Resumen de tesis. Cytinus hypocistis (L.) L. — an edible parasitic plant with skin anti-ageing potential

Abstract

[EN] The skin undergoes visible changes over time, reflecting the combined effects of intrinsic and extrinsic insults. Intrinsic ageing primarily results from natural physiological changes. Conversely, external factors, such as pollution, lifestyle habits, and exposure to ultraviolet radiation (UVR), play a significant role in extrinsic ageing. From all the insults, UVR is considered the primary contributor to skin ageing, accounting for 80% of its visible signs. Despite the highly effective barrier the skin layers provide, UVR can induce oxidative stress in human skin. When the load of reactive species in this organ is high, several pathways are activated, culminating in the degradation of extracellular matrix proteins such as collagen and elastin by the upregulation of metalloproteinases (MMPs) and other enzymes. Neutrophil elastase is considered one of the most destructive enzymes in this process due to its ability to degrade almost all extracellular matrix components by directly activating MMPs (pro- and active forms), facilitating their progression, and inactivating their activity regulators. The interplay of intrinsic and extrinsic factors shapes phenotypically distinct clinical manifestations. Chronological ageing leads to skin changes such as thinning, pallor, fine surface wrinkles, and reduced elasticity. In contrast, prolonged exposure to UVR results in more severe manifestations, including pronounced wrinkles, loss of elasticity, thickening, coarsening, dryness, telangiectasias, and uneven pigmentation. Hydrolysable tannins are recognised for their skin anti-ageing properties, particularly their strong antioxidant effects and their ability to inhibit elastolytic enzyme precursors. The genus Cytinus, described as one of the most enigmatic in the plant kingdom, has garnered attention for its potential as a source of bioactive compounds. While its properties were ascribed to its hydrolysable tannin content, the chemical composition of Cytinus hypocistis (L.) L. had not undergone thorough characterisation, and its active constituents remained undisclosed prior to the research conducted in the present thesis. Therefore, the primary objective of this work was to valorise the underexplored parasitic species Cytinus hypocistis (L.) L. subsp. macranthus Wettst by conducting its comprehensive characterisation, followed by a more detailed investigation of its skin anti-ageing properties. The chemical and bioactive characterisation (Chapter 3) was performed by analysing the nutritional and phytochemical profile of C. hypocistis and evaluating its bioactive properties. To the author's best knowledge, there are no studies on this edible plant's nutritional characterisation. The whole plant and its nectar revealed being nutritionally balanced, shedding light on its significance as famine food in the past. Its nectar proved to be a good source of protein and unsaturated fatty acids, approximately 2- fold higher than the whole plant. The phytochemical profile and bioactive properties of the whole plant, its petals, stalks, and nectar were also evaluated. Seventeen phenolic compounds were identified in all samples. Galloyl-bis-HHDP-glucose was the most abundant, with no significant difference in concentration between the petals and the whole plant. All extracts exhibited antidiabetic, antityrosinase, antibacterial, and cytotoxicity against four tested tumour cell lines, with no toxicity observed on a non-tumour cell line. The antioxidant capacity was the most prominent among the assessed activities, with no significant differences between the petals and the whole plant. The results from Chapter 3 suggested a relationship between phenolic compound concentration and C. hypocistis bioactive properties, rendering it necessary to investigate whether there is a phenolic compound exchange between the host and the parasite (Chapter 4). To the authors' best knowledge, this work was the first to compare the phenolic profile and bioactive properties of the parasite C. hypocistis and its host, Halimium lasianthum subsp. alyssoides (Lam.) Greuter. Except for one compound, trigalloyl-HHDP-glucoside, the phenolic profile of the host (both non-parasited and parasited) was different from that of the parasite, which possibly indicates the existence of a proper pathway of compound biosynthesis in the parasite. This hypothesis was supported by the PCA analysis, where three defined groups were identified: root extracts from H. lasianthum, aerial extracts from H. lasianthum, and C. hypocistis extracts. This work also highlighted the correlation between C. hypocistis hydrolysable tannin content and its antioxidant and anti-tyrosinase activities. C. hypocistis' biological properties were potentially correlated with its high content in hydrolysable tannins; thus, studying their extraction optimisation would give comprehensive clues for recovering these high-added-value bioactive compounds (Chapter 5). This work applied Response Surface Methodology to optimise tannin extraction using Heat-Assisted (HAE) and Ultrasound-Assisted (UAE) methods. Two three-factor Rotatable Central Composite Designs were used to assess the independent variables' linear, quadratic, and interactive effects on the target responses. The results from both extraction systems revealed high ethanol percentages as the critical factor in increasing tannin content, with UAE being selected as the best technique for the recovery. The skin anti-ageing properties of C. hypocistis optimal extracts from three distinct years were assessed, followed by a biochemometric approach to identify the discriminant metabolites associated with the most relevant properties (Chapter 6). Among the studied bioactivities, the anti-elastase results exhibited a significant variation among the samples from different years. A bioassay-guided fractionation was performed to identify the discriminant features responsible for this variation, followed by its purification and structural elucidation. Remarkably, one of the purified subfractions exhibited a tenfold improvement in neutrophil elastase inhibition efficacy compared to the crude extract; its effectiveness fell within the same range as SPCK, a potent irreversible elastase inhibitor. Overall, this subfraction also presented better antioxidant and enzyme inhibitory properties (collagenase and tyrosinase) than the crude extract and the positive controls, with no phototoxicity and cytotoxicity against different skin cell lines. Upon NMR structural clarification, this subfraction was elucidated as a galloyl glucose congener as indicated by characteristic spectral resonances of pedunculagin. However, the purified fraction seems to remain a mixture of isomers with differences in glucose, which might indicate that the anti-ageing compound found in C. hypocistis could be pedunculagin configurational isomers. The work developed in the present thesis comprehensively characterised the unexploited species C. hypocistis, offering insights into its use as famine food in the past and as a source of compounds with a broad spectrum of bioactive properties. Furthermore, it was possible to identify the compound class of utmost relevance for its bioactivities, validate its exclusive biosynthesis within the parasite, and maximise its recovery. Finally, C. hypocistis confirmed its potential as a source of anti-ageing compounds, revealing excellent antioxidant and enzyme-inhibitory properties, particularly its antineutrophil elastase activity. [ES] La piel experimenta cambios visibles con el tiempo, reflejando los efectos combinados de factores intrínsecos y extrínsecos. El envejecimiento intrínseco se debe principalmente a cambios fisiológicos naturales, mientras que la contaminación, hábitos de vida y la exposición a radiación ultravioleta (UVR) desempeñan un papel significativo en el envejecimiento extrínseco. De todas las agresiones que experimenta la piel, se considera que la UVR es la principal contribuyente a su envejecimiento, representando el 80% de sus signos visibles. A pesar de la barrera altamente efectiva que proporcionan las diferentes capas, la UVR puede inducir estrés oxidativo en la piel humana. Cuando la carga de especies reactivas en este órgano es alta, se activan varias vías que culminan en la degradación de proteínas de la matriz extracelular, como el colágeno y la elastina, mediante la sobreexpresión de metaloproteinasas (MMP) y otras enzimas. La elastasa de neutrófilos se considera una de las enzimas más destructivas en este proceso debido a su capacidad para degradar casi todos los componentes de la matriz extracelular mediante la activación directa de MMPs (formas proactivas y activas), facilitando su progresión e inactivando sus reguladores de actividad. La interacción de factores intrínsecos y extrínsecos da forma a manifestaciones clínicas fenotípicamente distintas. El envejecimiento cronológico conduce a cambios en la piel, como adelgazamiento, palidez, arrugas finas en la superficie y reducción de la elasticidad. En contraste, la exposición prolongada a la UVR resulta en manifestaciones más severas, que incluyen arrugas pronunciadas, pérdida de elasticidad, engrosamiento, rugosidad, sequedad, telangiectasias y pigmentación desigual. Los taninos hidrolizables son reconocidos por sus propiedades antienvejecimiento en la piel, especialmente por sus fuertes efectos antioxidantes y su capacidad para inhibir los precursores de enzimas elastolíticas. El género Cytinus (Cytinaceae), descrito como uno de los más enigmáticos en el reino vegetal, ha llamado la atención por su potencial como fuente de compuestos bioactivos. Aunque sus propiedades se atribuyeron a su contenido de taninos hidrolizables, la composición química de Cytinus hypocistis (L.) L. no había sido todavía caracterizada a fondo, y sus constituyentes activos permanecían sin revelar antes de la investigación realizada en la presente tesis. Por lo tanto, el objetivo principal de este trabajo ha sido el de valorizar la especie parasitaria poco explorada Cytinus hypocistis (L.) L. subsp. macranthus Wettst mediante una caracterización química integral, seguida de una investigación más detallada de sus propiedades antienvejecimiento en la piel. La caracterización química y bioactiva (Capítulo 3) fue realizada a través del análisis del perfil nutricional y fitoquímico de C. hypocistis, así como con la evaluación de sus propiedades bioactivas. Hasta donde el autor sabe, este es el primer trabajo que estudia la caracterización nutricional de esta planta comestible. Toda la planta y su néctar demostraron ser equilibrados desde el punto de vista nutricional, arrojando luz sobre su importancia como alimento en tiempos de hambruna en el pasado. Se demostró que su néctar es una buena fuente de proteínas y ácidos grasos insaturados, aproximadamente el doble que toda la planta. También se evaluó el perfil fitoquímico y las propiedades bioactivas de toda la planta, sus pétalos, tallos y néctar. Se identificaron diecisiete compuestos fenólicos en todas las muestras. El galato-bis-HHDP-glucosa fue el más abundante, sin mostrar una diferencia significativa de concentración entre los pétalos y toda la planta. Todos los extractos mostraron actividad antidiabética, anti-tirosinasa, antibacteriana y citotoxicidad frente a las cuatro líneas celulares tumorales ensayadas sin observar toxicidad en una línea celular no tumoral. La capacidad antioxidante fue la más destacada entre las actividades evaluadas, también sin diferencias significativas entre los pétalos y toda la planta. Los resultados del Capítulo 3 sugirieron una relación entre la concentración de compuestos fenólicos y las propiedades bioactivas de C. hypocistis, haciendo necesario investigar si hay un intercambio de compuestos fenólicos entre el huésped y la planta parásita (Capítulo 4). Según el conocimiento de los autores, este trabajo también fue el primero en comparar el perfil fenólico y las propiedades bioactivas del parásito C. hypocistis y su huésped, Halimium lasianthum subsp. alyssoides (Lam.) Greuter (Cistaceae). Excepto por un compuesto, el trigaloyl-HHDP-glucósido, el perfil fenólico del huésped (tanto no parasitado como parasitado) fue diferente al del parásito, lo que posiblemente indica la existencia de una vía adecuada de biosíntesis de compuestos en el parásito. Esta hipótesis fue respaldada por el análisis de PCA, donde se identificaron tres grupos definidos: extractos de raíces de H. lasianthum, extractos aéreos de H. lasianthum y extractos de C. hypocistis. Este trabajo también destacó la correlación entre el contenido de taninos hidrolizables de C. hypocistis y sus actividades antioxidantes y anti-tirosinasa. Las propiedades biológicas de C. hypocistis estuvieron potencialmente correlacionadas con su alto contenido de taninos hidrolizables; por lo tanto, estudiar la optimización de su extracción proporcionaría pistas completas para recuperar estos compuestos bioactivos de alto valor añadido (Capítulo 5). Este trabajo aplicó la Metodología de Superficie de Respuesta para optimizar la extracción de taninos utilizando los métodos de Asistencia Térmica (HAE) y Asistencia Ultrasónica (UAE). Se aplicó un diseño compuesto central y rotativo para la optimización, que constaba de tres factores para evaluar los efectos lineales, cuadráticos e interactivos de las variables independientes en las respuestas objetivo. Los resultados de ambos sistemas de extracción revelaron altos porcentajes de etanol como el factor crítico para aumentar el contenido de taninos, y se seleccionó UAE como la mejor técnica para la recuperación de los mismos. Se evaluaron las propiedades antienvejecimiento en la piel de los extractos óptimos de muestras de C. hypocistis recogidas en tres años distintos, seguidas de un enfoque bioquimiométrico para identificar los metabolitos discriminantes asociados con las propiedades más relevantes (Capítulo 6). Entre las bioactividades estudiadas, los resultados anti-elastasa mostraron una variación significativa entre las muestras de diferentes años, por lo que se realizó un fraccionamiento guiado por ensayos biológicos para identificar las características discriminantes responsables de esta variación, seguido de la purificación y elucidación estructural del compuesto responsable. Notablemente, una de las subfracciones purificadas mostró una mejora diez veces mayor en la eficacia de inhibición de la elastasa de neutrófilos en comparación con el extracto crudo; su efectividad se encontró dentro del mismo rango que SPCK, un potente inhibidor irreversible de elastasa. En general, esta subfracción también presentó mejores propiedades antioxidantes e inhibidoras de enzimas (colagenasa y tirosinasa) que el extracto crudo sin mostrar fototoxicidad y citotoxicidad contra diferentes líneas celulares de la piel. Tras la validación estructural mediante RMN, esta subfracción se elucidó como un compuesto formado por una base de glucogalina, que muestra resonancias espectrales características similares a las de la pedunculagina. Sin embargo, la fracción purificada parece tener una mezcla de isómeros con diferencias en la glucosa, lo que podría indicar que el compuesto antienvejecimiento encontrado en C. hypocistis podrían ser isómeros configuracionales de la pedunculagina. El trabajo desarrollado en la presente tesis caracterizó de manera integral la especie poco explorada C. hypocistis, ofreciendo perspectivas sobre su uso como alimento en tiempos de hambruna en el pasado y como fuente de compuestos con un amplio espectro de propiedades bioactivas. Además, fue posible identificar la clase de compuestos de máxima relevancia para sus bioactividades, validar su biosíntesis exclusiva dentro del parásito y maximizar su recuperación. Finalmente, C. hypocistis confirmó su potencial como fuente de compuestos antienvejecimiento, revelando excelentes propiedades antioxidantes e inhibidoras de enzimas, especialmente su actividad anti-elastasa de neutrófilos.