Ocean bioprospecting: exploring the pharmaceutical potential of tropical marine organisms

Mangroves thrive at the land-sea interface, combining the bioprospecting potential of terrestrial plants and marine environments. Their resilience to extreme conditions is linked to the production of stress-induced secondary metabolites with unique structures. Despite their ethnomedicinal relevance, mangroves remain underexplored in natural product research, with limited phytochemical and pharmacological investigations. This thesis explores the bioprospecting of two mangrove species from understudied regions: Avicennia marina from the United Arab Emirates (UAE) and Sonneratia caseolaris from the Maldives. Both species have ethnomedicinal significance, yet detailed chemical and bioactivity data, particularly from these regions, are scarce. The study aimed to provide comprehensive phytochemical profiles of different plant parts, assess antioxidant capacity, and, for A. marina, evaluate cytotoxic potential against human cell lines, linking bioactivities to tissue-specific metabolites. Hydroalcoholic extracts from roots, leaves, propagules, and cotyledons of A. marina, and roots and leaves of S. caseolaris, were analyzed using ultra-performance liquid chromatography coupled with high-resolution mass spectrometry (UPLC-HRMS). Antioxidant activity was assessed via DPPH, ABTS, and ORAC assays, while cytotoxicity of A. marina extracts was evaluated using MTT assays against five human cancer cell lines (SW480, E705, MDA-MB-231, U-87, HeLa) and two normal cell lines (CCD841, MRC-5). A. marina from the UAE, a region of high salinity, extreme temperature, and aridity, was found to produce 49 metabolites, primarily phenylethanoid glycosides, flavonoid glycosides, iridoid glycosides, and triterpene saponins, several of which are newly reported, suggesting region-specific metabolic adaptations. Pericarp and root extracts exhibited the strongest antioxidant activity (DPPH: 187.14 ± 2.87 and 128.25 ± 1.12; ABTS: 217.16 ± 2.67 and 147.21 ± 2.42 μmol TE/g), correlating with high phenylethanoid content. The root extract also showed notable cytotoxicity, particularly against MDA-MB-231, SW480, and E705 (IC50: 58.46, 81.98, and 108.10 μg/mL), while exhibiting lower activity against normal cells. Identified triterpene saponins, including medicoside G, esculentoside C, and azukisaponin III, likely contribute to this activity, supported by in silico predictions. S. caseolaris, less studied in mangrove bioprospecting, yielded 45 metabolites, mainly flavonoid glycosides, hydrolysable tannins, catechins, and phenolic acids, including two sulphated flavonoids typical of swampy environments. Both leaf and root extracts exhibited strong antioxidant activity across DPPH, ABTS, and ORAC assays, comparable to or exceeding ascorbic acid. Comparative analysis revealed distinct phytochemical patterns between the two species, reflecting phylogenetic and ecological differences, while shared flavonoid glycosides indicate conserved antioxidant roles. Overall, this work expands knowledge of mangrove phytochemistry and pharmacology, reporting over twenty compounds for the first time in mangroves. A. marina roots emerge as a promising source of cytotoxic compounds, and S. caseolaris extracts show potent antioxidant potential. Future research should focus on bioactivity-guided fractionation, mechanistic studies, and in vivo validation to advance these species as sources of therapeutic leads.

Le mangrovie prosperano all’interfaccia tra terra e mare, combinando il potenziale di bioprospecting delle piante terrestri e degli ambienti marini. La loro resilienza a condizioni estreme è legata alla produzione di metaboliti secondari indotti dallo stress con strutture uniche. Nonostante la loro rilevanza etnomedicinale, le mangrovie restano poco esplorate nella ricerca sui prodotti naturali, con indagini fitochimiche e farmacologiche ancora limitate. Questa tesi esplora il bioprospecting di due specie di mangrovie provenienti da regioni poco studiate: Avicennia marina dagli Emirati Arabi Uniti (EAU) e Sonneratia caseolaris dalle Maldive. Entrambe le specie hanno un’importanza etnomedicinale, ma dati dettagliati su chimica e bioattività, in particolare in queste regioni, sono scarsi. Lo studio mirava a fornire profili fitochimici completi delle diverse parti della pianta, valutare la capacità antiossidante e, per A. marina, esaminare il potenziale citotossico verso linee cellulari umane, collegando le bioattività ai metaboliti specifici dei tessuti. Gli estratti idroalcolici da radici, foglie, propaguli e cotiledoni di A. marina, e da radici e foglie di S. caseolaris, sono stati analizzati mediante cromatografia liquida ad alte prestazioni accoppiata a spettrometria di massa ad alta risoluzione (UPLC-HRMS). L’attività antiossidante è stata valutata tramite saggi DPPH, ABTS e ORAC, mentre la citotossicità degli estratti di A. marina è stata testata tramite saggi MTT su cinque linee cellulari tumorali umane (SW480, E705, MDA-MB-231, U-87, HeLa) e due linee cellulari sane (CCD841, MRC-5). A. marina dagli Emirati Arabi Uniti, una regione caratterizzata da alta salinità, temperature estreme e aridità, è risultata produrre 49 metaboliti, principalmente glicosidi feniletoanoidi, glicosidi flavonoidici, glicosidi iridoidi e saponine triterpeniche, di cui diverse segnalate per la prima volta, suggerendo adattamenti metabolici specifici della regione. Gli estratti di pericarpo e radice hanno mostrato la maggiore attività antiossidante (DPPH: 187,14 ± 2,87 e 128,25 ± 1,12; ABTS: 217,16 ± 2,67 e 147,21 ± 2,42 μmol TE/g), correlata all’elevato contenuto di feniletoanoidi. L’estratto di radice ha inoltre mostrato una notevole citotossicità, in particolare verso MDA-MB-231, SW480 ed E705 (IC50: 58,46, 81,98 e 108,10 μg/mL), mostrando invece una minore attività contro le cellule sane. Le saponine triterpeniche identificate nelle radici, tra cui medicoside G, esculentoside C e azukisaponina III, sono probabilmente responsabili di questa attività, come suggerito da predizioni in silico. S. caseolaris, meno studiata nel bioprospecting delle mangrovie, ha prodotto 45 metaboliti, principalmente glicosidi flavonoidici, tannini idrolizzabili, catechine e acidi fenolici, tra cui due flavonoidi solfati tipici degli ambienti paludosi. Gli estratti di foglia e radice hanno mostrato un’elevata attività antiossidante in tutti i saggi DPPH, ABTS e ORAC, comparabile o superiore all’acido ascorbico. L’analisi comparativa ha rivelato schemi fitochimici distinti tra le due specie, riflettendo differenze filogenetiche ed ecologiche, mentre i glicosidi flavonoidici condivisi indicano ruoli antiossidanti conservati. Complessivamente, questo lavoro amplia le conoscenze sulla fitochimica e farmacologia delle mangrovie, riportando oltre venti composti per la prima volta in queste piante. Le radici di A. marina emergono come fonte promettente di composti citotossici, mentre gli estratti di S. caseolaris mostrano un significativo potenziale antiossidante. Studi futuri dovrebbero concentrarsi su frazionamento guidato dalla bioattività, studi meccanicistici e validazione in vivo per sviluppare queste specie come fonti di composti terapeutici.