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Evaluation of the antioxidant and anti-inflammatory activity in macroalgae asparagopsis armata and asparagopsis taxiformis
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Authors
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Abstract(s)
In recent times, natural compounds have become widely employed in the treatment of human illnesses and health conditions such as cancer, neurological disorders, multiple sclerosis, diabetes, atherosclerosis, arthritis, and cardiovascular diseases all around the world. Plants have been the principal source of numerous pharmaceutical agents throughout history. However, in this modern era, much emphasis has been placed on the amazing biodiversity of life in the marine environment, which has proven to be an extraordinary repository of novel bioactive compounds with diverse structural and chemical properties, as well as a source of inspiration for new drug discovery. In the never-ending quest for novel safe and effective anti-inflammatory and antioxidant compounds beneficial to human health, this research focused on evaluating the ability of two distinct species of the macroalgae Asparagopsis spp (Asparagopsis taxiformis, as a gametophyte and as a sporophyte, and Asparagopsis armata as a gametophyte) to contribute for the treatment of anti-inflammatory diseases by assessing their antioxidant and anti-inflammatory activities.
Ethanol, ethyl acetate and hexane were employed as solvents for the extraction of bioactive compounds from Asparagopsis spp. These solvents cover a wide range of polarity indices with polarity ranging from 0.1 for hexane, 4.4 for ethyl acetate, and 5.2 for ethanol to maximize the spectrum of extracted compounds. In this study, the best extraction yields were obtained with ethanol across all species of Asparagopsis with yields of 12.4% in A. armata, 9.0% in A. taxiformis as a gametophyte and 6.8% in the same as a sporophyte. Hexane yielded the least amount of extracts across all the species with yields of 0.4% in A. armata, 1.1% and 1.0% in A. taxiformis as a gametophyte and sporophyte respectively. Ethyl acetate showed yields of 2.4% in A. armata and 2.5% and 1.8% in A. taxiformis gametophyte and sporophyte respectively.
Antioxidant properties were evaluated using tests such as ABTS, DPPH, iron & copper chelating activity, total phenolic content, and iron reducing activity while anti-inflammatory analysis was conducted specifically analysing for COX-2 inhibition. Results obtained suggests that Asparagopsis spp contain several bioactive compounds that exhibit good antioxidant abilities especially with metal chelating activities. Activity results in the DPPH assays were rather low (below 50% activity) across all species. For the ABTS assay, only the ethanolic extract of A. armata showed activity above 50% with an IC50 value of 0.24 mg/mL. The best results for copper chelating activity were observed in the hexane extracts of A. taxiformis sporophyte with an IC50 of 0.12 mg/mL. This was followed by the hexane extract of A. armata with an IC50 of 0.28 mg/mL. The best iron chelating activity was seen in the hexane extract of A. taxiformis sporophyte once again with an IC50 of 0.09 mg/mL. The ethyl acetate extracts of A. armata and A. taxiformis sporophyte also showed IC50 values of 0.25 and 0.24 mg/mL respectively. The iron reducing antioxidant assay showed good results for ethyl acetate extracts across all species with IC50 values of 0.07 mg/mL recorded of A. taxiformis sporophyte, 0.16 mg/mL for A. armata and 0.34 mg/mL for the gametophyte life stage of A. taxiformis. These extracts were observed to show activities higher than the gallic acid positive control.
The macroalgae also demonstrated tremendous potential for COX-2 inhibition activity at an extract concentration of 1 mg/mL for all species (especially the hexane extracts showing over 50% activity across species) with the highest activity of 98.9 ± 0.4% observed in A. taxiformis gametophyte hexane extracts. Ethanol extract from A. taxiformis gametophyte also showed an activity of 79.1 ± 1.8% to take the second place whereas the hexane extract from A. taxiformis as a sporophyte showed inhibitory activity of 72.3 ± 5.1% taking the third spot. These activities compared to the ibuprofen positive control that was used at a concentration of 5 μg/mL and showed an activity of 55.0 ± 13.2% demonstrates that even as crude extracts Asparagopsis spp have great anti-inflammatory potentials and therefore in their highly refined states, extracts from Asparagopsis spp may be very competitive against other commercially known anti-inflammatory compounds on the market.
Total phenolic content analysis (TPC) conducted on the extracts confirmed the presence of phenolic compounds in all the species of Asparagopsis evaluated. The highest levels of TPC were observed in the ethyl acetate extracts of all the species. Levels in the ethyl acetate extracts ranged from 1.50 ± 0.12 mg-GAE/g for A. armata, 1.19 ± 0.03 mg-GAE/g for A. taxiformis gametophyte to 0.61 ± 0.07 mg-GAE/g for A. taxiformis sporophyte. The relatively higher phenolic content observed in the ethyl acetate extracts suggests that most of the phenolic compounds present in Asparagopsis spp may be phenolic compounds of lower polarity such as tocopherols and tocotrienol which have been demonstrated to be well extracted by ethyl acetate. In general, the levels of total phenolic compounds present in Asparagopsis spp were determined to be relatively low compared to other macroalgae in literature. Despite the relatively low phenolic contents demonstrated in Asparagopsis spp it still showed good antioxidant and anti-inflammatory activities thus the antioxidant activity observed in the crude extracts were not solely dependent on the phenolic compounds but rather to a greater extent other bioactive compound(s) that may be present in the crude extracts of Asparagopsis spp.
Statistical analysis in the form of ANOVA at a 95% Confidence Interval (alpha = 0.05) and Tukey multiple comparison test (P<0.05) were performed on the results obtained for all the antioxidant and anti-inflammatory tests conducted. The analysis revealed significant differences between the Asparagopsis species (A. taxiformis and A. armata) considered in this study and most importantly between the life stages of A. taxiformis as a gametophyte and a sporophyte.
Multivariate data analyses in the form of principal component analysis (PCA) and cluster analysis (CA) were carried out between the antioxidant assay, metal chelating assays, COX-2 anti-inflammatory assay, and total phenolic content assay. Results of the analysis revealed that the solvent type used for extraction had a great influence on the antioxidant performance of the extracts. The analysis also explored the similarities between the tests and identified a good positive correlation between copper chelating activity test and COX-2 anti-inflammatory test. This observation is of great importance because COX-2 inhibition test is noted to be time consuming, complex, and very expensive to carry out. Hence in the event of a study where a large number of samples are to be tested it becomes challenging and puts a great strain on not only human resources, but financial resources and time as well. However, copper chelating activity (CCA) is comparatively simple and economical with time and funds hence could be a great way of pre-screening samples to determine which samples are likely to show good results with COX-2 analysis and hence reduce sample size which will eventually save time and other resources.
Overall, findings presented from this research work suggests that the macroalgae Asparagopsis spp demonstrates high anti-inflammatory and antioxidant potentials for use in the pharmaceutical and nutraceutical industries.
Nos últimos tempos, os compostos naturais tornaram-se amplamente utilizados no tratamento de doenças humanas e condições de saúde como o cancro, perturbações neurológicas, esclerose múltipla, diabetes, aterosclerose, artrite, e doenças cardiovasculares em todo o mundo. As plantas têm sido a principal fonte de numerosos agentes farmacêuticos ao longo da história. Contudo, nesta era moderna, tem sido dada muita ênfase à espantosa biodiversidade da vida no ambiente marinho, que provou ser um extraordinário repositório de novos compostos bioativos com diversas propriedades estruturais e químicas, bem como uma fonte de inspiração para a descoberta de novos medicamentos. Na busca incessante de novos compostos anti-inflamatórios e antioxidantes seguros e eficazes e benéficos para a saúde humana, esta investigação centrou-se na avaliação da presença de compostos bioativos em duas espécies distintas da macroalga Asparagopsis (Asparagopsis taxiformis, como gametófito e esporófito, e Asparagopsis armata, como gametófito), avaliando as suas capacidades antioxidantes e anti-inflamatórias. Etanol, acetato de etilo e hexano foram utilizados como solventes para extração de compostos bioativos de Asparagopsis spp. Estes solventes cobrem uma vasta gama de índices de polaridade com polaridade variando entre 0,1 para o hexano, 4,4 para o acetato de etilo, e 5,2 para o etanol para maximizar o espectro de compostos extraídos. Neste estudo, os melhores rendimentos de extração foram realizados com etanol em todas as espécies de Asparagopsis com rendimentos de 12,4% em A. armata, 9,0% em A. taxiformis como gametófito e 6,8% esporófito. O hexano originou a menor quantidade de extratos em todas as espécies com rendimentos de 0,4% em A. armata, 1,1% e 1,0% em A. taxiformis como gametófito e esporófito, respetivamente. O acetato de etilo apresentou rendimentos de 2,4% em A. armata e 2,5% e 1,8% em A. taxiformis como gametófito e esporófito respetivamente. As propriedades antioxidantes foram avaliadas usando testes tais como ABTS, DPPH, atividade quelante do ferro e cobre, conteúdo fenólico total, e atividade redutora do ferro, enquanto que a análise anti-inflamatória foi conduzida especificamente para a inibição da enzima Ciclooxigenase-2 (COX-2). Os resultados obtidos sugerem que as espécies de Asparagopsis testadas contêm vários compostos bioativos que exibem boas capacidades antioxidantes, especialmente com atividades quelantes de metais. Os resultados da atividade nos ensaios DPPH foram bastante baixos (abaixo de 50%) em todas as espécies. Para o ensaio ABTS, apenas o extrato etílico de acetato de etilo de A. armata mostrou atividade acima de 50% com um valor de IC50 de 0,24 mg/mL. Os melhores resultados para a atividade quelante do cobre foram observados nos extratos hexanos de A. taxiformis (esporófito) com um valor IC50 de 0,12 mg/mL. Seguiu-se o extrato de hexano de A. armata com um IC50 de 0,28 mg/mL. A melhor atividade quelante do ferro foi observada no extrato hexano de A. taxiformis (esporófito) mais uma vez com um IC50 de 0,09 mg/mL. Os extratos de acetato de etilo de A. armata e A. taxiformis (esporófito) também mostraram valores de IC50 de 0,25 e 0,24 mg/mL, respetivamente, no teste de quelação do ferro. O ensaio antioxidante redutor de ferro mostrou bons resultados para extratos de acetato de etilo em todas as espécies com valores de IC50 de 0,07 mg/mL registados de A. taxiformis (esporófito), 0,16 mg/mL para A. armata e 0,34 mg/mL para a fase de vida do gametófito de A. taxiformis. Estes resultados mostram que os extratos brutos demonstram um potencial bastante bom para a redução do ferro. As macroalgas também demonstraram um enorme potencial de inibição da atividade da COX-2 com uma concentração de extrato de 1 mg/mL para todas as espécies (especialmente os extratos de hexano que mostram mais de 50% de atividade). O valor mais alto (98,9 ± 0,4% de inibição) foi observada para os extratos de A. taxiformis (esporófito) hexano. O extrato de etanol de A. taxiformis gametófito mostrou também uma atividade de 79,1 ± 1,8%, enquanto o extrato de hexano de A. taxiformis como esporófito mostrou uma atividade inibitória de 72,3 ± 5,1%. Estas atividades em comparação com o controlo positivo do ibuprofeno que foi utilizado numa concentração de 5 μg/mL e mostrou uma atividade de 55,0 ± 13,2% demonstra que mesmo como extratos brutos, Asparagopsis spp, têm grandes potenciais anti-inflamatórios e, portanto, nos seus estados altamente refinados, os extratos de Asparagopsis spp. podem ser muito competitivos contra outros compostos anti-inflamatórios comercialmente conhecidos no mercado. A análise do conteúdo fenólico total (TPC) realizada nos extratos confirmou a presença de compostos fenólicos em todas as espécies de Asparagopsis avaliadas. Os níveis mais elevados de TPC foram observados nos extratos de acetato de etilo de todas as espécies. Os níveis de TPC nos extratos de acetato de etilo variaram de 1,50 ± 0,12 mg-GAE/g para A. armata, 1,19 ± 0,03 mg-GAE/g para A. taxiformis (gametófito) a 0,61 ± 0,07 mg-GAE/g para A. taxiformis (esporófito). O conteúdo fenólico relativamente mais elevado observado nos extratos de acetato de etilo sugere que a maioria dos compostos fenólicos presentes na Asparagopsis spp. podem ser compostos fenólicos não polares, tais como tocoferóis e tocotrienol, que se demonstrou serem bem extraídos pelo acetato de etilo. Em geral, os níveis de compostos fenólicos totais presentes nas espécies de Asparagopsis foram determinados como sendo relativamente baixos em comparação com outras macroalgas da literatura. Apesar dos teores fenólicos relativamente baixos demonstrados em Asparagopsis spp, ainda apresentava boas atividades antioxidantes e anti-inflamatórias que poderão não depender apenas dos compostos fenólicos mas sim, em maior medida, de outros compostos bioativos que possam estar presentes nos extratos brutos de Asparagopsis spp. A análise estatística sob a forma de ANOVA com um Intervalo de Confiança de 95% (alfa = 0,05) e o teste de comparação múltipla Tukey (P<0,05) foram realizados com base nos resultados obtidos para todos os testes antioxidantes e anti-inflamatórios realizados. A análise revelou diferenças significativas entre as espécies de Asparagopsis (A. taxiformis e A. armata) consideradas neste estudo e, mais importante, entre as fases de vida de A. taxiformis como um gametófito e um esporófito. Foram realizadas análises de dados multivariados na forma de análise de componentes principais (PCA) e análise de agregados (CA) entre o ensaio de antioxidantes, ensaios de quelantes metálicos, ensaio de anti-inflamatórios COX-2, e ensaio de teor fenólico total. Os resultados da análise revelaram que o tipo de solvente utilizado para extração teve uma grande influência no desempenho antioxidante dos extratos. A análise também explorou as semelhanças entre os testes e identificou uma boa correlação positiva entre o teste de atividade quelante do cobre e o teste anti-inflamatório COX-2. Esta observação é de grande importância porque o teste de inibição do COX-2 é demorado, complexo e muito caro. No entanto, a atividade quelante de cobre (CCA) é comparativamente simples e económica, pelo que poderia ser uma ótima forma de pré-seleção de amostras para determinar quais as amostras suscetíveis de mostrar bons resultados na inibição da COX-2 e, consequentemente, reduzir o tamanho da amostra, o que acabará por poupar tempo a outros recursos. Globalmente, os resultados apresentados neste trabalho de investigação sugerem que as macroalgas Asparagopsis spp demonstram elevados potenciais anti-inflamatórios e antioxidantes para utilização nas indústrias farmacêutica e nutracêutica.
Nos últimos tempos, os compostos naturais tornaram-se amplamente utilizados no tratamento de doenças humanas e condições de saúde como o cancro, perturbações neurológicas, esclerose múltipla, diabetes, aterosclerose, artrite, e doenças cardiovasculares em todo o mundo. As plantas têm sido a principal fonte de numerosos agentes farmacêuticos ao longo da história. Contudo, nesta era moderna, tem sido dada muita ênfase à espantosa biodiversidade da vida no ambiente marinho, que provou ser um extraordinário repositório de novos compostos bioativos com diversas propriedades estruturais e químicas, bem como uma fonte de inspiração para a descoberta de novos medicamentos. Na busca incessante de novos compostos anti-inflamatórios e antioxidantes seguros e eficazes e benéficos para a saúde humana, esta investigação centrou-se na avaliação da presença de compostos bioativos em duas espécies distintas da macroalga Asparagopsis (Asparagopsis taxiformis, como gametófito e esporófito, e Asparagopsis armata, como gametófito), avaliando as suas capacidades antioxidantes e anti-inflamatórias. Etanol, acetato de etilo e hexano foram utilizados como solventes para extração de compostos bioativos de Asparagopsis spp. Estes solventes cobrem uma vasta gama de índices de polaridade com polaridade variando entre 0,1 para o hexano, 4,4 para o acetato de etilo, e 5,2 para o etanol para maximizar o espectro de compostos extraídos. Neste estudo, os melhores rendimentos de extração foram realizados com etanol em todas as espécies de Asparagopsis com rendimentos de 12,4% em A. armata, 9,0% em A. taxiformis como gametófito e 6,8% esporófito. O hexano originou a menor quantidade de extratos em todas as espécies com rendimentos de 0,4% em A. armata, 1,1% e 1,0% em A. taxiformis como gametófito e esporófito, respetivamente. O acetato de etilo apresentou rendimentos de 2,4% em A. armata e 2,5% e 1,8% em A. taxiformis como gametófito e esporófito respetivamente. As propriedades antioxidantes foram avaliadas usando testes tais como ABTS, DPPH, atividade quelante do ferro e cobre, conteúdo fenólico total, e atividade redutora do ferro, enquanto que a análise anti-inflamatória foi conduzida especificamente para a inibição da enzima Ciclooxigenase-2 (COX-2). Os resultados obtidos sugerem que as espécies de Asparagopsis testadas contêm vários compostos bioativos que exibem boas capacidades antioxidantes, especialmente com atividades quelantes de metais. Os resultados da atividade nos ensaios DPPH foram bastante baixos (abaixo de 50%) em todas as espécies. Para o ensaio ABTS, apenas o extrato etílico de acetato de etilo de A. armata mostrou atividade acima de 50% com um valor de IC50 de 0,24 mg/mL. Os melhores resultados para a atividade quelante do cobre foram observados nos extratos hexanos de A. taxiformis (esporófito) com um valor IC50 de 0,12 mg/mL. Seguiu-se o extrato de hexano de A. armata com um IC50 de 0,28 mg/mL. A melhor atividade quelante do ferro foi observada no extrato hexano de A. taxiformis (esporófito) mais uma vez com um IC50 de 0,09 mg/mL. Os extratos de acetato de etilo de A. armata e A. taxiformis (esporófito) também mostraram valores de IC50 de 0,25 e 0,24 mg/mL, respetivamente, no teste de quelação do ferro. O ensaio antioxidante redutor de ferro mostrou bons resultados para extratos de acetato de etilo em todas as espécies com valores de IC50 de 0,07 mg/mL registados de A. taxiformis (esporófito), 0,16 mg/mL para A. armata e 0,34 mg/mL para a fase de vida do gametófito de A. taxiformis. Estes resultados mostram que os extratos brutos demonstram um potencial bastante bom para a redução do ferro. As macroalgas também demonstraram um enorme potencial de inibição da atividade da COX-2 com uma concentração de extrato de 1 mg/mL para todas as espécies (especialmente os extratos de hexano que mostram mais de 50% de atividade). O valor mais alto (98,9 ± 0,4% de inibição) foi observada para os extratos de A. taxiformis (esporófito) hexano. O extrato de etanol de A. taxiformis gametófito mostrou também uma atividade de 79,1 ± 1,8%, enquanto o extrato de hexano de A. taxiformis como esporófito mostrou uma atividade inibitória de 72,3 ± 5,1%. Estas atividades em comparação com o controlo positivo do ibuprofeno que foi utilizado numa concentração de 5 μg/mL e mostrou uma atividade de 55,0 ± 13,2% demonstra que mesmo como extratos brutos, Asparagopsis spp, têm grandes potenciais anti-inflamatórios e, portanto, nos seus estados altamente refinados, os extratos de Asparagopsis spp. podem ser muito competitivos contra outros compostos anti-inflamatórios comercialmente conhecidos no mercado. A análise do conteúdo fenólico total (TPC) realizada nos extratos confirmou a presença de compostos fenólicos em todas as espécies de Asparagopsis avaliadas. Os níveis mais elevados de TPC foram observados nos extratos de acetato de etilo de todas as espécies. Os níveis de TPC nos extratos de acetato de etilo variaram de 1,50 ± 0,12 mg-GAE/g para A. armata, 1,19 ± 0,03 mg-GAE/g para A. taxiformis (gametófito) a 0,61 ± 0,07 mg-GAE/g para A. taxiformis (esporófito). O conteúdo fenólico relativamente mais elevado observado nos extratos de acetato de etilo sugere que a maioria dos compostos fenólicos presentes na Asparagopsis spp. podem ser compostos fenólicos não polares, tais como tocoferóis e tocotrienol, que se demonstrou serem bem extraídos pelo acetato de etilo. Em geral, os níveis de compostos fenólicos totais presentes nas espécies de Asparagopsis foram determinados como sendo relativamente baixos em comparação com outras macroalgas da literatura. Apesar dos teores fenólicos relativamente baixos demonstrados em Asparagopsis spp, ainda apresentava boas atividades antioxidantes e anti-inflamatórias que poderão não depender apenas dos compostos fenólicos mas sim, em maior medida, de outros compostos bioativos que possam estar presentes nos extratos brutos de Asparagopsis spp. A análise estatística sob a forma de ANOVA com um Intervalo de Confiança de 95% (alfa = 0,05) e o teste de comparação múltipla Tukey (P<0,05) foram realizados com base nos resultados obtidos para todos os testes antioxidantes e anti-inflamatórios realizados. A análise revelou diferenças significativas entre as espécies de Asparagopsis (A. taxiformis e A. armata) consideradas neste estudo e, mais importante, entre as fases de vida de A. taxiformis como um gametófito e um esporófito. Foram realizadas análises de dados multivariados na forma de análise de componentes principais (PCA) e análise de agregados (CA) entre o ensaio de antioxidantes, ensaios de quelantes metálicos, ensaio de anti-inflamatórios COX-2, e ensaio de teor fenólico total. Os resultados da análise revelaram que o tipo de solvente utilizado para extração teve uma grande influência no desempenho antioxidante dos extratos. A análise também explorou as semelhanças entre os testes e identificou uma boa correlação positiva entre o teste de atividade quelante do cobre e o teste anti-inflamatório COX-2. Esta observação é de grande importância porque o teste de inibição do COX-2 é demorado, complexo e muito caro. No entanto, a atividade quelante de cobre (CCA) é comparativamente simples e económica, pelo que poderia ser uma ótima forma de pré-seleção de amostras para determinar quais as amostras suscetíveis de mostrar bons resultados na inibição da COX-2 e, consequentemente, reduzir o tamanho da amostra, o que acabará por poupar tempo a outros recursos. Globalmente, os resultados apresentados neste trabalho de investigação sugerem que as macroalgas Asparagopsis spp demonstram elevados potenciais anti-inflamatórios e antioxidantes para utilização nas indústrias farmacêutica e nutracêutica.
Description
Master’s in Quality for Analytical Laboratories (EMQAL)
Keywords
Asparagopsis spp Antioxidants Macroalgae Anti-inflammatory Pharmaceutical