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Av. Hidalgo 935, Colonia Centro, C.P. 44100, Guadalajara, Jalisco, México bibliotecadigital@redudg.udg.mx - Tel. 31 34 22 77 ext. 11959 UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA COORDINACIÓN GENERAL ACADÉMICA Coordinación de Bibliotecas Biblioteca Digital La presente tesis es publicada a texto completo en virtud de que el autor ha dado su autorización por escrito para la incorporación del documento a la Biblioteca Digital y al Repositorio Institucional de la Universidad de Guadalajara, esto sin sufrir menoscabo sobre sus derechos como autor de la obra y los usos que posteriormente quiera darle a la misma. UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias Identificación química y perspectiva medicinal de los aceites esenciales de hojas, semillas y flores de Magnolia pugana Tesis que para obtener el grado de Maestro en Ciencias en Biosistemática y Manejo de Recursos Naturales y Agrícolas Presenta Edison Antonio Osorio Muñoz Zapopan, Jalisco Septiembre de 2020 UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA Centro Universitario de Ciencias Biológicas y Agropecuarias Identificación química y perspectiva medicinal de los aceites esenciales de hojas, semillas y flores de Magnolia pugana Tesis que para obtener el grado de Maestro en Ciencias en Biosistemática y Manejo de Recursos Naturales y Agrícolas Presenta Edison Antonio Osorio Muñoz DIRECTOR Dr. Mario Alberto Ruíz López Zapopan, Jalisco Septiembre de 2020 DECLARATORIA DE ORIGINALIDAD A Quien Corresponda: Por este conducto el (la) abajo firmante, autor(a) del Trabajo Recepcional (Tesis) titulada: “Identificación química y perspectiva medicinal de los aceites esenciales de hojas, semillas y flores de Magnolia pugana”, declaro que el contenido del mismo constituye un documento inédito y original por lo que cumple con los términos de originalidad a los que se hace mención en el Artículo 73 del Reglamento General de Posgrado y el Artículo 147 Fracción I del Reglamento General de Titulación de la Universidad de Guadalajara. A T E N T A M E N T E Zapopan, Jalisco, a 07 de septiembre de 2020 _____________________________________ Ing. Edison Antonio Osorio Muñoz Código: 218901587 DEDICATORIA A Dios por brindarme la salud, y fortaleza mental en todo momento durante mi trabajo. A mis Padres María Elena Muñoz Proaño y Edison Osorio Guzmán, mis Abuelitas Emma Judith, Mercedes Leonor y Wilma Josefina por su apoyo, guía, y los buenos valores que me han inculcado desde niño. A Alexandra, gracias por acompañarme todos los días, brindarme tu amor, motivarme, creer en mí y demostrar tu compromiso por estar juntos y afrontar nuevos retos. A mis hermanos, tíos y primos, por sus valiosas palabras de ánimo. A todos mis seres queridos que me acompañan desde el Cielo Enrique†, Mamía†, César†, Segundo†, gracias por todas sus enseñanzas y los hermosos momentos vividos. A “Panchito”, por ser la compañía de mi familia y guardián en casa. AGRADECIMIENTOS Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por haberme seleccionado y otorgado una beca de Estudios y manutención en México dentro del programa de Maestría en Ciencias en Biosistemática y Manejo de Recursos Naturales (BIMARENA) en la Universidad de Guadalajara. A la Organización de Estados Americanos (OEA) y Banco Santander, por haberme seleccionado y otorgado una beca de movilidad y ayuda como extranjero para establecimiento de mis estudios. A la Universidad de Guadalajara por el apoyo económico, bibliográfico, logístico, investigativo y académico dentro de la Maestría BIMARENA. A la Universidad Politécnica Salesiana por permitirme continuar con mi formación profesional y haberme otorgado una licencia sin remuneración durante el tiempo que demoró el programa. Al Dr. Marco F. Cerna C. y al Dr. Hugo Cerda por ponerme en conocimiento y establecer el contacto que me brindó la oportunidad de postular y concursar a través de la Embajada de México en Quito-Ecuador y la Universidad de Guadalajara para una plaza en el programa BIMARENA. Al Departamento de Salud Pública, al Departamento de Botánica y Zoología y al Departamento de Biología Celular y Molecular encabezados por la Dra. Delia González, Dra. Jaqueline Reynoso y la Dra. Anne Santerre respectivamente, por permitirme trabajar la parte experimental en sus diferentes laboratorios. A los Doctores Mario Ruíz, Antonio Vázquez, Ramón Reynoso, Mario Noa, Elisa Cabrera, Lucía Barrientos, Rosario Huizar, Paco Noriega, Rosa Romo, Gregorio Nieves, Martha Escoto y Patricia Zarazúa por sus valiosos aportes y ayuda brindada en mi formación académica y del desarrollo de esta investigación. Al Laboratorio de Ciencias de la Vida de la Universidad Politécnica Salesiana en Ecuador, encabezado por la M.Sc. Carina Hidalgo por todo el apoyo en ensayos de desarrollo experimental de este trabajo. i ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................... iv ÍNDICE DE CUADROS ............................................................................................. vi ÍNDICE DE FÓRMULAS ........................................................................................ viii ÍNDICE DE ANEXOS ................................................................................................ ix UNIDADES Y ABREVIATURAS ............................................................................. x RESUMEN ................................................................................................................ xii ABSTRACT ............................................................................................................. xiii I. INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 1 II. MARCO TEÓRICO .................................................................................... 3 2.1. Medicina tradicional con plantas. .................................................................. 3 2.2. Generalidades de la Familia Magnoliaceae. .................................................. 3 2.3. Género Magnolia spp. .................................................................................... 5 2.3.1. Generalidades de las especies de Magnolia en México. ................................ 5 2.3.2. Magnolia pugana (Iltis & A. Vázquez) A. Vázquez & Carvajal. .................. 6 2.3.2.1. Descripción Taxonómica y Botánica. ............................................................ 7 2.4. Metabolitos secundarios................................................................................. 9 2.5. Aceites esenciales. ......................................................................................... 9 2.5.1. Función y localización en plantas. ............................................................... 10 2.5.2. Métodos de extracción. ................................................................................ 11 2.5.3. Composición química. ................................................................................. 12 2.5.3.1. Fenilpropanoides .......................................................................................... 12 2.5.3.2. Terpenos ....................................................................................................... 13 2.5.4. Quimiotipos en aceites esenciales. ............................................................... 15 2.6. Métodos de análisis cuali-cuantitativos de los componentes de un aceite esencial. ........................................................................................................ 15 2.6.1. Cromatografía de capa fina. .........................................................................16 2.6.2. Cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. ..................... 17 2.7. Aplicaciones de aceites esenciales. .............................................................. 18 2.8. Actividad biológica de un aceite esencial. ................................................... 18 2.8.1. Actividad antioxidante. ................................................................................ 19 2.8.1.1. Ensayo con 2,2‐Difenil‐1‐Picrilhidracilo. .................................................. 20 ii 2.8.1.2. Ensayo con 2,2′‐Azinobis‐3‐Etilbenzotiazolina‐6‐Ácido Sulfónico. ....... 21 2.8.2. Actividad antibacteriana. ............................................................................. 21 2.8.2.1. Concentración Mínima Inhibitoria. .............................................................. 22 2.8.2.2. Tinción con Cloruro de 2,3,5-Trifeniltetrazolio. ......................................... 22 2.8.3. Actividad citotóxica. .................................................................................... 23 2.8.3.1. Tinción con Bromuro de Metiltiazolildifenil-tetrazolio. ............................. 24 2.9. Estudios de composición química y actividad biológica en Magnolia spp. 24 III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................ 26 IV. HIPÓTESIS ................................................................................................ 27 V. OBJETIVOS ............................................................................................... 27 VI. MATERIALES Y MÉTODOS ................................................................. 28 6.1. Diseño experimental. ................................................................................... 28 6.2. Lugar de estudio y recolección del material vegetal. ................................... 28 6.3. Extracción de los aceites esenciales de M. pugana mediante hidrodestilación. ........................................................................................... 29 6.4. Pruebas generales y organolépticas de los aceites esenciales de M. pugana.......................................................................................................... 31 6.5. Caracterización química de los aceites esenciales mediante GC-MS. ......... 32 6.6. Determinación de la actividad antioxidante. ................................................ 34 6.6.1. Autografía de la actividad antioxidante mediante HPTLC. ......................... 39 6.7. Determinación de la actividad antibacteriana. ............................................. 41 6.7.1. Bioautografía de la actividad antibacteriana mediante TLC........................ 45 6.8. Determinación de la actividad citotóxica. .................................................... 46 6.8.1. Establecimiento de Cultivos celulares. ........................................................ 47 6.8.2. Ensayo de actividad citotóxica..................................................................... 49 6.8.3. Análisis estadístico....................................................................................... 52 VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................... 53 7.1. Propiedades de los aceites esenciales de M. pugana. .................................. 53 7.1.1. Cuantificación y caracterización química de los aceites esenciales mediante GC-MS. ........................................................................................................ 54 7.2. Determinación de la actividad antioxidante. ................................................ 66 7.2.1. Autografía de la actividad antioxidante mediante HPTLC-GC/MS. ........... 72 7.3. Determinación de la actividad antibacteriana. ............................................. 74 iii 7.3.1. Bioautografía de la actividad antibacteriana mediante TLC........................ 79 7.4. Determinación de la actividad citotóxica. .................................................... 81 VIII. CONCLUSIONES...................................................................................... 91 IX. LITERATURA CITADA .......................................................................... 93 X. ANEXOS ................................................................................................... 110 iv ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Distribución de la familia Magnoliaceae en el mundo. ............................. 4 Figura 2. Reconocimientos a la Dra. Luz María Villareal de Puga. ......................... 7 Figura 3. Morfología de fruto, hoja y flor de Magnolia pugana. ............................. 8 Figura 4. Metabolitos primarios y secundarios en plantas. ...................................... 9 Figura 5. Localización de los aceites esenciales en plantas. ................................... 10 Figura 6. Proceso de Hidrodestilación empleando una trampa de Clevenger. ....... 12 Figura 7. Síntesis de Fenilpropanoides a partir de Ácido cinámico y Ácido p- cumárico. ................................................................................................. 13 Figura 8. Síntesis de Terpenos a partir de Ácido Mevalónico. ............................... 14 Figura 9. Consideraciones acerca de un quimiotipo. .............................................. 15 Figura 10. Cromatografía de Capa Fina (TLC) de un aceite esencial y resultados con reveladores específicos. ........................................................................... 16 Figura 11. Equipo de cromatografía de gases acoplado a espectrómetro de masas GC-MS. ................................................................................................... 17 Figura 12. Prospección de aplicaciones con aceites esenciales. ............................... 18 Figura 13. Estructura de radical DPPH· y reducción en presencia de antioxidante. 20 Figura 14. Estructura de radical ABTS•+ y reducción en presencia de antioxidante. .. ................................................................................................................. 21 Figura 15. Estructura del TTC y reducción a formazán. .......................................... 23 Figura 16. Estructura del MTT y reducción a formazán. ......................................... 24 Figura 17. Diseño experimental del estudio. ............................................................ 28 Figura 18. Lugar de Estudio y recolección de material vegetal. .............................. 29 Figura 19. Extracción de aceite esencial por el método de hidrodestilación. ........... 30 Figura 20. Determinación de Parámetros físico-químicos de aceites esenciales. ..... 31 Figura 21. Análisis de Aceite esencial por GC-MS. ................................................. 33 Figura 22. Ensayo de Actividad Antioxidante con el radical DPPH·....................... 37 Figura 23. Ensayo de Actividad Antioxidante con el radical ABTS·+. .................... 38 Figura 24. Preparación, elución y revelado de compuestos en aceites esenciales en TLC. ........................................................................................................ 39 Figura 25. Autografía de actividad antioxidante empleando HPTLC/GC-MS. ....... 40 v Figura 26. Activación y establecimiento de cultivos e inóculos para ensayo de microdilución en microplaca. .................................................................. 43 Figura 27. Ensayo de Microdilución y titulación con TTC. ..................................... 44 Figura 28. Bioautografía directa de actividad antibacteriana por TLC-DB. ............ 46 Figura 29. Establecimiento de cultivo inicial de líneas celulares. ............................ 48 Figura 30. Ensayo de actividad citotóxica: Preparación de placas. .......................... 50 Figura 31.Ensayo de actividad citotóxica: Adición de MTT. .................................. 51 Figura 32. Perfiles cromatográficos de los aceites esenciales de M. pugana. .......... 55 Figura 33. Representación gráfica de los valores de CI50 de los aceites esenciales. 68 Figura 34. Ensayo autográfico de actividad antioxidante en HPTLC con los aceites esenciales de M. pugana.......................................................................... 72 Figura 35. Concentraciones Mínimas Inhibitorias (CMI) de los Aceites esenciales de M. pugana................................................................................................ 75 Figura 36. Bioautografía Directa-TLC de los AEs de M. pugana frente a E. coli. .. 79 Figura 37. Bioautografía Directa-TLC de los AEs de M. pugana frente a S. aureus. .. ................................................................................................................. 80 Figura 38. Citotoxicidad de los Aceites esenciales de M. pugana y Ciclofosfamida sobre la línea celular MCF-7 (Adenocarcinoma de mama). ................... 82 Figura 39. Citotoxicidad de los Aceites esenciales de M. pugana sobre la línea celular HT-29 (Adenocarcinoma de colon). ............................................ 83 Figura 40. Representación de la Concentración Inhibitoria (CI50) de los aceites esenciales y control frente a las líneas celulares MCF-7 y HT-29. ......... 85 vi ÍNDICE DE CUADROS Cuadro 1. Clasificación taxonómica de M. pugana. ................................................ 7 Cuadro 2. Principales métodos de extracción de aceites esenciales: ventajas y desventajas. ........................................................................................... 11 Cuadro 3. Clasificación de Terpenos según el número de carbonos. .................... 14 Cuadro 4. Lugares y fechas de colecta de las partes vegetales de M. pugana. ..... 29 Cuadro 5. Programa de Temperatura para Análisis en GC-MS. ........................... 32 Cuadro 6. Preparación de aceites esenciales y concentraciones para ensayo de actividad antioxidante con DPPH. ........................................................ 35 Cuadro 7. Preparación de aceites esenciales y concentraciones para ensayo de actividad antioxidante con ABTS·+. ..................................................... 36 Cuadro 8. Preparación de aceites esenciales y concentraciones para ensayo de actividad antibacteriana. ....................................................................... 42 Cuadro 9. Requerimientos para el cultivo de líneas celulares. .............................. 47 Cuadro 10. Preparación de aceites esenciales y concentraciones para ensayo de actividad citotóxica. .............................................................................. 49 Cuadro 11. Características de los aceites esenciales de M. pugana. ....................... 54 Cuadro 12. Composición química del aceite esencial de hojas de Magnolia pugana analizado por GC/MS. .......................................................................... 57 Cuadro 13. Composición química del aceite esencial de semillas de Magnolia pugana analizado por GC/MS. ............................................................. 59 Cuadro 14. Composición química del aceite esencial de flores de Magnolia pugana analizado por GC/MS. .......................................................................... 62 Cuadro 15. Similaridades de los Aceites esenciales de M. pugana basada en la presencia de compuestos identificados. ................................................ 65 Cuadro 16. Análisis de varianza y comparaciones múltiples entre los compuestos químicos identificados en los aceites esenciales de M. pugana. .......... 66 Cuadro 17. Actividad antioxidante de los aceites esenciales de M. pugana frente a radicales libres DPPH y ABTS. ............................................................ 67 Cuadro 18. Análisis de varianza y comparaciones múltiples entre tratamientos para evaluación de la actividad antioxidante con el radical DPPH. ............. 69 vii Cuadro 19. Análisis de varianza y comparaciones múltiples entre tratamientos para evaluación de la actividad antioxidante con el radical ABTS. ............. 70 Cuadro 20. Fracciones antioxidantes activas de los aceites esenciales de M. pugana aisladas del ensayo autográfico. ............................................................ 73 Cuadro 21. Concentraciones mínimas inhibitorias de los aceites esenciales frente a bacterias patógenas. .............................................................................. 74 Cuadro 22. Análisis de varianza y comparaciones múltiples entre tratamientos para evaluación de la actividad antibacteriana. ............................................ 76 Cuadro 23. Fracciones antibacterianas activas en los aceites esenciales de M. pugana localizados en TLC. ................................................................. 80 Cuadro 24. Actividad citotóxica de los aceites esenciales de M. pugana frente a las líneas celulares MCF-7 y HT-29. ......................................................... 84 Cuadro 25. Análisis de varianza y comparaciones múltiples entre tratamientos en la evaluación de la actividad citotóxica con la línea celular MCF-7. ....... 86 Cuadro 26. Análisis de varianza y comparaciones múltiples entre tratamientos en la evaluación de la actividad citotóxica con la línea celular HT-29. ........ 87 viii ÍNDICE DE FÓRMULAS Fórmula 1. Cálculo de Porcentaje de Rendimiento de Aceites esenciales. ............. 31 Fórmula 2. Cálculo del Índice de Retención Aritmético de los componentes de un aceite esencial empleando una programación de temperatura en GC... 33 Fórmula 3. Cálculo del porcentaje de inhibición de los radicales DPPH o ABTS. 39 Fórmula 4. Cálculo de Rf en TLC. .......................................................................... 40 Fórmula 5. Porcentaje de viabilidad celular. ........................................................... 52 ix ÍNDICE DE ANEXOS ANEXO 1. Distribución por país de especies de Magnoliaceae. ........................ 110 ANEXO 2. Ejemplos de estudios de composición química y actividad biológica en Magnolia spp. .............................................................................. 112 ANEXO 3. Serie de referencia de alcanos para determinación de índices de retención aritméticos. ....................................................................... 115 ANEXO 4. Ficha técnica de Butilhidroxi-Tolueno (BHT). ................................ 116 ANEXO 5. Perfil cromatográfico de muestra de Aceite esencial de Thymus vulgaris. ............................................................................................ 117 ANEXO 6. Fichas técnicas de cepas bacterianas utilizadas. ............................... 118 ANEXO 7. Ficha técnica de Antibiótico Ampicilina. ......................................... 125 ANEXO 8. Fichas técnicas de líneas celulares utilizadas. .................................. 126 ANEXO 9. Perfiles cromatográficos de los Aceites Esenciales de hojas, semillas y flores de M. pugana .......................................................................... 132 ANEXO 10. Compuestos mayoritarios en los aceites esenciales de M. pugana. . 135 ANEXO 11. Mapa de Calor de Presencia de compuestos químicos en los aceites esenciales de M. pugana. .................................................................. 138 ANEXO 12. Mapa de Calor del porcentaje total de componentes químicos de los aceites esenciales de M. pugana. ...................................................... 139 ANEXO 13. Plot de carga en componentesprincipales de los Aceites esenciales de M. pugana. ........................................................................................ 140 ANEXO 14. Porcentaje de inhibición de radical DPPH. ...................................... 141 ANEXO 15. Porcentaje de inhibición de radical ABTS. ...................................... 142 x UNIDADES Y ABREVIATURAS % v/v: Porcentaje volumen/volumen g/mL: Microgramos por mililitro L/mL: Microgramo por mililitro °C: Grados centígrados ABTS: 2,2′‐azinobis‐3‐etilbenzotiazolina‐6‐ácido sulfónico AE: Aceite esencial AEs: Aceites esenciales BHT: Butil hidroxi tolueno CI50: Concentración inhibitoria media (=IC50) CLSI: Clinical and Laboratory Standar Institute (Instituto de Estándares Clínicos y de Laboratorio) CMI: Concentración mínima inhibitoria (=MIC) DAP: Diámetro normal a la altura del pecho DMEM: Dubelco’s Modified Eagle Medium (Medio Eagle Modificado de Dubelco) DMSO: Dimetilsufóxido DPPH: 2,2‐difenil‐1‐picrilhidracilo EO: Essential oil EOs: Essential oils g: Gramos GC-MS: Gas Chromatography coupled to Mass Spectrometry (Cromatografía de Gas acoplada a Espectrometría de Masas) H: Hora HPTLC: High Performance Thin Layer Chromatography (Cromatografía de Capa Fina de Alta Eficiencia) L: Litros LSD: Diferencia mínima significativa m/z Relación masa/carga mg/mL: Miligramos por mililitro MHB: Muller Hinton Broth (Caldo Muller Hinton) MpugF: Aceite esencial de flores de M. pugana xi MpugH: Aceite esencial de hojas de M. pugana MpugS: Aceite esencial de semillas de M. pugana MTT: Bromuro de Metiltiazolildifenil-tetrazolio PVDF: Fluoruro de polivinilideno TLC: Thin Layer Chromatography (Cromatografía de capa fina) TSA: Tripticase soy agar (Agar de tripticasa de soya) TSB: Tripticase soy broth (Caldo de tripticasa de soya) TTC: Cloruro de trifeniltetrazolio Tvul: Aceite esencial de T. vulgaris UFC: Unit Forming Colony (Unidad formadora de colonia) USD: United States Dollar (Dólar de Estados Unidos) xii RESUMEN El objetivo de este estudio fue describir por primera vez los aceites esenciales (AEs) extraídos de hojas, flores y semillas de Magnolia pugana (Magnoliaceae), una especie endémica mexicana, y probar sus propiedades antioxidantes, antibacterianas y citotóxicas in vitro. Los AEs extraídos se caracterizaron por cromatografía de gases- espectrometría de masas (GC-MS). La actividad antioxidante se evaluó mediante ensayos de los radicales libres 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH•) y 2,2'-azino-bis (ácido 3-etilbenzotiazolina-6-sulfónico) (ABTS•). La actividad antibacteriana se determinó mediante la concentración mínima inhibitoria empleando el método de microdilución frente a bacterias patógenas humanas. La actividad antioxidante y antibacteriana fueron complementadas con un patrón de detección autográfico mediante cromatografía de capa fina. Adicionalmente, se evaluó la actividad citotóxica contra las líneas celulares MCF-7 (adenocarcinoma de mama) y HT-29 (adenocarcinoma de colon). Los resultados mostraron la presencia de ciclocolorenona (38-40%) como el componente más notable y en común entre las partes vegetales estudiadas. En los ensayos antioxidantes se obtuvieron los valores CI50 más bajos para DPPH• (21.5 mg/mL: AE semillas) y para ABTS• (9.04 mg/mL: AE flores). La actividad antibacteriana más fuerte se evidenció frente a bacterias Gram-positivas, con los valores más bajos sobre S. epidermidis CMI (355.11 µg/mL: AE semillas) y S. aureus CMI (710.23 µg/mL: AEs semillas y flores). La actividad citotóxica evidenció un comportamiento selectivo y de dosis-respuesta sobre la línea celular MCF-7, con una CI50 (27.25 µg/mL: AE hojas), mientras que contra la línea celular HT-29 la CI50 fue (54.01 µg/mL: AE de semillas). El análisis químico y las investigaciones in vitro permitieron concluir que los AEs de M. pugana tienen una composición rica en sesquiterpenos y que pueden ser una fuente prometedora de agentes antibacterianos y citotóxicos, pero también con potencial antioxidante destacando el extraído de semillas considerando su alto rendimiento. Palabras clave: Aceites esenciales, Magnolia pugana, caracterización química, detección autográfica, actividades biológicas. xiii ABSTRACT This study was aimed to describe for the first time the essential oils (EOs) extracted from the leaves, flowers and seeds of Magnolia pugana (Magnoliaceae), a Mexican endemic specie, and to test its antioxidant, antibacterial and cytotoxic properties in vitro. The extracted EOs were characterized by gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). Antioxidant activity was evaluated by testing the free radicals 2,2-diphenyl-1-picrilhydrazyl (DPPH•) and 2,2'-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6- sulfonic acid) (ABTS•). Antibacterial activity was determined by the minimum inhibitory concentration using the microdillution method against human pathogenic bacteria. Antioxidant and antibacterial activity were complemented with an autographic screening pattern by thin layer chromatography. Additionally, cytotoxic activity against MCF-7 (breast adenocarcinoma) and HT-29 (colon adenocarcinoma) cell lines was evaluated. Results showed the presence of cyclocolorenone (38-40%) as the most notable component and in common among the studied plant parts. The lowest IC50 values obtained in the antioxidant tests were DPPH• (21.5 mg/mL: seeds EO) and ABTS• (9.04 mg/mL: flowers EO). The strongest antibacterial activity was observed against Gram-positive bacteria, with the lowest values on S. epidermidis MIC (355.11 µg/mL: seeds EO) and S. aureus MIC (710.23 µg/mL: seeds and flowers EOs). Cytotoxic activity test evidenced a selective and dose-response behavior on the MCF- 7 cell line, with an IC50 (27.25 µg/mL: leaves EO), while against the HT-29 cell line the IC50 was (54.01 µg/mL: seeds EO). The chemical analysis and in vitro investigations allowed concluding that the EOs of M. pugana have a composition rich in sesquiterpenes therefore they can be a promising source of antibacterial and cytotoxic agents, but also with antioxidant potential, highlighting the one extracted from seeds considering its yield. Keywords: Essential oils, Magnolia pugana, chemical characterization, autographic detection, biological activities. 1 I. INTRODUCCIÓN Magnoliaceae según Vázquez-García et al., (2015) es una familia representativa del bosque mesófilo de montaña; con carácter caducifolio, siempreverde y de gran importancia en la botánica por su rol clave en la formación de los conceptos básicos acerca de las flores primitivas (Pérez, 2015; Rivers et al., 2016). En esta familia, el género Magnolia sobresale por ser el más representativo en número de especies reportadas, a las cuales, sumadas la belleza de sus flores, el uso de sus maderas y la presencia de compuestos potencialmente medicinales, las han convertido en un recurso apreciado por los países de origen (Carranza, 2014; Serna y Guzmán, 2010). Al respecto, Sarker y Maruyama (2002), señalan por ejemplo que especies como M. officinalis, M. obovata y M. biondii desempeñan un papel importante como materia prima de la medicina tradicional China y Japonesa, debido a la versatilidad de propiedades medicinales evidenciadas ahora también con estudios experimentales que incluyen la extracción de sus aceites esenciales. Desde un punto de vista químico los aceites esenciales son metabolitos secundarios de las plantas, constituidos por una mezcla compleja de compuestos fenólicos y terpénicos que forman una matriz lipofílica, volátil y aromática, almacenada en glándulas o células especializadas en raíces, cortezas, hojas, flores, frutas y semillas(Aljaafari et al., 2019; Pergentino de Sousa, 2015; Ribeiro y Simões, 2019). Las clases de compuestos químicos aquí presentes les confieren actividades biológicas generalmente antioxidantes, antimicrobianas, antiinflamatorias, antivirales, antimutagénicas y anticancerígenas (Morsy, 2017; Saidi, 2014). Por esta razón los aceites esenciales según Zheng et al. (2016), son una fuente natural con importante potencial para el uso en las industrias farmacéutica, cosmética y alimentaria. En un contexto particular, el territorio mexicano es uno de los puntos calientes más importantes de biodiversidad y de conocimiento cultural, en el cual según Dahua (2018), se estima que vivan aproximadamente el 11% de las especies del género Magnolia a nivel mundial, corroborando lo señalado por Vázquez-García et al. (2015), acerca de que en México el número de especies reconocidas se ha incrementado de tres a cinco veces en la última década. No obstante, aunque se han realizado varios 2 estudios morfológicos y taxonómicos de las especies encontradas es necesario complementarlos desde una perspectiva fitoquímica que permita incidir en el hallazgo de moléculas bioactivas. Entre este grupo de especies se encuentra Magnolia pugana, una especie endémica ubicada en el Oeste de México y restringida a pequeñas poblaciones presentes mayoritariamente entre la zona centro-norte de Jalisco y Zacatecas, que ha sido diferenciada de M. pacifica como especie desde 2002 basándose en las evidencias morfológicas encontradas (Carranza, 2014; Jacobo-Pereira et al., 2016). Con estos argumentos, se realizó por primera vez la caracterización química y ensayos in vitro de actividad biológica antioxidante, antibacteriana y citotóxica con los aceites esenciales de hojas, semillas y flores de Magnolia pugana obtenidas en una zona delimitada dentro de Jalisco, México. 3 II. MARCO TEÓRICO 2.1. Medicina tradicional con plantas. La medicina tradicional es el conocimiento, habilidades y prácticas basadas en las teorías, creencias y experiencias utilizadas en el mantenimiento de la salud y en la prevención, diagnóstico, mejora y tratamiento de enfermedades físicas y mentales (Benzie y Wachtel-Galor, 2011). Sin embargo, según Moncayo y Noriega (2020), actualmente el conocimiento tradicional sobre el uso de plantas medicinales es objeto de observación por parte de la comunidad científica enfocada a los compuestos activos y su estructura química ya que es una manera en la cual los investigadores validan estos conocimientos mediante un fundamento o técnica exploratoria. El término de planta medicinal hace referencia a plantas que son una fuente rica en compuestos que pueden ser empleados para desarrollar síntesis de drogas (Jamshidi-Kia et al., 2018). En este aspecto la familia Magnoliaceae ha sido utilizada en la medicina tradicional oriental donde sobresalen las especies Magnolia officinalis y Magnolia obovata (Sarker y Maruyama, 2002), y en América existen precedentes de usos vinculados a las comunidades indígenas de Mesoamérica hacia el siglo XVI, como lo asevera Waizel-Bucay (2002), donde el conocimiento tradicional de Magnolia mexicana (Yoloxochitl) están orientadas a curar afecciones del corazón, dolor de estómago o como tranquilizante en el alivio de condiciones psicológicas, para lo cual se emplean cortezas, flores, semillas y hojas de esta especie. 2.2. Generalidades de la Familia Magnoliaceae. La familia Magnoliaceae es uno de los grupos más antiguos de las angiospermas que tuvo su origen durante el Cretácico Tardío hace aproximadamente 100–113 millones de años (Dahua, 2018). Una información interesante es la mostrada por Hebda e Irving (2013) en donde por análisis moleculares sugieren tuvo su origen en América del Norte en el Cretácico Tardío y durante el Eoceno se extendió hacia el Este primero en Europa y luego por Asia, terminando por extinguirse en Europa durante el Cenozoico medio por el enfriamiento global dividiendo las poblaciones en dos grupos la norteamericana y la asiática; posteriormente durante el Cenozoico tardío en ambos continentes se dio una migración hacia el Sur llegando a América Central, América del Sur y el Sudeste de Asia respectivamente, tal como se puede apreciar en la Figura 1, en estos hábitats se han diversificado con las condiciones ambientales. Corroborando lo expuesto por 4 Sarker y Maruyama (2002), quienes mencionan que la mayoría de especies (80%), se distribuyen en el sudeste asiático desde los Himalayas hacia el este hasta Japón y hacia el sureste a través del Archipiélago Malayo, el 20% restante se encuentra en América, desde el sudeste norteamericano a través de América tropical hasta Brasil. Según Rivers et al., (2016) los países con mayor número de especies son China 20.2%, Vietnam 8.7%, Colombia 6.3%, México 5.8% e Indonesia 5.4% como se observa en el Anexo 1. Figura 1. Distribución de la familia Magnoliaceae en el mundo. Fuente: Stevens, 2017. La familia como tal fue nombrada en honor a Pierre Magnol, profesor de botánica y medicina en Montpelier (1638-1715), con especies correspondientes a árboles siempre verdes y caducifolios que crecen en las zonas tropicales y en los que sobresalen las vistosas flores terminales, bisexuales, actinomórficas, con numerosos tépalos, estambres y carpelos, todos ellos dispuestos en forma espiral sobre un eje alargado (Pérez, 2015; Rivers et al., 2016; Sarker y Maruyama, 2002). Esta familia según el sitio “The Plant List: A working list of all plant species” (2013), abarca los géneros Champaca, Dugandiodendron, Liriodendron, Magnolia, Manglietia, Michelia, Sphaerostema, Talauma y Yulania; estimándose a nivel mundial aproximadamente 354 especies de Magnoliaceae. En el neotrópico la riqueza y el endemismo de Magnoliaceae como indica Vázquez et al., (2019) ha resultado mucho mayor de lo esperado; ahora se conocen cerca del doble de las especies neotropicales reportadas en 2007; con ello la proporción de Magnoliaceae entre Asia y el continente Americano se ha incrementado de un 33% a un 49% . Como especies silvestres estas plantas también 5 son apreciadas y usadas para madera y medicinas por comunidades locales, así como en el comercio internacional (Rivers et al., 2016). 2.3. Género Magnolia spp. Se trata del género más diverso de Magnoliaceae con más de 240 especies, este se subdivide en tres subgéneros: Magnolia, Yulania y Gynopodium (Carranza, 2014). Los países que presentan mayor riqueza de especies son China, 100 spp., Vietnam, 60 spp., México, 40 spp., Colombia, 35 spp., Ecuador, 23 spp. y otros países con menor diversidad son Costa Rica, Honduras, Venezuela, Brasil (Dahua, 2018). Según Vázquez-García et al., (2015) las especies de Magnolia del Neotrópico en América son en su mayoría alopátricas, endémicas y extremadamente raras, por lo que ante la elevada tasa de deforestación y el enorme impacto de las explotaciones mineras un alto porcentaje de especies se encuentran en riesgo de extinción. 2.3.1. Generalidades de las especies de Magnolia en México. México, contiene una inmensa diversidad natural y también es hogar de un enorme capital cultural, con aproximadamente 60 diferentes culturas vivas con sabiduría etnobotánica ancestral de las propiedades de plantas (Calbo-Irabien, 2018). Según indica Dahua (2018), en México, las Magnolias representan el 11 % de las especies a nivel mundial y se encuentran distribuidas mayoritariamente en los estados de Oaxaca, Veracruz, Chiapas y Jalisco. La primera descripción publicada de una especie de Magnolia en el Neotrópico y en el continente americano es la de Magnolia dealbata Zucc., bajo el nombre de “Eloxóchitl”, la cual fue descrita e ilustrada por Hernández, (1951) en su obra Rerum Medicarum Novae Hispaniae Thesaurus, durantela Primera Expedición a la “Nueva España” (México). Sin embargo, la importancia de las Magnolias en el neotrópico está documentada antes, por ejemplo, según Vázquez- García et al. (2015) y Waizel-Bucay (2002), Moctezuma, el emperador Azteca, con la finalidad de construir un jardín medicinal y de recreación en Oaxtepec, Morelos, México ordenó a su gobernador Pinotl, traer de la costa oriental al altiplano central el “Yoloxochitl“, Magnolia mexicana DC., del Náhuatl yolo (corazón) y xochitl (flor), siendo este uno de los árboles ornamentales más apreciados por su apariencia y las propiedades aromáticas-mágicas que le atribuían. En la actualidad en México el género abarca 36 especies de las cuales un 94 % son endémicas y con una restringida distribución geográfica (Rodríguez-Ramírez et al., 2020), este número de especies 6 catalogadas ha aumentado con más investigaciones en campo; ejemplos recientes son Magnolia yajlachhi, “la flor del corazón”, catalogada como una nueva especie de árbol nodriza y de relevancia medicinal y ceremonial en la cultura Zapoteca en la Sierra Norte del Estado de Oaxaca (Domínguez-Yescas y Vázquez, 2019); Magnolia rzedowskiana (Vázquez-García et al., 2015), conocida como “flor de mayo”, endémica del bosque de niebla de la porción central de la sierra Madre Oriental de México, sus poblaciones naturales están restringidas a los Estados de Hidalgo, Querétaro, San Luis Potosí y Veracruz (Gutiérrez-Lozano et al., 2020). En el Estado de Jalisco se han reportado seis especies: M. pugana, M. pacifica, M. vallartensis, M. iltisiana, M. jaliscana y M. ofeliae; además Dahua, (2018) menciona que estas especies prosperan favorablemente en el bosque mesófilo de montaña y al considerarse especies endémicas son indicadores de la conservación de este ecosistema. 2.3.2. Magnolia pugana (Iltis & A. Vázquez) A. Vázquez & Carvajal. La disponibilidad de mayor cantidad de frutos maduros procedentes de poblaciones representativas de la costa norte y del centro de Jalisco, aunado a exploraciones adicionales en hábitats potenciales permitió reconocer y confirmar una discontinuidad morfológica, ecológica y geográfica entre Magnolia pacifica subs. pacifica y Magnolia pacifica subs. pugana, por lo que según Vázquez et al. (2002), esta última se propuso como una especie independiente, siendo tan solo los caracteres del número de carpelos por fruto y número de estambres por flor los que permiten separarla con claridad. La especie lleva su nombre en honor a Luz María Villarreal de Puga, eximia profesora y exploradora botánica del Instituto de Botánica de la Universidad de Guadalajara (Figura 2). Esta especie es endémica del occidente de México y está actualmente restringida a pequeñas poblaciones locales donde se distribuye en bosques de galería en las barrancas del sur de Zacatecas y del centro-norte de Jalisco donde es utilizada principalmente para la elaboración de muebles y como combustible (Carranza, 2014; Jacobo-Pereira et al., 2016). Además, tiene un muy pequeño tamaño de población, de cualquier manera, como no se conoce el número de individuos maduros, es clasificada como: en peligro basándose en la extensión de ocurrencia de 2460 Km2, el área de ocupación de 114 Km2 y la ocurrencia en dos localizaciones en Jalisco y Zacatecas (Rivers et al., 2016). Otro datos de importante interés son los resultados mostrados por Dahua (2018), en donde se describió la estacionalidad de las 7 fenofases en las que se muestra la foliación continua sin estacionalidad; la floración discontinua con estacionalidad alta y máxima en el mes de junio y la fructificación pese a que fue continua se observó una estacionalidad alta y máxima en febrero. Figura 2. Reconocimientos a la Dra. Luz María Villareal de Puga. (a. Monumento a la Dra. Luz María Villareal de Puga. b. Ilustración artística de Magnolia pugana en las afueras del Herbario Luz María Villareal de Puga del Instituto de Botánica de la Universidad de Guadalajara (IBUG)). 2.3.2.1. Descripción Taxonómica y Botánica. La clasificación de la especie se detalla a continuación en el Cuadro 1. Cuadro 1. Clasificación taxonómica de M. pugana. Reino Plantae Phylum Tracheophyta Clase Magnolipsida Orden Magnoliales Familia Magnoliaceae Género Magnolia Especie pugana Fuente: GBIF Backbone Taxonomy, 2017. La descripción morfológica de la especie tomada de Vázquez et al., (2002) corresponde a las siguientes características: “Tipo: Árboles hasta de 20 m de altura, hasta de 150 cm de DAP; con las primeras ramas de 2-15 m del suelo; ramillas esencialmente glabras, corteza rugosa 1– 2 cm de grosor, gris oscuro a castaño. Hojas coriáceas, angostamente oblongas o lanceoladas a angostamente elípticas, 12–22 × 2.5–8 cm; agudas a obtusas en el ápice, 8 cuneadas en la base; estipulas lineares de 4.5–7 × 3–6(8)cm de ancho, pálido seríceas en el exterior, con nervaduras reticuladas; pecíolos canaliculados, de 1–1.5(3) cm de largo, glabros o rara vez pubescentes, flores con botones, ovoides a oblongoides; brácteas 2–3, la superior espatácea de 4–6.5 × 1.5–2 cm; la bráctea inferior (pérula) dehiscente, 1.5–2 × 6–9 mm, densamente pálida-velutina. Flores abiertas 9–15 cm en diámetro, blancas; pedúnculos glabros, 3.5 × 3.5–6 mm, consiste de dos entrenudos, 0.5–1.5 mm de largo, el menor de 33 mm de largo; sépalos, 3, obovadas-oblongos, cóncavos, 3–7 × 2–3.5 cm, verdosos en el exterior, blancos o color crema en el interior, glabros en ambas caras; pétalos 6 a 7, anchamente obovados, abruptamente atenuados hacia su delgado pecíolo, los exteriores 5–7 × 2.5–5.5 cm, los interiores 3–5.5 × 1–4 cm, blancos, glabros en ambas caras; estambres 92–104, 8–12 × 1–2 mm, las anteras acuminadas a cuspidadas en el ápice, color crema; gineceo oblongoide-elipsoide, verde, glabro; estilos encorvados, 2–3 mm de largo, verdosos, con papilas estigmáticas inconspicuas. Frutos de tipo polifolículos oblongoides, glabros, con 25–35 folículos, estos, cuando están maduro y abiertos, con lóculos ovales casi redondos, un poco más largos que anchos, algunos tenidos de color rojizo. Semillas primaticas triangulares, subcilindricas o rotundo comprimidas de 9–12 × 7–8 mm, con sarcotesta de color rojo escarlata”. En la Figura 3 se aprecian las estructuras de fruto, hojas y flores de esta especie. Figura 3. Morfología de fruto, hoja y flor de Magnolia pugana. (a. Fruto abierto. b. Hoja madura, c. Flor). 9 2.4. Metabolitos secundarios. Los metabolitos secundarios son productos sintetizados por plantas los cuales ayudan en su crecimiento y desarrollo pero que no son esenciales, como se muestra en la Figura 4. El metabolismo secundario juega un importante rol en el mantenimiento para que todos los sistemas de plantas trabajen adecuadamente y vuelven a las plantas tolerantes contra el estrés abiótico y biótico (Siddiqui y Prasad, 2017). Estos metabolitos como menciona Waksmundzka-Hajnos et al., (2008), tienen una limitada distribución en los reinos animal, vegetal y fúngico y aunque aún no está completamente descifrados los beneficios que estos compuestos le aportan a la planta; en la mayoría de casos lo hacen como agentes anti-alimentarios, inhibidores de crecimiento o germinación de plantas vecinas, adaptación a los efectos de la radiación UV y la inhibición de microorganismos. Los metabolitos secundarios se clasifican en productos nitrogenados, productos fenólicos y terpenos (Sierra et al., 2018). Figura 4. Metabolitos primarios y secundarios en plantas. Fuente: Bagher Hashemi et al., 2017; Rai et al., 2017. 2.5. Aceites esenciales. La designación de aceite esencial como tal se origina desde la era de Aristóteles debido a la idea de los elementos esenciales para la vida: fuego, aire, tierra y agua. En este caso el quinto elemento era considerado ser elalma o espíritu de la vida (Bagher 10 Hashemi et al., 2017). Se los conoce también como esencias, aceites volátiles, aceites etéricos o aeteróleo; y son productos naturales complejos formados por compuestos volátiles aislados por métodos físicos de una planta entera o una parte de la cual se sabe su origen (Can Baser y Buchbauer, 2009; Pergentino de Sousa, 2015). De acuerdo a la Organización Internacional de Estandarización en la Norma 9235 (ISO, 2013) y la Farmacopea Europea en la Norma 2098 (European Council, 2013), ambas en vigencia, coinciden en que un aceite esencial es definido como “el producto oloroso, usualmente de composición compleja, obtenido de materia prima natural y de origen vegetal por medio de destilación con vapor (hidrodestilación o vapor directo) o por un adecuado proceso mecánico del epicarpio en cítricos o por destilación seca”. 2.5.1. Función y localización en plantas. En la naturaleza los aceites esenciales son muy importantes y están involucrados en la defensa contra microorganismos, insectos y herbívoros, atracción de insectos polinizadores y animales dispersantes de frutos, regulación de agua e interacciones alelopáticas (Pergentino de Sousa, 2015). Los aceites esenciales se producen mediante dos tipos de glándulas secretoras: aquellas localizadas en la superficie de la planta (secreción exógena) y aquellas localizadas en los tejidos internos (secreción endógena) y representan menos del 5% de la materia vegetal seca (Asbahani et al., 2015). A continuación, en la Figura 5, se resume la funcionalidad y estructuras de almacenamiento de aceites esenciales. Figura 5. Localización de los aceites esenciales en plantas. Fuente: Pergentino de Sousa, 2015. 11 2.5.2. Métodos de extracción. Los aceites esenciales pueden ser extraídos mediante varios métodos, particularmente destilación, extracción con solvente de baja polaridad, extracción asistida con microondas (Ribeiro y Simões, 2019). A continuación, en el Cuadro 2 se muestra un resumen de los principales métodos sus ventajas y desventajas. Sin embargo, el método más empleado es el de hidrodestilación (Figura 6), en este caso los vapores de agua penetran en la masa vegetal sujeta a destilación, destruyendo el recubrimiento de olefinas y volatilizando el aceite, esta mezcla pasa a un refrigerante que la cambia a líquido y finalmente alcanza el recipiente de separación (Butnariu y Sarac, 2018). Cuadro 2. Principales métodos de extracción de aceites esenciales: ventajas y desventajas. Nombre Inversión Tamaño de muestra Tiempo de extracción Principales desventajas Principales ventajas Hidrodestilación y destilación por arrastre de vapor Bajo > 1000L Alto Limitado por temperatura Gran escala Extracción por solventes Bajo > 1000L Alto Limitado por solubilidad Gran escala Ultrasonido Bajo 600 L Bajo Problemas para separación Alta disrupción celular Microondas Media 150 L Bajo Puntos calientes Disrupción celular Calentamiento Óhmico Media Continua Bajo Establecer parámetros adecuados Alta disrupción celular Extracción por fluidos supercríticos (SFE) Alta 300 L Medio Establecer parámetros adecuados Transferencia de masa mejorada Campos eléctricos de pulso (PEF) Alta Continua Medio Difícil operación Electroporación de las paredes celulares Nota: Inversión (Bajo (500-10 000 $USD), Media (>10 000-25 000 $USD), Alta (>25 000 $USD)); T. Extracción (Bajo (<0.5 horas), Medio (0.5-2 horas), Alto (>2-8 horas)). Fuente: Bagher Hashemi et al., 2017; Gavahian y Farahnaky, 2018; Preedy, 2016; Seidi Damyeh y Niakousari, 2017; Vorobiev y Lebovka, 2017. 12 Figura 6. Proceso de Hidrodestilación empleando una trampa de Clevenger. (a. Material vegetal en proceso de extracción de aceite, b. Aceite esencial recolectado) 2.5.3. Composición química. Como lo menciona Paksoy et al., (2016), la composición química de los aceites esenciales es muy compleja y puede estar formada por cerca de 20 a 60 componentes volátiles individuales; estos usualmente incluyen varios compuestos con una cantidad extensa, algunos compuestos moderados y muchos componentes minoritarios con concentraciones muy bajas. Los aceites esenciales están compuestos principalmente de terpenoides: monoterpenos, sesquiterpenos y diterpenos, además de varios alcoholes, cetonas y aldehídos de terpenoides como también de compuestos aromáticos de la ruta de fenilpropanoides (Adams, 2017). 2.5.3.1. Fenilpropanoides Estos compuestos aromáticos son un importante grupo en la industria de sabor y fragancia a pesar de que constituyen una pequeña parte de los aceites esenciales. Este grupo comprende constituyes derivados del n-propil benceno (El-Shemy, 2017). Desde un punto de vista estructural, Pergentino de Sousa (2015), indica que estos compuestos cumplen con un esqueleto tipo C6 (benceno)-C3 (propilo), su síntesis tiene lugar a través de la ruta del ácido shikímico siendo los precursores principales el ácido cumárico y ácido para-cumárico como se observa en la Figura 7, los cuales son 13 obtenidos de los aminoácidos fenilalanina y tirosina respectivamente. Algunos ejemplos son trans-anetol, metil-chavicol, eugenol, isoeugenol, vainillina, safrol, miristicina y cinamaldehído (El-Shemy, 2017). Figura 7. Síntesis de Fenilpropanoides a partir de Ácido cinámico y Ácido p- cumárico. Fuente: Marco, 2006. 2.5.3.2. Terpenos Los terpenos se sintetizan a partir de dos precursores: isopentenil pirofosfato (IPP) y dimetilalil pirofosfato (DMAPP) para lo cual existen dos rutas biosintéticas en la formación de estos precursores, la ruta del mevalonato (MVA) como se puede apreciar en la Figura 8, presente en eucariotas, arqueas y algunas eubacterias, la cual compromete siete reacciones enzimáticas para convertir acetil-CoA en IPP y DMAPP. La segunda ruta, conocida como la ruta 2C-metil-D-eritritol-4-fosfato (MEP) ocurre en eubacterias, algas, cianobacterias y cloroplastos de plantas y convierte piruvato y gliceraldehido-3-fosfato en IPP y DMAPP mediante ocho reacciones enzimáticas (Abdallah y Quax, 2017). Una vez formados los precursores IPP y DMAPP, entran en acción las terpenosintasas, estas actúan en la formación de farnesil-difosfato (FPP), geranil-difosfato (GPP) y geranilgeranil-difosfato (GGPP), moléculas que son indispensables en la síntesis de las estructuras principales de los terpenos (Bagher Hashemi et al., 2017). 14 Figura 8. Síntesis de Terpenos a partir de Ácido Mevalónico. Fuente: Marco, 2006. Estas estructuras o esqueletos son las unidades de isopreno (C5). Los terpenos son producidos a partir de una combinación de varias unidades de isopreno; estos contienen un esqueleto hidrocarbonado que puede ser rearreglado en estructuras cíclicas por ciclasas, de esta manera forman estructuras monocíclicas y bicíclicas (Ribeiro y Simões, 2019). En conclusión, basados en el número de unidades de isopreno se pueden formar los compuestos expuestos en el Cuadro 3. Cuadro 3. Clasificación de Terpenos según el número de carbonos. # Átomos Carbono # Unidades Isopreno Nomenclatura Esqueleto básico 5 1 Hemiterpenos 10 2 Monoterpenos 15 3 Sesquiterpenos 20 4 Diterpenos 25 5 Sesteterpenos 30 6 Triterpenos 40 8 Tetraterpenos Fuente: Marco, 2006. 15 2.5.4. Quimiotipos en aceites esenciales. La variabilidad de un aceite esencial en un organismo según de Souza et al., (2018), está relacionada a factores bióticos y abióticos que afectan cuali-cuantitativamente la composición del aceite; estos factores incluyen clima, composición de suelo, órganos de la planta, edad, estacionalidad, ciclo circadiano; de esta manera es importante la relación que existe entre la presencia de un quimiotipo y el genotipo o grupo de genotipos que caracterizanun perfil químico, por lo que es de importancia conocer estos factores que contribuyen al conocimiento de posibles aplicaciones en química, medicina, farmacéutica y estudios taxonómicos. En este contexto resumido en la Figura 9, los análisis químicos mediante herramientas analíticas permiten conocer cualitativamente y cuantitativamente componentes aún en cantidades mínimas, así como potenciales marcadores químicos. Figura 9. Consideraciones acerca de un quimiotipo. Fuente: Tisserand y Young, 2014. 2.6. Métodos de análisis cuali-cuantitativos de los componentes de un aceite esencial. Adams (2017), indica que cuando se trata de aceites esenciales, el investigador está enfrentado con el problema de la identificación de numerosos componentes en mezclas muy complejas. Complementando esta idea Pergentino de Sousa (2015), menciona que 16 para un seguimiento de la calidad del aceite son necesarias pruebas sensoriales, ensayos físico químicos y cromatoespectrales; de esta manera la separación mediante cromatografía gaseosa (GC) unida con técnicas espectroscópicas son útiles para una precisa identificación de compuestos; dentro de estas la técnica GC unida a espectrometría de masas (GC-MS) es una de las técnicas más empleadas para la caracterización e identificación de compuestos en una mezcla compleja mediante la comparación de los datos cromatográficos expresados en índices de retención y los espectros de masas de muestras auténticas o librerías de referencia. También se puede emplear un detector de ionización de llama para un análisis cuantitativo. 2.6.1. Cromatografía de capa fina. La cromatografía de capa fina (TLC) es tal vez el método más rápido, sencillo y comúnmente empleado para evaluar la pureza tanto como la complejidad y a menudo la naturaleza de compuestos orgánicos (Shriner, 2013). En una TLC la fase inmóvil es una fina capa de adsorbente extendida sobre una lámina de vidrio, plástico o aluminio. En su obra Shriner (2013), indica que el método más común de reportar resultados en TLC es mediante el cálculo del valor Rf (factor de retención) ya sea en un solvente específico o un tipo de placa cromatográfica especial. En la Figura 10 se puede apreciar una elución en TLC y los resultados posteriores con reveladores químicos o luminosos. Figura 10. Cromatografía de Capa Fina (TLC) de un aceite esencial y resultados con reveladores específicos. (a. Elución de aceite esencial en una placa TLC de vidrio dentro de una cámara saturada con solvente. b. Revelado químico de placa con Ácido sulfúrico/Vainillina. c. Revelado por luz UV a 365 nm. d. Revelado químico con radical DPPH para detección de compuestos antioxidantes). 17 2.6.2. Cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas. Se trata de una metodología instrumental analítica originada de la conjugación de dos técnicas instrumentales (Günzler y Williams, 2002); en primer lugar la cromatografía de gases (GC) es una técnica de separación de compuestos que han sido convertidos en fase gaseosa en base a sus puntos de ebullición o a las diferencias de polaridad (Shriner, 2013); donde un gas acarreador, generalmente helio, transporta los gases a través de una columna calentada que está revestida internamente con una fase estacionaria (Abeer et al., 2017). Por otra parte la espectrometría de masas (MS), como señala Jurado y Muñoz (2009), es una técnica analítica instrumental de alta sensibilidad, que permite determinar el peso molecular y la estructura de un compuesto químico, en donde según Barceló, (2006) el espectrómetro de masas convierte moléculas neutras en partículas cargadas como iones positivos o negativos y los ordena de acuerdo a su respectivo radio masa-carga (m/z), dando como resultado una representación gráfica de las abundancias relativas de las especies iónicas conocida como espectro de masas. El acoplamiento de ambas técnicas analíticas (GC-MS) como se observa en la Figura 11, permite el análisis de mezclas químicas orgánicas; la cromatografía gaseosa separa los componentes de la mezcla y la espectrometría de masas caracteriza cada componente individualmente obteniéndose evaluaciones cualitativas y cuantitativas (Medeiros, 2018). Figura 11. Equipo de cromatografía de gases acoplado a espectrómetro de masas GC-MS. (Tomada en el Laboratorio de Química Instrumental- Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador). 18 2.7. Aplicaciones de aceites esenciales. Al respecto Sarikurkcu et al., (2018), señalan que los fitocompuestos en general poseen una amplia variedad de actividades farmacológicas, por lo que las plantas están en el centro de atención por parte de la comunidad científica internacional con el objetivo de extraer los componentes bioactivos. Entre estos compuestos los aceites esenciales son un recurso natural potencial para la utilización en diferentes industrias, como la farmacéutica, cosmética y alimentaria (Zheng et al., 2016; Joshi, 2012) debido a que les preceden poderosas y singulares propiedades medicinales aún sub-exploradas (Rai et al., 2017); además en estos ámbitos industriales los olores específicos que poseen les brinda un valor económico (Butnariu y Sarac, 2018). A continuación, en la Figura 12 se presentan algunos criterios de aplicaciones mencionados por Tisserand y Young (2014), en campos incluyendo la ingeniería genética. Figura 12. Prospección de aplicaciones con aceites esenciales. Fuente: Tisserand y Young, 2014 2.8. Actividad biológica de un aceite esencial. Los aceites esenciales son una compleja mezcla extraída de plantas las cuales pueden poseer actividad antioxidante y antiinflamatoria de interés en la industria de alimentos y cosméticos así como también en el campo de la salud humana (Saidi, 2014), otras actividades incluyen antimicrobiana, antiviral, antimutagénica y anticancerígena (Morsy, 2017). Según Calvo-Irabien (2018), la actividad biológica de un aceite 19 esencial dependerá de sus propiedades fisicoquímicas; siendo asumida en su mayoría por los componentes mayoritarios, los cuales constituyen generalmente entre 20-95% del aceite. No obstante, Morsy (2017), señala que la totalidad de la actividad no debe atribuirse solo a los compuestos mayoritarios ya que los demás componentes del aceite esencial juegan un interesante papel en la resorción, tasa de reacciones; es decir esta combinación puede modificar la actividad y exhibir un efecto de sinergia o antagonismo. Los métodos de detección de la actividad farmacológica se han vuelto más fiables y específicos, frecuentemente empleando enzimas y células en bioensayos evitando el uso de animales de laboratorio (Akhila, 2010). 2.8.1. Actividad antioxidante. Las especies reactivas de oxígeno están involucradas en problemas de salud como asma, inflamación, artritis, neurodegeneración, enfermedad de Parkinson, mongolismo y talvez demencia (Yeung et al., 2020). Estas también exhiben acciones críticas como transducción de señales, transcripción de genes y regulación de la actividad de guanilil cliclasa en las células (Ferreira et al., 2018). Sin embargo los radicales libres y otras especies relativas causan la oxidación de biomoléculas como proteínas, aminoácidos, lípidos y ADN lo cual conduce al daño celular y muerte (Sharififar et al., 2007). Por ejemplo de acuerdo a Halliwell y Gutteridge (2015), a pesar de que los organismos requieren de oxígeno (O2) para la producción de energía mediante la cadena de transporte de electrones, no quita el hecho de que se trate de un gas tóxico y mutagénico, razón por la cual los aerobios han sobrevivido evolucionado defensas antioxidantes. En este contexto Bajpai et al., (2009) mencionan que a nivel industrial se han empleado muchos antioxidantes sintéticos como el butilhidroxianisol (BHA) o butilhidroxitolueno (BHT), pero estos evidenciaron unpotencial riesgo de toxicidad. Ante esta problemática las plantas pueden ser una importante fuente de compuestos antioxidantes como lo detalla Giardi et al., (2010), los fitoquímicos como polifenoles, flavonoides, isoflavonas y antocianinas han sido el objetivo de muchos estudios recientes, siendo los fitoantioxidantes más empleados los derivados del fenol o hidroxibenceno, debido a su estructura química y la capacidad de deslocalizar electrones en el anillo aromático de esta manera se efectúa la actividad de barrido o captura de electrones, donde el electrón del radical libre se estabiliza por efecto de la resonancia del núcleo previniendo la reacción en cadena del radical. En cuanto a la 20 metodología, citando a Apak et al. (2018), los ensayos antioxidantes in vitro pueden usar mecanismos basados en la transferencia de un átomo de hidrógeno en donde se mide la capacidad de un antioxidante de neutralizar un radical al donar un átomo de hidrógeno o mediante la transferencia de un electrón en singular, en el cual se detecta la capacidad de un antioxidante de transferir un electrón para reducir iones metálicos y radicales. Pero hay métodos que combinan estos mecanismos, estos ensayos mixtos emplean radicales cromóforos estables como el 2,2‐difenil‐1‐picrilhidracilo (DPPH•) y el 2,2′‐azinobis‐3‐etilbenzotiazolina‐6‐ácido sulfónico (ABTS•+). 2.8.1.1. Ensayo con 2,2‐Difenil‐1‐Picrilhidracilo. La molécula de DPPH es caracterizada por ser un radical libre estable en virtud de la deslocalización de su electrón libre a través de la molécula en su conjunto, por lo que esta no se dimeriza, como podría ser el caso con la mayoría de radicales libres. La deslocalización también da lugar al color violeta intenso, caracterizado por una banda de absorción en solución etanólica centrada cerca de 520 nm. Cuando una solución de DPPH es mezclada con una sustancia que puede donar un átomo de hidrógeno, esto da lugar a la forma reducida con la pérdida de su coloración violeta, aunque se esperaría que hubiera un color amarillo pálido residual del grupo picril todavía presente como se observa en la Figura 13 (ChimActiv, 2019). Figura 13. Estructura de radical DPPH· y reducción en presencia de antioxidante. 21 2.8.1.2. Ensayo con 2,2′‐Azinobis‐3‐Etilbenzotiazolina‐6‐Ácido Sulfónico. El ABTS es una sustancia utilizada en varios ensayos enzimáticos como marcador de reacción, pero también es usado en ensayos colorimétricos para estimar el potencial antioxidante de sustancias o mezclas. Según detalla Torres et al., (2017) el ABTS, de una coloración verde clara, reacciona con el persulfato de potasio y forma el radical catiónico ABTS•+ de coloración verde azulada, la absorción del radical catiónico es comparada con la absorción después de la estabilización del ABTS•+ por antioxidantes, indicada por el cambio de coloración al verde claro, esta disminución de la absorbancia es detectada espectrofotométricamente a una longitud de onda de 734 nm, de esta manera mientras menor es la absorbancia después de la reacción es más clara la coloración del reactivo y mayor el potencial antioxidante como se puede observar en la Figura 14. Figura 14. Estructura de radical ABTS•+ y reducción en presencia de antioxidante. 2.8.2. Actividad antibacteriana. Como señala Joshi (2012), las propiedades antimicrobianas de los aceites esenciales han sido reconocidas y científicamente establecidas, en su idea indica que su uso está más relacionado a la medicina tradicional de países en desarrollo para cubrir con las demandas de salud; en este contexto como agentes microbianos han adoptado variedad de propósitos incluyendo preservación de alimentos, medicina complementaria y terapéutica natural. En un ámbito global, Nazzaro et al., (2019), mencionan que la 22 Organización Mundial de la Salud (OMS) resaltó el incremento en la resistencia a los antibióticos convencionales para la mayoría de patógenos, debido a la formación de biofilms que incrementan la patogenicidad. La OMS además reporta que solo un 25% de los medicamentos vendidos son derivados de plantas medicinales (Rai et al., 2017). Por estas razones los aceites esenciales han sido objeto de más investigaciones y pueden jugar un papel importante en la salud humana como productos naturales alternativos y que además, representan una opción como agentes antibióticos inhibiendo el crecimiento de las bacterias y actuando incluso en sus secuencias de resistencia (Zakaria Nabti et al., 2020; Zhang et al., 2020). 2.8.2.1. Concentración Mínima Inhibitoria. La concentración mínima inhibitoria es definida como la concentración más baja de una droga que inhibirá el crecimiento visible de un organismo después de incubación durante la noche (Andrews, 2001). Complementando este concepto Ramirez y Marin (2009), indican que la concentración generalmente es expresada en (µg/mL) y el tiempo de incubación es de 24 horas en el caso de bacterias; además la cuantificación de la actividad in vitro de los antimicrobianos se evalúa habitualmente mediante algunas de las variantes de los métodos de dilución. 2.8.2.2. Tinción con Cloruro de 2,3,5-Trifeniltetrazolio. Según Sabaeifard et al., (2014), las sales de tetrazolio son de gran utilidad sobre todo en biología para medir la actividad metabólica de células, en este caso el TTC es la base sintética para otras sales como difenilbromuro de tetrazolio (MTT), cloruro de 5- ciano-2,3-ditolil tetrazolio (CTC) e hidróxido de 2,3-bis ((2-metoxy-4-nitro-5- sulfofenil)-5-[(fenilamino-carbonil]-2H)- tetrazolio (XTT); Estas sales se usan ampliamente en la cuantificación de células viables de cultivos planctónicos y para la cuantificación de biofilms bacterianos. En presencia de un microorganismo, el TTC es reducido a un formazán rojo el cual es directamente proporcional a las células viables como se puede apreciar en la Figura 15; este método es considerado como un método comparativo rápido para la evaluación de la actividad antibiótica de agentes antimicrobianos (Moussa et al., 2013). De esta manera, como menciona Kim et al., 2010, debido a la reducción del TTC por el microorganismo viable se produce el formazán rojo y la inhibición del crecimiento puede ser medida cuantitativamente a una absorbancia de 540 nm. 23 Figura 15. Estructura del TTC y reducción a formazán. 2.8.3. Actividad citotóxica. El cáncer es una enfermedad compleja, capaz de destruir el cuerpo de forma rápida, debido al excesivo y descontrolado crecimiento celular, lo cual ha hecho que este padecimiento sea considerado una de las enfermedades con mayor tasa de mortalidad a nivel global. La eficacia de las quimioterapias convencionales se ve reducida gracias a efectos colaterales, la comunidad científica busca terapias alternativas para el tratamiento de esta enfermedad, por ende, los aceites esenciales son objeto de investigación constante ya que se consideran agentes anticancerígenos promisorios ya que, sus actividades biológicas permiten potenciar la actividad de algunos fármacos y también actuar directamente a nivel celular (Contini et al., 2020; Pérez-González et al., 2019). La actividad citotóxica de los aceites esenciales se ve dada por la naturaleza lipofílica de su composición química, ya que pueden penetrar fácilmente las membranas citoplasmáticas por dilución libre, así los compuestos químicos se unen a proteínas intracelulares y generan reacciones internas que terminan en muerte celular y por ende en una menor proliferación de las células cancerígenas (Ghasemian et al., 2020). Existen varias metodologías para evaluar la actividad citotóxica de los aceites esenciales, entre ellas se encuentra el ensayo colorimétrico MTT (bromuro de (3-(4, 24 5-dimetiltiazolil-2)-2,5-difeniltetrazolio) mismo que cuantifica la conversión de una sal amarillade tetrazolio en cristales morados de formazán (Mangis et al., 2019). 2.8.3.1. Tinción con Bromuro de Metiltiazolildifenil-tetrazolio. La tinción con MTT (bromuro de (3-(4, 5-dimetiltiazolil-2)-2,5-difeniltetrazolio) equivale a un ensayo colorimétrico relacionado a la actividad metabólica de la célula. El fundamento de esta prueba, como lo señala Bahuguna et al., (2017) involucra a la enzima oxidoreductasa dependiente de NAD(P)H la cual convierte el MTT de color amarillo intenso en un formazán insoluble ((E,Z)-5-(4,5-dimetiltiazol-2-il)-1,3- difenilformazan. Este último producto puede ser disuelto en DMSO y la coloración obtenida es púrpura dependiendo de la actividad celular la cual será directamente proporcional al número celular o viabilidad celular; esta reacción puede ser cuantificada a una absorbancia de 540 nm. Figura 16. Estructura del MTT y reducción a formazán. 2.9. Estudios de composición química y actividad biológica en Magnolia spp. El género Magnolia juega un importante rol en la medicina tradicional china y japonesa debido a la versatilidad de propiedades medicinales varias especies de este género han sido incorporadas y usadas en diferentes preparaciones medicinales exitosas comercialmente (Sarker y Maruyama, 2002). En la actualidad se han realizado 25 numerosos estudios en cuanto a los extractos y aceites esenciales de Magnolia spp. como se pueden apreciar en el Anexo 2, siendo empleadas diferentes partes vegetales como hojas, flores, frutos, semillas y corteza; en esta recopilación se evidencian actividades desde antimicrobianas, antifúngicas, citotóxicas a antioxidantes. Según Sarker (2002), hay un creciente interés en la industria y academia en lo referente a plantas medicinales y aromáticas, ya que su aplicación en campos como la agricultura, química, alimentos, sabores, bebidas, farmacéutica, cosmética y fragancia ofrecen un valor agregado debido a los principios activos obtenidos de la materia prima proveniente de raíces, rizomas, bulbos, hojas, tallos, cortezas, flores, frutos y semillas. Pero el autor menciona una acotación importante, los productos naturales no significan productos seguros y esto debe ser tomado en cuenta por las industrias; lo que implica un adecuado manejo desde la cosecha y la selección del material vegetal en términos morfológicos, metabólicos, químicos y genéticos. 26 III. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA México alberga una inmensa diversidad biológica-cultural en su territorio, por lo tanto, es una nación poseedora de una amplia gama de vegetación originada de la variedad climática, altitudinal y geográfica de sus regiones. En este ámbito se han realizado investigaciones destinadas a divulgar el descubrimiento de nuevas especies, así como también, los usos etnomedicinales con las plantas transitan al estudio científico orientado hacia la caracterización y aplicación de los metabolitos importantes. No obstante, se han publicado limitados estudios con aceites esenciales de muchas de las especies endémicas aquí encontradas. Este es el caso de Magnolia pugana una especie de Magnoliaceae distribuida entre los estados de Jalisco y Zacatecas, planta de la cual, se desconocen tanto los perfiles en la composición química, así como de sus potenciales biológicos. Por esta razón se propuso generar nuevo conocimiento en torno a inquietudes como: ¿Cuáles son los componentes químicos encontrados en estos aceites esenciales? ¿Qué clase de compuestos son? y ¿Poseen propiedades biológicas de interés? 27 IV. HIPÓTESIS • Los aceites esenciales de hojas, semillas y flores de Magnolia pugana tienen composición química y actividades antioxidante, antibacteriana y citotóxicas diferenciadas. V. OBJETIVOS 5.1.1. Objetivo general • Extraer y evaluar la composición química y activad biológica de los aceites esenciales de hojas, semillas y flores de Magnolia pugana. 5.1.2. Objetivos específicos • Extraer los aceites esenciales de M. pugana por medio de hidrodestilación. • Determinar la composición química de los aceites esenciales de flores, hojas y semillas, mediante GC/MS. • Determinar las propiedades biológicas antioxidante, antibacteriana y citotóxica empleando ensayos in vitro. 28 VI. MATERIALES Y MÉTODOS 6.1. Diseño experimental. El alcance del estudio, según Hernández-Sampieri (2018), inicialmente fue exploratorio, llegando a tener carácter correlacional entre la composición química y las partes vegetales estudiadas, así como también con las actividades biológicas antioxidante, antibacteriana y citotóxica. El esquema general de la etapa experimental se presenta en la Figura 17. Figura 17. Diseño experimental del estudio. 6.2. Lugar de estudio y recolección del material vegetal. El área delimitada de estudio se presenta en la Figura 18. Se trataron de dos zonas rurales de acceso privado (Cuadro 4), ubicadas a 10.8 Km y 8.62 Km al Oeste de Tesistán, municipio de Zapopan, estado de Jalisco. Las muestras del material vegetal de Magnolia pugana fueron aleatorias y compuestas de 12 individuos hasta alcanzar un peso aproximado de 1 Kg de las partes vegetales (hojas, flores y semillas). Para la colecta se empleó una garrocha para facilitar la toma de muestras de difícil acceso en las zonas aéreas de los árboles. El material vegetal fue almacenado en contenedores plásticos que lo protejan de la luz y calor hasta su traslado al laboratorio. En el 29 Laboratorio de Biotecnología del Departamento de Botánica y Zoología, las muestras fueron limpiadas y almacenadas en congelación a -20°C hasta su destilación. Figura 18. Lugar de Estudio y recolección de material vegetal. Fuente: Google Earth, 2020. Cuadro 4. Lugares y fechas de colecta de las partes vegetales de M. pugana. Parte Vegetal de M. pugana Fecha de Colecta Localidad Hojas Noviembre 2018 20°49'11.71"N 103°34'42.37"O Semillas Febrero 2019 Flores Mayo-Junio 2019 20°44’49,77”N 103°30’44,53”O Nota: Las localidades de muestreo correspondieron a sitios privados ubicados al Oeste de Tesistán, Zapopan. 6.3. Extracción de los aceites esenciales de M. pugana mediante hidrodestilación. Los aceites esenciales de M. pugana fueron extraídos mediante hidrodestilación basándose en el método empleado por Guerra-Boone et al., (2013), utilizando una trampa de vidrio tipo Clevenger. El procedimiento se lo llevó acabo en el Laboratorio 30 de Extraíbles del Departamento de Celulosa y Papel. El equipo de destilación constó de un balón de destilación de 1 L (hojas y flores) y 500 mL (semillas), un refrigerante conectado a un recirculador de agua fría, una trampa de Clevenger continua con recolector de 10 mL y como fuente de calor una manta de calefacción convencional. El material vegetal fresco fue lavado y se pesaron aproximadamente 150 g en una balanza semi-analítica Ohaus Scout Pro, el material fue a continuación colocado en el balón de destilación junto con pequeños núcleos de ebullición para mejorar el contacto con la parte vegetal. Se añadieron 300 mL de agua destilada y se acoplaron los accesorios de vidrio como se muestra en la Figura 19. Se encendió la fuente de calor a 100 °C y el recirculador de agua a 10 °C. El tiempo empleado para la extracción fue de 4 horas en hojas y en flores mientras que 8 horas en semillas. Una vez concluido el proceso el aceite aislado en la trampa de Clevenger fue decantado en un vaso de precipitación de 10 mL, se retiró la humedad remanente empleando sulfato de sodio anhidro, posteriormente se filtró el aceite y se depositó en un frasco ámbar de 10 mL para almacenamiento sin incidencia directa de la luz y en refrigeración a 4°C. Figura 19. Extracción
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