Hybrid Nanoparticles of Proanthocyanidins from Uncaria tomentosa Leaves: QTOF-ESI MS Characterization, Antioxidant Activity and Immune Cellular Response

Abstract

Abstract. Previous studies in Uncaria tomentosa have shown promising results concerning the characterization of polyphenols with leaves yielding more diverse proanthocyanidins and higher bioactivities values. However, the polyphenols-microbiota interaction at the colonic level and their catabolites avoid the beneficial effects that can be exerted by this medicinal plant when consumed. In this regard, a new generation of hybrid nanoparticles has demonstrated improvements in natural compounds’ activity by increasing their bioavailability. In this line, we report a detailed study of the characterization of a proanthocyanidin-enriched extract (PA-E) from U. tomentosa leaves from Costa Rica using UPLC-QTOF-ESI MS. Moreover, two types of hybrid nanoparticles, a polymeric-lipid (F-1) and a protein-lipid (F-2) loaded with PA-E were synthesized and their characterization was conducted by dynamic light scattering (DLS), attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FT-IR), high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), and encapsulation efficiency (%EE). In addition, in vitro release, antioxidant activity through 2,2-diphenyl-1-picrylhidrazyl (DPPH) as well as in vivo delayed-type hypersensitivity (DTH) reaction was evaluated. Results allowed the identification of 50 different compounds. The PA-E loaded nanoparticles F-1 and F-2 achieved encapsulation efficiency of ≥92%. The formulations exhibited porosity and spherical shapes with a size average of 26.1 ± 0.8 and 11.8 ± 3.3 nm for F-1 and F-2, respectively. PA-E increased its release rate from the nanoparticles compared to the free extract in water and antioxidant activity in an aqueous solution. In vivo, the delayed-type hypersensitive test shows the higher immune stimulation of the flavan-3-ols with higher molecular weight from U. tomentosa when administered as a nanoformulation, resulting in augmented antigen-specific responses. The present work constitutes to our knowledge, the first report on these bioactivities for proanthocyanidins from Uncaria tomentosa leaves when administrated by nanosystems, hence, enhancing the cellular response in mice, confirming their role in immune modulation.Resumen. Estudios previos en Uncaria tomentosa han mostrado resultados prometedores sobre la caracterización de polifenoles con hojas que producen proantocianidinas más diversas y valores de bioactividad más altos. Sin embargo, la interacción polifenoles-microbiota a nivel colónico y sus catabolitos evitan los efectos beneficiosos que puede ejercer esta planta medicinal al consumirla. En este sentido, una nueva generación de nanopartículas híbridas ha demostrado mejoras en la actividad de los compuestos naturales al aumentar su biodisponibilidad. En esta línea, reportamos un estudio detallado de la caracterización de un extracto enriquecido en proantocianidina (PA-E) de hojas de U. tomentosa de Costa Rica utilizando UPLC-QTOF-ESI MS. Además, se sintetizaron dos tipos de nanopartículas híbridas, un lípido polimérico (F-1) y una proteína-lípido (F-2) cargadas con PA-E y su caracterización se realizó mediante dispersión dinámica de luz (DLS), reflectancia total atenuada. Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (ATR-FT-IR), microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM) y eficiencia de encapsulación (%EE). Además, se evaluó la liberación in vitro, la actividad antioxidante a través de 2,2-difenil-1-picrilhidrazilo (DPPH), así como la reacción de hipersensibilidad de tipo retardado (DTH) in vivo. Los resultados permitieron la identificación de 50 compuestos diferentes. Las nanopartículas F-1 y F-2 cargadas con PA-E lograron una eficiencia de encapsulación de ≥92%. Las formulaciones exhibieron porosidad y formas esféricas con un tamaño promedio de 26,1 ± 0,8 y 11,8 ± 3,3 nm para F-1 y F-2, respectivamente. PA-E aumentó su tasa de liberación de las nanopartículas en comparación con el extracto libre en agua y su actividad antioxidante en una solución acuosa. In vivo, la prueba de hipersensibilidad de tipo retardado muestra una mayor estimulación inmune de los flavan-3-oles con mayor peso molecular de U. tomentosa cuando se administra como una nanoformulación, lo que resulta en respuestas aumentadas específicas de antígeno. El presente trabajo constituye, hasta donde sabemos, el primer informe sobre estas bioactividades de las proantocianidinas de las hojas de Uncaria tomentosa cuando se administran mediante nanosistemas, mejorando así la respuesta celular en ratones, confirmando su papel en la modulación inmune.