Evaluación de la efectividad terapéutica de extractos funcionales obtenidos de Brasicáceas

Abstract

El cáncer de colon y la obesidad son dos patologías no transmisibles con una alta prevalencia en la sociedad. La obesidad se define como una acumulación anormal o excesiva de grasa debido a un desequilibrio energético entre las calorías ingeridas y las consumidas. La OMS estima que un cuarto de la población adulta europea padece obesidad y es responsable de más de 1.2 millones de muertes al año. El cáncer colorrectal (CCR) se origina por alteraciones celulares que provocan la pérdida del control del proceso de proliferación derivando en una excesiva división celular y la capacidad de estas células malignas para diseminarse a otros tejidos. Es el tercer tipo de cáncer por incidencia en la población a nivel mundial, y el segundo tipo en número de defunciones asociadas. Aunque son dos entidades distintas, cabe destacar que la obesidad per se supone un riesgo importante para el desarrollo de diferentes tipos de cáncer incluido el cáncer colorrectal. Ambas patologías suponen un desajuste en el estado redox del individuo, un estado inflamatorio crónico, alteraciones metabólicas y disbiosis intestinal. En este contexto, los extractos vegetales suponen una gran herramienta para mejorar estos parámetros debido a la diversidad de compuestos bioactivos que los componen, los cuales han demostrado tener un efecto beneficioso sobre la salud humana al prevenir y ser utilizado para el tratamiento de múltiples alteraciones. Concretamente, las especies vegetales de la familia Brassicaceae aportan numerosos efectos beneficiosos sobre la salud debido a su valor nutricional y a su alto contenido en compuestos bioactivos. Entre ellos, destacan los isotiocianatos, a los que se les atribuye efectos fisiológicos sobre la salud humana como la inducción de enzimas detoxificantes. Los compuestos fenólicos, además, presentes en multitud de especies vegetales, suscitan gran interés gracias a su capacidad antioxidante, antiinflamatoria y anticancerogénica, Por otra parte, el ejercicio físico tiene un papel fundamental en la prevención de estas enfermedades, estando mediados estos efectos beneficiosos por mecanismos antiinflamatorios, estimulación de la respuesta del sistema inmune, modulación de distintos aspectos del metabolismo glucídico y lipídico, y mejora el sistema cardiovascular. Por todo lo anteriormente expuesto, el objetivo general de esta tesis doctoral es obtener extractos funcionales derivados de Brasicáceas y otras especies vegetales, que puedan ser usados para el tratamiento de la obesidad y alteraciones asociadas y la prevención del cáncer colorrectal, administrados de forma aislada o en combinación con la realización de un protocolo de ejercicio físico. Para ello, se realizó un screening sobre diferentes especies vegetales y mediante la realización de distintos métodos de extracción con el fin de seleccionar aquellos extractos vegetales con mayor rendimiento y capacidad antioxidante. Además, en el caso de los extractos vegetales procedentes de Brásicas se evaluó la capacidad para inducir enzimas detoxificantes. En base a ello, se formularon dos nutracéuticos combinando distintas especies vegetales y métodos de extracción, los cuales fueron sometidos a un proceso de digestibilidad in vitro y pruebas de capacidad antioxidante, capacidad antiproliferativa y capacidad antiinflamatoria en las líneas celulares HT-29, T84 y J774A1, respectivamente. Para identificar los compuestos bioactivos que componían estos nutracéuticos se utilizó cromatografía líquida de alta resolución. Finalmente, la funcionalidad de cada nutracéutico fue evaluada en dos ensayos de experimentación animal en ratones C57BL/6J: i) modelo de obesidad inducida por una dieta alta en grasa y fructosa en el agua de bebida y ii) modelo de cáncer colorrectal inducido por el método AOM/DSS. Con respecto al modelo de obesidad, las intervenciones realizadas de restricción calórica y administración del nutracéutico en combinación o no con un protocolo de ejercicio físico, no solo consiguieron revertir el peso corporal de los animales, sino que además mejoraron los parámetros plasmáticos relacionados con el metabolismo glucídico y lipídico, y consiguieron revertir el estado inflamatorio, oxidante y la disbiosis intestinal derivadas de la obesidad. Con respecto a los ensayos sobre el modelo experimental animal de cáncer colorrectal, se logró desarrollar pólipos tumorales en el colon de los ratones sin afectar a otros órganos. La ingesta diaria de 500mg·kg-1 del nutracéutico desarrollado a partir de extractos vegetales de semillas de Brasicáceas fue capaz de reducir el desarrollo de estos pólipos, efecto que se vio aún más potenciado cuando combinó con el protocolo de ejercicio físico. Además, ha sido capaz de mejorar la capacidad antioxidante, antiinflamatoria y disbiosis intestinal derivadas del desarrollo del tumor. A modo de conclusiones, y debido a la creciente prevalencia de la obesidad y de las alteraciones metabólicas derivadas de ella, podemos decir que es necesario el desarrollo de estrategias eficaces para combatir los problemas sanitarios y sociales asociados a esta patología. La restricción calórica fue una estrategia eficaz para la pérdida de peso. Además, la administración de nutracéuticos combinada con un protocolo de ejercicio hacen la sinergia de tratamiento ideal en un modelo preclínico que podría plantearse en un futuro para la realización de ensayos clínicos. Por otra parte, los extractos desarrollados a partir de las semillas de especies de la familia Brasicáceas tienen un papel preventivo excepcional en el inicio del desarrollo del cáncer colorrectal, potenciándose este efecto con la combinación del ejercicio físico, a través de la disminución del estado proinflamatorio de los animales y de la mejora de la capacidad antioxidante, al ser capaces de eliminar moléculas inestables como ROS que pueden iniciar el proceso de carcinogénesis. Estos nutracéuticos pueden ser utilizados como suplementos dietéticos en el tratamiento de la obesidad y la prevención del cáncer colorrectal, dos condiciones patológicas donde la inflamación y el estrés oxidativo juegan un papel fundamental.

Colon cancer and obesity are two non-communicable diseases with a high prevalence in society. Obesity is defined as an abnormal or excessive accumulation of fat due to an energy imbalance between calories ingested and calories consumed. The WHO estimates that a quarter of the European adult population suffers from obesity that is responsible for more than 1.2 million deaths per year. Colorectal cancer (CRC) is caused by cellular alterations that lead to a loss of control of the proliferation process, resulting in excessive cell division and the ability of these malignant cells to spread to other tissues. It is the third type of cancer by incidence in the population worldwide, and the second type in number of associated deaths. Although they are two distinct entities, it should be noted that obesity per se is an important risk for the development of different types of cancer, including colorectal cancer. Both pathologies involve an imbalance in the individual's redox state, a chronic inflammatory state, metabolic alterations and intestinal dysbiosis. In this context, plant extracts are a great tool to improve these parameters due to their content of bioactive compounds which have been shown to have a beneficial effect on human health by reducing or preventing these alterations. The plant species of the Brassicaceae family provide numerous health benefits due to their nutritional value and their high content of bioactive compounds. Among them, the isothiocyanates stand out, to which most of the physiological effects on human health are attributed. However, phenolic compounds attracted great interest in this doctoral thesis due to their antioxidant, anti-inflammatory, anticancerogenic, antiaggregation and detoxifying enzyme induction capacity. Physical exercise also plays a fundamental role in the prevention of these diseases. The beneficial effects of regular exercise are mediated by anti-inflammatory mechanisms, stimulation of the immune system response, modulation of metabolism and improvement of the cardiovascular system. The general objective of this PhD is to obtain functional extracts derived from Brassicaceae and other plant species, which can be used for the treatment of obesity and associated disorders and the prevention of colorectal cancer, administered alone or in combination with a physical exercise protocol. For this purpose, a screening in terms of plant species and extraction methods was carried out in order to select those plant extracts with the highest antioxidant capacity in various chemical tests. In addition, in the case of Brassicaceae plant extracts, the capacity to induce detoxifying enzymes was evaluated. Based on the screening results, two nutraceuticals were formulated combining different plant species and extraction methods. These were subjected to an in vitro digestion process and tested for antioxidant, antiproliferative and anti-inflammatory capacity in HT- 29, T84 and J774A1 cell lines, respectively. High performance liquid chromatography was used to identify their specific bioactive compounds. Finally, the functionality of each nutraceutical was evaluated in two animal experimental assays in C57BL/6J mice: i) high-fat diet-induced obesity model and ii) AOM/DSS-induced colorectal cancer model. A model of obesity and metabolic alterations in experimental animals was established from the 3rd week of the experimental by consuming a high fat and fructose in the drinking water period. The administration of the nutraceutical in combination with a physical exercise protocol not only managed to reverse the body weight of the animals, but also improved plasma parameters related to glycemic and lipid metabolism, decreased the accumulation of fat in the liver, and managed to reverse the inflammatory, oxidative, and intestinal dysbiosis state derived from obesity. On the other hand, it was possible to develop tumor polyps in the colon of mice without affecting other organs. The daily administration of the nutraceutical developed from plant extracts at 500mg/kg body weight was able to reduce the development of these polyps, an effect that was further enhanced when combined with the physical exercise protocol. In addition, it was able to improve the endogenous antioxidant and anti-inflammatory activities and correct the gut dysbiosis derived from tumor development. The increasing prevalence of obesity and related metabolic disorders requires the development of effective strategies to combat the health and social problems associated with these pathologies. Caloric restriction is an effective strategy for weight loss and our results highlight that the combination of nutraceutical administration with an exercise protocol may provide the ideal treatment synergy in combination with the former intervention to be tested in population-based studies to enhance the effects of caloric restriction on different metabolic and inflammatory parameters derived from the development of obesity. Furthermore, these results confirm the beneficial effects of brassica extracts on health and encourage their use as a dietary supplement in the prevention/treatment of those pathological conditions where inflammation and oxidative stress play a fundamental role. The consumption of brassicas, or the bioactive compounds derived from this family, may decrease the risk and incidence of CRC by being able to eliminate unstable molecules such as ROS that can initiate the process of carcinogenesis.