Bioactividad y toxicidad de componentes de aceites esenciales vegetales, en Pediculus humanus capitis (Phthiraptera: Pediculidae) resistentes a insecticidas piretroides

Authors
Toloza, Ariel Ceferino
Publication Year
2010
Language
Spanish
Format
doctoral thesis
Status
Published version
Director/a de tesis
Picollo, María Inés
Description
Los piojos de la cabeza, Pediculus humanus capitis De Geer (Phthiraptera: Pediculidae) son ectoparásitos obligados de humanos. La infestación con piojos produce irritación de la piel, prurito y riesgo de infecciones secundarias como consecuencia del rascado. El control químico de esta plaga ha sido mediante el uso de insecticidas clorados (DDT y lindano), organofosforados (malatión), carbamatos (carbaril), piretrinas naturales y piretroides (deltametrina, permetrina, d-fenotrina). Actualmente el uso de estos insecticidas está limitado por el desarrollo de poblaciones de piojos resistentes. Una alternativa a los insecticidas convencionales son los compuestos botánicos tales como los aceites esenciales (AE) de plantas aromáticas y sus componentes, los cuales han despertado alto interés por su actividad adulticida, ovicida y repelente en varios insectos plaga. Los objetivos planteados en esta tesis fueron: a) establecer la actividad biológica de los vapores de aceites esenciales y de sus componentes provenientes de plantas autóctonas y exóticas que crecen en Argentina sobre poblaciones de huevos y adultos de piojos resistentes a piretroides; b) analizar el efecto repelente de los mencionados aceites; y c) estudiar los mecanismos involucrados en el modo de acción y el rol de las enzimas monooxigenasas en la toxicidad de los monoterpenoides sobre piojos de la cabeza. Los piojos utilizados se recolectaron mediante el uso de peine fino de cabezas de niños de entre 3 y 13 años provenientes de escuelas primarias de Buenos Aires. Los 49 aceites esenciales fueron colectados en diversas regiones de Argentina durante la primavera de los años 2003-2004 y 2006-2007. Los 26 monoterpenoides estudiados en esta tesis fueron de origen comercial. Previo al estudio del efecto insecticida de los AEs, se determinó el grado de pediculosis (presencia de al menos una forma viable de piojo) y los niveles de resistencia a permetrina de las poblaciones a estudiar. Para el estudio de la fase vapor de los AEs y de los monoterpenoides sobre las liendres y sobre los adultos, se empleó una cámara cerrada que permitió la liberación progresiva del aceite o componente puro. En el caso de las formas eclosionadas, se midió el volteo de los piojos cada 5 min durante 1 h, y luego se calculó el tiempo de volteo necesario para afectar el 50% de los piojos (TV50). Con respecto a las liendres, las mismas fueron expuestas durante 24 hs al vapor de las sustancias en estudio y se registró el porcentaje de mortalidad (%). La actividad repelente de los AEs y de los monoterpenoides fue medida sobre una arena experimental concéntrica diseñada para este estudio. Se midió el porcentaje de insectos que estaban en el área tratada y control, y se calculó el índice de repelencia (IR). Con respecto a la medición enzimática de la actividad de acetilcolinesterasa (AChE), la misma fue determinada por un método espectrofotométrico y cinético. En primer lugar se estudió el efecto de los monoterpenoides sobre la inhibición de la AChE de anguila eléctrica. Luego se calculó la concentración de inhibición al 50% (CI50) del compuesto más efectivo usando las enzimas de AChEs de anguila eléctrica y la extraída a partir de homogenatos de piojos. Posteriormente, se expusieron piojos a los vapores del compuesto más efectivo y a los de un compuesto organofosforado volátil (diclorvos-DDVP-) del que se conoce su gran poder inhibitotio sobre la actividad de acetilcolinestarasa. Para analizar el posible rol de las enzimas monooxigenasas en la degradación de monoterpenoides, se topicaron las formas post-embrionarias de piojos con diferentes concentraciones del butóxido de piperonilo (PBO)- un conocido inhibidor de oxidasas-, y luego los piojos fueron expuestos a los vapores del monoterpenoide más efectivo y del compuesto organofosforado diclorvos-DDVP-. Los resultados demostraron un promedio de 29,7% de los chicos analizados tenían piojos, siendo encontrados más frecuentemente en las nenas que en los varones. Los grados de resistencia (GRs) de las poblaciones estudiadas de P.h.capitis variaron desde un 28,57 hasta un 71,42 (en comparación con la cepa de referencia susceptible de P.h.humanus). No se encontraron diferencias significativas en los valores de TV50 de las poblaciones con grados de resistencia diferentes. Esto sugiere que los mecanismos de resistencia a piretroides no afectan de manera prioritaria o directa a la toxicidad a los vapores de AEs y a sus componentes. En relación a al efecto fumígeno de los AEs sobre formas eclosionadas hay que mencionar que 24 de los 49 aceites estudiados (49%) produjeron un efecto tóxico sobre los piojos resistentes a permetrina. De estos aceites los más efectivos fueron aquellos obtenidos de plantas aromáticas autóctonas tales como Cinnamomun porphyrium, Myrcianthes cisplatensis, Aloysia citriodora (quimiotipo 2), Myrcianthes pseudomato, con valores respectivos de TV50 de 1,12; 1,29; 3,02 y 4,09 m. Estos aceites fueron entre 9 y 20 veces más tóxicos que los aceites que los precedieron. En relación a los compuestos monoterpenoides con mayor actividad fumígena sobre piojos, tenemos que destacar que el 1,8-cineol y el anisol fueron los más efectivos, con TV50s de 11,1 y 12,7m. Luego estuvieron los compuestos limoneno, 1S-(-)-α- pineno, β-pineno, (+)-α-pineno, linalol, mentona, α-pineno, pulegona, β- mirceno y alcohol bencílico. El TV50 del control positivo DDVP (un conocido fumigante) fue de 40,15 m y fue menos efectivo significativamente que los compuestos más efectivos, tales como el 1,8-cineol, el anisol y el limoneno. Se halló una correlación significativa entre los valores de TV50 y la presión de vapor de estos monoterpenoides, indicando que las sustancias más efectivas son las que poseen mayor presión de vapor. Cuando se profundizó en el estudio de aceites esenciales modificados genéticamente (híbridos de Eucaliptos), se halló que los híbridos Eucalyptus grandis X Eucalyptus camaldulensis y Eucalyptus grandis X Eucalyptus tereticornis produjeron mayor volteo (TV50= 13,6 y 12,9m) que sus formas parentales con TV50s de 25,6; 31,3 y 35m. Además, se halló una correlación significativa entre el porcentaje de 1,8-cineol y el TV50 de los mismos. Con respecto a la toxicidad de los monoterpenoides sobre los embriones hay que destacar que los compuestos más efectivos y de manera similar fueron el 1,8- cineol, anisol, el α-pineno, el β-pineno, el (+)-α-pineno, el 1S-(-)- α-pineno, el anetol, la carvona, el limoneno y el linalol. Esto es similar a lo observado para formas eclosionadas. En relación con la repelencia, el aceite esencial que produjo mayor repelencia sobre piojos de la cabeza fue el obtenido de la planta exótica Mentha pulegium y no difirió significativamente del control positivo piperonal. El compuesto con mayor efectividad repelente fue el alcohol bencílico con un índice de repelencia promedio de 57,74%, seguido de (-)-mentol, mentona y (+)-mentol con valores de IR respectivos de 53,56; 39,23 y 36,45%. Las lactonas estudiadas tuvieron efecto repelente en valores similares al control positivo. Con respecto a la actividad enzimática de acetilcolinestarasa medida sobre anguila eléctrica, se encontró diferencias significativas entre los 20 monoterpenoides, siendo el 1,8-cineol el que mayor inhibición produjo con un valor de CI50=6x10־³M. EL 1,8-cineol produjo inhibición de AChE obtenida de piojos, con una CI50=7,7x10־²M. Cuando se estudio la actividad sintomatológica de intoxicación del 1,8-cineol y del organofosforado DDVP, y se procedió a medir la inhibición de la AChE de piojos, se encontró que el 13% de la AChE estaba inhibida por el 1,8-cineol, mientras que el 80% de la enzima fue inhibida por el DDVP. Estos resultados demostraron relación entre la toxicidad del monoterpeno 1,8-cineol y la inhibición de la actividad AChE de piojos, y sugieren que habría otros mecanismos asociados a la sintomatología de volteo de piojos. El análisis del rol de las oxidasas de función mixta mostró una relación creciente entre la dosis subletal topicada con butóxido de piperonilo (PBO) y el TV50 de los piojos expuestos a los vapores del 1,8-cineol y del DDVP. Esto indica la importancia de este complejo enzimático en la degradación del monoterpeno 1,8-cineol. Para finalizar, hay que resaltar que es la primera vez que se realiza un estudio de toxicidad y repelencia de aceites esenciales obtenidos de plantas aromáticas de Argentina (y de sus componentes), sobre piojos resistentes a permetrina. Adicionalmente estos resultados aportan información para avanzar en el conocimiento del efecto de los monoterpenoides sobre la actividad de la enzima acetilcolinesterasa, y del rol de las enzimas monooxigenasas en la degradación de dichos compuestos.
The human head louse, Pediculus humanus capitis De Geer (Phthiraptera: Pediculidae) is an obligate ectoparasite of humans. The infestation with head lice is unpleasant and may cause itching, prurito and secondary skin infections due to scratching of irritated scalp. Chemical control of head lice has been based on a variety of insecticides, such as organoclorides (DDT and lindane), organophosphates (malathion), carbamaes (carbaryl), natural pyrethrins and pyrethroids (deltamethrin, permethrin, d-phenothrin). The overuse of these insecticides is limited due to the development of resistant head lice populations. Alternatives to conventional insecticides might be found in aromatic plants such as essential oils (EOs) and their monoterpenoids. Some of these natural products are repellents, adulticides and ovicidal against a wide variety of pests. The aims of the present thesis were: a) to establish the biological activity of the vapour phase of the essential oils and their main compounds obtained from aromatic plants of Argentina against eggs and adults of permethrin-resistant head lice; b) to analyzed the repellent activity of the essential oils; and c) to study the mechanisms involved in the mode of action and the role of the monooxygenases in the toxicity of the monoterpenoids against head lice. Head lice were collected from from heads of infested children 3-13 yr old, using a fine toothed antilouse comb. Fourty nine essential oils were collected from in the spring season of 2003-2004 and 2006-2007 from different regions of Argentina. Twenty six monoterpenoids were purchased from Aldrich. Prior to the study of the insecticide effect of the essential oils, pediculosis percentage (evidence of at least one living head lice) was calculated, and the permethrin resistance levels of the studied populations. An enclosed chamber was employed to study the fumigant activity of EOs and their components against eggs and adults of head lice. This method allowed creating a saturated micro-atmosphere as a result of the evaporation of the essential or component. Adults and nymphs III were observed for evidence of knockdown every 5 min for 60 min. Then, time in minutes to knockdown of 50% of each unit’s subjects (KT50). With respect to the eggs, each set was exposed to the substances for 24 h and mortalitity data was recorded. Repellency of EOs and components was estimated in an experimental arena with two areas. The number of lice was recorded every 5 min and each experiment was completed within 1 h. Then, a repellency index (RI) was calculated. The inhibition of the acetylcholinesterase activity (AChE) was calculated by a spectrofotometric and kinetic method. First, the inhibition of the monoterpenoids against AChE from electric eel was measured. Then, the inhibition concentration at 50% (IC50) of the most effective monoterpenoid was recorded from either AChE from electric eel or homogenate of lice. Finally, head lice were exposed to the vapours of the most effective compound and to the organophosphate dichlorvos-DDVP-, a well known AChE inhibitor. To study the role of the monooxygenases in monoterpenoide degradation, adult insects were topicated at different piperonil butoxide (PBO) concentrations and then exposed to the vapours of the most effective monoterpenoide and DDVP. The results showed that, in average, 29.7% of the anayzed children had lice, and with the girls being more infected than boys. The resistant ratios (RRs) of the studied populations of P.h.capitis varied from 28.57% to 71.42% (in comparison with the laboratory susceptible strain of P.h.humanus). There were no significant differences among the KT50 values of the different permethrin-resistant populations. These indicate that pyrethroid-resistance mechanisms were no affected by the toxicity of the EOs and monoterpenoids. About the fumigant activity of the EOs against postembryonic insects, 24 of the 49 studied (49%) oils were effective against permetrhin-resistant head lice. Of these EOs, the most effective were from the native aromatic plants like Cinnamomun porphyrium, Myrcianthes cisplatensis, Aloysia citriodora (chemotype 2), Myrcianthes pseudomato, KT50 values of 1.12, 1.29, 3.02 and 4.09 min; respectively. The mentioned oils were 9- to 20-fold more toxic than the studied EOs. The most effective monoterpenoids were 1,8-cineole and anisole, with values of 11.1 and 12.7m; respectively. They were followed by limonene, 1S-(-)-α-pinene, β-pinene, (+)-α-pinene, linalool, mentone, α-pinene, pulegone, β-myrcene and benzyl alcohol. The KT50 value of the positive control DDVP was 40.15 min, and was less effective than the three more toxic compounds like 1,8-cineole, anisole and limonene. A positive relationship was found between the KT50 values of the effective compounds and corresponding vapour pressures, suggesting that the more volatile the compounds, the more effective it was as a fumigant. With respect to the study of the genetically modified oils (eucalypt hybrids), it is important to show that fumigant activity of the hybrids Eucalyptus grandis X Eucalyptus camaldulensis and Eucalyptus grandis X Eucalyptus tereticornis was higher (KT50= 13.6 and 12.9 min; respectively) than that for pure species (KT50= 25.6, 31.3 and 35 min). Moreover, a significant correlation was found between KT50 data and % of 1,8-cineole in the essential oils. The toxicity of the eggs revealed that the most effective monoterpenoids were anisole, α-pinene, β- pinene, (+)-α-pinene, 1S-(-)- α-pinene, anethole, carvone, limonene, linalool and 1,8-cineole. It was in accordance with the pattern found in adult head lice. The most repellent essential oil was from the exotic Mentha pulegium and it was not significantly more repellent than the positive control piperonal. The most repellent monoterpenoid was benzyl alcohol with a RI= 57.74%, followed by (-) menthol, mentone y (+)-menthol with RI values of 53.56, 39.23 and 36.45%; respectively. The studied lactones possessed similar repellent activity than the positive control. Concerning the enzymatic activity of acetylcholinesterase from electric eel, there were significant differences among the 20 studied monoterpenoids, with the 1,8-cineole as the most inhibitor with a IC50=6x10־³M. Moreover, 1,8-cineole was an inhibitor of the AChE obtained from homogenate of head lice with a IC=7.7x10־²M. The study of the sintomatology of intoxication of the 1,8-cineole and DDVP, followed by the analyses of the inhibitory activity of AChE of lice revealed that 1,8-cineole inhibited 13% of the AChE while DDVP inhibited 80%. The analysis of OFM showed a relationship between the sublethal dose of PBO and the KT50 of the exposed head lice to the vapours of 1,8-cineole and DDVP. Finally, it is important to note that it is the first study of toxicity and repellency of essential oils and their compounds obtained from aromatic plants of Argentina against permethrin-resistant head lice. Additionally, the results obtained in the present thesis bring new insight into the knowledge of the mode of action of the monoterpenoids over the acetylcholinesterase activity and the role of the monooxigenases in the degradation of the mentioned components.
Fil:Toloza, Ariel Ceferino. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.
Subject
PEDICULUS HUMANUS CAPITIS
ACEITES ESENCIALES
MONOTERPENOIDES
ACTIVIDAD FUMIGENA
REPELENCIA
MODO DE ACCION
ARGENTINA
PEDICULUS HUMANUS CAPITIS
ESSENTIAL OILS
MONOERPENOIDS
FUMIGANT ACTIVITY
REPELLENCY
MODO OF ACTION
ARGENTINA
Access level
Open access
License
http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ar
Repository
Biblioteca Digital (UBA-FCEN)
Institution
Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
OAI Identifier
tesis:tesis_n4665_Toloza