The foci of this dissertation are on advanced liquid chromatography (LC) separation and mass spectrometry (MS) techniques for the analysis of small bioactive molecules. In addition to discussing general aspects of such techniques the results from analyses of polyphenols (PPs), alkaloids and amino acids published in five appended studies are presented and discussed. High efficiency and well understood principles make LC the method of choice for separating analytes in many kinds of scientific investigations. Moreover, when LC is coupled to an MS instrument, analytes are separated in two stages: firstly they are separated and pre-concentrated in narrow bands using LC and then separated according to their mass-to-charge (m/z) ratios in the MS instrument. Some MS instruments can provide highly accurate molecular weight measurements and mass resolution allowing identification of unknown compounds based purely on MS data, thus making prior separation unnecessary. However, prior separation is essential for analyzing substances in most complex matrices – especially useful is the ultra-high performance LC (UHPLC). The advantages of using UHPLC rather than HPLC for the analysis of PPs in tea and wine were evaluated in one of the studies this thesis is based upon. The phenolic composition of red wine was also examined, using a novel LDI technique, following solid phase extraction (SPE). A class of small aromatic molecules (medicinally important alkaloids) also proved to be amenable to straightforward analysis, by thin layer chromatography (TLC) work-up followed by LDI-MS. Finally, a LC-MS method for monitoring neurotoxins (β-N-methyl-amino-L-alanine and 2,3-diaminobutyric acid) in complex biological matrices was developed and applied. Overall, the studies show that careful attention to the physicochemical properties of analytes can provide insights that can greatly facilitate the development of alternative methods to analyze them, e.g. by LDI. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: In press. Paper 5: Manuscript.</p>

myo-Inositol-1,2,3,4,5,6-hexakisphosphate (InsP6), also called phytic acid, is ubiquitous in eukaryotic cells and the most abundant inositol phosphate derivative. Loblolly pine (LP, Pinus taeda) constitutes the primary commercial species in the southern forest of U.S. Somatic embryogenesis (SE) is an effective technique to maintain the desirable genetic composition of the progeny and to accomplish the efficiency of propagation. SE can also serve as a tool for study of plant development. Unlike angiosperm embryos with attached cotyledons as seed storage organs, the diploid conifer embryo is surrounded by the unattached haploid female gametophyte (FG). In LP SE, FG tissue is absent in the embryogenic tissue culture. We found that extracts from early-stage FG stimulate growth and multiplication of early-stage somatic embryos, whereas FG water extracts from late stage contain substance(s) inhibitory to early-stage somatic embryo growth (DeSilva et al., 2007). We now present the isolation and identification of the inhibitory substance as InsP6 by means of water extraction, two gel filtrations and two ion exchange FPLC chromatographies. The results represent the first complete structural characterization of InsP6 from a natural product using LC/MS, LC/MS/MS, exact MS, 1D- and 2D-NMR analyses. We also report that there is a good correlation between the amount of InsP6 purified from FG tissue (1.3 nmoles per full-term FG) and the amount of InsP6 which inhibits somatic embryo growth. This novel approach of isolating and characterizing InsP6 from plant tissue, and investigating its role on SE can allow us to improve SE technology by circumventing current bottleneck, to elucidate enigmatic functions of InsP6 in plants, and most importantly, to utilize this molecule properly.

The co-ordination of Ni in hyperaccumulator plants was investigated using a number of mass spectrometry (MS)-based analytical techniques. Initial field studies on nickeliferous (lateritic) soils in Western Australia failed to identify plants containing elevated metal concentrations. For this reason, Ni-hyperaccumulators were collected from known ultramafic sites in New Caledonia, as well as grown under controlled conditions. Using electrospray ionization MS a Ni-nicotianamine (Ni-NA) complex [NiII(C12H20N3O6)]+ was identified in the South African Ni-hyperaccumulator Berkheya coddii. The association between Ni and NA was examined further in a range of Thlaspi species which accumulate different concentrations of Ni and Zn in their foliar tissues. In order to quantitate the concentration of NA a new liquid chromatography-MS (LC-MS) based analytical protocol was developed which allowed the quantification of NA and free amino acids. From the analysis of the leaf tissue in Thlaspi a strong correlation emerged between Ni and NA but not Zn. This suggested that NA plays a role in the transport of Ni in Ni-hyperaccumulating Thlaspi plants. An inverse proportionality was found between Fe and Ni. Higher NA production could be related to maintenance of Fe homeostasis. A correlation was also found between Zn and asparagine. These results are consistent with the operation of separate transport mechanisms for Ni and Zn. Further extreme examples of Ni-hyperaccumulation were also examined using LC-MS and metabolite profiling based on gas chromatography-MS (GC-MS). (For complete abstract open document)

The use of nanocarriers is an intriguing approach in the development of efficacious treatment for brain disorders. The aim of the conducted research was to evaluate and quantify the impact of a liposomal nanocarrier formulation on the brain drug delivery. A novel approach for investigating the blood-brain barrier transport of liposomal DAMGO is presented, including in vivo microdialysis in rat, a high quality LC-MS/MS bioanalytical method and pharmacokinetic model analysis of the data. Factors limiting the brain distribution of the free peptide DAMGO were also investigated. Microdialysis, in combination with plasma sampling, made it possible to separate the released drug from the encapsulated and to quantify the active substance in both blood and brain interstitial fluid over time. The opioid peptide DAMGO entered the brain to a limited extent, with a clearance out of the brain 13 times higher than the clearance into the brain. The brain to blood ratio of unbound drug was not affected when the efflux transporter inhibitors cyclosporine A and elacridar were co-administered with DAMGO. Nor was the transport affected in the in vitro Caco-2 assay using the same inhibitors. This indicates that DAMGO is not transported by P-glycoprotein (Pgp) or breast cancer resistant protein (Bcrp). The blood-brain barrier transport was significantly increased for DAMGO when formulated in liposomes, resulting in 2-3 fold higher brain to blood ratio of unbound DAMGO. The increased brain delivery was seen both for glutathione tagged PEGylated liposomes, as well as for PEGyalted liposomes without specific brain targeting. The improvement in brain delivery was observed only when DAMGO was encapsulated into the liposomes, thus excluding any effect of the liposomes themselves on the integrity of the blood-brain barrier. Modeling of the data provided additional mechanistic understanding of the brain uptake, showing that endocytosis or transcytosis of intact liposomes across the endothelial cell membranes were unlikely. A model describing fusion of the liposomes with the luminal membrane described the experimental data the best. In conclusion, the studies presented in this thesis all contribute to an increased understanding of how to evaluate and improve brain delivery of CNS active drugs and contribute with important insights to the nanocarrier field.

Esta tese alia dois enfoques principais dentro da Química Farmacêutica. Por um lado, busca explorar uma nova fonte de insumos naturais, cascas de Malus  domestica, com vistas a obtenção dos triterpenos ácidos ursólico (AU) e betulínico (AB); e por outro lado, estuda a relação dos derivados triterpênicos semissintéticos obtidos com a proteína-alvo (PfATP6) destacada atualmente na literatura da terapia da malária com vistas ao planejamento de novos antimaláricos. O primeiro Capítulo inclui o desenvolvimento de um método eficiente, fácil e extremamente rápido onde são combinadas as técnicas de extração por ultrassom (UAE) e análise por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência Acoplada a Detector de Espectroscopia de Massas (LC-MS), para identificação e doseamento dos ácidos ursólico (AU) e betulínico (BA) em extratos de cascas frescas de maçã de cinco clones das cultivares Gala e Fuji (“Baigent”, “Fuji Mishima”, “Fuji Suprema”, “Fuji Select” and “Maxi Gala”) oriundas da Região Sul do Brasil. Os parâmetros cromatográficos do método analítico incluem: ionização por eletro spray em modo positivo (ESI+), fluxo de 1,0 mL/min, em modo de eluição isocrático, consistindo de 80% acetonitrila e 20% acetato de amônio 10 mM em pH 6,0 e temperatura ambiente. O método desenvolvido foi validado e mostrou ser seletivo, sensível (LOD e LOQ de 0,087 e 0,266 μg/mL para BA, e 0,398 e 2,117 μg/ mL para UA), coeficiente de regressão linear (r >0.99), preciso, exato e robusto para os analitos de interesse. A otimização do método combinado de UAE com LC-MS permitiu concluir os procedimentos de extração e análise em tempo inferior a 4 h, uma vez que o método não requer a secagem da amostra, etapa que demanda longos tempos de processamento. Este método foi aplicado e forneceu a primeira caracterização fitoquímica dos cinco clones de maçã estudados. Os resultados demonstraram que o método combinado de UAE-LC-MS é adequado às práticas do controle de qualidade. O segundo Capítulo apresenta o estudo da interação dos ligantes semissintéticos derivados dos AU e AB, sintetizados pelo nosso grupo de pesquisa, com a proteína Ca2+-ATPase do Plasmodium falciparum (PfATP6), através do emprego da técnica de Docking Molecular. A PfATP6 é descrita como um importante alvo para novos antimaláricos como Artemisinina (ART), cujo mecanismo de ação inclui, dentre outros, a modulação da homeostasia do cálcio intracelular. Investigações conduziram à hipótese do extravasamento do cálcio, do interior do retículo sarco-endoplasmático como mecanismo plausível para ação dos derivados triterpênicos do AU e AB. Os escores de energia determinados no Docking, de cada um dos nove ligantes (derivados triterpênicos) e quatro compostos de controle (ácidos ursólico e betulínico, artemisinina (ART) e tapsigargina (TPG) foram determinados (análises realizadas em triplicata) e correlacionados com os valores de IC50, para a atividade antimalárica. Os resultados mostraram excelente correlação entre os escores de energia (com a PfATP6) e os valores de IC50, superior a 80% (r > 0,83360). O estudo fornece fortes evidências de que a PfATP6 pode constituir um alvo para os derivados pentacíclicos do estudo, bem como permitiu identificar o perfil conformacional dos ligantes e os principais resíduos do sítio de ligação (SL) da PfATP6 envolvidos nas interações; bem como, contribuiu para a melhor compreensão das propriedades envolvidas na interação do ligante com o receptor e mecanismo de ação. O terceiro Capítulo faz uso de Métodos Clássicos e Quânticos para descrever as mudanças conformacionais da proteína PfATP6. As simulações de Dinâmica Molecular do receptor na forma isolada e complexada com os ligantes foram realizadas durante 10 ns. As conformações finais obtidas para os receptores foram avaliadas em termos RMSD, efeito da presença dos ligantes no sítio de ligação e tipos de interações estabelecidas entre o ligante e o receptor. Os resultados mostraram que as proteínas PfATP6 e SERCA tendem a manter sua conformação nativa e que o modelo utilizado é adequado aos propósitos do estudo. O monitoramento dos resíduos da região citoplasmática das proteínas permitiu evidenciar o efeito alostérico da presença dos ligantes AU e ART no SL, sobre os domínios A e N, da PfATP6. Esse efeito reproduz as conformações E1 e E2, bem estabelecidas para PfATP6, na presença e ausência de Ca2+. As análises de Dinâmica Molecular corroboram os achados do Capítulo II ao evidenciarem o estabelecimento de interações de hidrogênio com os resíduos importantes do SL da PfATP6. Esses resultados fundamentam os indícios de que as bombas de Ca2+-ATPase (SERCA), possam ser de fato, um alvo para os derivados triterpênicos dos AU e AB. / This thesis combines two main focuses within Pharmaceutical Chemistry. On the one hand, it seeks to explore a new source of natural inputs, bark of Malus domestica, in order to obtain ursolic (UA) and betulinic acid (BA) triterpenes. On the other hand, it studies the relation of the semi-synthetic triterpenic derivatives obtained with the target proteins (PfATP6), currently highlighted in the literature on malaria therapy with a view to planning new antimalarial drugs. The first chapter includes the development of an efficient, easy and extremely fast method where ultrasonic extraction techniques (UAE) and high-performance liquid chromatography coupled to mass spectroscopy (LC-MS) are combined for identification and assay of ursolic acid (UA) and betulinic acid (BA) in fresh apple peel extracts from five clones of the Gala and Fuji cultivars (Baigent, Fuji Mishima, Fuji Suprema, Fuji Select and Maxi Gala ") in the Southern Region of Brazil. Chromatographic parameters of the analytical method include: electrospray ionization (ESI +), flow rate of 1.0 mL/min in isocratic elution mode, consisting of 80% acetonitrile and 20% 10 mM ammonium acetate at pH 6.0 and room temperature. The method was validated and proved to be selective, sensitive (LOD and LOQ of 0.087 and 0.266 μg/mL for BA, and 0.398 and 2.117 μg/mL for UA), linear regression coefficient (r> 0.99), accurate, robust for analytes of interest. The optimization of the combined method of UAE with LC-MS allowed to complete the procedures of extraction and analysis in less than 4 h, since the method does not require drying the sample, a stage that demands long processing times. This method was applied and provided the first phytochemical characterization of the five apple clones studied. The results demonstrated that the combined UAE-LC-MS method is suitable for quality control practices. The second chapter presents the study of the interaction of the semi-synthetic ligands derived from the UA and BA, synthesized by our research group, with the Plasmodium falciparum Ca2+-ATPase protein (PfATP6), using the Molecular Docking technique. PfATP6 is described as an important target for new antimalarials such as Artemisinin (ART), whose action mechanism includes, among others, the modulation of intracellular calcium homeostasis. Investigations led to the hypothesis of extravasation of calcium from the interior of the sarco-endoplasmic reticulum as a plausible mechanism for the action of the triterpenic derivatives of UA and BA. The Docking energy scores (binding energy) of each of the nine ligands (triterpenic derivatives) and four control compounds (ursolic and betulinic acids, artemisinin (ART) and tapsigargine (TPG)) with PfATP6, were calculated (analyses performed in triplicate) and correlated with its antimalarial IC50 value. The results showed an excellent correlation between energy scores (with PfATP6) and IC50 values, higher than 80% (r > 0.83360). The study supplies strong evidence that PfATP6 may be a target for the pentacyclic derivatives of the study, and also allowed identifying the conformational profile of the ligands and the main residues of the PfATP6 binding site (BS) involved in the interactions. It further contributed to a better understanding of the properties involved in the interaction of the ligand with the receptor and its action mechanism. The third chapter uses Classical and Quantum Methods to describe the conformational changes of the PfATP6 protein. The Molecular Dynamics simulations of the receptor in the isolated and complexed form with the ligands were performed for 10 ns. The final conformations obtained for the receptors were evaluated in RMSD terms, effect of the presence of ligands at the binding site and types of interactions established between the ligand and the receptor. The results showed that the PfATP6 and SERCA proteins tend to maintain their native conformations and that the model used is adequate for the purposes of the study. The monitoring of the residues of the cytoplasmic region of the proteins allowed evidencing the allosteric effect of the presence of UA and ART ligands in BS, on the A- and N-domains of PfATP6. This effect reproduces the well-established E1 and E2 conformations for PfATP6, in the presence and absence of Ca2+, respectively. Molecular Dynamics analyses corroborate the findings of Chapter II, by showing the possibility of establishing hydrogen interactions with the important residues of PfATP6 BS. These results support the evidence that Ca2+-ATPase (SERCA) pumps may be a target for the triterpenic derivatives of UA and BA.

A malária, causada por protozoários intracelulares do gênero Plasmodium, é uma das doenças tropicais mais devastadoras existentes. Mais de 3 bilhões de pessoas vivem em regiões endêmicas para a malária. Cinco espécies de Plasmodium (falciparum, vivax, ovale, malariae e knowlesi) causam doenças em humanos e a infecção com P. falciparum, o mais letal desses parasitas, resulta em mais de 1 milhão de mortes anualmente. O desenvolvimento de resistência aos fármacos antimaláricos tradicionais, leva ao uso de combinações de fármacos como a quinina (QN) e a doxiciclina (DOX). Nesse contexto, os objetivos deste trabalho foram desenvolver e caracterizar formulação de nanopartículas lipídicas sólidas (NLS) contendo a associação de QN/DOX, avaliar sua eficácia em um modelo in vivo de malária berghei, determinar a sua farmacocinética e o coeficiente de partição nos eritrócitos dos fármacos livres e nanoencapsulados. A formulação de NLS contendo QN/DOX (2,0/0,2 mg/mL) foi preparada pela técnica de homogeneização a alta pressão, utilizando polissorbato 80 e Lipoid® como emulsionantes e palmitato de cetila como matriz lipídica. No estudo preliminar de estabilidade, a formulação de NLS contendo QN/DOX apresentou tamanho de partícula adequado (152,8 ± 5,26 nm), índice de polidispersão (0,173 ± 0,006), potencial zeta (-38,6 ± 1,82 mV), alto conteúdo dos fármacos (95,9% ± 0,70/ 94,1% ± 2,41) e adequada eficiência de encapsulação (94,2% ± 1,14/83,0% ± 2,52), após 21 dias de armazenamento em temperatura ambiente. Para a análise do teor um método rápido e específico de cromatografia líquida-acoplada a espectrometria de massa (LC-MS/MS) foi desenvolvido e validado para a determinação simultânea de QN e DOX nas formulações. O método por LC-MS/MS utilizou coluna Waters Sun Fire C18 (50 mm x 3,0 mm de diâmetro) e a fase móvel foi composta de acetonitrila:ácido fórmico 0,1% (75:25, v/v), no fluxo de 0,45 mL/min (split 1:3). O volume de injeção foi de 10 μL. Ratos Wistar infectados por P. berghei foram utilizados para avaliar a eficácia da formulação de NLS contendo QN/DOX utilizando diferentes regimes de dose. As doses efetivas da formulação, i.v. (75/7,5 mg/kg/dia) e oral (105/10,5 mg/kg/dia), representam uma redução de quase 30% em comparação com os fármacos livres utilizados em associação. A farmacocinética foi avaliada após a administração dos fármacos livres ou nanoencapsulados pela vias i.v. (10/1 mg/ kg) e oral (25/2,5 mg/kg) em ratos Wistar infectados. Para a quantificação das amostras de plasma dos ratos, método por LC-MS/MS foi desenvolvido e validado. A QN, a DOX e a cimetidina (padrão interno, PI) foram extraídos do plasma através de precipitação de proteínas e a fase móvel consistiu de metanol/ácido fórmico 0,1% (70:30, v/v), no fluxo de 0,5 mL / min (split 1:3). A detecção foi realizada através da ionização por electrospray positivo, no modo de monitoramento de reações múltiplas, onde foram monitoradas as transições 325,0>307,0, 445,0>428,1 e 252,8>159,0, para QN, DOX e PI, respectivamente. A análise foi realizada em 2,0 min e o método foi linear na faixa de concentração plasmática entre 5-5000 ng/mL. Nenhuma alteração significativa dos parâmetros farmacocinéticos foi observada para ambos os fármacos e vias de administração, após a nanoencapsulação. O coeficiente de partição da QN nos eritrócitos infectados por P. berghei aumentou (5,53 ± 0,28) quando a formulação de NLS contendo QN/DOX foi usada em comparação com os fármacos livres em associação (3,81± 0,23). Nenhuma alteração significativa na penetração intraeritrocitária da DOX foi observada com a nanoencapsulação. Os resultados demonstram que a nanoencapsulação da QN/DOX em NLS diminui a dose efetiva para o tratamento da malária, sendo uma alternativa interessante a ser investigada para o tratamento da malária falciparum resistente. / Malaria is one of the most devastating tropical diseases caused by intracellular protozoan parasites of the genus Plasmodium. More than 3 billion people live in malarial endemic regions. Five species of Plasmodium (falciparum, vivax, ovale, malariae and knowlesi) cause disease in humans and infection with P. falciparum, the most deadly of these parasites, results in more than 1 million deaths annually. The development of resistance to traditional antimalarial drugs leads to the use of drug combinations such as quinine (QN)/doxycycline (DOX). In this context, the aims of this work were to develop and characterize solid lipid nanoparticles (SLN) loaded with QN/ DOX, to evaluate their efficacy in an in vivo model of berghei malaria, and to determine their pharmacokinetics and erythrocyte partition coefficient compared to the non-encapsulated (free) drug association. The SLN were prepared by high pressure homogenization technique using polysorbate 80 and Lipoid® as emulsifiers and cetyl palmitate as lipid matrix. In the preliminary stability study, QN/DOX-loaded SLN (2.0/0.2 mg/mL) presented adequate particle size (152.8 ± 5.26 nm), polydispersion index (0.173 ± 0.006), zeta potential (-38.6 ± 1.82 mV), high drug content (95.9% ± 0.70/94.1% ± 2.41) and appropriate encapsulation efficiency (94.2% ± 1.14/83.0% ± 2.52) after 21 days of storage at room temperature. For the assay analysis, a fast and specific liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) method was developed and validated for the simultaneous determination of QN and DOX. The LC-MS/MS method was carried out on a Sun Fire Waters C18 column (50 mm x 3.0 mm I.D.) and the mobile phase consisted of acetonitrile:0.1% formic acid (75:25, v/v), run at a flow rate of 0.45 mL/min (split 1:3). The injection volume was 10 μL. Plasmodium berghei infected Wistar rats were used to evaluate the efficacy of QN/DOX-loaded SLN using different dosing regimens. The effective QN/DOX-loaded SLN i.v. (75/7.5 mg/kg/day) and oral (105/10.5 mg/kg/day) doses represent an almost 30% reduction compared to the free drugs in association. Plasma pharmacokinetics was evaluated after administration of free or nanoencapsulated QN/DOX by i.v. (10/1 mg/kg) and oral (25/2.5 mg/kg) routes to infected Wistar rats. For the quantification of the rat plasma samples, a fast, sensitive and specific LC-MS-MS method was developed and validated for the determination of QN and DOX. QN, DOX and cimetidine (internal standard, IS) were extracted from the plasma by protein precipitation and the mobile phase consisted of methanol/formic acid 0.1% (70:30, v/v), run at a flow rate of 0.5 mL/min (split 1:3). Detection was carried out by positive Electrospray Ionization in multiple reaction monitoring mode, monitoring the transitions 325.0>307.0, 445.0>428.1 and 252.8>159.0, for QN, DOX and IS, respectively. The analysis was carried out in 2.0 min and the method was linear in the plasma concentration range of 5-5000 ng/mL. No significant alteration of pharmacokinetic parameters was observed for both drugs and routes of dosing after nanoencapsulation. QN partition coefficient into P. berghei infected erythrocyte was increased (5.53 ± 0.28) when the QN/DOX-loaded SLN was used in comparison with the free drugs in association (3.81 ± 0.23). No significant alteration on DOX erythrocyte partition coefficient was observed. In summary, the results showed that QN/DOX nanoencapsulation into SLN allows the reduction of the effective antimalarial dose being an interesting alternative to be investigated for the treatment of falciparum resistant malaria.

A presença de compostos de uso veterinário em produtos de origem animal é uma grande preocupação em termos de saúde pública. A utilização descontrolada de antibióticos como medicamentos veterinários pode levar ao desenvolvimento de resistência bacteriana, podendo prejudicar a eficácia destas drogas no uso em humanos. Os aminoglicosídeos são antibióticos extensivamente utilizados na criação de animais para o tratamento de infecções bacterianas ou para a promoção do crescimento. A União Europeia estabeleceu níveis máximos de resíduos permitidos (LMRs) para os aminoglicosídeos em vários alimentos de origem animal. O governo brasileiro implementou um plano de controle que avalia os resíduos de medicamentos veterinários em produtos de origem animal. Neste trabalho, foram desenvolvidos método quantitativo por cromatografia a líquido acoplada a espectrometria de massas triplo quadrupolo em modo tandem (LC-MS/MS) e método de screening utilizando cromatografia a líquido acoplada a espectrometria de massas com analisador por tempo-de-voo (LC-qTOF-MS) para a determinação simultânea dos aminoglicosídeos espectinomicina, tobramicina, gentamicina, kanamicina, higromicina, apramicina, estreptomicina, diidroestreptomicina, amicacina e neomicina em leite e em músculo bovino, de aves e suíno. Como método de extração utilizou-se procedimento com ácido tricloroacético e clean up por precipitação a baixa temperatura e C18 a granel. Os métodos por LC-MS/MS e LC-qTOF-MS foram validados de acordo com a Diretiva da Comissão Europeia 2002/657/CE. Os resultados obtidos no método quantitativo para recuperação, precisão, linearidade, especificidade, limites de decisão (CCα) e capacidades de detecção (CCβ) nestas matrizes foram considerados satisfatórios. Os dados de limite de detecção (LOD) e limite de quantificação (LOQ) foram estabelecidos a partir dos LMRs, variando de 5 a 100 ng g-1 para LOD e 12,5 a 250 ng g-1 para LOQ. As recuperações variaram de 36,8 a 98%, e os coeficientes de variação ficaram entre 0,9 e 20,2%, observando-se que todas as curvas foram feitas com nas próprias matrizes a fim de minimizar os efeitos de matriz que são intrínsecos para os casos estudados neste trabalho. Os valores de CCβ obtidos no método qualitativo foram entre 25 e 250 ng g-1, considerados satisfatórios para os analitos nessas matrizes. O método proposto mostrou-se simples, fácil e adequado para a análise de um grande número de amostras por dia a um baixo custo. / The presence of several substances in animal products has been a major public concern. The use of antibiotics drugs as veterinary medicines might lead to the development of bacterial resistance, which might undermine the efficacy of these drugs in human use. The aminoglycosides are antibiotics that have been extensively employed in animal husbandry for the treatment of bacterial infections, but also as growth promotion. The European Union has issued strict maximum residue levels (MRLs) for aminoglycosides in several animal origin products. The Brazilian government implemented a control plan that assesses the residues of veterinary medicines in animal products. A quantitative method based on liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC–MS/MS) and a screening method by liquid chromatography mass spectrometry with time-of-flight system (LC-qTOF-MS) has been developed for simultaneous determination of the aminoglycosides spectonomycin, tobramycin, gentamicin, kanamycin, hygromycin, apramycin, streptomycin, dihydrostreptomycin, amikacin and neomycin in milk and in bovine, poultry and swine muscles. A simple extraction method was developed using trichloroacetic acid and clean up with low temperature precipitation and C18 bulk. The LC–MS/MS and LC-qTOF-MS methods were validated according to the European Union Commission Directive 2002/657/EC. Adequate performance characteristics were obtained for recovery, precision, calibration curve, specificity, decision limits (CCα) and detection capabilities (CCβ) in all matrices tested. The detection limit (LOD) and limits of quantification (LOQ) was established from MRL ranging from 5 to 100 ng g-1 for LOD and 12.5 to 250 ng g-1 to LOQ. Recoveries ranged from 36.8 to 98.0% and the coefficient of variation from 0.9 to 20.2%, noting that all curves have been made into their own matrices in order to minimize the matrix effects which are intrinsic to the cases studied in this work. The CCβ values obtained in qualitative method were between 25 and 250 ng g-1, considered satisfactory for the analytes in those matrices. The proposed method proved to be simple, easy, and adequate for high-throughput analysis of a large number of samples per day at low cost.

Esta tese alia dois enfoques principais dentro da Química Farmacêutica. Por um lado, busca explorar uma nova fonte de insumos naturais, cascas de Malus  domestica, com vistas a obtenção dos triterpenos ácidos ursólico (AU) e betulínico (AB); e por outro lado, estuda a relação dos derivados triterpênicos semissintéticos obtidos com a proteína-alvo (PfATP6) destacada atualmente na literatura da terapia da malária com vistas ao planejamento de novos antimaláricos. O primeiro Capítulo inclui o desenvolvimento de um método eficiente, fácil e extremamente rápido onde são combinadas as técnicas de extração por ultrassom (UAE) e análise por Cromatografia Líquida de Alta Eficiência Acoplada a Detector de Espectroscopia de Massas (LC-MS), para identificação e doseamento dos ácidos ursólico (AU) e betulínico (BA) em extratos de cascas frescas de maçã de cinco clones das cultivares Gala e Fuji (“Baigent”, “Fuji Mishima”, “Fuji Suprema”, “Fuji Select” and “Maxi Gala”) oriundas da Região Sul do Brasil. Os parâmetros cromatográficos do método analítico incluem: ionização por eletro spray em modo positivo (ESI+), fluxo de 1,0 mL/min, em modo de eluição isocrático, consistindo de 80% acetonitrila e 20% acetato de amônio 10 mM em pH 6,0 e temperatura ambiente. O método desenvolvido foi validado e mostrou ser seletivo, sensível (LOD e LOQ de 0,087 e 0,266 μg/mL para BA, e 0,398 e 2,117 μg/ mL para UA), coeficiente de regressão linear (r >0.99), preciso, exato e robusto para os analitos de interesse. A otimização do método combinado de UAE com LC-MS permitiu concluir os procedimentos de extração e análise em tempo inferior a 4 h, uma vez que o método não requer a secagem da amostra, etapa que demanda longos tempos de processamento. Este método foi aplicado e forneceu a primeira caracterização fitoquímica dos cinco clones de maçã estudados. Os resultados demonstraram que o método combinado de UAE-LC-MS é adequado às práticas do controle de qualidade. O segundo Capítulo apresenta o estudo da interação dos ligantes semissintéticos derivados dos AU e AB, sintetizados pelo nosso grupo de pesquisa, com a proteína Ca2+-ATPase do Plasmodium falciparum (PfATP6), através do emprego da técnica de Docking Molecular. A PfATP6 é descrita como um importante alvo para novos antimaláricos como Artemisinina (ART), cujo mecanismo de ação inclui, dentre outros, a modulação da homeostasia do cálcio intracelular. Investigações conduziram à hipótese do extravasamento do cálcio, do interior do retículo sarco-endoplasmático como mecanismo plausível para ação dos derivados triterpênicos do AU e AB. Os escores de energia determinados no Docking, de cada um dos nove ligantes (derivados triterpênicos) e quatro compostos de controle (ácidos ursólico e betulínico, artemisinina (ART) e tapsigargina (TPG) foram determinados (análises realizadas em triplicata) e correlacionados com os valores de IC50, para a atividade antimalárica. Os resultados mostraram excelente correlação entre os escores de energia (com a PfATP6) e os valores de IC50, superior a 80% (r > 0,83360). O estudo fornece fortes evidências de que a PfATP6 pode constituir um alvo para os derivados pentacíclicos do estudo, bem como permitiu identificar o perfil conformacional dos ligantes e os principais resíduos do sítio de ligação (SL) da PfATP6 envolvidos nas interações; bem como, contribuiu para a melhor compreensão das propriedades envolvidas na interação do ligante com o receptor e mecanismo de ação. O terceiro Capítulo faz uso de Métodos Clássicos e Quânticos para descrever as mudanças conformacionais da proteína PfATP6. As simulações de Dinâmica Molecular do receptor na forma isolada e complexada com os ligantes foram realizadas durante 10 ns. As conformações finais obtidas para os receptores foram avaliadas em termos RMSD, efeito da presença dos ligantes no sítio de ligação e tipos de interações estabelecidas entre o ligante e o receptor. Os resultados mostraram que as proteínas PfATP6 e SERCA tendem a manter sua conformação nativa e que o modelo utilizado é adequado aos propósitos do estudo. O monitoramento dos resíduos da região citoplasmática das proteínas permitiu evidenciar o efeito alostérico da presença dos ligantes AU e ART no SL, sobre os domínios A e N, da PfATP6. Esse efeito reproduz as conformações E1 e E2, bem estabelecidas para PfATP6, na presença e ausência de Ca2+. As análises de Dinâmica Molecular corroboram os achados do Capítulo II ao evidenciarem o estabelecimento de interações de hidrogênio com os resíduos importantes do SL da PfATP6. Esses resultados fundamentam os indícios de que as bombas de Ca2+-ATPase (SERCA), possam ser de fato, um alvo para os derivados triterpênicos dos AU e AB. / This thesis combines two main focuses within Pharmaceutical Chemistry. On the one hand, it seeks to explore a new source of natural inputs, bark of Malus domestica, in order to obtain ursolic (UA) and betulinic acid (BA) triterpenes. On the other hand, it studies the relation of the semi-synthetic triterpenic derivatives obtained with the target proteins (PfATP6), currently highlighted in the literature on malaria therapy with a view to planning new antimalarial drugs. The first chapter includes the development of an efficient, easy and extremely fast method where ultrasonic extraction techniques (UAE) and high-performance liquid chromatography coupled to mass spectroscopy (LC-MS) are combined for identification and assay of ursolic acid (UA) and betulinic acid (BA) in fresh apple peel extracts from five clones of the Gala and Fuji cultivars (Baigent, Fuji Mishima, Fuji Suprema, Fuji Select and Maxi Gala ") in the Southern Region of Brazil. Chromatographic parameters of the analytical method include: electrospray ionization (ESI +), flow rate of 1.0 mL/min in isocratic elution mode, consisting of 80% acetonitrile and 20% 10 mM ammonium acetate at pH 6.0 and room temperature. The method was validated and proved to be selective, sensitive (LOD and LOQ of 0.087 and 0.266 μg/mL for BA, and 0.398 and 2.117 μg/mL for UA), linear regression coefficient (r> 0.99), accurate, robust for analytes of interest. The optimization of the combined method of UAE with LC-MS allowed to complete the procedures of extraction and analysis in less than 4 h, since the method does not require drying the sample, a stage that demands long processing times. This method was applied and provided the first phytochemical characterization of the five apple clones studied. The results demonstrated that the combined UAE-LC-MS method is suitable for quality control practices. The second chapter presents the study of the interaction of the semi-synthetic ligands derived from the UA and BA, synthesized by our research group, with the Plasmodium falciparum Ca2+-ATPase protein (PfATP6), using the Molecular Docking technique. PfATP6 is described as an important target for new antimalarials such as Artemisinin (ART), whose action mechanism includes, among others, the modulation of intracellular calcium homeostasis. Investigations led to the hypothesis of extravasation of calcium from the interior of the sarco-endoplasmic reticulum as a plausible mechanism for the action of the triterpenic derivatives of UA and BA. The Docking energy scores (binding energy) of each of the nine ligands (triterpenic derivatives) and four control compounds (ursolic and betulinic acids, artemisinin (ART) and tapsigargine (TPG)) with PfATP6, were calculated (analyses performed in triplicate) and correlated with its antimalarial IC50 value. The results showed an excellent correlation between energy scores (with PfATP6) and IC50 values, higher than 80% (r > 0.83360). The study supplies strong evidence that PfATP6 may be a target for the pentacyclic derivatives of the study, and also allowed identifying the conformational profile of the ligands and the main residues of the PfATP6 binding site (BS) involved in the interactions. It further contributed to a better understanding of the properties involved in the interaction of the ligand with the receptor and its action mechanism. The third chapter uses Classical and Quantum Methods to describe the conformational changes of the PfATP6 protein. The Molecular Dynamics simulations of the receptor in the isolated and complexed form with the ligands were performed for 10 ns. The final conformations obtained for the receptors were evaluated in RMSD terms, effect of the presence of ligands at the binding site and types of interactions established between the ligand and the receptor. The results showed that the PfATP6 and SERCA proteins tend to maintain their native conformations and that the model used is adequate for the purposes of the study. The monitoring of the residues of the cytoplasmic region of the proteins allowed evidencing the allosteric effect of the presence of UA and ART ligands in BS, on the A- and N-domains of PfATP6. This effect reproduces the well-established E1 and E2 conformations for PfATP6, in the presence and absence of Ca2+, respectively. Molecular Dynamics analyses corroborate the findings of Chapter II, by showing the possibility of establishing hydrogen interactions with the important residues of PfATP6 BS. These results support the evidence that Ca2+-ATPase (SERCA) pumps may be a target for the triterpenic derivatives of UA and BA.

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Para isso, buscou-se identificar diferen?as bacterianas quando submetidas a uma fonte de estresse a partir de diferentes t?cnicas anal?ticas. A primeira abordagem foi realizada partindo da bioespectroscopia, utilizando-se de dados espectrosc?picos obtidos na regi?o do infravermelho. A bioespectroscopia na regi?o do infravermelho ? descrita como uma t?cnica n?o invasiva, de alto rendimento, baixo custo (quando comparado com t?cnica padr?es de an?lise) e objetivas, e que possui um enorme potencial na an?lise de bact?rias, complementando ou mesmo substituindo m?todos de diagn?stico de doen?as convencionalmente conduzidos por especialistas atrav?s de m?todos padr?es de an?lises de alto custo e que necessitam de reagentes espec?ficos. Os dados obtidos a partir da bioespectroscopia em amostras bacterianas s?o complexos e apresentam muitas bandas de sobreposi??o sendo necess?ria a aplica??o de ferramentas matem?ticas para superar estas dificuldades. Para isso, algumas ferramentas matem?ticas, como os m?todos de sele??o de vari?veis, que utilizam a an?lise discriminante linear com Algoritmo de Proje??o Sucessiva (SPA-LDA) e Algoritmo Gen?tico (GA-LDA), geralmente s?o utilizadas com a finalidade de facilitando a extra??o de informa??es relevantes. A espectroscopia na regi?o do infravermelho, em espec?fico infravermelho pr?ximo (NIR) e infravermelho com trasformata de Fourier e reflect?ncia total atenuada (ATR-FTIR), em conjunto com m?todos de sele??o de vari?veis (SPA-LDA e GA-LDA) foram utilizadas na discrimina??o de amostras de bact?rias (Sthaphylococcus aureus, Klebsiella pneumoneae e Pseudomonas aeruginosa). Foram identificados prov?veis biomarcadores como lip?deos e prote?nas em ~1550 cm-1 e 1400 cm-1 e vibra??es de DNA em ~1080 cm-1. Valores de sensibilidade de 75% e 95% para modelos de SPA-LDA e 100% e 93% para modelos GA-LDA foram encontrados. Com base nesses resultados, pode-se concluir que o SPA-LDA e GA-LDA em conjunto com a espectroscopia na regi?o do infravermelho mostraram-se ferramentas eficientes melhorando o tempo e custo de diagn?stico possibilitando o tratamento mais r?pido em rela??o aos m?todos padr?es de diagn?stico e, consequentemente, sendo poss?vel evitar a evolu??o de uma poss?vel infec??o. A segunda abordagem foi avaliar poss?veis mudan?as no perfil lipid?mico de bact?rias resultante de sua exposi??o a uma fonte de estresse externa (Ars?nio (III)), utilizando as cianobact?rias Anabaena sp. e Planktothrix agardhii. Os dados foram obtidos a partir a Cromatografia L?quida- Espectrometria de Massas (LC-MS) que por gerar uma matriz de dados muito extensa foi necess?ria a utiliza??o de uma estrat?gia de sele??o proposta recentemente, definida como ROI (do ingl?s regions of interests) que diminui significativamente o tamanho da matriz de dados obtidas por LC-MS. Resolu??o Multivariada de Curvas com M?nimos Quadrados Alternantes (MCR-ALS) foi utilizado como m?todo de resolu??o das fontes de varia??o, recuperando as informa??es de seus componentes puros que se encontravam misturadas. As massas majorit?rias encontradas, sendo algumas delas 766.54, 565.40 e 871.56 (m/z), determinam que as cianobact?rias estudadas, ao serem submetidas a As(III), sofrem mudan?as relacionadas a estruturas que comp?em os processos fotossint?ticos das mesmas. / This doctoral thesis is a theoretical-practical contribution for the development of studies that use bioanalytical, particularly biological materials from bacteria, which can be isolated, DNA, among others, in conjunction with chemistry analysis tools. For this, it was sought to identify bacterial differences when submitted to a source of stress from different analytical techniques. The first approach was based on biospectroscopy, using spectroscopic data obtained in the infrared region. Biospectroscopy in the infrared region is described as a non-invasive, high-throughput, low-cost (when compared with standard analytical techniques) and objective techniques, and has a huge potential in the analysis of bacteria, complementing or even replacing diagnostic methods of diseases conventionally conducted by skilled persons by standard methods of expensive analyzes and requiring specific reagents. The data obtained from biospectroscopy in bacterial samples are complex and have many overlapping bands and it is necessary to apply mathematical tools to overcome these difficulties. For this, some mathematical tools, such as variable selection methods, using Linear Discriminant Analysis with Successive Projection Algorithm (SPA-LDA) and Genetic Algorithm (GA-LDA), are generally used for the purpose of solving these data, facilitating the extraction of information. Infrared spectroscopy, in specific Near Infrared (NIR) and infrared spectroscopy with Fourier transform and Attenuated Total Reflectance (ATR- FTIR), in conjunction with variable selection methods (SPA-LDA and GA-LDA) was used in the discrimination of bacterial samples (Sthaphylococcus aureus, Klebsiella pneumoneae and Pseudomonas aeruginosa). Possible biomarkers such as lipids and proteins were identified at ~ 1550 cm -1 and 1400 cm -1 and DNA vibrations at ~ 1080 cm -1. Sensitivity values of 75% and 95% for SPA-LDA models and 100% and 93% for GA-LDA models were found. Based on these results, it can be concluded that the SPA-LDA and GA- LDA in conjunction with the infrared spectroscopy showed efficient tools improving the time and cost of diagnosis allowing the treatment faster than the standard methods of diagnosis, and consequently, it is possible to avoid the evolution of a possible infection. The second approach was to evaluate possible changes in the lipid profile of bacteria resulting from its exposure to an external stress source (Arsenic (III)), using the cyanobacteria Anabaena sp. and Planktothrix agardhii. The data were obtained from Liquid Chromatography-Mass Spectrometry (LC-MS), which, in order to generate a very extensive data matrix, required the use of a recent selection strategy, defined as ROI (regions of interest), which significantly decreased the Size of the data matrix obtained by LC-MS. Multivariate Curve Resolution - Alternating Least Squares (MCR-ALS) was used as a method to solve variation sources, retrieving the information of its pure components that were mixed. The majority masses found, such as 766.54, 565.40 and 871.56 (m/z), determine that the studied cyanobacteria, when subjected to As (III), undergo changes related to structures that make up the photosynthetic processes of the same.

A malária, causada por protozoários intracelulares do gênero Plasmodium, é uma das doenças tropicais mais devastadoras existentes. Mais de 3 bilhões de pessoas vivem em regiões endêmicas para a malária. Cinco espécies de Plasmodium (falciparum, vivax, ovale, malariae e knowlesi) causam doenças em humanos e a infecção com P. falciparum, o mais letal desses parasitas, resulta em mais de 1 milhão de mortes anualmente. O desenvolvimento de resistência aos fármacos antimaláricos tradicionais, leva ao uso de combinações de fármacos como a quinina (QN) e a doxiciclina (DOX). Nesse contexto, os objetivos deste trabalho foram desenvolver e caracterizar formulação de nanopartículas lipídicas sólidas (NLS) contendo a associação de QN/DOX, avaliar sua eficácia em um modelo in vivo de malária berghei, determinar a sua farmacocinética e o coeficiente de partição nos eritrócitos dos fármacos livres e nanoencapsulados. A formulação de NLS contendo QN/DOX (2,0/0,2 mg/mL) foi preparada pela técnica de homogeneização a alta pressão, utilizando polissorbato 80 e Lipoid® como emulsionantes e palmitato de cetila como matriz lipídica. No estudo preliminar de estabilidade, a formulação de NLS contendo QN/DOX apresentou tamanho de partícula adequado (152,8 ± 5,26 nm), índice de polidispersão (0,173 ± 0,006), potencial zeta (-38,6 ± 1,82 mV), alto conteúdo dos fármacos (95,9% ± 0,70/ 94,1% ± 2,41) e adequada eficiência de encapsulação (94,2% ± 1,14/83,0% ± 2,52), após 21 dias de armazenamento em temperatura ambiente. Para a análise do teor um método rápido e específico de cromatografia líquida-acoplada a espectrometria de massa (LC-MS/MS) foi desenvolvido e validado para a determinação simultânea de QN e DOX nas formulações. O método por LC-MS/MS utilizou coluna Waters Sun Fire C18 (50 mm x 3,0 mm de diâmetro) e a fase móvel foi composta de acetonitrila:ácido fórmico 0,1% (75:25, v/v), no fluxo de 0,45 mL/min (split 1:3). O volume de injeção foi de 10 μL. Ratos Wistar infectados por P. berghei foram utilizados para avaliar a eficácia da formulação de NLS contendo QN/DOX utilizando diferentes regimes de dose. As doses efetivas da formulação, i.v. (75/7,5 mg/kg/dia) e oral (105/10,5 mg/kg/dia), representam uma redução de quase 30% em comparação com os fármacos livres utilizados em associação. A farmacocinética foi avaliada após a administração dos fármacos livres ou nanoencapsulados pela vias i.v. (10/1 mg/ kg) e oral (25/2,5 mg/kg) em ratos Wistar infectados. Para a quantificação das amostras de plasma dos ratos, método por LC-MS/MS foi desenvolvido e validado. A QN, a DOX e a cimetidina (padrão interno, PI) foram extraídos do plasma através de precipitação de proteínas e a fase móvel consistiu de metanol/ácido fórmico 0,1% (70:30, v/v), no fluxo de 0,5 mL / min (split 1:3). A detecção foi realizada através da ionização por electrospray positivo, no modo de monitoramento de reações múltiplas, onde foram monitoradas as transições 325,0>307,0, 445,0>428,1 e 252,8>159,0, para QN, DOX e PI, respectivamente. A análise foi realizada em 2,0 min e o método foi linear na faixa de concentração plasmática entre 5-5000 ng/mL. Nenhuma alteração significativa dos parâmetros farmacocinéticos foi observada para ambos os fármacos e vias de administração, após a nanoencapsulação. O coeficiente de partição da QN nos eritrócitos infectados por P. berghei aumentou (5,53 ± 0,28) quando a formulação de NLS contendo QN/DOX foi usada em comparação com os fármacos livres em associação (3,81± 0,23). Nenhuma alteração significativa na penetração intraeritrocitária da DOX foi observada com a nanoencapsulação. Os resultados demonstram que a nanoencapsulação da QN/DOX em NLS diminui a dose efetiva para o tratamento da malária, sendo uma alternativa interessante a ser investigada para o tratamento da malária falciparum resistente. / Malaria is one of the most devastating tropical diseases caused by intracellular protozoan parasites of the genus Plasmodium. More than 3 billion people live in malarial endemic regions. Five species of Plasmodium (falciparum, vivax, ovale, malariae and knowlesi) cause disease in humans and infection with P. falciparum, the most deadly of these parasites, results in more than 1 million deaths annually. The development of resistance to traditional antimalarial drugs leads to the use of drug combinations such as quinine (QN)/doxycycline (DOX). In this context, the aims of this work were to develop and characterize solid lipid nanoparticles (SLN) loaded with QN/ DOX, to evaluate their efficacy in an in vivo model of berghei malaria, and to determine their pharmacokinetics and erythrocyte partition coefficient compared to the non-encapsulated (free) drug association. The SLN were prepared by high pressure homogenization technique using polysorbate 80 and Lipoid® as emulsifiers and cetyl palmitate as lipid matrix. In the preliminary stability study, QN/DOX-loaded SLN (2.0/0.2 mg/mL) presented adequate particle size (152.8 ± 5.26 nm), polydispersion index (0.173 ± 0.006), zeta potential (-38.6 ± 1.82 mV), high drug content (95.9% ± 0.70/94.1% ± 2.41) and appropriate encapsulation efficiency (94.2% ± 1.14/83.0% ± 2.52) after 21 days of storage at room temperature. For the assay analysis, a fast and specific liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) method was developed and validated for the simultaneous determination of QN and DOX. The LC-MS/MS method was carried out on a Sun Fire Waters C18 column (50 mm x 3.0 mm I.D.) and the mobile phase consisted of acetonitrile:0.1% formic acid (75:25, v/v), run at a flow rate of 0.45 mL/min (split 1:3). The injection volume was 10 μL. Plasmodium berghei infected Wistar rats were used to evaluate the efficacy of QN/DOX-loaded SLN using different dosing regimens. The effective QN/DOX-loaded SLN i.v. (75/7.5 mg/kg/day) and oral (105/10.5 mg/kg/day) doses represent an almost 30% reduction compared to the free drugs in association. Plasma pharmacokinetics was evaluated after administration of free or nanoencapsulated QN/DOX by i.v. (10/1 mg/kg) and oral (25/2.5 mg/kg) routes to infected Wistar rats. For the quantification of the rat plasma samples, a fast, sensitive and specific LC-MS-MS method was developed and validated for the determination of QN and DOX. QN, DOX and cimetidine (internal standard, IS) were extracted from the plasma by protein precipitation and the mobile phase consisted of methanol/formic acid 0.1% (70:30, v/v), run at a flow rate of 0.5 mL/min (split 1:3). Detection was carried out by positive Electrospray Ionization in multiple reaction monitoring mode, monitoring the transitions 325.0>307.0, 445.0>428.1 and 252.8>159.0, for QN, DOX and IS, respectively. The analysis was carried out in 2.0 min and the method was linear in the plasma concentration range of 5-5000 ng/mL. No significant alteration of pharmacokinetic parameters was observed for both drugs and routes of dosing after nanoencapsulation. QN partition coefficient into P. berghei infected erythrocyte was increased (5.53 ± 0.28) when the QN/DOX-loaded SLN was used in comparison with the free drugs in association (3.81 ± 0.23). No significant alteration on DOX erythrocyte partition coefficient was observed. In summary, the results showed that QN/DOX nanoencapsulation into SLN allows the reduction of the effective antimalarial dose being an interesting alternative to be investigated for the treatment of falciparum resistant malaria.