamíferos, causando disfunções (ROY et al., 2012), sendo seu principal

efeito colateral a nefrotoxicidade (MOTTA; SAMPAIO, 2012).

Uma forma de tentar reduzir a toxicidade e resistência aos medicamentos

leishmanicidas, é desenvolver novas formulações com o objetivo de direcionar o

medicamento ao macrófago. A utilização de lipossomos vem sendo utilizada juntamente

com a anfotericina B. Os lipossomos são sistemas carreadores de fármacos, que são

capazes de levar altas doses do medicamento até a célula alvo (TEMPONE;

ANDRADE, 2008). A anfotericina B lipossomal reduz os efeitos colaterais e exelentes

índices de eficácia terapêutica inclusive em indivíduos sem resposta ao tratamento com

antimoniais (PAULA et al., 2003; MOTTA; SAMPAIO, 2012). No entanto o alto custo

deste medicamento limita o seu uso em países subdesenvolvidos e em desenvolvimento

(ORDONES-GUTIÉRREZ et al., 2007). Em países desenvolvidos, a anfotericina B

lipossomal é utilizada como medicação de primeira escolha, sendo também o único

medicamento aprovado pela American Food and Drug Administration (FDA) (VAN

GRIENSVEN; DIRO, 2012).

Um grande avanço no tratamento da leishmaniose foi o desenvolvimento da

miltefosine, que foi aprovada em 2002 como o primeiro medicamento leishmanicida

utilizado por via oral (DORLO et al., 2012; PALADIN LABS INC., 2010). A

milefosine, um alquifosfolipídeo, foi originalmente desenvolvida como uma droga para

o tratamento do câncer (CROFT; COOMBS, 2003) e sua ação contra leishmaniose foi

rapidamente reconhecida. Sua toxicidade não é tão elevada, no entantanto, é

extremamente teratogênica e em mulheres o tratamento é realizado em não grávidas que

aceitem tomar anticonceptivos durante, e três meses após o término do tratamento

(SOTO et al., 2004; SUNDAR et al., 2012). Outros efeitos colaterais são disfunções

gastrointestinais, dores de cabeça e aumento das enzimas hepáticas (BLUM et al.,

2004). Seu mecanismo de ação age sobre o metabolismo lipídico, causando apoptose do

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parasito, e também age diretamente na célula hospedeira, estimulando a produção de

óxido nítrico sintetase 2 (iNOS2), no qual catalisa a produção de óxido nítrico (NO) e

mata o parasita dentro do macrófago (FREITAS-JUNIOR et al., 2012).

Paromomicina é um antibiótico aminoglicosídeo que foi redescoberto como

agente leishmanicida na década de 80 e vem sendo utilizado com sucesso por via

parenteral e tópica (RATH et al., 2003; DORLO et al., 2012). Seu mecanismo de ação

ainda não está totalmente elucidado, no entanto acredita-se que a paromomicina ligue-se

ao glicálice da Leishmania, sugerindo que a mitocôndria seja um alvo primário (SINGH

et al., 2012).

Aloupurinol é um análogo da hipoxantina e normalmente é utilizado em

associação com antimônio (BLUM et al., 2004). Este medicamente possui baixa

toxicidade, no entanto, é ineficaz no controle da infecção (RATH et al., 2003). É um

medicamento utilizado como substrato por várias enzimas na via de purinas, em

tripanossomídeos, sendo incorporada nos nucleotídeos intermediários e ácidos nucleicos

do parasito (CROFT; COOMBS, 2003).

2.4 Uso de produtos naturais como alternativas para o tratamento da

Leishmaniose

O desenvolvimento de drogas segue três linhas, a primeira explora caminhos

metabólicos do parasito para encontrar alvos e desenvolver compostos sintéticos, o

segundo é o estudo de outros medicamentos que já se encontram no mercado até então

com atividade leishmanicida desconhecida (ex. medicamentos contra câncer) e o

terceiro é focado na utilização de plantas medicinais como fonte de moléculas anti-

protozoário (LINDOSO et al., 2012).

2.4.1 Plantas Medicinais

Plantas são importantes fontes de descoberta de drogas, principalmente no que

diz respeito a drogas antiparasitárias, devido à associação entre a coexistência dos

parasitos, seres vivos e plantas mediciais (ANTHONY et al., 2005). Os produtos

naturais oferecem moléculas com impacto profundo na saúde humana, a natureza

produz infinitos metabólitos secundários com propriedades biológicas distintas.

Diversos estudos já validaram o efeito de produtos naturais como potenciais fontes de

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novos e seletivos agentes para o tratamento de doenças tropicais causados por

protozoários e outros parasitos (MISHRA et al., 2009).

A observação das propriedades terapêuticas de vegetais tem levado à pesquisa

dos princípios ativos de várias espécies vegetais. A exploração dos recursos vegetais

pode levar a identificação de metabólitos secundários valiosos que podem servir como

drogas ou conduzir ao desenvolvimento de novas substâncias terapêuticas (GOBBO-

NETO; LOPES, 2007). O metabolismo das plantas é composto por um conjunto de

reações químicas que estão ocorrendo continuamente nas células. A síntese de

compostos como aminoácidos, açúcares, ácidos graxos e nucleotídeos, essenciais para a

sobrevivência dos vegetais, faz parte do metabolismo primário. Já os compostos

sintetizados por outras vias, que aparentam não ter relação direta com a sobrevivência

do vegetal, fazem parte do metabolismo secundário (MORAIS; BRAZ-FILHO, 2007).

Atualmente, sabe-se que muitas das substâncias produzidas pelo metabolismo

secundário possuem propriedades biológicas importantes e estão diretamente envolvidas

nos mecanismos que permitem a adequação da planta ao seu meio. Muitos metabólitos

secundários possuem diversas funções biológicas, tais como defesa contra herbívoros e

microrganismos, proteção contra raios UV, atração de polinizadores ou animais

dispersores de sementes (FUMAGALI et al., 2008).

Devido à viabilidade limitada de quimioterápicos leishmanicidas eficazes em

áreas endêmicas, uma grande parte da população que vive nestes locais depende de

plantas medicinais que são utilizadas em tratamentos populares para tratar e aliviar os

sintomas da leishmaniose (CHAN-BACAB; PENA-RODRIGUEZ, 2001). Estas plantas

possuem metabólitos secundários que podem agir e destruir agentes invasores, no

entanto muitas vezes essas substâncias são desconhecidas e podem oferecer alternativas

de tratamento para a leishmaniose.

Metabólitos secundários tais como alcalóides, terpenóides e flavonóides,

considerados no passado como inativos são hoje ferramentas importantes no tratamento

de protozoários. Compostos que estimulam o sistema imune são úteis quando usados

como adjuvantes no tratamento de certas doenças causadas por fungos, bactérias e

protozoários, como na leishmaniose. Neste último, estudos químicos e

imunofarmacológicos têm sido realizados com o intuito de encontrar novos compostos

menos tóxicos, economicamente mais viáveis de efeito específico e que reverta à

resistência do parasito às drogas (BERGMANN et al., 1997).

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O Brasil é o país com maior diversidade genética vegetal do mundo, contando

com mais de 55.000 espécies catalogadas (AZEVEDO; SILVA, 2006). Segundo Simões

et al. (2004), apenas 8% desse percentual biológico foi estudado em busca de compostos

bioativos e 1.100 espécies vegetais foram avaliadas em suas propriedades medicinais.

Dessas, 590 plantas foram registradas no Ministério da Saúde para comercialização.

No entanto, apenas nos últimos 30 anos vem se estudando seriamente a eficácia

e o mecanismo de ação dos medicamentos provenientes de vegetais (ANTHONY et al.,

2005). Alguns autores vem pesquisando novas alternativas para o tratamento da

leishmaniose na natureza, que é uma grande fonte de drogas utilizadas no tratamento de

diversas doenças. Baseado no uso popular, estes autores procuram por medicamentos

com menor toxicidade e custo extraídos de vegetais e microorganismos.

Porém, exitem vários aspectos que limitam a pesquisa em produtos naturais: (1)

viabilidade baixa dos compostos, de uma forma geral as substâncias extraídas dos

vegetais são em baixa quantidade e de difícil extração; (2) alta complexidade estrutural,

vários estereoisômeros; (3) falta de continuidade nas pesquisas, as maiorias das

pesquisas não fazem parte de programas de desenvolvimento de novos medicametos,

ocorre uma falta de continuidade na pesquisa; (4) os compostos isolados muitas vezes

não mostram atividade e requerem um acompanhameno para melhorar estas atividades

(MISHRA et al., 2009).

Como parte da pesquisa por novos e melhores medicamentos com alta

viabilidade e baixa toxicidade, o Programa de Doenças Tropicais da Organização

Mundial de Saúde (OMS) vem considerando a investigação sobre o uso plantas no

tratamento de leishmaniose como essencial e de alta prioridade (OMS, 2012).

2.4.2 Annonaceas

Annona muricata, popularmente conhecida como graviola (Figura 1) é um

vegetal comumente encontrado no Brasil e tradicionalmente utilizado no tratamento de

câncer, pertence à família Annonaceae (GEORGE et al., 2012; HAMIZAH et al., 2012).

É utilizada no combate a verminoses, febre, diarreia e desinteria além de propriedades

antioxidantes (BASKAR et al., 2007). As folhas possuem ação antiespasmótica,

hipotensiva, antiparasitária, antidiarréica e reumatológicas (ARTHUR et al., 2012;

SOUSA et al., 2010). A infusão das folhas também possui ação antiplasmódica,

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adstringente, e propriedades gástricas, renais e hepatoprotetora além de sua ação contra

icterícia (ARTHUR et al., 2012).

As folhas da A. muricata possuem diversos estudos indicando vários metabólitos

secundários pertencentes à classe das acetogeninas (YUAN et al., 2003). O alto

potencial, seletividade, variedade química, diversidade biológica e ação desta classe de

compostos contra agentes resistentes a antibióticos, podem tornar estas substâncias

importantes no combate a agentes parasitários.

Figura 1. A planta Annona muricata. Fonte: Vila-Nova, 2012

A Annona squamosa (Figura 2) é popularmente chamada de ata, pinha, fruta do

conde e suas preparações farmacológicas são conhecidas mundialmente. É uma

excelente fonte de cálcio e possui propriedades inseticidas. As folhas são usadas como

purgativo e a decocção destas tem uso no tratamento da diabetes e no alívio de dores

reumáticas (PATEL et al., 2012).

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Figura 2. A planta Annona squamosa. Fonte: Vila-Nova, 2012

Este vegetal é conhecido pelos potentes metabólitos secundários encontrados em

todas as suas partes. Uma de suas propriedades mais conhecida é a anti-câncer

(SRIVASTAVA et al., 2011). Suas sementes que são muitas vezes jogadas fora

possuem ação anti-ovulatória e abortiva (PANDLEY; BARVE, 2011), anti-helmíntica

(SOUZA et al., 2007); o extrato etanólico possui atividade inseticida (KUMAR et al.,

2010), hipoglicêmico (MUJEEB et al., 2009), moluscicida (MRITA et al., 2001),

antibacteriano (PATEL et al., 2012); o extrato aquoso possui ação anti-oxidante

(KALEEM et al., 2006), anti-inflamatória (CHAVAN et al., 2010), estes são apenas

alguns exemplos dentro as diversas aplicações da A. squamosa.

Esta planta é pertencente à família Annonaceae, é produtora de diversos

metabólitos secundários, entre eles os alcaloides e acetogeninas, que são responsáveis

pelas diversas atividades que este vegetal possui.

2.4.2.1 Acetogeninas

As acetogeninas, amplamente encontradas nas Annonaceas, são responsáveis por

grande parte das atividades farmacológicas atribuídas a estes vegetais (UPADHYAY;

AHMAD, 2012). Uma das atividades mais estudadas das acetogeninas é a atividade

anti-câncer. Alvarez-Gonzalez et al. (2008) induziram a formação de criptas no cólon de

camungongos e observou que acetogeninas foram capazes de reduzir estas criptas; um

outro estudo, concluiu que a acetogeninas causam depleção de produção de ATP por

células carcinogênicas pancreáticas (TORRES et al., 2012); em um terceiro estudo

Atawodi et al. (2011) comprovaram a ação de acetogeninas em células cancerígenas da

próstata.

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Outras ações também podem ser associadas à presença destes metabólitos

secundários presentes em extratos feitos de diferentes partes da Annonaceas. Entre as

mais diversas atividades pode-se citar a ação contra herpes simplex (PADMA et al.,

1998), hipotensiva (NWOKOCHA et al., 2012), larvicida contra larvas de Aedes aegypti

e moluscicida contra Biomphalaria glabrata hospedeiro intermediário de Schistosoma

mansoni (GRZYBOWSKI et al., 2012; LUNA et al., 2005), antiplamosdio contra

Plasmodium falciparum (BOYOM et al., 2011) e anti-microbiano (LIMA et al., 2006).

As acetogeninas das Anonaceas vem demonstrando um grande efeito leishmanicida

contra diversas espécies de Leishmania, e se destacam em quantidade e em variedade.

Das raízes da A. muricata foi isolada a cis-solamina A, acetogenina possuidora

de um anel mono-tetra-hidrofurano e que demonstrou atividade inibitória do complexo

mitocondrial I (KONNO et al., 2008). Também isoladas das raízes descam-se as

cohibinas A e B, e sabadelina todas com ação antipasitária e inibidores do complexo

mitocondrial I (GLEYE et al., 1997; GLEYE et al., 1998 ). Yu et al. (1998) isolaram

das sementes de A. muricata, annonacina A e annonacina. Jaramillo et al. (2000)

isolaram estas mesmas acetogeninas do extrato do pericarpo desta mesma planta, e

comprovou a atividade leishmanicida contra L. panamensis e L. braziliensis. Em outro

estudo, a annonacina foi isolada das sementes deste vegetal e sua atividade

leishmanicida contra L. panamensis foi identificada (ARANGO et al., 2000). Das folhas

desta espécie, Kim et al. (1998) isolaram e identificaram, duas acetogeninas com anel

mono-tetra-hidrofurano, muricoreacina e murihexocina. Calderon et al. (2010),

utilizando extrato bruto desta planta, encontraram atividade leishmanicida contra formas

amastigotas de L. mexicana.

Das sementes de A. squamosa foi isolada uma acetogenina triidroxilada com

dois anéis tetraidrofurânicos e anel lactônico ,-insaturada de 37 átomos de carbono

(Figura 3), dotada de propriedades antihelmínticas contra Haemonchus contortus,

principal nematódeo de ovinos e caprinos do Nordeste brasileiro (SOUZA et al., 2008).

Esta substância mostrou ação leishmanicida frente formas promastigotas e amastigotas

de L. chagasi (VILA-NOVA et al., 2011).

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Figura 3. Acetogenina triidroxilada com dois anéis tetraidrofurânicos e anel

lactônico ,-insaturada de 37 átomos de carbono isolado das sementes de A.

squamosa.

O mecanismo de ação das acetogeninas não está totalmente elucidado. As

acetogeninas que são potentes inibidores do complexo mitocondrial I são inibidoras da

NADH ubiquinona oxidorredutase, enzima essencial no complexo I, esta inibição induz

uma fosforilação oxidativa na mitocôndria da célula (BERMEJO et al., 2005;

GRANDIC et al., 2004). Estudo na literatura demonstrou que estas substâncias agem

diretamente no sítio catalítico da ubiquinona, dentro do complexo I e na glicose

desidrogenase microbiana. Elas inibem também a NADH oxidase ligada a ubiquinona,

peculiar às membranas plasmáticas das células cancerígenas (BERMEJO et al., 2005).

Mesmo que o complexo mitocondrial não tenha sido caracterizado na Leishmania,

estudos sugerem que os complexos mitocondriais I, II, III e IV estão presentes estão

presente na via de transferência de elétrons e que a fosforilação oxidativa seja

processada com alta eficiência bioenergética (GRANDIC et al., 2004).

2.4.2.2 Alcalóides

Alcalóides são compostos nitrogenados orgânicos de natureza complexa

derivados de aminoácidos que sofrem descarboxilação e normalmente possuem ações

biológicas variadas. Os principais aminoácidos precursores dos alcalóides são a L-

lisina, L-ornitina, L-tirosina, L-triptofano, L-histidina, L-fenilalanina bem como ácido

nicotínico e ácido antranílico (ANISZEWSKI, 2007). Blocos construtores das vias

acetato e chiquimato são também incorporados à estrutura dos alcalóides. Há ainda um

grande número de alcalóides que adquirem o seu nitrogênio via reação de

transaminação, incorporando somente o átomo de nitrogênio do aminoácido. O termo

pseudo-alcalóide é muitas vezes usado para distinguir este grupo (DEWICK, 2002). Os

alcalóides comuns em Annonaceae são do tipo isoquinolinico e benzilisoquinolínico

que são biossinteticamente derivados da tirosina.

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Os alcalóides constituem a classe de metabólitos que possuem o maior número

de compostos com atividade leishmanicida, e também compreendem a maior classe de

metabólitos secundários provenientes de plantas. Estes metabólitos desempenham um

importante papel na defesa contra vários microorganismos, possuindo uma notável

variedade de atividades famacológicas (Calderon et al, 2009). Entre as atividades dos

alcalóides se encontram anti-tuberculose (KISHORE et al., 2009), anti-câncer (MIN et

al., 2010), contra estágios larvares de nematódeos (SATOU et al., 2002), moluscicida

(BAGALWA et al., 2010) e anti-bacteriana (MANEERAT et al., 2012). Estudos

recentes apontam estes produtos como potenciais fontes de drogas contra leishmaniose.

Diversos alcalóides são relatados com excelentes atividades leishmanicidas, no entanto

nenhum deles vem sendo avaliado em estudos clínicos ou são projetados para uma

futura aplicação clínica (MISHRA et al., 2009).

Bhakuni et al. (1972) isolaram da casca do tronco e das sementes da A.

squamosa o alcaloide anonaina (Figura 4), na qual Queiroz et al. (1996) demonstraram

atividade leishmanicida contra L. donovani e L. amazonenses. Bhakuni et al. (1979)

isolaram das folhas deste mesmo vegetal alcalóides xilopina e O-metilarmeparvina

(Figura 4). A ação leishmanicida, contra L. mexicana e L. pananmensis da xilopina foi

descrita por Montenegro et al. (2003); a ação leishmanicida contra L. chagasi do O-

metilarmeparvina foi descrito por Vila-Nova et al. (2011).

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33

O

ONH

I

O

O

N

HH

MeO

R

II

III

Figura 4. Estrutura química da (I) Anonaina, (II) Xilopina e (III) O-metilarmeparvina.

O mecanismo de ação dos alcalóides não está totalmente esclarecido, porém

Fournet et al. (2000) observaram que alcalóides bisbenzilisoquinolínicos inibem uma

enzima antioxidante essencial na Leishmania, a Tripanotione redutase. Chan-Bacan e

Pena-Rodriguez (2001) propõem que o mecanismo de ação dos alcalóides indólicos se

dá pela inibição da cadeia respiratória do parasito, e Mishra et al. (2009) propõem que,

devido a estrutura dos alcalóides Naftil-isoquinolinicos ser parecida com a miltefosine,

uma morte por apoptose seria um possível mecanismo de ação.

2.4.3 – Dimorphandra gardneriana

A D. gardneriana popularmente conhecida como faveira ou fava D’anta (Figura

5) é uma planta típica do cerrado e da caatinga brasileira, é encontrado no Ceará e na

Chapada do Araripe (PIRES et al., 2010). Esta espécie é uma grande produtora de

rutina, um flavonóide com diversas atividades farmacológicas e de grande exportação

pelo Brasil (CUNHA et al., 2009).

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34

Figura 5. A planta e sementes de Dimorphandra gardneriana. Fonte: Ícaro, 2003

2.4.3.1 – Quercetina

A quercetina (Figura 6) é um destacado integrante do grupo de flavonóides e por

sua ação antioxidante o seu desempenho terapêutico têm sido mencionado por vários

autores no combate ao estresse oxidativo. O seu efeito farmacológico se deve à sua ação

na inibição de certas enzimas e sua capacidade antioxidante (MILTERSTEINER et al.,

2003), esta também age interagindo com DNA topoisomerase (SEN et al., 2006). Entre

as várias atividades farmacológicas destacam-se a anti-câncer e sensibilização de células

cancerígenas resistentes aos tratamentos tradicionais (BORSKA et al., 2012); anti-

inflamatória (LIN et al., 2012) e anti-viral (SAVOV et al., 2006). Estudos in vitro têm

mostrado que a quercetina e outros flavonóides inibem fortemente a produção de Óxido

Nítrico e do Fator de Necrose Tumoral pelas células de Kupffer quando estimuladas

pela injúria. Os flavonóides, por combaterem diretamente as espécies ativas de oxigênio

ou aumentar a capacidade de reação hepática aos mesmos, poderiam contribuir para a

redução do dano oxidativo hepático e da formação de fibrose causada pela obstrução

biliar (MILTERSTEINER et al, 2003).

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35

OH

OH

O

OH

O

HO

OH

Figura 6. Representação da estrutura molecular da quercetina.

A quercetina pode ser encontrada em diversas plantas, no entando ainda há

carência em estudos avaliando as atividades leishmanicida deste flavonóide isolado

ainda é carente. Muzitano et al. (2006), observaram que a quercetina isolada da

Kalanchoe pinnata, planta vulgarmente conhecida como saião, exibiu atividade

leishmanicida contra L. amazonenses. A inibição da arginase pela quercetina pode ser

um importante mecanismo de ação contra diversas espécies de Leishmania, pois a

arginase sintetiza arginina em ornitina e uréia, e a ornitina é essencial na proliferação

celular (SILVA et al., 2012).

2.4.3.2 – Rutina

A rutina (Figura 7) é um flavonoide glicosídico pertencente a uma importante

classe de flavonóides, sendo extensamente encontradas na natureza. Apresenta uma

importância terapêutica em virtude de determinar a normalização da resistência e

permeabilidade das paredes dos vasos capilares, além de inibir o processo de formação

de radicais livres em vários estágios (PATHAK et al., 1991).

Entre as importâncias terapêuticas da rutina estão: anti-alérgico (SHEN et al.,

2012); pró-carcinogênico, reduzindo os danos ao DNA em células hepáticas

(MARCARINI et al., 2011); antioxidante (KIM et al., 2011) e anti-inflamatória

(SELLOUM et al., 2003).

Este flavonóide inibe o processo de formação de radicais livre em vários

estágios, por reagir com o íon superóxido e radicais peroxilas lipídicos, e por formar um

complexo com o ferro que cataliza a formação de radicais de oxigênio ativo (PATHAK

et al., 1991), e não é tóxico (AFANASE’EV et al., 1989). A ação anti-inflamatória deste

flavonóide se dá pela capacidade de inibição de enzimas envolvidas no processo da

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sinalização inflamatória, como a cicloxigenase e a lipoxigenase (SELLOUM et al.,

2003).

Figura 7. Representação da estrutura molecular da Rutina.

Estudos na procura de novas vacinas contra a leishmaniose visceral vêm

utilizando a rutina como adjuvante em sua composição com resultados promissores

(OLIVEIRA-FREITAS et al., 2006).

2.4.4 – Platymiscium floribundum

O P. floribundum é uma planta comum no nordeste brasileiro e popularmente

conhecido como sacambu ou jacarandá do litoral (Figura 8). Esta espécie é utilizada

pela população como anti-inflamatório e sua madeira possui valor comercial na

indústria de móveis (FALCÃO et al., 2005).

Observando a importância fitoquímica deste vegetal destaca-se a presença de

isoflavonóides com potencial farmacológico e atividades biológicas antivirais,

antifúngicas e anti-câncer (MILITÃO et al., 2006; FALCÃO et al., 2005; VALLILO et

al., 2007).

O estudo químico desta espécie revelou a presença de flavonoides, isoflavonóides

e cumarinas como principais constituintes, sendo a segunda classe com maior número

de compostos as cumarinas, com um total de dez compostos identificados (FALCÃO,

2003).

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37

Figura 8. As flores e planta Platymisciym floribundum. Fonte: Falcão, 2003

2.4.4.1 Cumarinas

Cumarinas fazem parte de um grupo de fenóis naturais encontrados em diversos

vegetais como frutas cítricas, tomates, legumes e chá verde (BILGIN et al., 2011).

Centenas de cumarinas já foram isoladas de plantas e algumas delas são sintetizadas em

laboratório (HOULT; PAYÁ, 1996; MANHAS et al., 2006). Essa classe de fenóis

possui uma variedade de funções com potencial terapêutico para diversas doenças

(KONTOGIORGIS et al., 2012), entre essas propriedades se destacam as atividades

anti-câncer (KIM et al., 2012), hepatoprotetor (BILGIN et al., 2011), anti-HIV

(HUANG et al., 2005), antibacteriana (JAISWAL et al., 2012) e hipotensora (GILANI

et al., 2000).

Diversas cumarinas apresentam atividade leishmanicida, Iranshahi et al. (2007)

isolaram duas cumarinas sesquiterpênicas e comprovaram suas atividades contra L.

major, também com atividade contra esta mesma espécie de Leishmania, auraptene

(Figura 9) isolada da Esenbeckia febrífuga (NAPOLITANO et al., 2004), Ahua et al.

(2004) isolaram das raízes da Thamnosma rhodesicca, oito furanocumarinas e uma

cumarina e demonstraram sua atividade contra L. major. A atividade leshmanicida in

vivo foi evidenciada por Tiuman et al. (2012) que analisaram a ação da cumaria

mammea A/BB em tratamentos oral e tópico em camundongos BALB/c infectados com

L. amazonenses, dados semelhantes ao de Ferreira et al. (2010) que isolaram e

confirmaram a atividade de duas cumarinas da casca da Helietta apicupata contra esta

mesma espécie de Leishmania.

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38

Figura 9. Estrutura química auraptene.

A escoparona (6,7-dimetoxicumarina) (Figura 10) é uma cumarina com ação

anti-alégica (CHOI; YAN, 2009), indutora de liberação de dopamina (YANG et al.,

2010), protetora de mucosa gástrica (CHOI et al., 2012), anti-asmática (FANG et al.,

2003), no entanto ocorre uma falta de pesquisas sobre a atividade leishmanicida desta

cumarina.

Figura 10. Estrutura química da escoparona.

2.4.5 - Componentes de óleos essenciais - Monoterpenóides e

fenilpropanóides

2.4.5.1 – Eugenol

O eugenol (Figura 11) é um fenol fenilpropanóide metoxilado

farmacologicamente muito ativo, abundantemente encontrado no óleo essencial de

Eugenia caryophyllus (cravo-da-índia) (JIROVETZ et al., 2006), em óleos essenciais

de algumas plantas do Nordeste brasileiro como Dicipelium cariophyllatum (o craveiro

do Maranhão ou cravinho), Croton zenhtneri (canela-da-cunha) e Ocimum gratissimum

(alfavaca) (CRAVEIRO et al., 1981; UEDA-NAKAMURA et al., 2006).

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OH

OCH3

Figura 11. Representação da estrutura molecular do Eugenol.

Devido a sua estrutura molecular complexa, o eugenol possui diversas ações

farmacológicas comprovadas como antifúngico (NAIR et al., 2012); anti-helmíntico

(PESSOA et al., 2002); inseticida (MACIEL et al., 2010); também é utilizado em

práticas odontológicas como anti-séptico tópico, analgésico, e conferir propriedades

farmacológicas aos cimentos obturadores de canais, visto ter ação bactericida, portanto,

eficaz no tratamento de algumas enfermidades infecciosas na cavidade bucal

(MARKOWITZ et al., 1992; ESCOBAR, 2002). O óleo essencial de Ocimum

gratissimum rico em eugenol mostrou atividade leishmanicida contra L. amazonensis,

causando alterações mitocondriais como inchaço, desorganização da membrana interna

e aumento do número de cristais (UEDA-NAKAMURA et al., 2006), assim como o

eugenol puro que também possui ação leishmanicida (ARANGO et al., 2012).

O eugenol apresenta uma atividade inibitória de cicloxigenases e

prostaglandinas, enzimas envolvidas em processos inflamatórios e carcinogênicos, e

também tem a capacidade de induzir a lise celular devido ao aumento da perda de

proteínas e lipídios causados pelo dano à membrana celular (KAMATOU et al., 2012).

2.4.5.2 – Timol

O timol (figura 12) é um fenol monoterpenóide encontrado em diversas plantas

como Thymus eriocalyx e Thymus x-porlock. No nordeste brasileiro é encontrado

principalmente no óleo essencial de Lippia sidoides. É irritante da mucosa gástrica e a

gordura ou o álcool aumentam sua absorção (BOTELHO et al., 2007).

Entre suas atividades terapêuticas se destacam a ação antimicrobiana (GUARDA

et al., 2011), anti-inflamatória e cicatrizante (RIELLA et al., 2012), fungicida (AHMAD

et al., 2010), antioxidante (UNDERGER et al., 2009) e apresenta ação inotrópica

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negativa devido a redução de cálcio no sarcoplasma do retículo devido a sua

combinação na indução de liberação de cálcio e inibição da bomba de cálcio

(SZENTANDRÁSSY et al., 2004).

OH

Figura 12. Representação da estrutura molecular do Timol.

Robledo et al. (2005) validaram a atividade leishmanicida in vitro e in vivo do

timol e de seus derivados estruturais contra Leishmania panamensis, em um outro

estudo Medeiros et al. (2011) observaram o ação inibitória do óleo de Lippia sidoides

contra L. amazonensis.

2.4.5.3 Derivados Sintéticos do Eugenol e Timol

O timol é um derivado do p-cymene onde diversos derivados possuem atividade

leishmanicida. No estudo realizado por Robledo et al. (2005), o timol teve sua estrutura

quimicamente modificada e seus derivados foram avaliados contra as formas

promastigota e amastigota de L. panamensis, comprovando a atividade inibitória dos

derivados do timol. O eugenol é um fenilproponóide com sua atividade leishmanicida

amplamente estudada. Arango et al. (2012) sintetizaram e avaliaram a ação contra L.

panamensis de seis híbridos do eugenol, encontrando atividade inibitória melhor que o

eugenol em três dos seis híbridos estudados.

Assim, supõe-se que derivados do timol e eugenol possam ter atividade

leishmanicida melhor que a substância pura, então a obtenção de derivados pelos

processos de benzoilação (Fig. 13) e acetilação (Fig. 14) poderá possibilitar melhores

atividades quimioterápicas e menor toxicidade.

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(a)

(b)

Figura 13. Processos de (a) Acetilação Eugenol e (b) Acetilação Timol

(a)

(b)

Figura 14. Processos de (a) Benzoilação Eugenol e (b) Benzolição timol.

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3 JUSTIFICATIVA

A leishmaniose visceral é uma zoonose que afeta principalmente cães

domésticos, silvestres e o homem, no entanto não existe um tratamento efetivo ou

vacina que cure ou previna com seguraça esta enfermidade. Além disso, o uso rotineiro

de drogas antimoniais, utilizadas no tratamento em humanos e em cães, induz à

remissão temporária dos sinais clínicos, não previne a ocorrência de recidivas, tem

efeito limitado na infectividade de flebotomíneos e leva ao risco de selecionar parasitos

resistentes às drogas utilizadas para o tratamento humano. Desta forma, o tratamento da

leishmaniose visceral canina ainda constitui um desafio para a ciência, estimulando

diversos grupos de pesquisa à descoberta de novos medicamentos mais efetivos e menos

tóxicos. Diversos estudos já validaram o efeito de produtos naturais como potenciais

fontes de novos e seletivos agentes para o tratamento de doenças tropicais causados por

protozoários e outros parasitas. Desta forma este estudo foi realizado com o intuito de

comprovar o efeito leishmanicida de alcalóides e acetogeninas isolados das sementes e

folhas espécies de A. muricata e A. squamosa, respectivamente, cumarinas do caule e

cerne da espécie P. floribundum, flavonóides das sementes da espécie D. gardneriana, e

do eugenol, timol e seus derivados sintéticos.

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4 HIPÓTESE

Produtos naturais como alcalóides e acetogeninas isolados de espécies de

Anonna muricata e Annona squamosa, cumarinas da espécie Platymiscium floribundum,

flavonóides da espécie Dimorphandra gardneriana, bem como componentes de óleos

essenciais como eugenol, timol e derivados sintéticos possuem efeito leishmanicida.

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5 OBJETIVOS

5.1 Objetivos Gerais

Avaliar o efeito in vitro e in vivo de compostos isolados da Annona

muricata, Annona squamosa, Platymiscium floribundum, Dimorphandra

gardneriana e monoterpenóides e fenilpropanóides como o eugenol e timol,

contra as formas infectantes de L. i. chagasi e contra as formas

promastigotas de L. major, L. mexicana e L. donovani.

5.2 Objetivos Específicos

Obter compostos das plantas A. muricata, A. squamosa, P. floribundum, D.

gardneriana

Síntetizar os derivados do timol e eugenol

Realizar screening in vitro utilizando promastigotas e amastigotas de

Leishmania spp. com compostos orgânicos naturais

Avaliar in vivo os compostos que mostraram ação in vitro

Analisar a toxicidade dos compsotos ativos e suas combinações em

macrófagos peritoniais murinos e Artemia salina

Avaliar in vivo a toxicidade aguda em camundongos Swiss.

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6 CAPÍTULO 1

Atividade leishmanicida e citotoxicidade de constituintes químicos de duas espécies

de Annonaceae cultivadas no nordeste do Brasil

(Leishmanicidal activity and citotoxicity of compounds from two Annonacea species

cultivated in Northeastern Brazil)

Periódico: Revista da Sociedade Brasileira de Medicina Tropical, v. 44, p. 567-571,

2011.

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RESUMO

A leishmaniose visceral e uma enfermidade endêmica em 88 países, com um total de 12

milhões de pessoas infectadas e 350 milhões em risco. Na procura de novos agentes

com ação leishmanicida, alcalóides e acetogeninas isoladas de Annona squamosa e

Annona muricata,respectivamente, foram testados contra as formas promastigotas e

amastigotas de Leishmania chagasi. Foram preparados extratos com metanol: água (80:

20) das folhas de A. squamosa e sementes de A. muricata que foram extraídos com

solução de ácido fosfórico 10% e solventes orgânicos, para obter extratos ricos em

alcalóides e acetogeninas. Estes extratos foram cromatografados em coluna de sílica gel

sendo eluídos com solventes de diferentes polaridades para o isolamento dos

constituintes, e feita a determinação estrutural por análise espectroscópica. Os

constituintes isolados foram testados contra Leishmania chagasi, responsável pela

leishmaniose visceral, utilizando o teste MTT. Testes de toxicidade foram realizados em

todos os compostos isolados, sendo utilizadas células RAW 264.7. Um alcalóide

benzilisoquinolínico, O-metilarmepavina, e uma C37-triidroxi-acetogenina com anel

bistetrahidrofurânico adjacente foram isolados da A. squamosa e duas acetogeninas

annonacinona e corossolona da A. muricata. O alcalóide mostrou um índice de

Concentração Efetiva mínima (CE50) de 23,3 μg/mL e as acetogeninas apresentaram

CE50 variando entre 25,9 a 37,6μg/mL contra promastigotas, e no ensaio de amastigotas,

o CE50 valores variaram entre 13,5 a 28,7 μg/mL. A toxicidade mostrou resultados que

variaram entre 43,5 a 79,9μg/mL. Estes resultados caracterizam A. squamosa e A.

muricata como fontes potenciais de agentes leishmanicidas.

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Atividade leishmanicida e citotoxicidade de constituintes

químicos de duas espécies de Annonaceae cultivadas no Nordeste do

Brasil

Leishmanicidal activity and citotoxicity of compounds from two Annonacea

species cultivated in Northeastern Brazil

Leishmanicidal activity from compounds isolated from Annonacea

Nadja Soares Vila-Nova1, Selene Maia de Morais

1,2*, Maria José Cajazeiras Falcão

2,

Lyeghyna Karla Andrade Machado2, Cláudia Maria Leal Beviláqua

1, Igor Rafael Sousa

Costa2, Nilce Viana Gramosa Pompeu de Sousa Brasil

3, Heitor Franco de Andrade

Júnior4

1Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias- Faculdade de Medicina

Veterinária, Universidade Estadual do Ceará; Avenida Paranjana 1700, Campus do

Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará, Brazil

2Curso de Química – Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual do Ceará;

Avenida Paranjana 1700, Campus do Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará, Brazil

3Departamento de Química Orgânica e Inorgânica, Centro de Ciências – UFC, Caixa

Postal 12.200. 60455-760, Fortaleza, Ceará, Brazil.

4Instituto de Medicina Tropical, Laboratorio de Protozoologia, Universidade de São

Paulo; Av. Dr. E. C. Aguiar 470, 05403-000, SP, São Paulo, Brazil

Address to: Selene Maia de Morais, Rua Ana Bilhar no 601, Apto. 400, Meireles, CEP

60160-110, Fortaleza, Ceará, Brasil

Phone: 85 32426811 / 31019933

e-mail: [email protected]

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ABSTRACT

Introduction: Visceral leishmaniasis is endemic in 88 countries, with a total of 12

million people infected and 350 million at risk. In the search for new leishmanicidal

agents, alkaloids and acetogenins isolated from leaves of Annona squamosa and seeds

of Annona muricata were tested against promastigote and amastigote forms of

Leishmania chagasi. Methods: Methanol-water (80:20) extracts of A. squamosa leaves

and A. muricata seeds were extracted with 10% phosphoric acid and organic solvents to

obtain the alkaloid and acetogenin-rich extracts. These extracts were chromatographed

on a silica gel column and eluted with a mixture of several solvents in crescent order of

polarity. The compounds were identified by spectroscopic analysis. The isolated

compounds were tested against Leishmania chagasi, which is responsible for American

visceral leishmaniasis, using the MTT test assay. The cytotoxicity assay was evaluated

for all isolated compounds, and for this assay, RAW 264.7 cells were used. Results: O-

methylarmepavine, a benzylisoquinolinic alkaloid, and a C37 trihydroxy adjacent

bistetrahydrofuran acetogenin were isolated from A. squamosa, while two acetogenins,

annonacinone and corossolone, were isolated from A. muricata. Against promastigotes,

the alkaloid showed an IC50 of 23.3 μg/mL, and the acetogenins showed an IC50 ranging

from 25.9 to 37.6 μg/mL; in the amastigote assay, the IC50 values ranged from 13.5 to

28.7 μg/mL. The cytotoxicity assay showed results ranging from 43.5 to 79.9 μg/mL.

Conclusions: These results characterize A. squamosa and A. muricata as potential

sources of leishmanicidal agents. Plants from Annonaceae are rich sources of natural

compounds and an important tool in the search for new leishmanicidal therapies.

Keywords: Leishmaniasis. Benzylisoquinolinic alkaloids. Acetogenins. Annona

squamosa. Annona muricata.

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1. INTRODUCTION

Leishmaniasis is a tropical zoonotic disease caused by at least 17 protozoa species

of the Leishmania genus1. The forms of the disease are related to the type of parasite

and differ in geographic distribution, host and vector involved, incidence rate, and

mortality2. Visceral leishmaniasis is endemic in 88 countries, with prevalence of 12

million people, causing 500.000 cases a year, besides those cases of asymptomatic

individuals which were not diagnosed3,4

.

The chemotherapy of leishmaniasis is based on the use of toxic heavy metal-based

compounds, particularly pentavalent antimonials. However, these compounds must be

administered over prolonged periods and are often associated with serious side effects,

including cardiotoxicity, pancreatitis and musculoskeletal affections when, used at

therapeutic doses. Other treatments for leishmaniasis, such as amphotericin B and

pentamidine, are associated with multiple adverse side effects such as bone marrow

suppression, renal toxicity and glucose metabolism disturbances1,5,6

.

Plants that are traditionally used for treatment of several diseases caused by

protozoa are attracting attention in tests against different Leishmania species.

Leishmanicidal acetogenins and alkaloids from Annonaceae species have demonstrated

the great potential of this plant family as a source of leishmanicidal agents5,7

.

In Northestern Brazil two species of Annonacea are largely cultivated due to

edible characteristics of edibility and high amount of waste material for the pulp

industry and other markets. To make use of this discharged material, this study aimed to

evaluate, in vitro, the efectiveness of constituents from A. squamosa leaves and A.

muricata seeds against the promastigote and amastigote forms of Leishmania (L)

chagasi.

2. MATERIAL AND METHODS

Plant Materials

Leaves of A. squamosa and A. muricata were collected from the Ceará State University

campus in Fortaleza, Ceará State, Brazil. The aerial parts of the plants were deposited in

the Prisco Bezerra Herbarium under reference number 43,604 and 43,951, respectively.

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50

Isolation of compounds and spectroscopic identification

The plant materials (2kg) were powdered, air-dried, immersed in a methanol-H2O

solution (80:20, 1.5 l), and left for 7 days at room temperature. After this period, the

solvent was eliminated using a rotative evaporator, leaving the crude extract (CE). Part

of the CE

was dissolved with 10% phosphoric acid and then the aqueous acid mixture was washed

with dichloromethane. The organic phase was evaporated to dryness to obtain an

acetogenin-rich extract (ACE, 82 g). The ACE was submitted to silica gel column

chromatography, being eluted with hexane, dichloromethane, ethyl acetate, and

methanol in mixtures of increasing polarity. The fractions were collected and compared

in thin layer chromatographic (TLC) plates sprayed with Kedde´s reagent to reveal the

acetogenins. Ammonium hydroxide was added to the aqueous acid solution until pH 9,

after which the solution was partitioned with dichloromethane. Dragendorff ’s reagent

was used until a negative reaction was seen. The dichloromethane phase was dried over

sodium sulfate and concentrated under reduced pressure until complete dryness to

obtain the total alkaloid extract (AE, 0.58g). This extract was submitted to the same

silica gel column chromatographic treatment as above, using Dragendorff´s reagent for

spraying the TLC plates. The chemical structures of the isolated compounds were

determined by spectroscopic analysis of infrared spectra, recorded on a PerkinElmer

100 FT-IR spectrophotometer; the values were expressed in cm-1

, and the nuclear

magnetic resonance spectra were recorded on a Bruker Avance DRX-500 spectrometer

in CDCl3.

Parasites

Leishmania (L.) chagasi (M6445 strain) promastigotes were cultured in M199 medium

supplemented with 10% fetal bovine serum and 5% human male urine at 24 °C. RAW

264.7 murine macrophages (ATCC TIB-71) were maintained in RPMI-1640 medium

supplemented with 10% fetal bovine serum at 37°C in a 5% CO2 humidified incubator

and seeded for 24 h at 4.105 cells per well in 96-well plates before infection with L.

chagasi promastigotes. The amastigotes were obtained from RAW 264.7 murine

macrophage cells infected with promastigote at a ratio of 1:10

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51

(macrophage/promastigote), kept in a 5% CO2 humidified incubator for 72 h at 37 °C,

and then analyzed under a light microscope to confirm infection.

Leishmanicidal activity

Test against promastigotes: to determine the 50% effective concentration (EC50 value)

of the compounds against L. chagasi promastigotes, all compounds were dissolved

previously in ethanol at a concentration of 0.2% and diluted with M199 medium in 96-

well microplates. The assay was performed at concentrations of 100, 50, 25, 12.5, and

6.25 μg/mL and controls with ethanol and without drugs were performed. Each

concentration was tested nine times. Promastigotes were counted in a Neubauer

haemocytometer and seeded at 1x106 cells per well for a final volume of 150 μl. The

plates were incubated at 24 °C for 24 h, and the viability of the promastigotes was

assessed by morphological observation under a light microscope. Diphenyltetrazolium

(MTT) assay was performed; initially, MTT (5 mg/mL) was dissolved in PBS and

sterilized through 0.22-μm membranes, and then 20μl/well was added to a 96-well plate

and left at 37 °C for 4 h. Promastigotes were incubated without compounds and used as

viability control. Formazan extraction was performed using 10% SDS (100 mL/well) at

24 °C for 18 h, and the optical density (OD) at 570 nm was determined in a Multiskan

MS spectrophotometer (UniScience). Pentamidine (Itaca Laboratorios Ltda, Rio de

Janeiro, Brazil) was used as standard drug.

Test against amastigotes: To determine the EC50 value of the compounds against L.

chagasi amastigotes, all compounds were dissolved in 0.2% ethanol at concentrations of

100, 50, 25, 12.5, and 6.2 5μg/mL and added to microplates containing a confluent layer

of cells with amastigotes for 48 h at 37 °C in a 5% CO2 humified incubator. Glucantime

was used as standard drug, and macrophages incubated without drugs were used as

control. For the in vitro assay, an adapted methodology from Piazza et al.8 was used.

The RAW 264.7 cells were incubated with 0.01% saponin in PBSA containing 1%

bovine serum albumin for 30 min. After blocking the wells for 30 min with 5% defatted

milk (Nestle) in PBSA, the cells were incubated at 37 °C for 1 h with serum from a

rabbit immunized with saline extract of L. chagasi promastigotes, collected 30 days

after the infection. The serum employed was diluted at 1:500 and pre-absorbed with

10% fetal calf serum (FCS) at 22 °C for 1 h. After washing the wells three times with

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0.05 % Tween 20 in PBSA, peroxidase-conjugated goat anti-rabbit IgG (Sigma

Chemical Co.), diluted 1:5,000 in 5% defatted milk was added, and the mixture was left

at 37 °C for l h. The wells were washed three times, after which o-phenylenediamine

(0.4 mg/mL) and 0.05% H2O2 were added. The solution was then transferred to ELISA

microplates. The reaction was stopped by adding 1 M HC1, and the plates read at

492nm in a Titertek Multiskan ELISA reader.

Cytotoxicity assay

For the cytotoxicity assay, an adapted methodology from Tempone (2005) was used.

RAW 264.7 murine macrophage cells were seeded at 4x104 cells per well in 96-well

microplates and incubated at 37 °C for 48 h in the presence of the compounds, dissolved

previously in ethanol at a concentration of 0.2% and diluted with M199 medium to the

highest concentration of 120 μg/mL. The microplates were incubated for 48 h at 37 °C

in a 5% CO2 humidified incubator. Control cells were incubated in the presence of

DMSO,

without drugs, Glucantime, and pentamidine (standard drugs). The viability of the

macrophages was determined with the MTT assay, as described above, and was

confirmed by comparing the morphology of the control group via light microscopy.

Statistical analysis

The EC50 values at 95% confidence interval (CI) were calculated using a nonlinear

regression curve. One-way ANOVA and comparative analysis between treatments were

performed by Tukey’s parametric test using the number of living promastigotes and

amastigotes determined indirectly by the optical density (OD, 570 nm), representing the

percentage of survival and/or murine macrophage cells after normalization using the

statistical software GraphPad Prism 4.0.

3. RESULTS

The silica gel column chromatography of the alkaloid extract of A. squamosa leaves led

to the isolation of O-methylarmepavine (I), a benzylisoquinolinic alkaloid; and from the

methanol extract free from alkaloids, a C37 trihydroxy adjacent bistetrahydrofuran

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acetogenin (II) was isolated (Figure 1). This acetogenin was shown to be identical,

when compared by thin layer chromatography (TLC) and spectroscopic data, with the

acetogenin previously identified in A. squamosa seeds, which showed anthelmintic

activity against Haemonchus contortus, the main nematode in small ruminants in

Northeastern Brazil9. The complete assignment of carbons and hydrogens for the

structure of O-methylarmepavine was performed using one- and two-dimensional NMR

spectral analysis and by comparison with data from previous studies10, 11

.

I II

III, R = H

IV, R = OH

Fig. 1. Chemical structures of leishmanicidal compounds O-methylarmepavine (I) and

C37 trihydroxy adjacent bistetrahydrofuran acetogenin (II) from A. squamosa and

Corossolone (III) and Annonacinone (IV) from A. muricata.

Compound 1 was isolated as a brown solid: m.p.: 49.9 - 50.7 oC; UV (λmax,

MeOH, nm): 225 (log ε 3.19); IR (KBr) δmax 2935, 1612, 1514, 1460, 1250, 1118, 1068,

1033, 833 cm-1

; 1H NMR (CDCl3, 500 MHz) 5.83 (H1), 6.58 (H4, s), 2.2-2.4 (H5, m),

3.10 (H6a, d, 7.0), 3.39 (H6b, t , 7.15), 4.32 (H7a, m), 2.78 (H8, t, 6.4), 7.0 (H9/H13, d,

8.4), 6.79 (H10/H12, d, 8.4), 3.48 (OCH3), 3.82 (OCH3), 3.77 (OCH3), 2.64 (N- CH3)

and 13

C NMR 65.05 (C1), 149.45 (C2), 147.49 (C3), 111.24 (C4), 22.02 (C5), 44.94

(C6), 65.45 (C7a), 40.25 (C8), 114.27 (C9/C13), 131.17 (C10/C12), 159.21 (C11), 122

(C14), 121 (C15), 122 (C16), 55.72 (OCH3), 56.06 (OCH3), 55.86 (OCH3), 40.44 (N-

CH3).

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Compound 2 was isolated as a viscous oil: UV (λmax, MeOH, nm): 281 (log ε

max 3418, 2927, 2855, 1748, 1652, 1463, 1319, 1118, 1068, 1028, 953,

877, 756, 666 cm-1

; 1H NMR (CDCl3, 500 MHz) 2.29 (H3, t 7.8), 1.56 (H4, m), 3.62

(H5, m), 1.55 (H6, m), 1.28 (H7, m), 1.28 (H8-12, m), 1.28 (C13, m), 1.56 (H14, m),

3.34 (H15, m), 3.84 (H16, m), 1.98 (H17a, m), 1.65 (H17b, m), 1.98 (H18a, m), 1.65

(H18b, m), 3.94 (H19, m), 3.94 (H20, m), 1.98 (H21a, m), 1.65 (H21b, m), 1.98 (H22a,

m), 1.65 (H22b, m), 3.84 (H23, m), 3.43 (H24, m), 1.56 (H25, m), 1.28 (H26, m), 1.28

(H27,31, m), 1.28 (H32, m), 1.28 (H33, m), 0.90 (H34, t 7.0), 6.99 (H35, s), 5.02 (H36,

m), 1.43 (H37, d 6.7) and 13

C NMR (CDCl3, 125 MHz) 173.8 (C1), 134.2 (C2), 25.6

(C3), 37.1 (C4), 71.7 (C5), 37.3 (C6), 24.8 (C7), 28.9-29.6 (C8-12), 25.1 (C13), 33.0

(C14), 74.1 (C15), 83.2* (C16), 27.3 (C17), 28.4 (C18), 82.5

* (C19), 82.1

* (C20), 28.4

(C21), 27.3 (C22), 82.7* (C23), 71.4 (C24), 32.3 (C25), 25.6 (C26), 28.9-29.6 (27-31),

31.8 (C32), 22.5 (C33), 14.0 (C34), 148.9 (C35), 77.4 (C36), 19.1 (C37). *Values are

exchangeable.

The 1H and

13C-NMR spectral data of compounds III and IV (Table 1) indicates the

characteristics of y-lactones mono-tetrahydrofuraniques with a keto group (peak at

211.60 for compound III and at 211.55 for compound IV in 13

C-NMR), differing in

the number of hydroxyl groups. Compound III, which is less polar, shows two

hydroxyls located at C15, 74.15 and at C20, 74.00 in 13

C-NMR spectra, these data

was compared with corossolone, which was previously isolated by Cortes et al.12

Compound IV, with three hydroxyls linked to C15, 74.32; C20, 74.01 and to C4,

70.01 was compared with the structure of annonacinone13

. The structures of

corossolone (III) and annonacinone (IV) are shown in Figure 1.

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55

Table 1. 1H (CDCl3, 500 MHz) and

13C-NMR (CDCl3, 125 MHz) chemical shifts

of compounds 3 and 4 isolated from Annona muricata.

Compound/C 3 3 4 4

1H

13C

1H

13C

1 - 174.84 - 174.08

2 - 131.31 - 134.45

3a 2.39 - - -

3b 2.50 33.64 2.26 25.31

4 3.83 70.01 1.52-1.58 27.55

5 1.25-1.29 37.30 1.31 28.97-29.92

6-7 1.25-1.29 29.20-29.92 1.31 28.97-29.92

8 1.55 23.99 1.52-1.58 23.97

9 2.38 42.79 2.37-2.43 42.99

10 - 211.60 - 211.55

11 2.38 42.88 2.37-2.43 42.91

12 1.55 23.84 1.52-1.58 25.35

13 1.25-1.29 25.42 1.31 25.47

14 1.38 33.64 1.38 33.45

15 3.49 74.32 3.40 74.15

16 3.80 82.75 3.79 82.79

17-18 1.64; 1.98 28.96 1.68; 1.98 29.01

19 3.80 82.89 3.79 82.89

20 3.40 74.02 3.40 74.00

21 1.39 33.59 1.38 33.70

22 1.25-1.29 25.78 1.31 25.80

23-29 1.25-1.29 29.20-29.92 1.31 28.97-29.92

30 1.25-1.29 32.11 1.31 32.12

31 1.25-1.29 22.88 1.31 22.89

32 0.87 14.32 0.89 14.32

33 7.18 152.12 6.99 149.15

34 5.05 78.21 4.99 77.62

35 1.39 19.29 1.38 19.42

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In the search for new drugs with leishmanicidal activity, A. squamosa and A.

muricata constituents were tested against L. chagasi promastigotes. In this assay,

pentamidine was used as standard drug and showed an EC50 value of 1.63 μg/mL; the

acetogenin from A. squamosa showed an EC50 value of 26.4 μg/mL, and the alkaloid O-

methylarmepavine showed an EC50 value of 23.3 μg/mL. The assay using annonacinone

and corossolone isolated from A. muricata showed EC50 values of 37.6 and 25.9 μg/mL,

respectively (Table 2).

In the amastigote assay, compounds I and II showed EC50 values of 25.3 and

25.4 μg/mL, respectively, and compounds III and IV showed EC50 values of 13.5 and

28.7 μg/mL, respectively, which were statistically similar. The standard drug used,

pentamidine, showed an EC50 value of 1.60 μg/mL (Table 2).

Table 2. Effect of A. squamosa and A. muricata compounds and standards on extra-

extracellular promastigote, intra-intracellular amastigote forms of Leishmania chagasi

and their cytotoxicity in mammalian cells.

Compounds

*EC50

promastigotes

(µg/mL) (95% CI)

*EC50

amastigotes

(µg/mL) (95% CI)

EC50 Citotoxicity

(µg/mL) (95% CI)

Alkaloid (1) 23.3a (12.3 – 38.7) 25.4

a (6.1 – 105.9) 79.7

a (9.3 – 61.8)

Acetogenin (2) 26.4a (22.6 – 98-5) 25.3

a (22.7 – 28.1) 43.5

b (23 – 129.1)

Acetogenin (3) 25.9a (7.6 – 88.2) 28.7

a ( 6.2 – 67.4) 54

b (28.3 – 119.7)

Acetogenin (4) 37.6a (25.8 – 54.80) 13.5

b (2.1 – 53.6) 59.5

b(9.4 – 88.4)

Pentamidine 1.6b

(0.06 – 63.4) nd** 17.9c(2.4 – 25.8)

Glucantime nd** 17.4b

(0.01 – 169.3) >100d

Different letters in the column show statistical difference between the EC50 values (p<0,05) by Tukey´s

Test

*Values indicate the effective concentration of a compound in µg/mL necessary to achieve 50% growth

inhibition (EC50).

** nd, not determined.

The cytotoxicity of the compounds was determined in RAW 264.7 macrophages

after 48-h incubation. The cytotoxicity of the alkaloid (I) and acetogenin (II) isolated

from A. squamosa, and the acetogenins corossolone (III) and annonacinone (IV) from A.

muricata against RAW 264.7 murine macrophage cells showed values ranging from

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43.5 to 79.7 μg/mL. The standard drug glucantime showed toxicity to mammalian cells

greater than 100 μg/mL (Table 2).

4. DISCUSSION

Leishmaniasis occurs globally. In particular, visceral leishmaniasis has a major

impact in the Horn of Africa, South Asia, and Brazil, and cutaneous leishmaniasis in

Latin America, Central Asia, and southwestern Asia. The species responsible for

leishmaniasis in Latin America are divided in two taxonomic groups. The first is the

subgenus Viannia, which mainly includes the species L. braziliensis, L. panamensis,

and L. guyanesis, responsible for cutaneous or mucocutaneous lesions. The other is the

Leishmania subgenus, which includes the species L. mexicana and L. amazonensis,

responsible for localized or diffused skin lesions, and L. chagasi, which causes

American visceral leishmaniasis14

.

In this study, an alkaloid and three different acetogenins from two species of

Annonacea plants, Annona squamosa and Annona muricata, were isolated. A. squamosa

leaves contain a benzylisoquinolinic alkaloid, O-methylarmepavine (I), and a C37

trihydroxy adjacent bistetrahydrofuran acetogenin (II). From A. muricata seeds, two

different acetogenins, corossolone (III) and annonacinone (IV) were isolated. These

compounds were screened against Leishmania chagasi promastigote and amastigote

forms, and their cytotoxicities were evaluated.

The leishmanicidal tests against L. chagasi using the alkaloid isolated from A.

squamosa, O-methylarmepavine, revealed lower effectiveness when compared with the

standard drug pentamidine. Tempone et al. tested the total alkaloid and ethanol extract

from eight different Annonacea plants, which produce isoquinoline alkaloids, and

showed effective results in vitro against L. chagasi. The most effective total alkaloid

extract against promastigotes and amastigotes was that from Annona crassiflora.

The alkaloid O-methylarmepavine isolated from A. squamosa is a

benzylisoquinolinic alkaloid. Isoquinoline and benzylisoquinoline analogues are the

main leishmanicidal alkaloid types in the Annonacea family. Benzylisoquinolinic

alkaloids are widely distributed in nature and have been isolated from different plants

commonly used in traditional medicine for the treatment of parasitic diseases.

Bisbenzylisoquinolinic alkaloids isolated from the stem bark of Guatteria boliviana

have also been reported to show moderate activity when tested against promastigotes of

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L. donovani, L. amazonensis, and L. braziliensis5. Berberine, a quaternary isoquinolinic

alkaloid, has been used in the clinical treatment of leishmaniasis, malaria, and amebiasis

for more than 50 years and has shown in vitro and in vivo response against many

species of Leishmania. This alkaloid, at a concentration of 10 μg/mL, effectively

eliminates L. major parasites in peritoneal mice macrophages15,16

. Another isoquinolinic

alkaloid, isoguattouregidine, isolated from Guatteria foliosa, caused lysis of parasitic

cell membrane when tested against L. donovani and L. amazonensis at a concentration

of 100 μg/ml. Anonaine and liriodenine obtained from the roots and trunk bark of A.

pinescens showed an IC50 value of 100 μg/mL against promastigotes of L. braziliensis,

L. amazonensis, and L. donovani17

. About 20 bisbenzylisoquinoline alkaloids were

screened for antileishmanial and antitrypanosomal activity in vitro; Fangchinoline (EC50

0.39 μM) was found to be as active as the standard drug pentamidine against

Leishmania donovani promastigotes. Based on the above results, the leishmanicidal

action of isoquinoline and benzylisoquinoline against the promastigote forms of

Leishmania spp ranged from 0.39 to 100 μg/mL18

. The mechanism of action of

alkaloids is not completely understood, but Fournet et al.19

observed that

bisbenzylisoquinolinic alkaloids inhibit an essential antioxidant enzyme in Leishmania,

trypanothione reductase.

The acetogenin isolated from seeds of A. muricata, corossolone, showed the best

activity among the three acetogenins used in this study. More than 160 different types of

acetogenins are found in the Annonacea family. From the different species of

Annonacea, 12 containing mono- and bis-THF ring acetogenins were isolated and tested

against promastigotes and amastigotes of L. donovani. The results of this study against

promastigotes showed a range between 2.5 and 47.3 μM. Rollinistatin was the most

effective against amastigotes, with an EC50 value of 2.5 μM. Some acetogenins with one

THF ring, such as senegalene, or two THF rings, such as squamocine, asimicine, and

molvizarine, isolated from seeds of A. senegalensis showed activity against

promastigotes of L. major and L. donovani at 25-100 μg/mL20

.

Nine acetogenins with one or two THF rings were isolated from the seeds of A.

glauca; their activity against L. donovani, L. braziliensis, and L. amazonensis was

evaluated. The mono-THF ring acetogenins annonacin A and goniothalamicin showed

activity against promastigotes, with EC100 values of 10 and 5 μg/mL, respectively21

.

In the amastigote assay using L. chagasi strains, the acetogenins from the two

Annonacea species in the present study showed EC50 values ranging from 13.5 to 28.7

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μg/mL, indicating the relevance of these compounds in the search for new

leishmanicidal drugs. Regarding cytotoxicity, the alkaloid and all the acetogenins were

more toxic to mammalian cells when compared with the standard drug.

The World Health Organization recommends pentavalent antimonials as first-

choice drugs for leishmaniasis treatment. Although Glucantime® has traditionally been

used to treat leishmaniasis, its mechanisms of action and ability to induce damage in

DNA are still unclear. In the study of Lima et al.22

, the genotoxic activity of this drug

was evaluated in vitro using human lymphocytes, and in the in vivo tests, Swiss mice

received acute treatment with three doses (212.5, 425, and 850 mg/kg) of pentavalent

antimony. While no genotoxic effect was observed in the in vitro tests, the in vivo tests

showed that GlucantimeR induces DNA damage. The results of the authors indicate

Glucantime® as a pro-mutagenic compound that causes damage to DNA after the

reduction of pentavalent

antimony (SbV) into the more toxic trivalent antimony (SbIII) in the antimonial drug

meglumine antimoniate. These results encourage the search for other leishmanicidal

compounds.

The chemotherapy for visceral leishmaniasis has been a great challenge, as the

standard drugs used for treatment are toxic, and some strains are already resistant. Few

studies using natural products against L. chagasi are carried out; therefore, the alkaloid

and acetogenins isolated from A. squamosa leaves and A. muricata seeds are promising

leishmanicidal agents, as they display a similar activity to glucantime in the in vitro

assay.

These plants are largely cultivated in Northeastern Brazil, producing agro-industrial

waste material, which could be used in leishmaniasis phytotherapic treatment.

Nevertheless, the in vitro toxicity indicates the need for in vivo tests for the production

of safe phytotherapics.

ACKNOWLEDGMENTS

We are grateful to CENAUREMN (Northeastern Center for the Application and

Use of Nuclear Magnetic Resonance) of Federal University of Ceará for the NMR

spectra of the compounds. We also thank Dr. Selma M. B. Jerônimo, Dr. Daniella R. A.

Martins and Dr. Gloria R. G. Monteiro of the Biochemistry Laboratory of Federal

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60

University of Rio Grande do Norte for technical support in the development of this

work.

CONFLICT OF INTERESTS

The authors declare there is no conflict of Interests in this study.

FINANCIAL SUPPORT

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq),

Fundação Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico

(FUNCAP), Projeto de pesquisa financiado pelo Sistema Único de Saúde (PPSUS).

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63

7 CAPÍTULO 2

Atividade inibitória Leishmanicida e Colinesterásica de Compostos Fenólicos de

Dimorphandra gardneriana e Platymiscium fliribunbum, plantas nativas do bioma

Caatinga.

(Leishmanicidal and Cholinesterase Inhibiting Activities of Phenolic Compounds of

Dimorphandra gardneriana and Platymiscium floribundum, native plants from

Caatinga biome.)

Periódico: Pesquisa Veterinária Brasileira, v. 32, p. 1164-1168, 2012.

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RESUMO

Nos últimos anos, o Ministério da Saúde e da Organização Mundial da Saúde tem

apoiado a investigação em novas tecnologias que possam contribuir para a vigilância,

novos tratamentos e controle da leishmaniose visceral no país. Em vista disso, o

objetivo deste trabalho foi isolar compostos de plantas do bioma Caatinga, e investigar a

toxicidade desses compostos contra formas promastigotas e amastigota de Leishmania

infantum chagasi, o principal parasita responsável pela leishmaniose visceral na

América do Sul, e avaliar a sua capacidade de inibir a enzima acetilcolinesterase

(AChE). Um ensaio utilizando cepas luciferase dependente, e um ensaio de ELISA in

situ foram usados para avaliar a viabilidade das formas promastigotas e amastigotas,

respectivamente, após a exposição a estas substâncias. O ensaio colorimétrico MTT foi

realizado para determinar a toxicidade destes compostos na linha celular monocítica de

murino RAW 264.7. Todos os compostos foram testados in vitro para as suas

propriedades anti-colinesterase. A cumarina, escoparona, isolada a partir das hastes do

Platymiscium floribundum e os flavonóides rutina e quercetina foram isolados a partir

das sementes da Dimorphandra gardneriana. Estes compostos foram purificados

utilizando cromatografia em coluna de sílica gel, eluída com misturas de solventes

orgânicos de polaridade crescente, e identificado por análise espectral. Nos ensaios

leishmanicida, os compostos mostraram uma eficácia dose-dependente contra as formas

promastigotas extracelulares, a escoporona mostrou uma EC50 de 21,4 µg/mL, a

quercetina e rutina 26 e 30,3 µg/mL, respectivamente. Os flavonóides apresentaram

resultados comparáveis aos da droga de controle positivo, a anfotericina B, contra as

formas amastigotas com a EC50 de quercetina e rutina de 10,6 e 43,3 µg/mL,

respectivamente. Todos os compostos inibiram a AChE com zonas de inibição variando

de 0,8-0,6 cm indicando um possível mecanismo de acção para a atividade

leishmacicida.

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Leishmanicidal and Cholinesterase Inhibiting Activities of Phenolic Compounds of

Dimorphandra gardneriana and Platymiscium floribundum, native plants from

Caatinga biome.

Nadja S. Vila-Nova2, Selene M. Morais

2,3*, Maria J.C. Falcão

3, Claudia M.L.

Bevilaqua2, Fernanda C.M. Rondon

2, Mary E. Wilson

4, Icaro G.P. Vieira

5, Heitor F.

Andrade6

2Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias- Faculdade de Medicina

Veterinária, Universidade Estadual do Ceará; Avenida Paranjana 1700, Campus do

Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará, Brazil

3Curso de Química – Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual do Ceará;

Avenida Paranjana 1700, Campus do Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará, Brazil

4 Departments of Internal Medicine and Microbiology, University of Iowa and the VA

Medical Center, Iowa City, IA 52242, USA.

5PADETEC-Parque de Desenvolvimento Tecnologico, Universidade Federal do

Ceará, Av. Humberto Monte 2977, Bairro Parquelandia Bloco 310, CEP 60.440-593,

Fortaleza, Ceará, Brazil.

6Laboratório de Protozoologia, Universidade de São Paulo; Avenida Eneas de Carvalho

Aguiar, 470, 05403-000, São Paulo-SP, Brazil

*Corresponding author e-mail: [email protected]

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Abstract

In recent years, the Brazilian Health Ministry and the World Health

Organization has supported research into new technologies that may contribute to the

surveillance, new treatments and control of visceral leishmaniasis within the country. In

light of this, the aim of this study were to isolate compounds from plants of the Caatinga

biome, and to investigates the toxicity of these compounds against promastigote and

amastigote forms of Leishmania infantum chagasi, the main responsible parasite for

South American visceral leishmaniasis, and evaluate their ability to inhibit

acetylcholinesterase enzyme (AChE). A screen assay using luciferase-expressing

promastigote form and an in situ ELISA assay were used to measure the viability of

promastigote and amastigote forms, respectively, after exposure to these substances.

The MTT colorimetric assay was performed to determine the toxicity of these

compounds in murine monocytic RAW 264.7 cell line. All compounds were tested in

vitro for their anti-cholinesterase properties. A coumarin, scoparone, was isolated from

Platymiscium floribundum stems, and the flavonoids rutin and quercetin were isolated

from Dimorphandra gardneriana beans. These compounds were purified, using silica

gel column chromatography, eluted with organic solvents in mixtures of increasing

polarity, and identified by spectral analysis. In the leishmanicidal assays, the

compounds showed dose-dependent efficacy against the extracellular promastigote

forms, with an EC50 for scoporone of 21.4 µg/mL, quercetin and rutin 26 and 30.3

µg/mL, respectively. The flavonoids presented comparable results to the positive

control drug, amphotericin B, against the amastigote forms with EC50 for quercetin and

rutin of 10.6 and 43.3 µg/mL, respectively. All compounds inhibited AChE with

inhibition zones varying from 0.8 to 0.6, indicating a possible mechanism of action for

leishmacicidal activity.

INDEX TERMS: Leishmaniasis; scoparone; flavonoids; acetylcholinestarase inhibition,

treatment

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INTRODUCTION

Leishmaniasis is still one of the most neglected diseases in the world. During the

last 10 years, many scientific studies involving this disease has been related to treatment

strategies and led to a reduction in drug prices; however, the morbidity and mortality of

this disease has continued to increase worldwide (WHO 2010). For more than 50 years,

the traditional chemotherapy used to treat leishmaniasis has been based on the use of

pentavalent antimonial drugs (Chan-Bacab & Pena-Rodriguez 2001). However, the

toxicity of these agents and their side effects, along with the development of resistance

and differences in strain sensitivity to these drugs, are challenges that must be overcome

(Carvalho, Arribas & Ferreira 2000, Osório et al. 2007).

Antileishmanial drugs have different mechanisms of action. Antimonial drugs

interfere with bioenergetic process of Leishmania amastigotes, by inhibition of several

proteins (Chan-Bacab & Pena-Rodriguez 2001). Miltefosine

(hexadecylphosphocholine) is thought to perturb the microorganism’s cell membrane by

interfering with the biosynthesis of the glycosyl phosphatidylinositol (GPI) membrane

anchor. Miltefosine may also interfere with leishmania signal transduction (Croft,

Seifert & Duchene 2003). Amphotericin B interacts with sterols present in the

Leishmania membrane, the drug binds with ergosterol damaging the cell permeability,

permitting ions such as K+ to scape (Ordonez-Gutierrez et al. 2007, Filippin & Souza

2006).

Choline is the precursor of phosphatidylcholine, a main component of

Leishmania promastigote membranes (Wassef, Fioretti & Dwyer 1985). Therefore,

inhibition of choline formation may decrease Leishmania survival. This hypothesis can

be tested by using inhibitors of the acetylcholinesterase enzyme (AChE), which

catalyzes the hydrolysis of acetylcholine to choline and acetic acid, as leishmanicidal

compounds. This may identify another mechanism of action for leishmanicidal activity.

As part of the search for new and better drugs with high feasibility and low

toxicity, the Special Programme for Research and Training in Tropical Diseases of the

World Health Organization (WHO) encourages research into plants for the treatment

leishmaniasis (WHO 2009). In recent years, the Brazilian Health Ministry has supported

research into laboratory diagnosis of leishmaniasis in humans and dogs, patient

treatment, evaluation of the effectiveness of control strategies, and the development of

new technologies that may contribute to the surveillance and control of visceral

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leishmaniasis in the country (Maia-Elkhoury et al. 2008). Several compounds from

plants that have activity against Leishmania species have been reported in the literature

(Chan-Bacab & Pena-Rodriguez 2001). These results encourage the investigation into

other compounds present in the Brazilian flora.

Two plants native to the Caatinga biome of Northeastern Brazil, Platymiscium

floribundum and Dimorphandra gardneriana, were selected for study, contain phenolic

compounds, such as coumarins and flavonoids, with potential leishmanicidal and

anticholinesterase activities, respectively. The aim of this work was to test the

compound, scoparone, a coumarin isolated from P. floribundum, and the two

flavonoids, rutin and quercetin, isolated from D. gardneriana, against L. infantum

chagasi promastigotes and amastigotes and evaluate their ability to inhibit

acetylcholinesterase.

MATERIALS AND METHODS

The heartwood and sapwood from the stems of P. floribundum, and the beans of

D. gardneriana, were collected in the city of Acarape and city of Crato, respectively, in

the state of Ceará, Brazil. The aerial parts from both plants were deposited in the Prisco

Bezerra Herbarium under the numbers 31052 and 32339, respectively.

For column chromatography, silica gel ( 0.063 - 0.200 mm; 70 - 230 mesh) and

Sephadex LH – 20 were used. Thin layer chromatography (TLC) was performed using

silica gel 60 G-F-254 on glass plates. TLC plates were observed under an ultraviolet

lamp (Vilbert Loumart, CN-15 LM model), with two wavelengths (312 and 365 nm).

Then, the plates were sprayed with 2.5% vanilin in perchloric acid in ethanol (1:1),

heated in a 100ºC oven, and, if necessary, saturated in an iodine chamber.

Plant heartwood (800 g) was subjected to cold extraction using the organic

solvents hexane, chloroform and ethanol. The solvents were eliminated using a rotary

evaporator to obtain the, respective extracts. The chloroform fraction was subjected to

silica gel column chromatography and was then eluted with mixtures of hexane,

dichloromethane, ethyl acetate and methanol with increasing polarity. The fractions

were collected and compared by TLC for the presence of a blue spot under UV light.

The chemical structures of the isolated compounds were determined by spectroscopic

analysis of the infrared spectra, recorded on a FT-IR PerkinElmer 1000

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69

spectrophotometer. The values are expressed in cm-1

. Nuclear magnetic resonance

spectra were recorded on a Bruker Avance DRX-500 spectrometer, in CDCl3.

The beans of D. gardneriana (150 g) were added to a Soxhlet extractor and were

extracted with hexane, ethyl acetate, methanol and water. The solvents were

concentrated in a rotary evaporator, and hexane (0.38 g), ethyl acetate (4.47

g), methanol (47.53 g), and aqueous (8.49 g) extracts were obtained. After analysis of

the extracts by TLC, the ethyl acetate and methanol extracts were combined, and

dispersed in 200 mL of cold water. After stirring, the mixture was filtered, the resulting

residue was washed with additional 100 mL of water, and after filtration, and the

residue was dried in a 100 º C oven, yielding 18.0 g of a yellow powder. This material

was subjected to column chromatography on silica gel column, and was eluted with

mixtures of hexane, dichloromethane, ethyl acetate and methanol with increasing

polarity. The fractions were collected and compared by TLC. This method resulted in

the purification of 12.42 g of rutin. Spectral data were compared to those found in the

literature (Agrawal & Bansal 1989).

The method of Pulley & Loesecke 1939, adapted by Kratkay & Tandy 1991, was

used to prepare quercetin. A mixture of 0.9 g of rutin and 9.0 mL of a 3% sulfuric

acid solution was added to a 25 mL flask adapted with a reflux condenser. The reaction

mixture was refluxed for 5 hours, cooled to 60 ºC and filtered. The resulting

quercetin was washed with hot water until a neutral pH was reached. The crude

quercetin was dried, and then dissolved in 7.2 mL of hot ethanol solution (78 ºC) at 75

ºGL. After the quercetin was completely dissolved, the solution was filtered and cooled

to 25 ºC for subsequent crystallization. The spectral data were compared to those found

in the literature (Agrawal & Bansal 1989).

A strain of L. infantum chagasi expressing luciferase, called Lic-luc, was

generated with the integrating vector pIR1SAT, provided by Dr. Steve Beverley, as

described (Thalhofer et al. 2010). The promastigote form of Lic-Luc was cultured in

hemoflagellate-modified MEM (HOMEM) medium, supplemented with 10% fetal

bovine serum at 26 °C. For the leishmanicidal assay, an adapted methodology from

Tempone et al. 2005 was used. The compounds were dissolved in DMSO at a

concentration of 0.2% and diluted with HOMEM medium in 96-well microplates. The

assay was performed at concentrations of 100, 50, 25, 12.5 and 6.25 µg/mL. Control

wells contained DMSO or no additives. Each concentration was tested in triplicate in

replicate experiments. Promastigotes were counted in a Neubauer hemocytometer and

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seeded at 1x106/well. The plates were incubated at 26 °C for 24 h, and the viability of

the promastigotes, based on their morphology, was observed under a light microscope.

Pentamidine (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was used as the positive control

drug. The optical density (OD) was determined in a Fluostar Omega (BMG Labtech) at

620 nm.

The drug activity against amastigote was measured by a modified ELISA

measuring the viability of L. i. chagasi infecting the murine macrophage RAW 264.7

cell line (ATCC TIB-71). Four x 105 RAW 264.7 cells in RPMI-1640, 10% fetal bovine

serum, were added to each well of a 96-well plate, and incubated with L. i. chagasi

promastigotes at a 1:10 (macrophage/promastigote) ratio at 37ºC, 5% CO2 in an

incubator for 72 h. An adapted methodology from Piazza et al. 1994 was used for the in

vitro assay. Stock solutions of all of the compounds were prepared at a concentration of

0.2% in ethanol. An additional five concentrations were obtained by two-fold serial-

dilution. The compound solutions were added to microplates containing the confluent

layer of cells with amastigotes for 48 h at 37°C in a humidified 5% CO2 incubator.

Macrophages incubated without drugs were used as the control and, and amphotericin B

(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was used as the positive control drug at same

concentrations as the other compounds. Murine macrophage RAW 264.7 cells were

incubated with 0.01% saponin in PBSA, containing 1% bovine serum albumin, for 30

min. The wells were then blocked for 30 min with 5% nonfat milk (Nestlé) in PBS. In

the next step, the cells were incubated in serum from a rabbit immunized with a saline

extract of L. i. chagasi promastigotes, collected 30 days after the infection, at 37°C for 1

h. The serum employed was diluted 1:500 and pre-absorbed with 10% fetal calf serum

(FCS) at 22°C for 1 h. The wells were washed three times with 0.05% Tween-20 in

PBSA, and peroxidase-conjugated goat anti-rabbit IgG (Sigma Chemical Co.) diluted

1:5000 in 5% nonfat milk was added and incubated at 37°C for l h. After the wells were

washed, o-phenylenediamine (0.4 mg/mL) and 0.05% H202 were added. The reaction

was stopped by the addition of 1 M HC1. The plates were read at 492 nm in a Multiskan

MS (UniScience) ELISA reader.

To test the toxicity of compounds for mammalian cells, murine RAW 264.7

macrophages were seeded at 4x104/well in 96-well microplates and incubated at 37 °C

for 48 h in the presence of the compounds at a concentration of 120 µg/mL. These

compounds had previously been dissolved in 0.2% ethanol. The microplates were

incubated for 48 h at 37 °C in a humidified 5% CO2 incubator. Control cells were

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incubated in the presence of DMSO, without drugs, and with the positive control drugs,

amphotericin B and Pentamidine, at a concentration of 40 µg/mL and 100 µg/mL,

respectively. The viability of the murine RAW 264.7 macrophages cells was determined

using the MTT assay, as described previously by Vila-Nova et al. 2011. MTT at a

concentration of 5mg/mL were added at 20 µg/mL in 96-well microplates and incubated

at 37 ºC for 4 h. Formazan extraction was performed using 10% SDS incubated at 24 ºC

for 18 h. The OD was determined in a Multiskan MS (UniScience) at 570 nm. Light

microscopy was used to observe the morphology of the cells and confirm the viability

of the control group.

Inhibition of the AChE was evaluated by TLC in accordance with the methodology

described by Ellman et al. 1961, later adapted by Rhee et al. 2001. The following

solutions were prepared for this test: (1) 50 mM Tris / HCl, pH 8 (buffer); (2) 1 mM

Ellman's reagent, which was prepared by mixing 5,5'-dithiobis-2-nitrobenzoic acid

(DTNB) and a buffer solution of acetylthiocholine iodide (ATCI); and (3) 1 mM ACTI.

The lyophilized AChE enzyme was diluted in buffer solution (1) to obtain a 1000 U/mL

enzyme solution. The compounds, in 5 μL aliquots dissolved in CHCl3 (4 mg/mL), were

applied to the TLC plates (DC-Alufolien, silica gel 60 F254, 0.2 mm Merck). The plate

was then sprayed with solutions (2) and (3). After 3 min, which is the time necessary for

the solution to completely dry, the plate was sprayed with AChE (3 U/mL). After

approximately 10 min, the appearance of white spots was observed, and the spot

diameters were immediately measured. Physostigmine (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO,

USA) was used as a positive control.

The 50% effective concentration (EC50) values at the 95% confidence interval

(95% CI) were calculated using a nonlinear regression curve. One-way ANOVA and

comparative analysis between treatments was performed with Tukey’s parametric post-

test using the numbers of living promastigotes, amastigotes and/or murine RAW 264.7

cells, which were determined indirectly by optical density (OD), to represent the

percentage of surviving cells after normalization. GrhaphPad Prism 4.0 statistical

software was used for analyses.

RESULTS

The 13

C-NMR spectroscopic data of the compound isolated from P. floribundum

revealed the presence of nine sp2 carbons, among them one carbonyl (161.4 δ) and two

methoxyl groups. In the 1H-NMR spectrum, a cis-double bond at 6.23 δ and 7.59 δ (J =

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9.5 Hz) conjugated with a carbonyl is characteristic of a lactone ring of a coumarin.

Comparison with literature data (Ma et al. 2006) confirmed the structure of 6,7-

dimethoxycoumarin, named scoparone, for the compound isolated from P. floribundum.

The NMR spectral data are shown in Tab. 1.

Table 1 - NMR 1H and

13C data from 6,7-dimethoxycoumarin.

C C H

2( C=O) 161,4 _

4ª 111,4 _

6 146,3 _

7 152,8 _

8ª 150,0 _

CH

3 113,4 6,23 (d, J= 9,5 Hz)

4 143,3 7,59 (d, J= 9,5 Hz)

5 108,0 6,83 (s)

8 100,0 6,78 (s)

CH3

OCH3 56,4 3,90 (s)

OCH3 56,4 3,88 (s)

To determine the 50% effective concentration (EC50) of the phenolic compounds,

promastigotes of L. i. chagasi were incubated with the compound for 24 hours at 24 °C.

Leishmanicidal activity for the extracellular cells was observed for all compounds.

Pentamidine was used as the control and was suitable for comparison with the

compounds. Scoparone had no activity in the amastigote assay, and the flavonoids, rutin

and quercetin, were not significantly different compared to the control, amphotericin B

(Tab. 2).

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Table 2 - Leishmanicidal activity against L. i. chagasi and acetylcholinesterase

inhibition activities of phenolic compounds scoparone, rutin and quercetin and standard

drugs amphotericin B and Pentamidine.

Compound

(µg/mL)

*EC50 Promastigote

(µg/mL)

*EC50 Amastigote

(µg/mL)

AChE

Inhibition (cm)

Scoparone

21.4b

(16.9 – 27.2)

>100d 0.8

Rutin 30.3a (24.5 – 37.4) 43.35c (16.04 – 117.1) 0.6

Quercetin 26.0a (16.6 – 40.8) 10.64c (1.72 – 65.56) 0.6

Pentamidine 5.2a (0.06 – 403.8) Nd -

Amphotericin B Nd 19.75c (6.3 – 62) -

Physostigmine Nd Nd 0.9

The different letters in the columns show the statistical difference between the EC50

values (p<0.05) by Tukey´s test. 95% CI: 95% confidence interval; Nd: not

determined. *Values indicate the effective concentration of a compound in μg/mL

necessary to achieve 50% growth inhibition (EC50).

The toxicity of compounds for mammalian cells was tested at a drug

concentration that was higher than all EC50 levels for sensitive drugs in Table 2.

Viability was measured using the MTT assay, which measures mitochondrial

respiration. None of the compounds caused a significant decrease from control was

measured with the MTT assay; i.e. none of compounds demonstrated toxicity at the

concentration tested (Fig. 1).

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264.7

(%

)

Figure - 1. Toxicity of compounds at 120 µg/mL on murine RAW 264.7 macrophage

cells comparing with Anphotericin B and Pentamidine (40 µg/mL and 100 µg/mL,

respectively). P < 0,05.

Scoparone, quercetin, and rutin, at a concentration of 2mg/mL, were tested for

AChE inhibitory activity using Ellman's colorimetric method adapted by Reed on TLC

plates. Scoparone had an inhibition zone of 0.8 cm, which was similar to the inhibition

zone of the control physostigmine (0.9 cm). Quercetin and rutin were less active, with

inhibition zones of 0.6 cm (Tab. 2).

DISCUSSION

The list of compounds available to treat leishmaniasis is short and the expanding

problems of parasite resistance and difficulty of delivering drugs to afflicted

populations, demonstrate a critical need for efficacious and nontoxic drugs against

leishmaniasis. Although plant extracts have been used by traditional healers, the active

compounds are often unknown. In this study screened phenolic compounds as a

coumarin (scoporone) isolated from P. floribundum and two flavonoids, rutin and

quercetin, isolated from D. gardneriana, showed potential leishmanicidal activities (Fig.

1). The data suggested that all 3 compounds exhibit activity against the extracellular

promastigote form of L. i. chagasi, and two of three had activity against the intracellular

amastigote form.

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The lactone groups present in coumarins are also present in the structures of

Annonaceous acetogenins that show leishmanicidal activity (Vila-Nova et al. 2011).

Annonaceous acetogenins have chains ranging from 37 to 35 carbon atoms, depending

on the species from which they are derived. In this study, scoparone had an EC50 of 21.4

µg/mL (95% CI = 16.9 – 27.2) in the promastigote assay. In the AChE assay, the

inhibition zone of scoparone was 0.8 cm, and was similar to the control, physostigmine

(0.9 cm), implying similar acetylcholinesterase inhibition characteristics. In a previous

study, scoporone, was isolated from Helietta apiculata and tested against three other

Leishmania promastigotes strains (L. amazonensis, L. infantum and L. braziliensis), and

the results showed and EC50 greater than 50 µg/mL (Ferreira et al. 2010). AChE

inhibition was demonstrated for nine coumarins isolated from Ferula szowitsiana, with

inhibition zones ranging from 6-8 mm at a concentration of 4 mg/mL (Santos et al.

2008), presenting results similar to those in this study.

Acetylcholinesterase inactivates acetylcholine by hydrolyzing it, into the acetyl

and choline groups. This enzyme provides a mean of regulating the concentration of the

active neurotransmitters (Soreq & Seidman 2001). Phosphatidylcholine (PC) is the most

abundant phospholipid both in the surface membranes (14.9%) and the whole cell

cytoplasm (51.6%) of Leishmania; however PC synthesis requires acquisition of the

choline precursor from the host (Wassef, Fioretti & Dwyer 1985, Zuffrey & Mamoun

2002). Without sufficient host-derived choline, it is very likely that PC synthesis would

be impaired and the Leishmania plasma membrane would be compromised. The AChE

inhibitory activity of scoporone (0.8 mm) indicates a possible action mechanism by

disrupting the viability of leishmania’s cell membranes. The metabolic pathways

leading to the PC uptake and biosynthesis are likely to play critical roles in parasite

development and survival, and may be a viable target for antileishmanial chemotherapy

(Zufferey & Mamoun 2002). The uptake of choline is highly specific and is inhibited by

choline carrier inhibitors, including the antileishmanial phosphocholine analogs

miltefosine and edelfosine and other choline analogs that have antimalarial and anti-

cancer activities (Zuffrey & Mamoum 2002, Croft, Seifert & Duchene 2003). We

hypothesize that the coumarin and scoparone has mechanism of action acting on the

same pathway as above compounds, resulting in a net negative effects on choline uptake

by the parasite. Since the coumarin may act by the decreasing the amount of available

choline for transport, one would hypothesize that these agents would have synergistic

activity. It is possible that a combination of our compounds with miltefosine would

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enable lowering the dose, and consequent toxicities, of both drugs.

Quercetin and rutin demonstrated leishmanicidal activity in both the promastigote

and amastigote stages. The activity of these flavonoids was similar to that of

Pentamidine and Amphotericin B, established agents used to treat leishmaniasis. These

results correlate with another study that tested the activity of quercetin isolated from

Galphimia glauca against L. donovani promastigotes, where the activity was evaluated

by counting microscopically the number of live parasites. In that study, quercetin had an

EC50 29.5 µg/mL against L. donovani promastigotes (Camacho et al. 2002). However,

the leishmanicidal activity of 3-O-methyl-quercetin isolated from Chromolaena hirsuta

against L. amazonensis had an EC50 of 87.8 µg/mL (Taleb-Contini et al. 2004).

Furthermore, in a third study, using quercetrin (glicosyl-quercetin) with is an

aminoglycoside, the amastigote form of L. donovani, had an EC50 of 1.0 µg/mL

(Tasdemir et al. 2006).

These flavonoids are able to inhibit acetylcholine hydrolysis and interfere in the

PC due to their low concentration of choline precursor from the host. Nevertheless, the

leishmanicidal activity of these compounds may be related to their ability to chelate iron

(Fe), depriving this essential nutrient from the intracellular amastigote forms (Sen et al.

2008, Fonseca-Silva et al. 2011).

CONCLUSIONS

The data provide evidence that Brazilian Caatinga biome is a rich source of

leishmanicidal compounds. In this study, scoparone, rutin and quercetin have shown

activity Leishmania infantum chagasi promastigote and amastigote forms, and act as

AChE inhibitor. This suggests a new mechanism of action for these leishmanicidal

natural compounds. These observations raise the possibility of further studies using

these compounds in combination with existing clinically approved antileishmanial

compounds to evaluate the synergism.

Acknowledgments - This research was supported by the Brazilian Ministry of Health,

SPU Number 09100213-3.

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8 CAPÍTULO 3

Diferentes susceptibilidades de espécies de Leishmania spp. a acetogeninas

anonacinona e corossolona isoladas da Annona muricata, e cumarina escoporona

isolada do Platymiscium floribundum.

(Different susceptibilities of Leishmania spp. promastigotes to the Annona muricata

acetogenins annonacinone and corossolone, and the Platymiscium floribundum

coumarin scoparone.)

Periódico: Experimental Parasitology in press

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RESUMO

A leishmaniose é uma zoonose que pode se manifestar de forma visceral e cutânea. O

objetivo deste estudo foi buscar novos compostos leishmanicidas de duas plantas

encontradas na região Nordeste do Brasil, Platymiscium floribundum e Annona

muricata, contra três cepas de Leishmania (L. donovani, L. mexicana e L. major). Uma

cumarina, escoparona, e duas acetogeninas, anonacinona e corossolona foram isolados

das plantas estudadas. Todos os compostos indicaram atividade leishmanicida em todas

as cepas testadas. As diferentes espécies de Leishmania indicam sensibilidade distinta

em relação aos compostos testados: L. mexicana foi mais sensível a escoparona seguido

de L. major e L. donovani. As três espécies apresentaram inibição semelhante ao

corossolona e anonacinona. Acetogenina anonacinona indicou atividade leishmanicida

elevada (EC50 = 6,72-8,00 g/mL); corossolone (EC50 = 16,14-18,73 g/mL) e

scoparone (EC50 = 9,11-27,51 g/mL) demonstraram atividade moderada. A toxicidade

foi avaliada usando o ensaio em Artemia salina, e corossolona foi o composto mais

tóxico. Em conclusão, as atividades leishmanicida demonstradas pela cumarina e pelas

acetogeninas neste estudo indicam que estes compostos são excelentes candidatos para

o desenvolvimento de novas drogas leishmanicida.

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Different susceptibilities of Leishmania spp. promastigotes to the Annona muricata

acetogenins annonacinone and corossolone, and the Platymiscium floribundum

coumarin scoparone.

Short communication

Nadja Soares Vila-Nova1, Selene Maia de Morais

1,2*, Maria José Cajazeiras Falcão

2,

Terezinha Thaize Negreiros Alcantara2, Pablito Augusto Travassos Ferreira

2, Eveline

Solon Barreira Cavalcanti2, Icaro Gusmão Pinto Vieira

3, Cláudio Cabral Campello

1,

Mary Wilson4

1Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias, Universidade Estadual do

Ceará; Avenida Paranjana 1700, Campus do Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará,

Brazil. 2Curso de Química – Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual do Ceara;

Avenida Paranjana 1700, Campus do Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará, Brazil.

3PADETEC - Parque de Desenvolvimento Tecnologico, Universidade Federal do

Ceará, Av. Humberto Monte 2977, Bairro Parquelandia Bloco 310, CEP 60.440-593,

Fortaleza, Ceará, Brazil.

4Departments of Internal Medicine and Microbiology, University of Iowa and the VA

Medical Center, Iowa City, IA 52242, USA.

*Corresponding author: Tel. +55 85 3101 9789; Fax: +55 85 3101 9933. E-mail

address: [email protected]

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Abstract

Leishmaniasis is a zoonotic disease that can manifest itself in visceral and

cutaneous form. The aim of this study was to search for new leishmanicidal compounds.

Preliminarily, Artemia salina assay was applied to compounds from two plants found in

Northeastern Brazil, Platymiscium floribundum and Annona muricata. Then these

compounds were tested against three Leishmania species (L. donovani, L. mexicana and

L. major). A screening assay using luciferase-expressing promastigote form were used

to measure the viability of promastigote One coumarin, scoparone, isolated from P.

floribundum and two acetogenins, annonacinone and corossolone isolated from A.

muricata showed leishmanicidal activity in all species tested. Nevertheless, Leishmania

species indicated different susceptibilities in relation to the tested compounds: L.

mexicana was more sensitive to scoparone followed by L. major and L. donovani. The

three species presented similar inhibition to corossolone and annonacinone. Acetogenin

annonacinone (EC50= 6.72 – 8.00 g/mL) indicated high leishmanicidal activity;

corossolone (EC50= 16.14 – 18.73 g/mL) and scoparone (EC50= 9.11 – 27.51 g/mL)

moderate activity. A. saline larvae were less sensitive to the coumarin scoparone and

acetogenin corossolone was the most toxic. In conclusion, the leishmanicidal activity

demonstrated by the coumarin and acetogenins indicate these compounds for further

studies aiming the development of new leishmanicidal agents.

Keywords: Leishmanicidal, acetogenin, coumarin, Leishmania, Artemia salina

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1. Introduction

Leishmaniasis is a tropical zoonotic disease caused by more than 20 protozoa

species of Leishmania genus (Singh et al., 2012) manifesting itself in visceral and

cutaneous form. The geographical distribution of leishmaniasis relate to the growth of

sandfly vector, which are dominant in tropical and temperate regions (Roy et al., 2012).

The chemotherapy used in the treatment of leishmaniasis is based on the use of drugs

that are toxic heavy metals, known as antimoniates, among which the most used are

meglumine antimoniate (Glucantime®

) and sodium stibogluconate (Pentostan®). When

this type of treatment is not effective, other medications such as pentamidine and

amphotericin B and its lipossomal formulation, are also used. All these medications are

administrated intravenously and/or intramuscular require clinical supervision or

hospitalization due to the severity of side effects (Chan-Bacab and Pena-Rodriguez,

2001; Rath et al., 2003). In dogs, one of the main reservoirs, treatment is not a

recommended measure in Brazil, since it does not diminish the importance of these

animals as reservoir of the parasite. It only provides clinical remission and not a

parasitological cure (Sessa et al., 1994, Alves and Bevilacqua, 2004; Ait-Oudhia et al.,

2012).

In the early 1990s, the World Health Organization (WHO) reported that 65-80%

of the population of developing countries depended on medicinal plants as the only

form of access to basic health care (Veiga et al., 2005). A vast number of Brazilian

plants are able to produce secondary metabolites with antiparasitic activity; many of

these metabolites have not been properly isolated and chemically or biologically

evaluated. The Annonaceae family is a great producer of acetogenins that has shown

promising results in the search for new drugs against various protozoa, revealing good

potential as a source of agents for the treatment of leishmaniasis (Rocha et al., 2005).

Annona muricata is a well-known plant in Brazil, the compounds there are most found

in this plant are acetogenins and alkaloids (Vila-Nova et al., 2011, Tempone et al.,

2005), and has antiprotozoal, antioxidant and anticancer properties (Rondon et al., 2011;

Boyon et al., 2009; Lima et al., 2011; Chen et al., 2012a). Platymiscium floribundum is

a regional plant in Ceará state used by the population as anti-inflammatory and the

isoflavonoids isolated from this plant have demonstrated activity against cancer cells

(Militão et al., 2006, Falcão et al., 2005), and the crude extract demonstrated antifungal

and acetylcholinesterase activity (Cardoso-Lopes et al., 2008), pterocarpans isolated

from the heartwood demonstrated antimitotic effect on sea urchin eggs (Militão et al.,

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2005), but a few of studies have been developed in the search of others

chemotherapeutic values as well as isolating others compounds from this plant.

Due to the shortcomings described above, there is a pressing need for new

leishmanicidal treatments, and compounds from Northeastern Brazilian plants can be

promising sources for future drugs.

2. Material and Methods

2.1 Plants

The heartwood and sapwood of the stem of P. floribundum and leaves of A.

muricata were collected in the state of Ceará, Brazil. Aerial parts of the two plants were

deposited in the Prisco Bezerra Herbarium under the reference number 31052 and

43951, respectively.

2.2 Chromatographic procedures

The active chemical constituents were isolated from plant extracts by silica gel

( 0,063 – 0,200 mm; 70-230 mesh) and Sephadex (LH - 20) column chromatography

and solvents for elution were petroleum ether, hexane, chloroform, ethyl acetate,

acetone and methanol from VETEC (Brazil). The fractions collected in the columns

were compared by thin layer chromatography (TLC), using silica gel (60 G F 254) on

glass plates (3 cm x 8 cm). The TLC plates were analyzed in a iodine chamber, under

UV Light (at 312 and 365 nm), Vilbert Loumart, CN-15 LM model, and by spraying the

reagent 2.5 % vaniline in sulfuric acid diluted in ethanol (1:1), followed by heating in an

oven at 100 °C.

2.3. Isolation of compounds and spectroscopic identification

A. muricata seeds (2 kg) were triturated and left in contact with methanol for one

week, then the solvent was filtered, evaporated to dryness and a light yellow solid was

obtained (402 g). This material was chromatographed on a filtering silica gel column

yielding two main compounds. The trunk heartwood of P. floribundum (800 g) was cold

extracted using hexane, chloroform and ethanol successively. Respective extracts were

obtained by elimination of solvents in a rotatory evaporator. The chloroform extract was

introduced on the top of a glass chromatographic column, filled with silica gel, and the

solvents hexane and ethyl acetate, in mixtures of increasing polarity, were used to elute

the column. Fifty-six 10 mL fractions were collected and compared by TLC. This

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procedure conducted to the isolation of a unique compound, revealed by a simple spot

on TLC plate.

The structures of compounds were determined by spectroscopic analysis of

infrared spectra, recorded on a FT-IR PerkinElmer 1000 spectrophotometer, values

expressed in cm-1

, and nuclear magnetic resonance spectra, recorded on a Bruker

Avance DRX-500 spectrometer in CDCl3.

2.4 Leishmanicidal assay

L. major, L. mexicana and L. donovani mCherry-Luciferase-expressing (mCherry-

Luc) species were generated with the integrating vector pIR1SAT, provided by Dr.

Steve Beverley, as described (Thalhofer et al., 2010). The promastigote forms were

cultured in hemoflagellate-modified MEM (HOMEM) medium, supplemented with

10% fetal bovine serum at 26 °C. For the leishmanicidal assay, an adapted methodology

from Tempone et al. (2005) was used. The compounds were dissolved in DMSO at a

concentration of 0.2 % and diluted with HOMEM medium in 96-well microplates. The

assay was performed at concentrations of 100, 50, 25, 12.5 and 6.25 µg/mL. Control

wells contained DMSO or no additives. Each concentration was tested in triplicate in

replicate experiments. Promastigotes at a logarithmic phase were counted in a Neubauer

hemocytometer and seeded at 1x106/well. The plates were incubated at 26 °C for 24 h,

and the viability of the promastigotes, based on their morphology, was observed under a

light microscope. Pentamidine (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was used as the

positive control drug. The optical density (OD) was determined in a Fluostar Omega

(BMG Labtech) at 620 nm.

The number of living promastigotes was determined indirectly by the optical

density (OD – 620 nm) representing the percentage of survival. The EC50 values (±SD)

were calculated using a nonlinear regression curve using the statistical software

GhaphPad Prism 4.0.

2.5 Toxicity tests using Artemia salina

A. salina (Artemiidae), also known as brine shrimp larva, is an invertebrate

normally used as a safe, practical and economic substitute assay to determine toxicity of

compounds from natural products (Barbosa et al., 2009). The toxicity tests were

developed using A. salina assay by Vanhaecke et al. (1981) with modifications. Dried

cysts of A. salina (15-20 g in 50 mL of seawater) were incubated in a hatcher (a mini-

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aquarium with two compartments, one at darkness and another illuminated) at 28–30 °C

with strong aeration, under a continuous light regime during twenty-four hours. A.

salina cysts were placed for hatching in the dark compartment of the aquarium. The

phototropic nauplii that migrated to the illuminated compartment were collected with a

Pasteur pipette and placed in another flask, when then they were used in the toxicity

bioassay. A solution is prepared containing the chemical compound and DMSO (1%

v/v) in seawater. Each test consisted of exposing groups of 30 larvae aged 24 h to

various concentrations of the toxic compound (10000, 1000, 100, 10 and 1 ppm). The

toxicity was determined after 24 h (nauplii in instar II/III) of exposure. Each

concentration was tested in triplicate in replicate experiments. The numbers of survivors

were counted, larvae were considered dead if they did not exhibit any internal or

external movement during several seconds of observation.

3. Statistical analysis

The data were tested for compliance with the requirements for carrying out the

analysis of variance and normal distribution and homogeneity of variances among

treatments. The ANOVA was then performed using the GLM procedure of SAS (2002)

and Tukey's test was used to compare means. For the toxicity assay using A. salina, the

EC50 and its confidence intervals were calculated by Probit analysis using the software

StatPlus 2009 Professional 5.8.4.

4. Results and discussion

The assay of acute toxicity against A. salina has been used in a great diversity of

medicinal plants research and its chemical compounds in order to determine their

pharmacological assessment, including pursuing anticancer agents, which are those with

high toxicity. Barbosa et al. (2009) demonstrated that the A. salina assay was efficient

in the search for antileishmanial substances. The evaluation of plant extract toxicity by

the brine shrimp bioassay, an LC50 value lower than 1000 µg/mL is considered

bioactive (Meyer et al., 1982). This test was used to find active compounds from plants

in our laboratory, as well as to a toxicity screening of the isolated compounds. The

assay demonstrated that A. saline larvae were less sensitive to the coumarin scoparone

and acetogenin corossolone was the most toxic compound of all three (Table 1).

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Table 1. Leishmania spp. response to secondary metabolites isolated from Brazilian

Northeastern plants and A. salina toxicity.

Compounds

(µg/mL)

IC50 (µg/mL) ±SD

L. donovani

L. mexicana

L. major

Toxicity

A. salina

Scoparone 27.51 ± 0.97Aa

9.11 ± 0.25Cc

14.37 ± 0.98Bb

59.4a ± 8.34

Corossolone 18.73 ± 0.82Ab

18.64 ± 0.79Ab

16.14 ± 1.13Ab

7.09c ± 2.17

Annonacinone 7.66 ± 0.77Ac

8.00 ± 1Ac

6.72 ± 0.37Ac

17.05b ± 3.46

Pentamidine 1,41 ± 0.24Ad

1,75 ± 0.34Ad

1,46 ± 0.5Ad

-

Different capital letters indicate statistical differences among columns (species) and

different lower case letters indicate significant statistical differences among lines (p <

0.001).

The spectral data of the compounds isolated from A. muricata were the same of

previous reported data (Vila-Nova et al., 2011) for the acetogenins, corossolone, and

annonacinone. The compound isolated from P. floribundum was characterized as

scoparone (6,7-dimethoxycoumarin) by comparison of 1H and

13C-nuclear magnetic

ressonance data with earlier described by Ma et al. (2006).

Corossolone: 13

C NMR (CDCl3, 125 MHz): 174.84 (C1), 131.31 (C2), 33.64 (C3),

70.01 (C4), 37.30 (C5), 29.20-29.92 (C6-7), 23.99 (C8), 42.79 (C9), 211.60 (C10),

42.88 (C11), 23.84 (C12), 25.42 (C13), 33.64 (C14), 74.32 (C15), 82.75 (C16), 28.96

(C17-18), 82.89 (C19), 74.02 (C20), 33.59 (C21), 25.78 (C22), 29.20-29.92 (C23-29),

32.11 (C30), 22.88 (C31), 14.32 (C32), 152.12 (C33), 78.21 (C34), 19.29 (C35). 1H

NMR (CDCl3, 500 MHz): 2.39 (H3a), 2.50 H3b), 3.83 (H4), 1.25-1.29 (H5), 1.25-1.29

(H6-7), 1.55 (H8), 2.38 (H9), 2.38 (H11), 1.55 (H12), 1.25-1.29 (H13), 1.38 (H14), 3.49

(H15), 3.80 (H16), 1.64; 1.98 2 H18), 3.80 (H19), 3.40 (H20), 1.39 (H-21), 1.25-1.29

(H-22), 1.25-1.29 (H23-29), 1.25-1.29 (H30), 1.25-1.29 (H31), 0.87 (H32), 7.18 (H33),

5.05 (H34), 1.39 (H35).

Annonacinone. 13

C NMR (CDCl3, 125 MHz): 174.08 (C1), 134.45 (C2), 25.31 (C3),

27.55 (C4), 28.97-29.92 (C5), 28.97-29.92 (C6-7), 23.97 (C8), 42.99 (C9), 211.55

(C10), 42.91 (C11), 25.35 (C12), 25.47 (C13), 33.45 (C14), 74.15 (C15), 82.79 (C16),

29.01 (C17-18), 82.89 (C19), 74.00 (C20), 33.70 (C21), 25.80 (C22), 28.97-29.92 (23-

29), 32.12 (C30), 22.89 (C31), 14.32 (C32), 149.15 (C33), 77.62 (C34), 19.42 (C35). 1H

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NMR (CDCl3, 500 MHz): 2.26 (H3), 1.52-1.58 (H4), 1.31 (H5), 1.31 (H6-7), 1.52-1.58

(H8), 2.37-2.43 (H9), 2.37-2.43 (H11), 1.52-1.58 (H12), 1.31 (H13), 1.38 (H14), 3.40

(H15), 3.79 (H16), 1.68; 1.98 (H17-18), 3.79 (H19), 3.40 (H20), 1.38 (H-21), 1.31 (H-

21), 1.31 (H23-29), 1.31 (H30), 1.31 (H31), 0.89 (H32), 6.99 (H33), 4.99 (H34), 1.38

(H35).

Scoparone: 13

C NMR (CDCl3, 125 MHz): 161.4 (C2, C=O), 113.4 (C3), 111.4 (C4ª),

143.3 (C4), 108.0 (C5), 146.3 (C6), 152.8 (C7), 100.0 (C8), 150,0 (C8a) 56,4 (OCH3),

56.4 (OCH3). 1H NMR (CDCl3, 500 MHz): 6.23 ( H3, d, J= 9.5 Hz), 7.59 (H4, d, J= 9.5

Hz), 6.83 (H5), 6.78 (H8), 3.90 (OCH3), 3.88 (OCH3).

In preliminary evaluation, all compounds inhibited the promastigote growth in all

Leishmania species in this study (Table 1). The results revealed that the activity

response differs for each species, observing that each species of Leishmania tested with

the studied compounds, presented different inhibition. In the evaluation of results, it was

observed that the leishmanicidal activity was based in a dose-dependent response, the

lower dose (3.123 µg/mL) of all compounds induced lower inhibitions and the higher

dose (100 µg/mL) demonstrated the greater inhibitions in all species (Fig. 1).

Pentamidine used as positive control in this study, control wells with DMSO did not

affect the growth of parasites.

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Fig 1. Leishmanicidal activity of corossolone (I), annonacinone (II) and scoporone (III),

against promastigotes of L. donovani, L. major and L. mexicana. Promastigotes in a

logarithimic phase were seeded at 1x106/well and incubated for 24 h with the isolated

compounds, the number of living promastigotes was determined indirectly by optical

density (OD-620nm) and correlated to the perncentage of survival. Control wells

contained DMSO or no additives, and Pentamidine was used as positive control. Each

concentration was tested in triplicate in replicate experiments.

(I)

(II)

(III)

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91

The wide ranges of pharmacological properties of scoparone are evident in many

previous works, such as anti-allergic effect, inhibiting anaphylaxis in rats (Choi et al.,

2009), as a potent hepatoprotective (Bilgin et al., 2011) and inducing the release of

dopamine (Yang et al., 2010). The leishmanicidal activity of several coumarins has been

reported to inhibit parasite growth in vitro. Ferreira et al. (2010) reported the activity

against L. amazonensis, L. infantum and L. braziliensis of nine coumarins; a second

study showed a significant inhibition of L. major promatigotes in the presence of

aurapten (Napolitano et al., 2004); a third study indicated significant inhibition against

using coumarins such aurapten and umbelliprenin (Iranshahi et al, 2007). A lack of

studies showing the antiparasitic activities of scoparone was found.

Acetogenins are widely studied due to its anticancer (Chen et al., 2012b;

D’Ambrosio et al., 2011; Tantithanaporn et al., 2011), antimicrobial (Parellada et al.,

2011; Lima et al., 2011) and antiprotozoal (Boyom et al., 2009; Camacho et al., 2003;

Grandic et al., 2004) properties. Vila-Nova et al. (2011) reported the effect of

annonacinone and corossolone isolated from A. muricata against L. chagasi

promastigote and amastigote forms, and analyzed the toxicity against murine

macrophages cells.

In table 1, promastigotes of Leishmania species demonstrated different

susceptibilities in relation to tested compounds; L. mexicana was more sensitive to

scoparone followed by L. major and L. donovani (EC50= 9.11±0.25, 14.37±0.98 and

27.51±0.97 g/mL, respectively). Comparing the three species within the same line, a

similar resistance to corossolone and annonacinone was observed. The drug control

Pentamidine was statically different from all the compounds tested. Comparing each

species in relation to each compound (within the same column), L. donovani and L.

major were more susceptible to annonacinone (EC50= 7.66±0.77 and 6.72±0.37 g/mL,

respectively), and L. mexicana to annonacinone and scoparone (EC50= 8±1 and

9.11±0.25 g/mL, respectively). In general, annonacinone was the most active

substance. Pentamidine was statically similar to each other in all Leishmania species.

Compounds with anti-Leishmania-activity presenting an EC50 < 10 g/mL demonstrates

high inhibition activity, EC50 > 10 g/mL < 50 g/mL moderate and EC50 > 50 g/mL

weak (Kaiser et al., 2000). Then, acetogenin annonacinone (EC50= 6.72 – 8.00 g/mL)

indicated high leishmanicidal activity, corossolone (EC50= 16.14 – 18.73 g/mL), and

scoparone (EC50= 9.11 – 27.51 g/mL) presented moderate actions. Another study

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using A. muricata seed extracts against L. amazonensis, L. brasiliensis and L. donovani

(Osorio et al., 2007) presented lower activity (EC50= 63.2 – 98.6 g/mL) than the

acetogenins in this work. It can be explained by the fact that the extract can contain

inferior concentrations of acetogenins.

The emergence of drug resistance in some countries led to development of

strategies to prevent it, and the introduction of new therapies are essential to prevent this

resistance to overcome. Drugs developed from medicinal plants can be a great source of

new compounds for protozoa diseases treatments with lower protozoa resistance.

Researches for new drugs are encouraged by WHO as part of search for new and better

drugs for leishmaniasis treatment (WHO, 2009).

Herbal remedies are an ancient source of new drugs but many compounds are still

unknown. Leishmaniasis is a neglected disease and its treatment has been the same for

over 60 years, which induced resistance in this protozoa. The need of new drugs with

lack of resistance from the parasite and available to the population lead us to the

research for leishmanicidal compounds from plants such as A. muricata and P.

floribundum. A coumarin, scoparone, and two acetogenins, annonacinone, and

corossolone, were isolated and its leishmanicidal activity was tested in three different

species of Leishmania (L. donovani, L. mexicana and L. major), confirming the

antiparasitic potential of these compounds. Nevertheless different species present

different susceptibilities in relation to the tested compounds. Further studies are

necessary to reveal the pharmacological significance of antiparasitic compounds from

A. muricata and P. floribundum.

Acknowledgments:

We are grateful to the CENAUREMN (Northeastern Center for the Application and Use

of Nuclear Magnetic Resonance) of the Federal University of Ceará for the NMR

spectra of the compounds, and Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e

Tecnológico (CNPq), Fundação Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Científico e

Tecnológico (FUNCAP), and Sistema Único de Saúde (PPSUS) for their financial

support.

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Costa, I.R.S., Brasil, N.V.G.P., Andrade, H.F., 2011. Leishmanicidal activity and

citotoxicity of compounds from two Annonacea species cultivated in Northeastern

Brazil. Rev. Bras. Med. Trop. 44, 567-571.

Yang, Y.J., Lee, H.J., Lee, B.K., Lim, S.C., Lee, C.K., Lee, M.K., 2010. Effects of

scoparone on dopamine release in PC12 cells. Fitoterapia 81, 497-502.

WHO - World Health Organization. Lead discovery for infectious tropical diseases.

Annual Report. 2009.

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97

9 CAPÍTULO 4

Derivados do timol e eugenol como potenciais agentes anti-Leishmania

(Thymol and Eugenol Derivatives as Potential anti-Leishmania Agents)

Periódico: Enviada para Jounal of Antimicrobial Agents

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RESUMO

No Nordeste brasileiro, a leishmaniose é uma doença endêmica, com vários casos letais

entre os seres humanos e cães. O objetivo deste trabalho foi realizar um levantamento

de compostos naturais ativos para encontrar novas moléculas com atividade contra

Leishmania infantum chagasi e com baixa toxicidade. O timol e eugenol foram

escolhidos para serem compostos de partida para a síntese de derivados acetilados e

benzoladios e utilizados para testar a sua ação leishmanicida in vitro e in vivo contra L.

i. chagasi. Screening utilizando promastigotas luciferase dependente, e ensaio ELISA in

situ utilizando amastigotas, foram realizados para avaliar a viabilidade destas formas.

Para o ensaio in vivo foram utilizados camundongos BALB/c, e os derivados de timol e

eugenol foram administrados intraperitonialmente na dose de 100 mg/kg/dia durante 30

dias. No ensaio com promastigota os derivados do timol demonstraram as melhores

antividades leishmanicida, o benzoil-timol apresentou a melhor atividade inibitória

(8,67 ± 0,28). No ensaio com amastigotas, todos os derivados foram semelhantes, no

entanto o acetil-timol demosntrou o efeito mais significativo sendo inclusive mais ativo

que o timol e o controle, anfotericina B. A imuno-histoquímica demonstrou a presença

de amastigota de Leishmania apenas no baço do grupo tratado com a acetil-timol. Em

conclusão, estes derivados de fácil obtenção constituem compostos úteis para estudos

com o intuito de encontrar novos agentes para o tratamento de leishmaniose.

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99

Thymol and Eugenol Derivatives as Potential anti-Leishmania Agents

Leishmanicidal activity of phenolic derivatives

Nadja Soares Vila-Nova1, Selene Maia de Morais

1,2*, Davi Varela Magalhães

2, Claudia

Maria Leal Bevilaqua1,3

, Fernanda Cristina Rondon3, Carlos Henrrique Lobo

4, Adriana

da Rocha Tomé5, Claudio Cabral Campello

1,5, Mary Wilson

6, Heitor Franco de Andrade

Jr7

1. Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias, Universidade Estadual do

Ceará; Avenida Paranjana 1700, Campus do Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará,

Brazil.

2. Departamento de Quimica, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Estadual

do Ceara; Avenida Paranjana 1700, Campus do Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará,

Brazil.

3. Laboratório de Doenças Parasitárias, Universidade Estadual do Ceará; Avenida

Paranjana 1700, Campus do Itaperi, 60740-000, Fortaleza, Ceará, Brazil.

4. Laboratório de Biologia da Reprodução Universidade Federal do Ceará; Av. Mister

Hull s/n, Campus do Pici, 60021-970, Fortaleza, Ceará, Brazil

5. Faculdade de Veterinária – FAVET, Avenida Paranjana 1700, Campus do Itaperi,

60740-000, Fortaleza, Ceará, Brazil.

6. Departments of Internal Medicine and Microbiology, University of Iowa and the VA

Medical Center, Iowa City, IA 52242, USA.

7. Laboratório de Protozoologia, Universidade de São Paulo; Avenida Eneas de

Carvalho Aguiar, 470, 05403-000, São Paulo-SP, Brazil.

*Universidade Estadual do Ceará, Av. Paranjana, 1700 Tel: +55+85 3101-9933.

[email protected]

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100

Abstract

In Northeastern Brazil there are many places where Leishmaniasis is endemic with

several lethal cases among humans and dogs. The aim of this work was to survey

natural active compounds to find new molecules with more activity against Leishmania

infantum chagasi and with low toxicity. The compounds thymol and eugenol were

chosen to be starting compounds to synthesize acetyl and benzoyl derivatives and to test

their leishmanicidal action in vitro and in vivo against L. i. chagasi. A screening assay

using luciferase-expressing promastigote form was used to measure the viability of

promastigote, and an ELISA in situ was performed to evaluate the viability of

amastigote. For the in vivo assay, thymol and eugenol derivatives were given intra

peritonially to BALB/c at 100 mg/Kg/day during 30 days. In the promastigote assay the

thymol derivatives demonstrated the greater activity rates, being benzoyl-thymol the

best inhibitor (8.67 ± 0.28). In the amastigote assay all compounds were similar, and

acetyl-thymol was more active then thymol and control amphotericin.

Immunohistochemistry demonstrated the presence of Leishmania amastigote only in the

spleen of the group treated with acetyl-thymol. In conclusion, these easy-making

derivatives constitute useful compounds for further studies to find new agents for

Leishmaniasis treatment.

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101

Introduction:

For over sixty years, the treatment of leishmaniasis has been carried out with

pentavalent antimonials such as antimoniate N-methyl glucamine (Glucantime ®) and

sodium stibogluconate (Pentostan ®), which are the drugs of first choice for the

treatment of viscel leishmaniasis. These drugs are toxic, not always effective, are used

in prolonged schemes1. Alternative drugs like pentamidine, amphotericin B, and its

lipossomal formulation are used in the treatment of resistant forms2. The leishmanicial

drug development follows three lines, the first explores the parasite metabolic pathways

to find targets and develop synthetic compounds, the second is the study of other drugs

that are already on the market with leishmanicidal activity hitherto unknown (e.g.

cancer drugs) and the third is focused on the use of medicinal plants as a source of anti-

protozoan molecules3. As part of the search for new and better drugs with high viability

and low toxicity, the Programme for Tropical Diseases of the World Health

Organization (WHO) is considering research on using plants to treat leishmaniasis

essential and high priority4.

Plants are important sources of drug discovery, especially in regard to

antiparasitic drugs due to the coexistence in the environment of parasites and medicinal

plants5. Research into herbal resources can lead to the identification of secondary

metabolites that can either serve as valuable drugs or lead to the development of new

therapeutic substances6. Several studies have validated the effect of natural products as

potential sources of new and selective agents for the treatment of tropical diseases

caused by protozoa and other parasites7.

Thymol and eugenol are largely used as flavouring agents for food since they are

the main constituents of oregano and clove respectively and display many

pharmacological actions including antimicrobial8,9

, anti-inflammatory10,11

,

fungicidal12,13

, antioxidant14,15

, besides others. Common medicinal plants used by local

populations include Ocimum gratissimum, whose essential oil and main constituent

eugenol displays anthelmintic and antimicrobial activities16,17

, and Lippia sidoides rich

in thymol, which is used as a general antiseptic18

.

The cytotoxicities and antileishmanial activities of thymol and some

hemisynthetic derivatives and also the synthesis and the leishmanicidal activity of

quinoline-triclosan and quinoline-eugenol hybrids have been demonstrated both in vitro

and in vivo19,20

. Lippia sidoides Cham. essential oil was shown to display in vitro

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102

cytotoxicity and antileishmanial activity21

, and the antileishmanial activity of Eugenol-

rich essential oil from Ocimum gratissimum was also reported22

.

In Northeastern Brazil there are many places where Leishmaniasis is endemic

and there have been several lethal cases among humans and dogs. In our concern about

the lack of leishmanicidal efficient drugs, we surveyed natural active compounds to find

new molecules with more activity against Leishmania spp which also had low toxicity.

Thus, thymol and eugenol were chosen to be the first compounds to synthesize acetyl

and benzoyl derivatives and to have their leishmanicidal action in vitro and in vivo

against Leishmania chagasi promastigotes and amastigotes tested.

Materials and Methods

Acetylation reaction

Eugenol and thymol were purchased from VETEC, in Fortaleza, Brazil. A

mixture of acetic anhydride (6 g) and pyridine (2 g) was added to eugenol or thymol (3

g). The mixture was left stirring for 24 h at room temperature, and then cold water was

added (20 mL). The solution was neutralized to pH 7.0. The reaction mixture was

transferred to a separating funnel and washed three times with chloroform (20 mL). The

chloroform layer containing acetylated material was washed with water and then dried

with anhydrous sodium sulfate. The solvent was evaporated under reduced pressure.

Benzoylation reaction

Eugenol (8.2 g or 0.05 mol) or thymol (7.5 g or 0.05 mol) was dissolved in 40

mL of 5% NaOH in the cold, and added benzoyl chloride (7g) (5.8 ml, 0.05 mol). The

mixture was vigorously mixed until the odor of benzoyl chloride disappeared (20 to 25

minutes). The solid product was filtered on a Buchner funnel and wash with cold water,

recrystallize with 60 mL of rectified spirit, and the crystals were filtered23

.

Analysis of synthesized derivatives

The crude synthesized derivatives were subjected to silica gel column

chromatography and eluted with mixtures of hexane, dichloromethane, ethyl acetate and

methanol with increasing polarity. The fractions were collected and compared by TLC.

The chemical structures of the purified compounds were confirmed by spectroscopic

analysis of the nuclear magnetic resonance spectra recorded on a Bruker Avance DRX-

500 spectrometer, in CDCl3.

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103

Leishmanicidal activity

A strain of Leishmania infantum chagasi expressing luciferase, called Lic-luc,

was generated with the integrating vector pIR1SAT, provided by Dr. Steve Beverley, as

described by Thalhofer et al. (2010). The promastigote form of Lic-Luc was cultured in

a hemoflagellate-modified MEM (HOMEM) medium, supplemented with 10% fetal

bovine serum at 26 °C. For the leishmanicidal assay, an adapted methodology from

Tempone et al. 2005 was used. Thymol, acetyl-thymol, benzoyl-thymol, eugenol,

acetyl-eugenol and benzoyl-eugenol were dissolved in DMSO at a concentration of

0.2% and diluted with HOMEM medium in 96-well microplates. The assay was

performed at concentrations of 100, 50, 25, 12.5 and 6.25 µg/mL. Control wells

contained DMSO or no additives. Each concentration was tested in triplicate in replicate

experiments. Promastigotes were counted in a Neubauer hemocytometer and seeded at

1x106/well. The plates were incubated at 26 °C for 24 h, and the viability of the

promastigotes, based on their morphology, was observed under a light microscope.

Pentamidine (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was used as the positive control

drug. The optical density (OD) was determined in a Fluostar Omega (BMG Labtech) at

620 nm.

The drug activity against amastigote was measured by a modified ELISA

measuring the viability of L. i. chagasi infecting the murine macrophage RAW 264.7

cell line (ATCC TIB-71). Four x 105 RAW 264.7 cells in RPMI-1640, 10% foetal

bovine serum, were added to each well of a 96-well plate, and incubated with L. i.

chagasi promastigotes at a 1:10 (macrophage/promastigote) ratio at 37ºC, 5% CO2 in an

incubator for 72 h. An adapted methodology from Piazza et al. 1994 was used for the in

vitro assay. Stock solutions of all of the compounds were prepared at a concentration of

0.2% in ethanol. An additional five concentrations were obtained by two-fold serial-

dilution. The compound solutions were added to microplates containing the confluent

layer of cells with amastigotes for 48 h at 37°C in a humidified 5% CO2 incubator.

Macrophages incubated without drugs were used as the control, and amphotericin B

(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) was used as the positive control drug at the same

concentration as the other compounds. Murine macrophage RAW 264.7 cells were

incubated with 0.01% saponin in PBSA, containing 1% bovine serum albumin, for 30

minutes. The wells were then blocked for 30 minutes with 5% nonfat milk (Nestlé) in

PBS. In the next step, the cells were incubated in serum from a rabbit immunized with a

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saline extract of L. i. chagasi promastigotes, collected 30 days after the infection, at

37°C for 1 h. The serum employed was diluted 1:500 and pre-absorbed with 10% foetal

calf serum (FCS) at 22°C for 1 h. The wells were washed three times with 0.05%

Tween-20 in PBSA, and peroxidase-conjugated goat anti-rabbit IgG (Sigma Chemical

Co.) diluted 1:5000 in 5% nonfat milk was added and incubated at 37°C for l h. After

the wells were washed, o-phenylenediamine (0.4 mg/mL) and 0.05% H202 were added.

The reaction was stopped by the addition of 1 M HC1. The plates were read at 492 nm

in a Multiskan MS (UniScience) ELISA reader.

Cytotoxicity assay

A methodology adapted from Tempone (2005) was used. Murine macrophages-

RAW 264.7 cells were seeded at 4x104/well in 96-well microplates and incubated at 37

°C for 48 h in the presence of the compounds, dissolved previously in ethanol at a

concentration of 0.2% and diluted with M199 medium to the highest concentration of

120 µg/mL. The microplates were incubated for 48 h at 37 °C in a 5% CO2 humidified

incubator. Control cells were incubated in the presence of DMSO, without the

drugs,Glucantime and Pentamidine (standard drugs). The viability of the macrophages

was determined with the MTT assay, as described above, and was confirmed by

comparing the morphology of the control group via light microscopy.

Animals and infection

This study involved 30 male BALB/c mice, 21-day-old, kept according to

institutional guidelines, which were inoculated intraperitoneally with 107

infective

promastigotes of L. i. chagasi. Promastigotes were cultured in M199 medium,

supplemented with 10% foetal bovine serum and 5% human male urine at 24 °C.

Metacyclic promatigotes were obtained from cultured stationary phase promastigotes,

stationary cultures were centrifuged, the supernatant was discarded and the pellet was

resuspended in M199 medium then used immediately for the animal infection. Thirty

five days post infection one animal from the group was euthanised and the liver and

spleen were imprinted to confirm infection and verify the parasite burden, and then the

treatment was started.

The animals were treated for 30 days and divided into four groups (n=5), and

treated intra peritoneally with acetyl-thymol, benzoyl-thymol, acetil-eugenol and

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benzoyl-eugenol all with the dose of 100 mg/Kg, the control groups were given

glucantime with the dose of 80mg/Kg intra muscular, and infected not treated.

All procedures involving animals in this study were reviewed and approved by

the Ceará State University Ethics Committee (CEUA-UECE).

Qualitative Immunohistochemistry

The presence or absence of Leishmania after treatment (qualitative histological

events) was determined by the presence of amastigote forms, Leishmania antigens

detected by immunohistochemistry.

Silanized slides containing sections of fragments from BALB/c liver and spleen

obtained after the treatment of leishmaniasis were submitted to immunohistochemistry

for the detection of amastigotes forms. The tissues were deparaffinised in histological

sections (4 mm) with xylene, rehydration in a decreasing ethanol series.

Immunohistochemistry was performed with anti-Leishmania antibodies produced in

rabbits reacted with peroxidase-conjugated goat anti-rabbit IgG (Sigma Chemical Co.).

All reactions were developed in the same way using a diaminobenzidine chromogen

solution (Sigma Chemical Co., MO, USA-D5637) which precipitates a brown product

and counterstaining was performed with Harris hematoxylin. Next, the slides were

dehydrated in a growing ethanol series and mounted with Permount resin (Fisher

Chemicals, NJ, USA).

Histopathology analysis

Fragments of spleen and liver were removed and fixed in neutral buffered formalin

for subsequent paraffin embedding. Sections (5 mm thick) were stained with

HematoxylineEosin (HE).

Statistical analysis

The number of living promastigotes was determined indirectly by the optical

density (OD – 620 nm) representing the percentage of survival. The EC50 values (±SD)

were calculated using a nonlinear regression curve using the statistical software

GhaphPad Prism 4.0. The data were tested for compliance with the requirements for

carrying out the analysis of variance and normal distribution and homogeneity of

variances among treatments. The ANOVA was then performed using the GLM

procedure of SAS (2002) and Tukey's test was used to compare means. For the toxicity

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106

assay using A. salina, the EC50 and its confidence intervals were calculated by Probit

analysis using the software StatPlus 2009 Professional 5.8.4.

Results and discussion

In the search for new compounds with lesser toxicity and greater activity, the

structure of thymol and eugenol were chemically modified by an acetylation and

benzoylation process, in this study. At the end of the process four derivates were

obtained, acetyl-thymol, benzoyl-thymol, acetyl-eugenol and benzoyl-eugenol (Fig. 1).

The spectroscopic data is shown in Table 1.

Table 1. 1H and

13C NMR Spectroscopic data of O-acetyl-thymol (AT), O-benzoyl-

thymol (BT), O-acetyl-eugenol (AE) and O-benzoyl-eugenol (BE) (CDCl3, 400Mhz).

AT BT AE BE

Carbon C H C H C H C H

1 148.8 - 135.5 - 137.98 - 129.44 -

2 116.5 - 138.6 - 150.83 - 151.03 -

3 126.0 7.25 126.3 7.28 112.70 6.9 112.78 7.1

4 126.0 7.02 126.0 7.12 138.95 - 138.93 -

5 134.9 - 134.9 - 120.62 6.7 120.62 6.8

6 122.1 6.85 122.1 7.0 122.47 6.9 122.55 7.1

7 34.4 3.02 34.4 - 40.03 3.4 40.00 3.4

8 24.1 1.29 24.1 - 136.99 5.9 137.00 6.0

9 24.1 1.29 24.1 - 116.09 5.1 116.02 5.2

10 21.3 2.34 21.3 - 55.76 3.8 55.74 3.8

11 170.3 - 166.8 - 169.13 - 164.75 -

12 20.0 - 148.5 - 20.60 2.3

138.14 -

13 - - 129.7 8.29 - - 130.16 8.2

14 - - 128.4 7.59 - - 128.38 7.5

15 - - 133.3 7.68 - - 133.28 7.6

16 - - 128.4 7.59 - - 128.38 7.5

17 - - 129.7 8.29 - - 130.16 8.2

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107

Thymol is a p-cymene compound with many pharmaceutical properties

including antimicrobial8, anti-inflammatory and healing

10, fungicidal

12, and

antioxidant14

. It has been found that p-cymene derivatives have leishmanicidal activity

with low toxicity and greater inhibiton than thymol19,27

.

O-Methyl-thymol O-Benzoyl-thymol

O-Methyl-eugenol O-Benzoyl-eugenol

Fig 1. Representation of chemical structures of thymol and eugenol derivatives

In the promastigote assay the thymol derivatives demonstrated the greater

activity rates, benzoyl-thymol was the higher inhibitor with an EC50 of 8.67 µg/mL (SD

± 0.28), and acetyl-eugenol the lower with an EC50 of 23.21 µg/mL (SD ± 3.46). All

compounds, when compared to the control Pentamidine, were statistically different.

When compared to the pure substances, acetyl-thymol demonstrated a greater

leishmanicidal activity against promastigotes than thymol, and eugenol presented an

activity lower than both derivatives (Table 2).

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Table 2. Leishmanicidal activity of thymol and eugenol derivatives and toxicity against

L. i. chagasi and RAW 264.7 cells.

Compounds Promastigote

LC50

(µg/mL)

Amastigote

LC50

(µg/mL)

Toxicity % RAW 264.7

cells survival at 100

µg/mL (±SD)

Acetyl Eugenol 23.21 ± 3.46*Ab 18.53 ± 4.79 Aab > 100

Acetyl Thymol 9.07 ± 0.06*Ae 10.95 ± 3.00*Ab > 100

Benzoyl Eugenol 10.58 ± 0.18*Ad 14.93 ± 4.50 Aab 97.7 ± 5.6

Benzoyl Thymol 8.67 ± 0.28*Af 15.09 ± 3.65 Bab 63.6 ± 5.3

Eugenol 56.13 ± 2.09*Aa 20.81 ± 1.59 Ba 29 ± 1.3

Thymol 12.85 ± 1.61*Ac 23.93 ± 6.29Ba 36.5 ± 0.5

Amphotericin B Nd 20.44 ± 0.98 98.5 ± 7.5

Pentamidine 5.30 ± 0.81 Nd 85.6 ± 6.9

*Represents significative difference in relation to the control. Different capital letters

represent differences between columns (action of each drug on different forms).

Lowercase letters represent significant differences between different lines (action of

different drugs within each form).

Nd, not determined

The thymol derivatives, acetyl-thymol and benzoyl-thymol presented an EC50 =

9.07 µg/mL (SD± 0.06) and EC50 = 8.67 µg/mL (SD± 0.28) against promastigote form,

respectively. Acetyl-thymol demonstrated greater activity in amastigote form (EC50 =

10.95 µg/mL, SD ± 3.0) followed by benzoyl-thymol (EC50 = 14.93 µg/mL, SD± 4.5)

(Table 2). Medeiros et al. (2011) presented the leishmanicidal activity of thymol-rich

essential oil from Lippia sidoides and pure thymol against promastigote of L.

amazonensis, demonstrating an EC50 of 44.3 and 19.4 µg/mL, respectively; these

inhibitions were lower than the ones presented by the benzoyl-thymol and acetyl-thymol

in this study. Another study demonstrated an inhibition from thymol and derivates

against promastigotes of L. panamensis where five of the eight derivatives obtained

were significantly more active than the thymol19

. The difference between the activity of

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109

essential oil and the pure substance can be explained by the fact that the essential oil has

other elements and the concentration of the constituents is not equivalent to the pure

substance, and the greater results of the thymol derivatives is an indication that the

acetylation and benzoylation process can improve the growth inhibition and lower the

toxicity.

Eugenol is a phenylpropanoid with antifungal13

, anthelmintic16

, insecticide28

,

and leishmanicidalactivity22

. This compound is the main constituent of essential oil of

Ocimum gratissimum and Eugenia caryophyllus29,30

. Many phenylpropanoids have

leishmanicidal activity31,32

but a lack of studies on derivatives of eugenol have been

found, so, as well as the thymol derivatives, we believe that the eugenol derivatives

could also provide greater leishmanicidal activity with lower toxicity.

Comparing the two eugenol derivatives, benzoyl-eugenol had the greater

leshmanicidal activity against promastigotes (EC50 = 10.58 µg/mL, SD± 0.18), followed

by acetyl-eugenol (EC50 =23.21 µg/mL, SD± 3.46), and in the amastigote form all

compounds presented similar inhibition. Ueda-Nakamura et al. (2006) tested the

eugenol-rich essential oil of Ocimum gratissimum and its main constituent against L.

amazonensis amastigote and promastigote and observed that the pure eugenol had a

greater inhibition than the essential oil; Pessoa et al. (2002) measured the percentage of

the constituents in O. gratissimum essential oil and found that only 43.7 % is eugenol.

Comparing the activity of O. gratissimum essential oil and pure eugenol, the eugenol

derivatives tested in this study revealed a greater activity than the eugenol-rich essential

oil and the pure compound. Arango et al. (2012) evaluated the leishmanicidal activity

of six quinolone-eugenol hybrids and pure eugenol and demonstrated that the hybrids

had a greater inhibition than eugenol, indicating that the compounds derivatives can

potentiate the inhibition activity. Other studies demonstrate that the parasitic activity of

pure eugenol is superior to eugenol-rich essential oil. Santoro et al. (2007) demonstrated

that the tryponocidal activity of O. basilicum essential oil was lower than its main

constituent, eugenol; another study measured the anti-giardia activity of Syzygium

aromaticum and its major compound eugenol, and observed that the eugenol itself had a

greater growth inhibition of Giardia lamblia34

, and these activities might improve with

the use of compound derivates.

The amastigote is the parasitic form responsible for the disease and it should be

the chemotherapeutic target in studies of new antileishmanial agents19

. All the

compounds presented statistic similarity to the control Amphotericin B except acetyl-

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110

thymol which had a greater activity than the control. In this study only the acetyl-

eugenol had significant difference between the activity of promastigote and amastigote

forms, the inhibition on promastigote being greater than amastigote. The other

compounds demonstrated statistic similarity between both promastigote and amastigote

activity, indicating that these compounds can act both intra and extra cellular (Table 2).

The toxicity using RAW 264.7 cells at 100 µg/mL revealed that at this

concentration acetyl-thymol was not toxic and benzoyl-thymol had a 63.6 % survival

rate, demonstrating a low toxicity. A lack of toxicity was found in both eugenol

derivatives in this study. Comparing to the pure substances, all derivatives had lower

toxicity (Table 2). This can demonstrate that the acetylation and benzoylation process

might decrease the toxicity of compounds that goes through the process.

Thymol and eugenol and its phenolic derivatives have potent antimicrobial and

antioxidant properties12

, the leishmanicidal mechanism of these compounds could be

explained by the ability of interaction with ergosterol of the Leishmania membrane,

allowing the increase of cell permeability and loss of small cations such as K+. Eugenol

also induces apoptosis, inhibiting both stages of Leishmania parasites7.

A few published studies have demonstrated the anti-parasitic activity of essential

oils rich in thymol and eugenol and the pure substances as well as their toxicity in

mammalian cells, but no studies were found in the literature which used their

derivatives such as acetyl-thymol, benzoyl-thymol, acetyl-eugenol and benzoyl-eugenol.

Most reports measure in vitro leishmanicidal activity and toxicity of essential

oils and their major compounds, lacking a follow up in vivo study. The reports that have

a follow up report evaluate the skin damage caused by Leishmania species which leads

to cutaneous disease. In this study we evaluated the activity of thymol and eugenol

derivatives in vivo in BALB/c mice infected with L. i. chagasi the main cause of

visceral leishmaniasis. We also estimate damage in the spleen and liver caused by the

treatment, since the in vitro response can differ significantly from the in vivo response.

At first all animals were infected with 107 promastigotes intra peritoneal, and the

treatment started 30 days post-infection. Thymol and eugenol derivatives were tested in

BALB/c mice, using a 100 mg/Kg dose, once a day, for 30 days. To reach this dose an

acute toxicity was previously conducted (data not shown). After the treatment all

animals were euthanasied and spleen and liver tissue samples were collected and used

for histopathology and immunohistochemistry analyses.

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111

The histopathological findings of the liver and spleen samples stained with HE

showed no significant alterations in the spleen, and all the livers presented moderate

hydropic degeneration. The immunohistochemistry indicated the presence or absence of

Leishmania amastigote forms stained in brown. The spleen of the group treated with

acetyl-thymol was the only one which was positive besides the control groups treated

with Glucantime and not treated; the groups treated with acetyl-eugenol, benzoyl-

eugenol and benzoyl-thymol did not show the presence of Leishmania amastigotes in

the spleen. No parasite was stained in all livers (Fig 2).

The thymol and eugenol benzoylation and acetylation processes modify the

chemical structure of these compounds, which may decrease the toxicity and increase its

leishmanicidal action. In this study the leishmanicidal action of thymol and eugenol

derivatives was tested in vivo and in vitro, and their ability to reduce the parasite in the

liver and spleen was shown. Quantitative assays should be made in order to indicate

their real action in the liver and spleen as well as other organs.

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112

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Fig. 2 Immunohistochemistry from spleen samples of mouse BALB/c infected with L. i.

chagasi during 30 days and treated for 20 days, (a) Infected not trated, (b) Glucantime,

(c) acetyl-eugenol, (d) Benzoyl-eugenol, (e) Acetyl-thymol, (f) Benzoyl-thymol. Arrows

pointing to Leishmania amastigotes stained in brown.

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113

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116

10 CAPÍTULO 5

Atividade leishmanicida In vivo da Corossolona e Annonacinona, acetogeninas

isoladas da Annona muricata.

(In vivo leishmanicidal activity of Corossolone and Annonacinone, acetogenins isolated

from Annona muricata.)

Periódico: Enviado para Revista da Sociedade Brasileira de Medicina Tropical

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RESUMO

Vários aspectos limitam a busca por produtos naturais e a falta de continuidade nas

pesquisas é um deles. A maioria dos pesquisadores não validam in vivo a atividade in

vitro. Assim o objetivo deste trabalho é validar in vivo o efeito leishmanicida já estudado

in vitro de produtos naturais. O extrato metanol-água (80:20) das folhas de A. muricata

fori extraídas utilizando ácido fosfórico a 10% e de solventes orgânicos, para obter os

extratos ricos em alcalóide e acetogenina. Estes extratos foram cromatografados em

coluna de sílica gel e eluídos com uma mistura de vários solventes em ordem crescente de

polaridade. Os compostos foram identificados por análise espectroscópica. Este estudo

envolveu 20 camundongos BALB/c machos, de 21 dias de idade, mantidos de acordo com

as diretrizes institucionais. Estes foram inoculados intraperitonealmente com 107

promastigotas infectantes de L. i. chagasi e, em seguida divididos em grupos e tratados

com os compostos isolados e com a droga controle Glucantime. Após 30 dias de

tratamento os animais foram eutanaziados e o fígado e baço recolhidas para imuno-

histoquímica e qPCR. A imuno-histoquímica não mostrou a presença de parasitos nos

tecidos hepáticos dos animais de todos os grupos, no entanto detectou-se a presença de

amastigotas no baço. O ensaio de qPCR demonstrou no grupo corossolone uma carga

parasitária semelhante no fígado e no baço, no grupo annonacinone a carga parasitária no

baço foi cinco vezes mais baixo do que o fígado. Os resultados caracterizam a A. muricata

como um provedor de composto que pode ser usado como fitoterápicos.

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118

In vivo leishmanicidal activity of Corossolone and Annonacinone, acetogenins

isolated from Annona muricata.

Nadja Soares Vila-Nova1, Selene Maia de Morais

1,2*, Maria Jose Cajazeiras Falcão

2, ,

Carlos Henrrique Lobo3, Arlindo de Alencar Araripe Moura

3Antônia Débora Sales

4, Ana

Paula Ribeiro Rodrigues4, José Ricardo de Figuereido

4, Heitor Franco de Andrade Jr

5

Communication/Comunicação

1. Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias, Universidade Estadual do

Ceará

2. Departamento de Química, Universidade Estadual do Ceará

3. Laboratório de Biologia da Reprodução, Universidade Federal do Ceará

4. Laboratório de Manipulação de Oócitos e Folículos pré-antrais, Universidade

Estadual do Ceará,

5. Instituto de Protozoologia, Universidade de São Paulo.

*Universidade Estadual do Ceará, Av. Paranjana, 1700 Tel: +55+85 3101-9933.

[email protected]

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119

Abstract:

Introduction: several aspects which limit the search for natural products and lack of

continuity in the researches is one on them. Most researches do not validate in vivo the in

vitro activity. Methods: Methanol-water (80:20) extract of A. muricata seeds were

extracted with 10% phosphoric acid and organic solvents to obtain the alkaloid and

acetogenin-rich extracts. These extracts were chromatographed on a silica gel column and

eluted with a mixture of several solvents in crescent order of polarity. The compounds

were identified by spectroscopic analysis. This study involved 20 21-day-old male

BALB/c mice, kept according to institutional guidelines, were inoculated intraperitoneally

with 107

infective promastigotes of L. i. chagasi and then treated with the isolated

compounds and control drug glucantime. After 30 days of treatment the animals were

euthanized and the liver and spleen were collected to immunohistochemistry and qPCR.

Results: The immunohistochemistry did not show the parasite presence in all livers but

were well marked in the spleen. The qPCR assay demonstrated in the corossolone group a

similar parasite burden in both liver and spleen, in the annonacinone group the parasite

burden in the spleen was five times lower than the liver. Conclusion: The results

characterized the Annona muricata as a compound provider that can be used as

phytotherapic agents.

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Introdução

Plants are an important source of drug discovery, especially in regards to

antiparasitic drugs because of the association between the coexistence of parasites, living

beings, and medicinal plants (Anthony et al., 2005). Natural products offers molecules

with profound impact on human health, nature produces infinite secondary metabolites

with distinct biological properties. Several studies have validated the effect of natural

products as potential sources of new and selective agents for the tropical diseases

treatment caused by protozoa and other parasites (Mishra et al, 2009).

Drug development follows three lines, the first explores the parasite metabolic

pathways to find targets and develop synthetic compounds, the second is the study of other

drugs that are already on the market with leishmanicidal activity hitherto unknown (e.g.

cancer drugs) and the third focuses on the use of medicinal plants as a source of anti-

protozoan molecules (Lindoso et al., 2012). Due to the limited viability of effective

leishmanicidal chemotherapeutic in endemic areas, a large proportion of the population

living in these places depends on medicinal plants that are used in popular treatments, to

treat and relieve the symptoms of leishmaniasis (Chan-Bacab and Pena-Rodriguez, 2001).

These plants have secondary metabolites that can act and destroy invaders, however often

these substances are unknown and may offer alternative treatment for leishmaniasis.

Nevertheless, there is several aspects which limit the search for natural products:

(1) low viability of the compounds, in general substances extracted from plants has low

quantity and a difficult extraction, (2) high structural complexity, various stereoisomers;

(3) lack of continuity in the researches, most studies are not part of the development of

new drug programs, (4) the isolated compounds often show no activity and requires

monitoring to improve these activities (Mishra et al., 2009). In the present study we

decided to validate in vivo the activity already proven in vitro by our group (Vila-Nova et

al., 2011) using acetogenins corossolonae and annonacinone isolated from the leaves of

Annona muricata.

Materials and Methods

2.2 Plants

The leaves of A. muricata were collected in the state of Ceará, Brazil. Aerial parts

of the two plants were deposited in the Prisco Bezerra Herbarium under the reference

number 43951.

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121

2.2 Chromatographic procedures

The active chemical constituents were isolated from plant extracts by silica gel (

0,063 – 0,200 mm; 70-230 mesh) and Sephadex (LH - 20) column chromatography and

solvents for elution were petroleum ether, hexane, chloroform, ethyl acetate, acetone and

methanol from VETEC (Brazil). The solvents were used in mixtures of increasing polarity

starting with hexane and finishing with methanol. The fractions collected in the columns

were compared by thin layer chromatography (TLC), using silica gel (60 G F 254) on

glass plates (3 cm x 8 cm). The TLC plates were analyzed in a iodine chamber, under UV

Light (at 312 and 365 nm), Vilbert Loumart, CN-15 LM model, and by spraying the

reagent 2.5 % vaniline in perchloric acid diluted in ethanol (1:1), followed by heating in an

oven at 100 °C.

2.3. Isolation of compounds and spectroscopic identification

A. muricata seeds (2 kg) were triturated and left in contact with methanol for one

week, then the solvent was filtered, evaporated to dryness and a light yellow solid was

obtained (402 g). This material was chromatographed on a filtering silica gel column with

the solvents hexane, chloroform and methanol in mixtures of increasing polarity, yielding

the 76 fractions. Thin layer chromatography of fractions conducted to two main fractions,

which were purified by successive chromatographic columns, furnishing two main

compounds.

The structures of compounds were determined by spectroscopic analysis of

infrared spectra, recorded on a FT-IR PerkinElmer 1000 spectrophotometer, values

expressed in cm-1

, and nuclear magnetic resonance spectra, recorded on a Bruker Avance

DRX-500 spectrometer in CDCl3.

Animals and infection

This study included 20 male BALB/c mice, with the age of 21 days, maintained

according to institucional guide lines and inoculated intraperitoneal with 107

infective

promastigotes of L. i. chagasi. Promastigotes were cultured in M199 medium,

supplemented with 10% fetal bovine serum and 5% human male urine at 24 °C.

Metacyclic promatigotes were obtained from cultured stationary phase promastigotes,

stationary cultures were centrifuged the sobrenadand was discarded and the pellet was

resuspended in M199 medium then used immediately for the animal infection. Thirty five

days post infection one animal was euthanized and the liver and spleen were inprinted to

confirm infection and verify parasite burden, and then start the treatment.

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122

The animals were treated during 30 days, four groups were treated with

annonacinonde, corossolone all in the dose of 100 mg/Kg, and the control groups were

glucantime in the dose of 80mg/Kg, and infected not treated (n = 5). After the treatment all

animal were euthanized and the liver and spleen collected for qPCR.

All procedures involving animal in this study were reviewed and approved by the

Ceará State University Ethics Committee (CEUA-UECE).

RNA extractions, primer and probes.

For this procedure, total RNA was extracted from a fragment (approximately 100

mg) of spleen and liver samples of BALB/c mice. Total RNA was isolated with Trizol

Plus Purification kit (Invitrogen Life Technologies, São Paulo, Brazil). The RNA

preparations were treated with DNAse I and subjected to the RNeasy Micro kit (Invitrogen

Life Technologies, São Paulo, Brazil). Complementary DNA (cDNA) was synthesized

from RNA (0.15 µg from each sample) using Superscript™ II RNase H-Reverse

Transcriptase (Invitrogen Life Technologies, São Paulo, Brazil). The qPCR reactions were

performed in a final volume of 20 µL containing the following components: 1 µL of each

cDNA, 10 µL of 1x Power SYBR® Green PCR Master Mix, 7.4 µL of ultra-pure water

and 0.4 µM (final concentration) of both sense the and antisense primers. The gene-

specific primers used to amplify the kDNA mRNA were the same as described by

Bezerra-Vasconcelos (2011) namely forward 5’-CTCCGGGTAGGGGCGTTC-3’ and

reverse 5’-GCCCTATTTTACACCAACCCC-3’. The reference gene glyceraldehyde-3-

phosphate-dehydrogenase (GADPH) (forward 5’-TGTTTGTGATGGGCGTGAACCA-3’;

reverse 5’-ATGGCGTGGACAGTGGTCATAA-3’) was selected as an endogenous

control for normalization and to study the expression stability in all samples. Primer

specificity and amplification efficiency were verified for each gene. The cycle profile for

the first PCR step consisted of initial denaturation and polymerase activation for 15 min at

94 ºC, which was followed by 40 cycles of 15 sec at 94 ºC, 30 sec at 60 ºC and 45 sec at

72 ºC. A final extension was performed for 10 min at 72 ºC. The specificity for each

primer set was tested using a melting curve, which was performed between 60 and 95 °C

for all genes. All amplifications were performed using a Bio-Rad iQ5 system. The delta-

delta-CT method was used to transform threshold cycle values into normalized relative

expression levels (Livak and Schmittgen 2010).

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123

Immunohistochemistry

The presence or absence of Leishmania after treatment (qualitative histological

events) was determined by the presence of amastigote forms, Leishmania antigens

detected by immunohistochemistry the alterations were scored as 0, absent; 1, mild; 2,

moderate; and 3, intense.

Silanized slides containing sections of fragments from BALB/c liver and spleen

obtained after the treatment of leishmaniasis were submitted to immunohistochemistry for

the detection amastigotes forms. The tissues were deparaffinizated in histological sections

(4 mm) with xylene, rehydration in a decreasing ethanol series. Immunohistochemistry

was performed with anti-Leishmania antibodies produced in rabbits reacted with

peroxidase-conjugated goat anti-rabbit IgG (Sigma Chemical Co.). All reactions were

developed in the same way using a diaminobenzidine chromogen solution (Sigma

Chemical Co., MO, USA-D5637) which precipitates a brown product and counterstaining

was performed with Harris hematoxylin. Next, the slides were dehydrated in a growing

ethanol series and mounted with Permount resin (Fisher Chemicals, NJ, USA).

Statistics

All gene expression profiles were generated from three independent biological

replicates, which were performed using technical triplicate. The relative gene expression

was estimated using the 2-ΔΔCt

-method (Pfaffl, 2001). Threshold and Ct values were

automatically determined by Bio-Rad iQ5 software, using internal parameters. The Ct was

expressed as means of three measurements ± SEM and then subjected to Shapiro-Wilk

normality test using the UNIVARIATE procedure of SAS 9.0 software package. The

statistical significance of the differences between the control and treatments was assessed

with the Mann–Whitney test (P<0.05).

Results

The qPCR assay demonstrated in the corossolone treatment group a statistically

similar parasite burden in both liver and spleen was found, in the annonacinone group the

parasite burden in the spleen was five times lower when compared to the liver and the

control group treated with glucantime demonstrated a parasite burden statistic lower than

spleen. When compared to the control group the parasite burden was statistically similar

among all livers and corossolone spleen. The kDNA mRNA expression was statistically

similar between annonacinone and glucantime spleen (Fig. 1).

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124

The immunohistochemistry just did not demonstrated the presence of Leishmania

amastigote form stained in brown in the spleen in all groups, and any liver shown the

presence of the parasite stained (Fig. 2).

The immunohistochemistry did not show the parasite presence in all livers but

were well marked in the spleen, this result agrees with Moreira et al. (2007) that the liver

demonstrated a lower sensitivity to the immunohistochemistry than the spleen, and the

PCR assay is more precise than the immunohistochemistry. Amato et al. (2009) also

confirmed the PCR greater sensibility compared to the immunohistochemistry. These

results support our data showing that the absence of Leishmania amastigote stained in the

liver is due to the low sensitivity that the immunohistochemistry assay has in this organ,

and the qPCR is a greater way to determine the parasite burden.

The search for new phytherapics is limited by many aspects, especially by the lack

of continually of researches. In this work we tested in vitro compounds isolated from A.

muricata leaves already with in vitro leishmanicidal activity. The results showed that this

plant can provide compounds that can be used as phytotherapic agents.

Fig 1. Relative kDNA mRNA expression detected by qPCR in the liver and spleen

of BALB/c groups infected with L. i. chagasi and treated with annonacinone, corossolone

and glucantime.

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125

(a)(

(a)

(b)

(c)

(d)

Fig. 2 Parasite burden by anti-Leishmania immunohistochemistry (a) Infected not treated,

(b) Glucantime, (c) annonacinone, and (d) corossolone.

Support

This research is part of the program for development of new phytotherapic against

leishmaniasis in South America supported by PPSUS, CNPq and FUNCAP.

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127

11 CONCLUSÕES

Visando a obtenção de produtos naturais com atividades leishmanicidas foram

realizados procedimentos químicos para isolamento e obtenção de derivados de produtos

naturais abundantes seguidos da avaliação das suas atividades leishmanicida contra as

formas promastigota e amastigota, determinação de toxicidade e testes in vivo. As

principais conclusões deste estudo foram:

O estudo químico das folhas na Annona squamosa forneceu um alcaloide

denominado O-metilameparvina e uma acetogenina bistetrahidrofuranica. Das folhas

da Annona muricata foram isoladas duas acetogeninas, annonacinona e corossolona.

Do caule e cerne do Platymiscium floribundum obteve-se uma cumarina, escoporona, e

das sementes da Dimorphandra gardneriana foi isolado o flavonóides rutina e desta

preparou-se a quercetina.

Para obtenção dos derivados do timol e eugenol foram realizados os processos de

acetilação e benzoilação, obtendo-se: acetil-timol, benzoil-timol, acetil-eugenol e

benzoil-eugenol.

Os compostos isolados e os derivados do timol e eugenol demonstraram relevante

ação leishmanicida contra as formas amastigota e promastigota das espécies de

Leishmania: L. i. chagasi, L. major, L. mexicana e L. donovani.

A toxicidade foi avaliada utilizando-se camundongos Swiss, determinando-se a

concentração de 100 µg/Kg dos compostos para serem utilizados na avaliação da

atividade leishmanicida in vivo.

As acetogeninas corossolona e annonacina e os derivados to timol e eugenol

demonstraram sua atividade leishmanicida in vivo em camundongos BALB/c

infectados com L. i. chagasi.

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12 PERSPECTIVAS

A leishmaniose visceral é um problema de saúde pública que afeta diversas

regiões no país, os cães acometidos pela doença são os principais reservatórios e o

tratamento destes com terapias tradicionalmente utilizadas em humanos não é eficaz e a

recidiva dos sintomas é frequente, além do animal continuar portador e permitir que o

ciclo transmissivo continue.

A ação leishmanicida de alcaloides, acetogeninas, cumarinas, flavonoides,

arilpropanóides e fenilpropanóides abordados neste trabalho abrem possibilidades que

levam ao desenvolvimento de um novo fitoterápico capaz de diminuir a parasitemia do

animal ou até mesmo a cura, o que poderá acarretar na redução da transmissão da

leishmaniose visceral.

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