Essential oil components encapsulated in mesoporous silica supports: a bioactive properties evaluation and toxicological approach

Abstract

The present PhD thesis, entitled: "Essential oil components encapsulated in mesoporous silica supports: a bioactive properties evaluation and a toxicological approach" focuses on the study of protection and controlled release of natural bioactive agents, derived from essential oil components (EOCs), encapsulated in mesoporous silica particles (MSPs). In addition, this thesis evaluatesthe silica-based supports to reduceundesirable sensorial propertiesandfor ensuring a low-health risk. The first section of the thesis shows the effect of encapsulation of EOCs in mesoporous silica supports. This study evaluates the efficiency of free and encapsulated EOCs to reduce the viability of cancer colon cell lines. This sectionalso shows the selectivity of encapsulated EOCs against cancer linesandtheir effect onnormal (non-cancer) colon cells. Results indicate that EOCs effect can be enhanced and sustained in time when EOCs are encapsulated. Moreover, EOCs' encapsulation shows promising specificity indices, reaching to double effect on colon cancer cells above normal cells. On the other hand,the encapsulation supports and their surface functionalization allows the odour masking of high volatility EOCs. Therefore, the delivery system based on MSPs represents an excellent alternative to promote controlled EOCs release, taking advance of their bioactive properties and solving the technical disadvantages related to volatility and unpleasant odours. Finally, samples used for garlic components encapsulation were immobilised in nanofibers to provide homogeneous and easy-to-handle hybrid system for controlling delivery.The developed 'composite' has potential applications on food, pharmacology, medical or engineering fields. The second sectionof the thesis evaluates the toxicity of the mesoporous silica supports through in vitro and in vivo assessments. Cell viability allows to identify the cytotoxic impact based on the kind of silica-based support, and their features (doses range, size and surface structure changes). Furthermore, the use of Caednorhabditis elegansmodel,shows the in vivo effects afterMSPs ingestion. The toxicological study confirms that size and surface structure, are decisiveMSPs' featuresfor reducing the toxicity risks for health. In summary, the present thesis evaluates the mesoporous silica-based particles as supports for EOCs encapsulation and identifies the main MSPs' features forreducingthe health-toxicity impact. Results of this thesis show that MSPs improve the EOCs activity and help to solve technical problemsof EOCs' volatility.Moreover, these results open up a suitable and safety option for oral delivery devices.

La presente tesis titulada: "Componentes de aceites esenciales encapsulados en soportes mesoporosos de sílice: una evaluación de sus propiedades bioactivas y un enfoque toxicológico" se centra enla evaluación de las propiedades funcionales y organolépticas de agentes naturales bioactivos, derivados de componentes de aceites esenciales, encapsulados en materiales mesoporosos de sílice; a la vez que evalua la toxicidad de los soportes utilizados,con el fin de proponer nuevos sistemas de liberación controlada por vía oral. La primera sección de esta tesis muestra el efecto de la encapsulación de los compuestos de aceites esenciales (EOCs, por sus siglas en inglés) en soportes mesoporosos de sílice. Por un lado, seevalúa la eficiencia de los EOCs libres y encapsulados para reducir la viabilidad en líneas celulares de cáncer de colon. Además, se evalúa la selectividad de los EOCs frente a células de colon normales (líneas no tumorales). Por otro lado, seestudia la capacidad de enmascaramiento de olor de los soportes. Los resultados obtenidos, evidencian en primer lugar, que los EOCs encapsulados mejoran su actividad frente a células de cáncer,en comparacióncon la respuesta de los compuestos sin encapsular. La encapsulación hace que el efecto de los EOCs sea sostenido en el tiempo, y muestra índices de especificidad prometedores, cuandose evalua el efecto toxico de los EOCsfrente a células de cáncer de colon y células normales. Los resultados de esta primera sección, indican que los soportes basados en partículas de sílice mesoporosa (MSPs, por sus siglas en inglés) protegen y liberan eficientemente los compuestos, sino que, a la vez que la funcionalización de la superficie de las MSPs permite enmascarar el olor de los compuestos de mayor volatilidad, y con mayores inconvenientes a nivel sensorial (p.e. compuestos derivados del ajo). Por lo tanto, el sistema de encapsulación se plantea como una excelente alternativa para (i) promover la liberación controlada de EOCs, (ii) aprovechar y mejorar el efecto de sus propiedades bioactivas en células de cáncer de colón y (iii) controlar las desventajas técnicas relacionadas con la volatilidad y limitaciones organolepticas. Por último, se ha comprobado que los soportes empleados en la encapsulación de los compuestos derivados de ajo, mantienen su funcionalidad luego der ser inmovilizados en nanofribras de nylon.Con esto, se busca desarrollar un nuevo sistema de 'composite';un material híbrido y homogéneo, fácil de manejar, que libera controladamente los compuestos encapsulados desde soportes tipo fibras (composites).Estoexpande el abanico de aplicaciones de los EOCs en laindustria alimentaria y farmacológica. La segunda sección de esta tesis, evalúa la toxicidad de los soportes de sílice mesoporosa (MSPs) mediante ensayos in vitro e in vivo. En primer lugar, la viabilidad celular permite identificar el impacto citotóxico de los MSPs sobre líneas celulares de colón. En particular, se evalúa los soportes mesoporosos de sílice, tipo MCM41, en función de (i) las dosis empleadas, (ii) la diferencia de tamaño (micro y nanopartículas) y (iii) el efecto que la funcionalización de la superficie genera en la viabilidad celular. Por otro lado, empleando el modelo Caednorhabditis elegans, yadministrando por vía oral las MSPs,se evalua la influencia de las características de laspartículas (MSPs) en función de la esperanza de vida (lifespan) y la calidad con la que viven y envejecen (healthspan) los nematodos. Los resultados de este estudio,muestran que el tamaño y la estructura de la superficie de las partículas, son parámetros determinantesal momento de diseñar soportes de bajoriesgo toxicológico. En resumen, la presente tesis ha evaluado las características de la sílice mesoporosa, micro y nanoparticulada, como soporte de encapsulación para mejorar la actividad y las aplicaciones de los compuestos de aceites esenciales, al mismo tiempo

La present tesi titulada: "Components d'olis essencials encapsulats en suports mesoporosos de sílica: una avaluació de les seves propietats bioactives i un enfocament toxicològic" se centra en estudis de protecció i alliberament controlat d'agents naturals bioactius, derivats de components d'olis essencials, encapsulats en materials mesoporosos de sílica. Els components d'olis essencials encapsulats milloren les seves propietats funcionals i redueixen els problemes sensorials per aplicacions futures, garantint, al mateix temps, la baixa toxicitat dels suports desenvolupats. La primera secció de la tesi mostra l'efecte d'encapsulació dels components d'olis essencials (EOCs, per les seves sigles en anglès) en suports mesoporosos de sílica sobre la millora de les seues propietats bioactives i el camuflament de problemes sensorials. Este estudi avalua l'eficiència dels EOCs lliures i encapsulats per a reduir la viabilitat en línies cel¿lulars de càncer còlon. A més, la selectivitat dels EOCs es va provar enfront de cèl¿lules de còlon normals (no canceroses). Els resultats han demostrat que l'efecte dels EOCs pot ser millorat i sostingut en el temps quan els EOCs estan encapsulats. Encara més, l'encapsulació dels EOCs mostra índexs d'especificitat prometedors, arribant a duplicar la toxicitat en l'efecte en les cèl¿lules de càncer de còlon amb comparacio en les cèl¿lules normals. Els resultats també mostren que els suports basats en partícules de sílice mesoporoses (MSPs, per les seves sigles en anglès) no sols protegixen i alliberen EOCs eficientment, sinó que, a més, la funcionlització en superfície de les MSPs permet emmascarar l'olor dels EOCs d'alta volatilitat, que té una aplicació limitada a causa dels seus problemes sensorials(p.e. compostos derivats de l'all). Per tant, el sistema de subministrament proposat resulta una excel¿lent alternativa per a (i) promoure l'alliberament controlat de EOCs, (ii) avançant en les seues propietats bioactives en cel¿lulas de càncer còlon i (iii) controlant els desavantatges tècnics relacionats amb la volatilitat i la disseminació desagradable de les olors. Finalmet, les mostres utilitzades per encapsulació de compostos d'all es van immobilitzar en nanofibres per a proporcionar un sistema híbrid homogeni i fàcil de manejar amb administració controlada i característiques bioactives, per aplicacions potencials en l'àrea d'alimentació, farmacologia, medicina o enginyeria. La segona secció avalua la toxicitat del suports de sílice mesoporosa per mitjà d'avaluacions in vitro e in vivo. La viabilitat cel¿lular permet identificar l'impacte citotòxic basat en el tipus de suport base de sílice i les seues característiques (rang de dosi, grandària i canvis en l'estructura superficial).A més, utilitzant el model in vivo Caednorhabditis elegants, s'ha estudiat la influència de les característiques de la sílice mesoporosa, administrant micro i nanopartícules de base sílice, no sols en l'esperança de vida, sinó també en el comportament dels nematodes durant el seu envelliment. Aquest estudi ha demostrat que la grandària i l'estructura superficial, són decisius per a reduir el risc de toxicitat dels suports de sílice mesoporosa i obrir la possibilitat d'utilitzar estos materials en aplicacions d'ingesta oral. En resum, la present tesi ha avaluat les característiques de les partícules de sílice mesoporosa, com a suports d'encapsulació per a millorar l'activitat i les aplicacions dels EOCs, alhora que es va avaluar el seu principal risc tòxicologic. En conseqüència, els resultats obrin una opció adequada i de seguretat per als dispositius d'administració oral.