Απομόνωση και φαρμακολογική αξιολόγηση βιοδραστικών μεταβολιτών από θαλάσσια φανερόγαμα (Cymodocea nodosa), χλωροφύκη (Acetabularia acetabulum ) και μικροφύκη (Odontella aurita, Galdieria sulphuraria, Chaetoceros sp.)

Abstract

Marine pharmacognosy is a relative new science field, which encompasses among others the chemical study of marine organisms, with the intention to detect new and known metabolites having potential biological activity. The present PhD which falls in the previously mentioned scientific area describes the isolation, structure elucidation and pharmacological evaluation of the isolated metabolites from the selected organisms: a) Acetabularia acetabulum (green alga), b) Cymodocea nodosa (marine angiosperm) and c) Odontella aurita, Galdieria sulphuraria, Chaetoceros sp. (microalgae). The extracts of the above organisms, after processing several chromatography techniques, provided 33 different metabolites which are structural elucidated based on their spectroscopic data. The green alga Acetabularia acetabulum (collected from Sounio Cape, Attica) provided eleven metabolites, six of which are new natural products, while all of them are isolated from A. acetabulum for the first time. One of them falls into the chemical category of carotenoids, six into the category of apocarotenoids, two are halogenated sesquiterpenes known from red alga and finally two are steroids. Marine angiosperm Cymodocea nodosa was collected from two different regions. The first collection (gathered from Ag. Cosmas, Attica) afforded thirteen metabolites and the second one (from Porto Germeno, Attica) yielded thirteen metabolites. Otherwise the marine angiosperm C. nodosa provided twenty-one different metabolites. In particular six of them are new natural products, while all of them are firstly described as C. nodosa components. Four of the natural products are diarylheptanoids, a chemical category known only in ground plants. A meroterpenoid and a halogenated diterpene, possessing a fusion only once mentioned, are also new secondary metabolites. Furthermore six known steroids are isolated for the first time from the marine angiosperm C. nodosa. The full spectral data of the 1H-NMR of four of them are presented for the first time, while the chemical field of carbons and protons of one of them is reassigned. In addition three known carotenoids are isolated, while one of them, fucoxanthin showed strong cytotoxicity against three different cell lines. A known in red alga halogenated sesquiterpene, a guaianolide sesquiterpene isolated once from a ground plant, a diterpene processed strong antibacterial activity, a fatty acid with conjugated double bonds isolated only from ground plants, phytol and finally the known metabolite among ground plants, acetic ester of 12-acetoxy-farnesol, completes the number of the isolated compounds from the marine organism C. nodosa. A number of the secondary metabolites isolated from C. nodosa investigated also underwent antibacterial characterisation. This included multidrug resistant (MDR) and methicillin-resistant (MRSA) strains of Staphylococcus aureus as well as a panel of rapidly growing mycobacteria, including Mycobacterium phlei, Mycobacterium smegmatis and M. fortuitum. Antibacterial characterisation yielded activity from both known and new compounds and the activity recorded ranged from weak to strongly active. The bioguided isolation of metabolites from the microalgae Odontella aurita, Galdieria sulphuraria and Chaetoceros sp., resulted in the isolation of three carotenoids. Fucoxanthin showed strong cytotoxicity against the following cell lines: A-549, ΝSCLC-Ν6-Ν16 and SRA 01/04.

Η θαλάσσια φαρμακογνωσία είναι ένας σχετικά νέος διεπιστημονικός κλάδος που περιλαμβάνει μεταξύ άλλων την χημική μελέτη των οργανισμών που ζουν στην θάλασσα, με στόχο τον εντοπισμό νέων μεταβολιτών με αξιοποιήσιμες βιολογικές δράσεις. Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής, κινούμενο στα προαναφερθέντα πλαίσια, περιλαμβάνει την απομόνωση και φαρμακολογική αξιολόγηση δευτερογενών μεταβολιτών από τους επιλεγμένους οργανισμούς: α) Acetabularia acetabulum (χλωροφύκος), β) Cymodocea nodosa (θαλάσσιο αγγειόσπερμο) και γ) Odontella aurita, Galdieria sulphuraria και Chaetoceros sp. (μικροφύκη). Tα εκχυλίσματα των παραπάνω οργανισμών επεξεργάστηκαν με τεχνικές υγρής χρωματογραφίας και απέδωσαν 33 διαφορετικούς δευτερογενείς μεταβολίτες, η δομική ταυτοποίηση των οποίων, πραγματοποιήθηκε με βάση τα φασματοσκοπικά τους δεδομένα. Από το χλωροφύκος Acetabularia acetabulum που συλλέχθηκε στο Σούνιο Αττικής απομονώθηκαν έντεκα μεταβολίτες εκ των οποίων έξι είναι νέα φυσικά προϊόντα, ενώ όλοι αναφέρονται για πρώτη φορά ως συστατικά του οργανισμού. Από τους δευτερογενείς μεταβολίτες που ταυτοποιήθηκαν, ένας άνηκε στην κατηγορία των καροτενοειδών, έξι στην κατηγορία των αποκαροτενοειδών, δύο ήταν βρωμιωμένα σεσκιτερπένια και δύο στεροειδή. To θαλάσσιο αγγειόσπερμο Cymodocea nodosa συλλέχθηκε από δύο περιοχές. Η πρώτη συλλογή από την περιοχή του Αγ. Κοσμά Αττικής απέδωσε δεκατρείς μεταβολίτες, ενώ η δεύτερη συλλογή από το Πόρτο Γερμενό Αττικής απέδωσε δεκατρείς μεταβολίτες. Αφαιρώντας τους κοινούς μεταβολίτες, από τον οργανισμό C. nodosa απομονώθηκαν εικοσιένας διαφορετικοί μεταβολίτες. Συγκεκριμένα έξι από αυτούς είναι νέα φυσικά προϊόντα, ενώ όλοι αναφέρονται για πρώτη φορά ως μεταβολίτες του οργανισμού C. nodosa. Από τα νέα φυσικά προϊόντα τέσσερα ανήκουν στην κατηγορία των διαρυλοεπτανοϊδών, που μέχρι στιγμής έχουν αναφερθεί μόνο από χερσαία φυτά, ένας στην κατηγορία των μεροτερπενίων, και ένας στην κατηγορία των βρωμιωμένων διτερπενίων βριαρενικού τύπου, ο οποίος αποτελεί τον πρώτο βρωμιωμένο εκπρόσωπο της χημικής του κατηγορίας. Αξιόλογη αποδείχτηκε η κυτταροτοξική δράση ενός εκ των τεσσάρων διαρυλοεπτανοϊδών έναντι τριών κυτταρικών σειρών, ενώ πολύ σημαντική ήταν η δράση τριών εκ των τεσσάρων διαρυλοεπτανοϊδών και του μεροτερπενίου, έναντι ανθεκτικών στελεχών του Staphylococcus aureus και των ταχέως πολλαπλασιαζόμενων μυκοβακτηρίων Mycobacteria smegmatis, M. phlei και Μ. fortuitum. Εκ των υπολοίπων μεταβολιτών, έξι ανήκουν στην κατηγορία των στεροειδών και σε τέσσερις από αυτούς αποδίδονται για πρώτη φορά τα πλήρη φασματοσκοπικά τους δεδομένα, ενώ παράλληλα γίνεται διόρθωση κάποιων λαθών της βιβλιογραφίας στην απόδοση των χημικών μετατοπίσεων ανθράκων και πρωτονίων ενός μεταβολίτη. Απομονώθηκαν επίσης τρία καροτενοειδή, ένα εκ των οποίων, η φυκοξανθίνη παρουσίασε ισχυρή κυτταροτοξική δράση έναντι τριών κυτταρικών καρκινικών σειρών. Παράλληλα απομονώθηκαν ένα σεσκιτερπένιο της κατηγορίας γουαϊανολιδίων, που μέχρι τώρα έχει απομονωθεί μόνο από χερσαίο οργανισμό, ένα βρωμιωμένο σεσκιτερπένιο γνωστό στα ροδοφύκη, ένα διτερπένιο με ισχυρή αντιβακτηριακή δράση, ένα λιπαρό οξύ με συζυγιακούς διπλούς δεσμούς απομονωμένο μόνο από χερσαία φυτά, και τέλος ο γνωστός μεταβολίτης φυτόλη και ο οξικός εστέρας της 12-ακετοξυ-φαρνεσόλης, γνωστός μεταβολίτης στα χερσαία φυτά. Η απομόνωση δευτεροταγών μεταβολιτών από τα μικροφύκη Odontella aurita, Galdieria sulphuraria και Chaetoceros sp. ήταν βιοκατευθυνόμενη και οδήγησε στην απομόνωση τριών καροτενοειδών, εκ των οποίων η φυκοξανθίνη έδειξε ισχυρή κυτταροτοξική δράση έναντι των κυτταρικών σειρών A-549 (κυτταρική καρκινική σειρά επιθηλιακών κυττάρων του πνεύμονα τύπου II), NSCLC-N6-L16 (μη μικροκυτταρικός καρκίνος του πνεύμονα) και SRA 01/04 (ανθρώπινα επιθηλιακά κύτταρα του φακού).