Otimização no preparo de complexos de inclusão de óleos essenciais das folhas de Psidium para aplicação larvicida, herbicida e citogenotóxica

Abstract

O mosquito Aedes aegypti é um transmissor de doenças como a dengue e outras arboviroses, que impactam a saúde de muitas pessoas ao redor do mundo. Uma outra preocupação de relevância global é a agricultura sustentável, pois os herbicidas sintéticos causam impactos ambientais e geram resistência de plantas invasoras devido ao seu uso excessivo. Uma solução comum a essas duas problemáticas é o uso dos óleos essenciais (OEs), como uma alternativa sustentável e ambientalmente amigável. Os OEs apresentam atividades biológicas relacionadas a sua composição química e podem ser obtidos através das folhas de plantas, como do gênero Psidium (Myrtaceae). Destacam-se as espécies Psidium guajava (cultivar Século XXI - SEC), Psidium cattleyanum (CAT) e Psidium gaudichaudianum (GAU), que possuem nos OEs o β-cariofileno (β-CAR) como seu principal composto majoritário. Apesar dos OEs serem promissores para muitas aplicações, algumas características físico-químicas podem limitar o seu uso em ambientes aquosos e quando expostos ao ar livre. Por isso, para ampliar as aplicações dos OEs, foram utilizados métodos de proteção para formar complexos de inclusão (CIs). Para isso, foi utilizada a 2-hidroxipropil-β- ciclodextrina (HPβCD), que é derivada do amido. Os métodos físicos utilizados foram maceração (KN) e liofilização (FD), sendo que o mais eficiente para formar CI com o OE da SEC foi o KN. Tendo em vista que os OEs das espécies de Psidium possuem composição química similar, o método KN foi selecionado como o mais promissor. Utilizando o OE da CAT e o método KN, um delineamento composto central foi realizado a fim de otimizar o preparo dos CIs. A eficiência de complexação (EC) obtida para o CI da CAT foi de 94,9%. Considerando o método otimizado, o CI da GAU foi obtido nas condições determinadas: proporção molar do OE e HPβCD de 1:1 e tempo de maceração de 35 min. A EC foi de 91,5 e 83,9%, para o OE da GAU e o β-CAR, respectivamente. Os CIs obtidos para SEC, CAT, GAU e β-CAR foram caracterizados por espectroscopia na região do UV-Vis, FTIR, TGA, DLS e XRD para comprovar a complexação com a HPβCD. Para o CI da CAT foi realizada a liberação controlada com solução aquosa de DMSO 1% (v v-1) e acetonitrila. A liberação do OE da CAT em água foi lenta e simulou as condições do experimento com atividade larvicida em Aedes aegypti. Em relação a essa aplicação, os OEs da SEC e CAT em DMSO apresentaram CL50 de 51,49 e 81,73 µg mL-1, respectivamente. O OE da SEC foi mais tóxico para as larvas de A. aegypti do que a CAT. Porém, o rendimento de extração do OE da CAT (0,79% m m-1) foi mais que o dobro comparado à SEC (0,30% m m-1). A CL50 em larvas de A. aegypti para o CI da SEC foi 77,54 µg mL-1 (KN) e a atividade larvicida para o método FD ocorreu somente com concentrações acima de 600 µg mL-1. A CL50 para o CI otimizado da CAT foi de 134,44 µg mL-1. Sendo assim, os CIs são menos eficientes para matar as larvas de A. aegypti do que o OE em DMSO. No entanto, ao comparar a eficiência dos CIs com o OE sem DMSO, todos os CIs tiveram atividade larvicida superior. Isso ocorre porque o OE não complexado é pouco eficiente para matar as larvas, pois é insolúvel em água e facilmente degradado por condições ambientais. Em relação ao OE da GAU, o β-CAR e seus respectivos complexos foram utilizados quanto a atividade herbicida em Bidens pilosa e Lolium multiflorum nas concentrações de 187,5 a 3000 µg mL-1, avaliando as variáveis germinação, crescimento radicular e crescimento da parte aérea. De forma geral, o CI GAU foi mais tóxico que o CI do β-CAR. Na maioria das concentrações avaliadas, o OE e o β-CAR apresentaram toxicidade igual ou maior que os respectivos CIs. A citogenotoxicidade foi avaliada em células meristemáticas da raiz da planta modelo Lactuca sativa. Verificou-se a redução do índice mitótico e o aumento de anormalidades cromossômicas, evidenciando ação aneugênica e clastogênica do OE da GAU, do β-CAR e dos CIs. De forma geral, os resultados obtidos para todos os CIs produzidos evidenciaram que estes possuem potencial para serem explorados comercialmente, visto que foi obtido um produto sólido, com alta estabilidade térmica e que mantém a constituição química do OE mais estável. Além disso, houve sucesso nas aplicações propostas dos CIs produzidos. Palavras-chave:

Goiabeira. Araçá. Produto natural. Encapsulamento. Planejamento experimental. Dengue. Erva daninha.

The Aedes aegypti mosquito is a vector for diseases such as dengue and other arboviruses, impacting the health of many people around the world. Another globally significant concern is sustainable agriculture, as synthetic herbicides cause environmental impacts and lead to resistance in invasive plants due to their excessive use. A common solution to these two issues is the use of essential oils (EOs) as a sustainable and environmentally friendly alternative. EOs exhibit biological activities linked to their chemical composition and can be obtained from plant leaves, such as those from the Psidium genus (Myrtaceae). Notable species include Psidium guajava (Século XXI cultivar - SEC), Psidium cattleyanum (CAT), and Psidium gaudichaudianum (GAU), which feature β-caryophyllene (β-CAR) as their primary major compound. Despite the promising applications of EOs, some physicochemical characteristics can limit their use in aqueous environments and when exposed to outdoor conditions. Therefore, to expand the applications of EOs, protection methods were employed to form inclusion complexes (ICs). In this regard, 2-hydroxypropyl-β- cyclodextrin (HPβCD), derived from starch, was used. Physical methods used included kneading (KN) and freeze-drying (FD), with KN proving to be the most efficient in forming ICs with SEC EO. Given that the EOs from Psidium species share a similar chemical composition, the KN method was selected as the most promising. Using CAT EO and the KN method, a central composite design was conducted to optimize CI preparation. The complexation efficiency (CE) obtained for CAT IC was 94.9%. Considering the optimized method, the GAU IC was obtained under determined conditions: using a molar ratio of EO to HPβCD of 1:1 and macerating for a total of 35 minutes. The CE was 91.5% and 83.9% for GAU EO and β-caryophyllene (β-CAR), respectively. The ICs obtained for SEC, CAT, GAU, and β-CAR were characterized using UV-Vis spectroscopy, FTIR, TGA, DLS, and XRD to confirm complexation with HPβCD. For the CAT IC, controlled release was performed using a 1% (v v-1) aqueous solution of DMSO and acetonitrile. The release of the CAT EO in water was slow and simulated the conditions of the larvicidal activity experiment on Aedes aegypti. Concerning this application, the EOs from SEC and CAT in DMSO exhibited LC 50 values of 51.49 and 81.73 µg mL-1, respectively. The SEC EO was more toxic to A. aegypti larvae than CAT. However, the extraction yield of CAT EO (0.79% m m -1) was more than twice that of SEC (0.30% m m-1). The LC50 for A. aegypti larvae for the SEC IC was 77.54 µg mL-1 (KN), and larvicidal activity for the FD method occurred only at concentrations above 600 µg mL-1. The optimized LC50 for the CAT IC was 134.44 µg mL-1. Therefore, the ICs are less efficient at killing A. aegypti larvae compared to the EO in DMSO. However, when comparing the efficiency of ICs with EO without DMSO, all ICs showed superior larvicidal activity. This occurs because the non-complexed EO is inefficient in killing the larvae, as it is insoluble in water and easily degraded by environmental conditions. Regarding the GAU EO, β-CAR and their respective complexes were tested for herbicidal activity on Bidens pilosa and Lolium multiflorum at concentrations ranging from 187.5 to 3000 µg mL-1, assessing germination, root growth, and aboveground growth variables. Overall, the GAU IC was more toxic than the β-CAR IC. At most evaluated concentrations, the EO and β-CAR exhibited equal or greater toxicity than their respective ICs. Cytogenotoxicity was assessed in meristematic root cells of the model plant Lactuca sativa. A reduction in the mitotic index and an increase in chromosomal abnormalities were observed, indicating aneugenic and clastogenic effects of the GAU EO, β-CAR, and ICs. In general, the results obtained for all produced ICs demonstrated their potential for commercial exploitation, given that a solid product was obtained with high thermal stability, maintaining the EO's chemical composition more stable. Additionally, the proposed applications of the produced ICs were successful.

Keywords: Guava tree. Araçá. Natural product. Encapsulation. Experimental design. Dengue. Weed.