CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS BIOLÓGICOS DE LOS ...

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CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS BIOLÓGICOS DE LOS POLIFENOLES EN LA INFLAMACIÓN Y EL METABOLISMO : NUEVAS PERSPECTIVAS NUTRICIONALES Raúl Beltrán Debón Dipòsit Legal: T-1517-2011 ADVERTIMENT. La consulta d’aquesta tesi queda condicionada a l’acceptació de les següents condicions d'ús: La difusió d’aquesta tesi per mitjà del servei TDX (www.tesisenxarxa.net ) ha estat autoritzada pels titulars dels drets de propietat intel·lectual únicament per a usos privats emmarcats en activitats d’investigació i docència. No s’autoritza la seva reproducció amb finalitats de lucre ni la seva difusió i posada a disposició des d’un lloc aliè al servei TDX. No s’autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant al resum de presentació de la tesi com als seus continguts. En la utilització o cita de parts de la tesi és obligat indicar el nom de la persona autora. ADVERTENCIA. La consulta de esta tesis queda condicionada a la aceptación de las siguientes condiciones de uso: La difusión de esta tesis por medio del servicio TDR (www.tesisenred.net ) ha sido autorizada por los titulares de los derechos de propiedad intelectual únicamente para usos privados enmarcados en actividades de investigación y docencia. No se autoriza su reproducción con finalidades de lucro ni su difusión y puesta a disposición desde un sitio ajeno al servicio TDR. No se autoriza la presentación de su contenido en una ventana o marco ajeno a TDR (framing). Esta reserva de derechos afecta tanto al resumen de presentación de la tesis como a sus contenidos. En la utilización o cita de partes de la tesis es obligado indicar el nombre de la persona autora. WARNING. On having consulted this thesis you’re accepting the following use conditions: Spreading this thesis by the TDX (www.tesisenxarxa.net ) service has been authorized by the titular of the intellectual property rights only for private uses placed in investigation and teaching activities. Reproduction with lucrative aims is not authorized neither its spreading and availability from a site foreign to the TDX service. Introducing its content in a window or frame foreign to the TDX service is not authorized (framing). This rights affect to the presentation summary of the thesis as well as to its contents. In the using or citation of parts of the thesis it’s obliged to indicate the name of the author.

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CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS BIOLÓGICOS DE LOS POLIFENOLES EN LA INFLAMACIÓN Y EL METABOLISMO : NUEVAS

PERSPECTIVAS NUTRICIONALES Raúl Beltrán Debón

Dipòsit Legal: T-1517-2011

ADVERTIMENT. La consulta d’aquesta tesi queda condicionada a l’acceptació de les següents condicions d'ús: La difusió d’aquesta tesi per mitjà del servei TDX (www.tesisenxarxa.net) ha estat autoritzada pels titulars dels drets de propietat intel·lectual únicament per a usos privats emmarcats en activitats d’investigació i docència. No s’autoritza la seva reproducció amb finalitats de lucre ni la seva difusió i posada a disposició des d’un lloc aliè al servei TDX. No s’autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant al resum de presentació de la tesi com als seus continguts. En la utilització o cita de parts de la tesi és obligat indicar el nom de la persona autora. ADVERTENCIA. La consulta de esta tesis queda condicionada a la aceptación de las siguientes condiciones de uso: La difusión de esta tesis por medio del servicio TDR (www.tesisenred.net) ha sido autorizada por los titulares de los derechos de propiedad intelectual únicamente para usos privados enmarcados en actividades de investigación y docencia. No se autoriza su reproducción con finalidades de lucro ni su difusión y puesta a disposición desde un sitio ajeno al servicio TDR. No se autoriza la presentación de su contenido en una ventana o marco ajeno a TDR (framing). Esta reserva de derechos afecta tanto al resumen de presentación de la tesis como a sus contenidos. En la utilización o cita de partes de la tesis es obligado indicar el nombre de la persona autora. WARNING. On having consulted this thesis you’re accepting the following use conditions: Spreading this thesis by the TDX (www.tesisenxarxa.net) service has been authorized by the titular of the intellectual property rights only for private uses placed in investigation and teaching activities. Reproduction with lucrative aims is not authorized neither its spreading and availability from a site foreign to the TDX service. Introducing its content in a window or frame foreign to the TDX service is not authorized (framing). This rights affect to the presentation summary of the thesis as well as to its contents. In the using or citation of parts of the thesis it’s obliged to indicate the name of the author.

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Raúl Beltrán Debón

CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS BIOLÓGICOS DE LOS

POLIFENOLES EN LA INFLAMACIÓN Y EL METABOLISMO:

NUEVAS PERSPECTIVAS NUTRICIONALES

TESIS DOCTORAL

dirigida por el

Dr. Carlos Alonso-Villaverde Lozano

Dr. Jorge Joven Maried

Departament de Medicina i Cirurgia

Reus

2011

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FACULTAT DE MEDICINA I CIÈNCIES DE LA SALUT

DEPARTAMENT DE MEDICINA I CIRURGIA Carrer Sant Llorenç, 21 43201 Reus Tel. 977 759 306 Fax. 977 759352

FEM CONSTAR que aquest treball, titulat “biológicos de los polifenoles en la inflamación y el metabolismo: nuevas perspectivas nutricionales.”, que presenta Raúl Beltrán Debón, ha estat realitzat sota la nostra direcció al Centre de Recerca Biomèdica de l’Institut d’Investigació Sanitària Pere Virgili i que acompleix els requeriments per poder optar al títol de Doctor. Reus, 10 de juny de 2011 El director de la tesi doctoral doctoral Dr. Carlos Alonso-Villaverde Lozano

ALUT

FEM CONSTAR que aquest treball, titulat “Caracterización de los efectos biológicos de los polifenoles en la inflamación y el metabolismo: nuevas

”, que presenta Raúl Beltrán Debón, ha estat sota la nostra direcció al Centre de Recerca Biomèdica de l’Institut

d’Investigació Sanitària Pere Virgili i que acompleix els requeriments per

El codirector de la tesi

Dr. Jorge Joven Maried

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A mi abuelo y

a mi tío Vicente

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AGRADE

AGRADECIMIENTOS

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A g r a d e c i m i e n t o s a

“El agradecimiento es la memoria del corazón” Lao Tse, pensador, filósofo y humanista chino. Sois muchos los que, directa o indirectamente, habéis participado de esta Tesis y a los que siempre recordaré. Estas líneas son para agradeceros de todo corazón vuestra ayuda.

En primer lugar, a mi director de Tesis, el Dr. Carlos Alonso-Villaverde. Gracias por confiar en mí desde el primer día, y por haberme involucrado en este proyecto desde el laboratorio hasta la búsqueda de plantas entierras africanas. Contigo he aprendido y madurado mucho. Gracias por estar ahí en los momentos buenos y en los no tan buenos, por compartir conmigo tus mil ideas por minuto por tenderme la mano cuando necesitaba levantarme.

Y también, a mí co-director de Tesis, el Dr. Jorge Joven, mi maestro y mentor (y nuestro ayo!). Con pocas personas se debe poder aprender tanto como contigo. Gracias por tu dedicación diaria a nosotros, por tus consejos, por tu presión, por los cafés y por las lecciones numeradas de la 1 a la 1072 que espero no olvidar nunca. Cada día se aprenden decenas de cosas contigo.

Al Dr. Jordi Camps, por tu sentido del humor y tu disponibilidad, por introducirme en nuestro laboratorio y darme la oportunidad de aprender día a día.

A mis compañeros de viaje, que desde antes de llegar me acogieron y se han convertido en mi familia. Mis hermanos mayores, Anna, Judit y Gerard, y mi compañero de batalla, Fernando. Siempre habéis estado en los momentos buenos, y sobre todo en los malos. Con vosotros he aprendido a trabajar en equipo, pero sobretodo he encontrado cariño y grandes amigos. Hemos vivido tantas cosas juntos que necesitaría otro libro para enumerar todas las cosas por las que os estoy agradecido, y por las que nunca olvidaré el tiempo que he compartido con vosotros. Gracias por las horas interminables de laboratorio, por los tupers, por la ayuda en el estabulario, por el parking, por aguantar mis canciones, por las cenas y en definitiva, por vuestra amistad. Y a Esther, mi hija adoptiva, que luego se convirtió en nuestra hermana pequeña. En el poco tiempo que nos conocemos (a lo tonto, ¡ya van dos años!), siempre me has mostrado tu apoyo incondicional. Gracias por escucharme en los momentos difíciles y por tu confianza. Aunque seas la hermana pequeña parece que lleves toda la vida con nosotros. ¡A currar!, esto solo ha hecho que comenzar y te espera un gran futuro por delante.

A Alba, nuestra técnico de anatomía patológica. Gracias por no decir nunca que no aunque te pidiera las cosas a última hora y por ayudarme en cualquier cosa que he necesitado. Y a las que me acompañaron en los primeros años, Esther y Mónica. A las nuevas incorporaciones, Anabel y Marta (¡mi segunda hija adoptiva!), gracias por toda la ayuda prestada.

A los compañeros del laboratorio de análisis clínicos del hospital de Sant Joan, por estar siempre disponibles cuando llegábamos “els pesats de recerca” con peticiones extrañas. A la jefa de tardes, Ángeles, gracias por esos ratos

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A g r a d e c i m i e n t o s

inolvidables en los que hemos reído tanto. Si me hubieses dado con la escoba todas las veces que lo he merecido… A las “biobankers”, por las sobremesas, los rotores, por no tener un no por respuesta y sobre todo por el apoyo técnico cuando lo he necesitado.

Gracias a todos los amigos con los que trabajamos a distancia y formamos la Bioactive Food Components Platform. Gracias a los amigos de Granada, en especial al Dr. Antonio Segura, por su capacidad de trabajo y pasión. Y gracias a Inma y Salva por el trabajo realizado y por soportarme de lejos, y de cerca. Gracias a los amigos de Elche, en especial al Dr. Vicente Micol, por estar atento a todo lo que pasa en este mundo de las plantas y a María, por todo tu trabajo. Y gracias al Dr. Javier Menéndez, por las conversaciones mantenidas, tan enriquecedoras. Gracias a todos por recibirme siempre con los brazos abiertos.

Muchas gracias a todos los compañeros de la Facultat de Medicina i Ciències de la Salut, sois tantos que espero no olvidarme de ninguno. En primer lugar a los amigos del estabulario, Amparo, Esperanza y Juan, ya que sin vuestro trabajo y dedicación diarios esta Tesis no habría sido posible. A Fàtima por todo lo que me has enseñado y por el cariño recibido desde el primer momento, muchas gracias. A todas las compañeras de la URLA y el GIP (no recuerdo ningún compañero…), por todo lo aprendido y por vuestra disponibilidad. A las amigas del IISPV, en especial a Neus y Rebeca que tantos líos nos han solucionado.

Aunque estéis al otro lado de Reus, no quiero olvidarme de todos los compañeros del Hospital Universitari de Sant Joan. A Asun y Laura del servicio de Medicina Interna por toda la ayuda prestada aun cuando íbamos sin avisar. Gracias Nahúm por confiar en mí para empezar un proyecto tan interesante.

Gracias a todos los profesores de la licenciatura de Bioquímica por descubrirme este mundo. Y sobre todo a los compañeros de clase, Enric, Edu, Mariona, Merchi, Anna y Terete; y compañeros de piso, Xavi, Serni, Enric (otra vez), Edu (de nuevo), Sandra y Andrea, con los que compartí unos años que no olvidaré, que siempre me animaron a seguir adelante y que más que compañeros, fueron mis amigos.

A todos mis amigos y familiares que durante estos años he dejado en segundo plano tantas veces. ¡Os echo de menos igual!. Especialmente a mi abuelo, a quién se que le hubiese gustado conocer el desenlace de este trabajo.

Y por último, aunque deberían ser los primeros, a mis seres más queridos. Esta Tesis es también vuestra.

A mis padres y a mi hermana, por confiar en mí y apoyarme incondicionalmente, en todo momento. Por la educación recibida y el amor que me dais. Gracias por ayudarme a seguir adelante y a levantarme aun en los momentos más duros.

Y a Marta. Mi compañera y mi mejor amiga. Gracias por apoyarme en todas mis decisiones, por tu paciencia y por estar ahí siempre, en los buenos y en los malos momentos. Pero sobre todo gracias por tu amor infinito e incondicional.

¡Muchas gracias a todos!

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ÍNDICE

ÍNDICE

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Í n d i c e a

2

INTRODUCCIÓN 4

Capítulo 1. Los polifenoles en la dieta 7

1.1 Los polifenoles 7

1.2 Flavonoides 9

Capítulo 2. La hipótesis de la xenohormesis 13

2.1 La hormesis 14

2.2 La xenohormesis 16

2.3 La inducción de genes sensibles al estrés celular 17 mediante compuestos xenohorméticos

Capítulo 3. Polifenoles y enfermedad 19

3.1 Obesidad 21

3.2 La aterosclerosis 23

3.3 Enfermedades inflamatorias crónicas 24

3.4 La enfermedad del hígado graso no alcohólica (NAFLD) 25

3.5 Especies vegetales a estudio 28

3.5.1 Hibiscus sabdariffa 29

3.5.2 Aspalathus linearis 30

Capítulo 4. Técnicas analíticas 31

4.1 Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) 32

4.2 Espectroscopía de masas (MS) 34

4.2.1 Ionización por electrospray (ESI) 35

4.2.2 Analizadores de masas 37

A Trampa de iones (IT) 37

B Tiempo de vuelo (TOF) 38

HIPÓTESIS Y OBJETIVOS 41

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Í n d i c e

3

RESULTADOS 45

ESTUDIO 1 47 Direct characterization of aqueous extract of Hibiscus sabdariffa using HPLC with diode array detection coupled to ESI and ion trap MS. Journal of Separation Science. 2009, 32:3441–3448

ESTUDIO 2 57 Identification of phenolic compounds in aqueous and ethanolic rooibos extracts (Aspalathus linearis) by HPLC-ESI-MS (TOF/IT). Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2011, 400:3643–3654

ESTUDIO 3 71 Continous administration of polyphenols from aqueous rooibos (Aspalathus

linearis) extract ameliorates dietary-induced metabolic disturbances in hyperlipidemic mice. Phytomedicine. 2011, 18:414–424

ESTUDIO 4 85 The aqueous extract of Hibiscus sabdariffa calices modulates the production of monocyte chemoattractant protein-1 in humans.

Phytomedicine. 2010, 7:186–191

RESULTADOS PRELIMINARES 93 Estudio I 95

El tratamiento con un extracto acuoso de Hibiscus sabdariffa en un modelo animal de hiperlipémia sometido de forma crónica a una dieta rica en grasa previene la esteatosis hepática y la hiperlipémia.

Estudio II 105 Metabolomic study of liver composition of animals treated with Hibiscus sabdariffa and Aspalathus linearis.

DISCUSION Y CONCLUSIONES 119

BIBLIOGRAFÍA 131

MATERIAL SUPLEMENTARIO 147

OTROS 155 Publicaciones indexadas 157 Publicaciones no indexadas 161 Participaciones en congresos 161 Abreviaturas 162

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INTROD

INTRODUCCIÓN

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C A P Í T U L O 1 . L o s p o l i f e n o l e s e n l a d i e t a

7 7

CAPÍTULO 1. LOS POLIFENOLES EN LA DIETA

Muchos estudios observacionales correlacionan la dieta mediterránea con un

menor riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares. Inicialmente se observó

que la relación desfavorable de ácidos grasos poliinsaturados frente a los

monoinsaturados contribuía significativamente con otros factores de riesgo

conocidos como la presión sanguínea, la edad, el colesterol sérico o el tabaquismo

sobre la incidencia de muerte de origen cardiovascular1. Aunque se demostró una

asociación con la dieta no se pudieron establecer los mecanismos moleculares

subyacentes relacionados con la patología ateromatosa2. Posteriormente,

estudios observacionales señalaron una posible relación entre vitaminas

antioxidantes y la reducción de la mortalidad cardiovascular. Sin embargo, este

hallazgo no ha podido ser corroborado en estudios clínicos controlados3,4

.

Existen datos que apuntan a que el efecto beneficioso de la dieta mediterránea

es debido probablemente a la combinación específica de numerosos

micronutrientes. Por ejemplo, el aceite de oliva muestra efectos nutrigenómicos

in vivo, regulando negativamente numerosos genes proaterogénicos5, y uno de

sus componentes, el ácido oleico, que inicialmente se postuló como ingrediente

fundamental en la dieta mediterránea, muestra efectos similares aunque no

todos los observados con el total el aceite de oliva, indicando la presencia de

otros biocomponentes activos en el aceite de oliva6.

1.1 Los polifenoles

Los polifenoles están presentes en las plantas como una mezcla y no como

componentes aislados, un hecho que con frecuencia es ignorado en la realización

de estudios experimentales. Varios miles de estos fitoquímicos ya han sido

identificados. Los compuestos fenólicos pueden clasificarse de diversas formas,

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I n t r o d u c c i ó n a

8

por ejemplo, respecto a su unidad base o a la naturaleza de los grupos funcionales

ligados a esta unidad base. La más utilizada es la clasificación que los divide en

ácidos fenólicos, flavonoides y, los menos abundantes, estilbenos y lignanos,

aunque existen muchos más tipos de estructuras.

Figura 1. Clasificación de los compuestos fenólicos con los fenoles simples y polifenoles principales, entre los que se encuentran los flavonoides.

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Desde un punto de vista estructural, los compuestos fenólicos pueden

clasificarse en fenoles simples y polifenoles. Estos últimos se caracterizan por

tener uno o más de un grupo fenol, y se dividen a su vez en xantonas, estilbenos,

antraquinonas, lignanos (y polímeros de estos) y, los más abundantes, los

flavonoides (Figura 1).

1.2 Flavonoides

Son los compuestos polifenólicos más abundantes en las plantas y pueden ser

clasificados como flavonoles, flavonas, isoflavonas, flavanonas, antocianinas y

flavanoles (catequinas y proantocianidinas). Estos compuestos están

caracterizados por una estructura benzo-γ-pirona (C6-C3-C6; Figuras 2 y 3). Esta

estructura permite la sustitución en diversas posiciones de diferentes grupos

funcionales como hidroxilos, metoxilos u O-glucósidos, lo que explica las más de

8000 estructuras caracterizadas hasta la fecha7.

Figura 2. Estructura básica de los flavonoides.

Los flavonoides son productos del metabolismo secundario de las plantas

sintetizados a partir de fenilalanina y desempeñan numerosas funciones. Casi

todos son pigmentos que cubren todo el espectro de la luz visible y la ultra-

violeta. Una de las funciones principales es la atracción de insectos, animales y

aves polinizadoras, y la regulación de genes fotosensibles, aunque no participan

en la fotosíntesis8. Los flavonoides inhiben o matan muchas cepas bacterianas,

inhiben enzimas virales claves como la transcriptasa inversa y la proteasa, y

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destruyen algunos protozoos patogénicos. Por otro lado, su toxicidad frente a

células animales es baja.

Figura 3. Estructuras base que caracterizan los diferentes tipos de flavonoides.

Actualmente se acepta que los polifenoles se sintetizan principalmente en

respuesta a un gran estrés como periodos prolongados de sequía, la radiación

ultravioleta o la infección por patógenos. Por lo tanto, en las frutas y verduras que

se cultivan y consumen en las sociedades occidentales, donde las condiciones

climáticas no son extremas y se controlan los agentes patógenos con el fin de

aumentar la producción, la cantidad esperada de polifenoles es baja o muy baja

(algunas excepciones son las cebollas, el ajo y las verduras crucíferas).

Simplemente, no parece factible poder comer suficientes frutas y verduras para

ingerir una cantidad efectiva de polifenoles, aun suponiendo que estos sean muy

activos y fácilmente biodisponibles.

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C A P Í T U L O 1 . L o s p o l i f e n o l e s e n l a d i e t a

11 11

De este hecho se infiere que, por un lado, si los polifenoles se asocian con una

serie de beneficios para la salud en los humanos, y por otro, el consumo debe ser

mayor, la dosis necesaria no puede conseguirse mediante simples cambios en la

dieta.

Para aumentar la ingesta de polifenoles, una estrategia complementaria sería la

de cambiar ciertas prácticas agrícolas y la fabricación de suplementos dietéticos

concentrados. Sin embargo, no sólo los factores cuantitativos, sino también

cualitativos deben ser considerados. Ciertos polifenoles se encuentran

ampliamente distribuidos, mientras que otros son específicos de determinados

alimentos, y a menudo, asociados a una mezcla mal caracterizada. Además, el

conocimiento de su composición se limita a unas pocas variedades para las que

existe un grado aceptable de disponibilidad, precio y aceptación. Muchos tipos de

productos derivados de las plantas exóticas o tropicales no han sido analizados y

pueden representar una importante fuente de polifenoles.

Por otra parte, las normas actuales de fabricación de complementos dietéticos

exigen una composición del producto bien definida, lo que es difícil de controlar

en productos derivados de plantas, ya que el contenido de polifenoles depende

de la madurez en el momento de la cosecha, el procesamiento y el

almacenamiento9-13

, y puede llegar a ser muy variable de un año a otro o incluso

entre lotes de fabricación. Los factores ambientales y los métodos de preparación

culinaria también son importantes. Algunos de estos son los siguientes: la

exposición a la luz, el cultivo orgánico (recordemos que cuanto mayor es el estrés

mayor es el contenido en polifenoles), la lluvia, el tipo de suelo, la producción de

frutos por árbol, hervir, pelar, freír o la utilización de un horno microondas14

. La

elaboración industrial de alimentos también afecta el contenido de polifenoles15

.

En algunos casos, este efecto es comercialmente inevitable, como en la

producción de zumo de fruta, donde se eliminan ciertos polifenoles responsables

de la decoloración y formación de precipitados. Por lo tanto, en la evaluación de

los efectos biológicos derivados del consumo de plantas ricas en polifenoles la

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caracterización química del producto final y los efectos de su posterior

manipulación se deben tomar en cuenta.

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C A P Í T U L O 2 . L a h i p ó t e s i s d e l a x e n o h o r m e s i s

13 13

Figura 4. La corteza del sauce blanco contiene una gran canti-dad de ácido salicílico.

CAPÍTULO 2. LA HIPÓTESIS DE LA XENOHORMESIS

Desde hace miles de años las plantas tienen un uso terapéutico. Una tercera

parte de los 20 fármacos más vendidos en el mercado son derivados de plantas, y

cada semana se descubre una nueva molécula que puede ser beneficiosa para la

salud16

. La economía global y la salud humana dependen en parte de la capacidad

para descubrir medicinas nuevas y efectivas. Sorprendentemente, no son muchos

los esfuerzos destinados al hecho de que las plantas sinteticen moléculas

beneficiosas para la salud de otros organismos. Una de las razones es la facilidad

de patentar nuevos fármacos sintéticos (conocidos como “nuevas entidades

químicas”), y otra es la suciedad de los compuestos derivados de las plantas. Un

compuesto se considera sucio cuando interacciona con numerosas proteínas

endógenas. A priori, un compuesto de este tipo, con varias dianas moleculares,

puede tener un efecto imperceptible, o incluso adverso, frente a una molécula

pura que específicamente interacciona con una proteína en concreto16

.

Contrariamente a esta idea, existen numero-

sos ejemplos de moléculas vegetales que

interaccionan con diversos enzimas y recepto-

res y que son extraordinariamente seguras. Ya

en el siglo V a. C., el griego Hipócrates escribió

acerca del ácido salicílico “un polvo amargo

extraído de la corteza del sauce que alivia

dolores y reduce la fiebre”. En 1763, el

reverendo Edwar Stone experimentó con la

corteza del sauce blanco (Salix alba, Figura 4) en el tratamiento de la fiebre y

concluyó que era “un remedio muy eficaz”. Desde entonces se ha aislado una gran

variedad de salicilatos de diferentes plantas que han ayudado en el tratamiento

de la gota, la fiebre reumática, el dolor y la artritis, y hoy en día se fabrican 45000

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14

toneladas métricas anuales de un derivado acetilado del ácido salicílico para

tratar una gran variedad de enfermedades: la aspirina.

Éste sólo es un ejemplo de las decenas de compuestos que se conocen hoy en

día derivados de las plantas, que son beneficios para la salud y que además

interaccionan con más de una diana molecular.

2.1 La hormesis

Los organismos vivos se topan continuamente con situaciones adversas o

estímulos nocivos, y la adaptación a estos agresores externos, ya sean químicos,

físicos, biológicos o sociales, es un principio clave de supervivencia.

Por otro lado, la exposición leve a un estímulo que a altas concentraciones

puede ser perjudicial, puede proporcionar posteriormente resistencia o tolerancia

a una agresión, incluso protagonizada por el mismo estímulo. Esta respuesta

adaptativa al estrés se ha identificado como un proceso conservado

evolutivamente.

En toxicología, el término hormesis, define una

respuesta biológica de dos fases, no lineal, donde la

exposición a una dosis baja (o a un estímulo débil)

por parte de un tóxico ambiental (o una situación

nociva) produce un efecto potencialmente benefi-

cioso, mientras que una dosis alta produce efectos

adversos17

(Figura 5). En el campo de las disciplinas

biomédicas, el término hormesis se define como

una respuesta adaptativa de las células y

organismos frente a un estrés moderado (o

intermitente)18

.

Figura 5. Una dosis muy baja de un agente perjudicial puede producir efectos beneficiosos en un organismo.

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15 15

Así pues, la hormesis se podría definir como un proceso en el que la exposición a

una dosis baja a un compuesto químico o factor ambiental, que es perjudicial a

altas concentraciones, induce un efecto beneficioso adaptativo sobre la célula u

organismo.

La hormesis representa un concepto fundamental en la teoría evolutiva,

explicando cómo la vida en la tierra se ha adaptado a un ambiente a veces tan

agresivo. Para sobrevivir a los venenos ambientales, los organismos han

desarrollado diferentes vías de señalización celular que median las respuestas

horméticas. Estos incluyen factores de transcripción y las cinasas que los regulan,

modulando la expresión de genes codificantes de una batería de proteínas

citoprotectoras y de resistencia al estrés (como chaperonas, enzimas

antioxidantes y detoxificantes, etc.)19

.

El estrés oxidativo es uno de los factores principales en el envejecimiento y en

las enfermedades crónicas. Uno de los factores principales que afectan al nivel de

estrés oxidativo es la cantidad de energía ingerida y por ello, despierta un gran

interés cómo pueden influir los factores dietéticos en el curso de una enfermedad

modificando el estrés oxidativo. La cantidad de calorías consumidas se

correlacionan inequívocamente con un riesgo más elevado de padecer

enfermedades crónicas20

. Por ejemplo, los ácidos grasos saturados y el colesterol

pueden inducir enfermedades cardiovasculares21,22

y dietas altas en azúcares

simples incrementan el riesgo de diabetes23

.

En animales de experimentación, muchos estudios de restricción calórica (bien

por reducción en la ingesta o por periodos de ayuno intermitentes) demuestran

que las células de estos animales incrementan su resistencia a diferentes tipos de

estrés. Por ejemplo, la mortalidad por causas naturales o inducida por

temperatura o toxinas concretas, se reduce significativamente en aquellos

animales sometidos a una restricción calórica frente a los animales que

consumieron una dieta normal ad libitum24-27

. La ingesta reducida de energía,

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I n t r o d u c c i ó n a

16

también protege a los animales de diferentes tipos de cáncer en varios tejidos

como tumores pancreáticos28

, tumores mamarios29

y cáncer de próstata30

, cada

uno inducido mediante diferentes compuestos químicos. En humanos, el ayuno

en días alternos mejora los síntomas y reduce marcadores de inflamación y de

estrés oxidativo en pacientes con asma31

.

Otro ejemplo de proceso hormético además de la restricción calórica, es la

exposición a bajas concentraciones a algunos fitoquímicos. Los organismos han

evolucionado hasta adquirir la capacidad de detectar marcadores de estrés

producidos por otras especies de su mismo hábitat. En esta línea, los organismos

pueden prepararse con antelación frente a condiciones ambientales adversas.

Esta hormesis entre especies, se conoce como xenohormesis, que describe un

fenómeno donde un organismo detecta las señales químicas de otras especies

acerca del estado del entorno o de la disponibilidad de alimentos y responde a

ellas de forma que generen en él efectos beneficiosos16,32

.

2.2 La xenohormesis

Las plantas y animales comparten un alto grado de homología entre sus vías

metabólicas de respuesta al estrés33

. Cuando las plantas están sometidas a

condiciones ambientales adversas, como la sequía, infecciones microbianas o

plagas de insectos, producen compuestos químicos que les ayudan a resistir o

incluso las protegen de dichas condiciones ambientales adversas. Por otro lado,

como los animales dependen de las plantas como fuente alimenticia, han

desarrollado mecanismos que les permiten detectar estas sustancias bioactivas

producidas por las plantas estresadas, con la finalidad de estimar las cambiantes

condiciones externas33

. En este contexto, estos fitoquímicos producidos por las

plantas como autodefensa frente a condiciones adversas son inherentemente

fitoalexinas (toxinas vegetales). Estos fitoquímicos xenohorméticos, que alertan a

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C A P Í T U L O 2 . L a h i p ó t e s i s d e l a x e n o h o r m e s i s

17 17

los animales de la adversidad, pueden estimular sus vías metabólicas de respuesta

al estrés y, temporalmente, fortalecer su capacidad de defensa celular. El término

xenohormesis se acuñó para definir esta interacción entre especies.

Son miles los compuestos identificados provenientes de las plantas y que, en

muchos casos, proveen de efectos beneficiosos a los animales34,35

. Puesto que el

estrés oxidativo es un factor importante en las enfermedades crónicas36

, y que las

frutas y verduras contienen compuestos químicos que, a altas concentraciones,

poseen la capacidad de eliminar radicales de oxígeno, en una primera hipótesis se

atribuyeron los efectos beneficiosos para la salud de estos fitoquímicos a su

capacidad antioxidante37

. De hecho, concentraciones micromolares de numerosos

polifenoles protegen frente al estrés oxidativo en experimentos realizados en

varios modelos celulares, la aterosclerosis y enfermedades neurodegenerativas38-

40. Sin embargo, los resultados obtenidos en ensayos clínicos y estudios primarios

con dosis altas de dichos antioxidantes son muchas veces desilusionantes41

.

La hipótesis xenohormesis ha sido recientemente lanzada como posible

mecanismo para explicar, al menos parcialmente, los efectos de las plantas en los

animales16

.

2.3 La inducción de genes sensibles al estrés celular mediante

compuestos xenohorméticos.

La respuesta al estrés por parte de las plantas ha evolucionado durante al

menos un millón de años. Ya que la gran mayoría de las plantas no pueden

desplazarse físicamente, deben soportar el estrés ambiental que acontezca en

cada momento. Este tipo de “vida sedentaria” puede explicar la complejidad de su

respuesta al estrés33

. Las plantas producen toxinas para protegerse contra

hongos, insectos y predadores. En consecuencia, las plantas cultivadas destinadas

al consumo contienen menos toxinas naturales que sus homólogas silvestres42

.

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18

Cuando las plantas están bajo condiciones agresivas, se aprecia un aumento en la

acumulación de pesticidas naturales (biopesticidas) que en ocasiones pueden

llegar a producir intoxicaciones agudas en humanos. Algunos estudios estiman

que el 99,99% de los pesticidas presentes en la dieta son compuestos químicos

que producen las plantas para protegerse43

.

La xenohormesis puede explicar cómo los compuestos químicos que producen

las plantas en condiciones ambientales adversas, y que utilizan como defensa

ante éstas, pueden producir efectos beneficiosos en los animales que las

consumen. Los animales aprovechan la información contenida en estos

compuestos producidos por las plantas ante el estrés. De hecho, la mayoría de los

efectos beneficiosos para la salud que se conocen de las plantas comestibles se

atribuyen a las moléculas fabricadas en respuesta al estrés. Aunque los

compuestos xenohorméticos poseen propiedades nocivas para los insectos y

microorganismos, a las dosis subtóxicas ingeridas por los humanos como parte de

su dieta, los mismos compuestos inducen respuestas de estrés celular

moderadas44,45

. Estas a su vez, activan vías de adaptación de respuesta al estrés,

lo que deriva en un aumento de la expresión de genes codificantes de proteínas

citoprotectoras como enzimas antioxidantes, chaperonas, factores de

crecimiento, enzimas de detoxificación de fase-2, proteínas mitocondriales, etc.

Por ejemplo, el estrés oxidativo causado por algunos flavonoides (con actividad

prooxidante) contribuye a sus actividades beneficiosas para la salud induciendo

enzimas antioxidantes, resultando en un efecto beneficioso, que partió de una

supuesta reacción química tóxica.

Otro ejemplo es el resveratrol, que modula directamente alrededor de 30

enzimas y receptores sin ningún indicio de toxicidad, y los efectos observados

radican en la inhibición de algunos o en la activación de otros46

. Los polifenoles

del té verde y la curcumina, interaccionan con decenas de dianas moleculares

proporcionando numerosos beneficios para la salud47,48

.

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19 19

CAPÍTULO 3. POLIFENOLES Y ENFERMEDAD

La señal química de estrés ambiental en plantas son los polifenoles, los cuales

otorgan protección frente a estrés en los humanos o animales que los ingieren.

Esto sugiere la existencia de mecanismos que detecten este contenido

polifenólico inducido por estrés. Así pues, el estrés sucede en las plantas, y los

beneficiarios son los animales sensibles a estas señales químicas tras ingerirlas.

Un hecho a tener en cuenta es, contrariamente a lo que se creía hasta hace

poco, que muchos de los efectos de los polifenoles pueden no estar ligados a sus

propiedades antioxidantes intrínsecas, sino a cambios adaptativos que involucren

a estas moléculas en la regulación de mecanismos de respuesta al estrés

metabólico. Es decir, algunos mecanismos son químicamente simples (por

ejemplo, actividad antioxidante), pero otros compuestos parecen actuar como

moléculas de señalización o mensajeros químicos49,50

.

Las plantas estresadas proveen de una enorme fuente de moléculas

xenohorméticas que pueden modular enzimas involucrados en la regulación de la

respuesta al estrés y en la supervivencia celular. El interés en este tema emergió

debido a hallazgos que indicaban que la ingesta de una dieta hipocalórica (como

ejemplo de estrés moderado), incrementaba la supervivencia en numerosos

modelos experimentales. Estos efectos fueron similares a los observados en los

polifenoles a través de la activación de las sirtuinas51,52

.

Recientemente, experimentos de restricción de glucosa han otorgado una

conexión plausible entre reguladores metabólicos críticos, indicando que los

polifenoles deberían ser estudiados como moléculas de señalización53

. La

ausencia de glucosa aumenta la actividad de AMPK, y ésta induce la transcripción

del enzima sintetizador de NAD, Nampt, necesario para la activación de SIRT1.

Esto es todavía más importante considerando que ATP y NAD son indicadores del

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20

estado energético celular, auditado por AMP-cinasa (ratio AMP/ATP) y las

sirtuinas (que requieren de NAD para deacetilar substratos).

Muchos polifenoles son moduladores de la transcripción54

. Aunque los

mecanismos son difíciles de comprobar debido a las actividades pleiotrópicas de

los polifenoles, la supresión de la actividad NF-κβ sugiere que los polifenoles

poseen un papel importante en la modulación de la resistencia a la insulina y la

inflamación55

. Este hecho es particularmente importante porque estos efectos se

solapan con los ya conocidos factores de riesgo de las enfermedades crónicas. El

hecho de que los animales y plantas compartan un alto grado de homología en las

secuencias de las vías de las cinasas reguladas por señales extracelulares (ERKs),

explicaría que muchos polifenoles puedan modular vías de las cinasas, incluida

AMPK, y que los polifenoles puedan modular simultáneamente la señalización

redox e inhibir la función mitocondrial, son mecanismos potenciales a tener en

cuenta56,57

. Así pues, una reducción en la señalización inducida por estrés con un

incremento en radicales libres mitocondriales y una subsecuente reducción en la

producción de ATP, pueden ser efectos predecibles debidos a la ingestión de

polifenoles, sugiriendo implicaciones importantes en la prevención de las

enfermedades crónicas y el envejecimiento.

Los mecanismos moleculares sobre los que actúan los polifenoles todavía están

por dilucidar. Son muchos los polifenoles y muchas sus dianas potenciales.

Además, se debe tener en cuenta que los mecanismos que un polifenol pueda

activar pueden no ser los mismos si es administrado individualmente o si lo hace

formando parte de una mezcla compleja de polifenoles. Dependiendo de la

patología que se estudie y de las vías metabólicas que estén alteradas en cada

caso, la receta óptima de polifenoles puede variar sustancialmente.

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21 21

3.1 Obesidad

La obesidad se define como una enfermedad crónica multifactorial

caracterizada por un aumento de masa grasa, y por lo tanto del peso corporal,

como consecuencia de un balance energético positivo mantenido en el tiempo58

.

Esta ganancia de peso supone normalmente un aumento de las reservas del

organismo en forma de grasa en relación con el promedio normal para la edad,

sexo, talla y complexión59,60

. Actualmente se considera la obesidad como una de

las alteraciones metabólicas de mayor repercusión no sólo desde el punto de vista

sanitario, sino también desde ámbitos psicológicos, sociales y económicos61

. Este

fenómeno, de naturaleza epidémica, se debe en gran medida a los cambios

ambientales y sociales que han tenido lugar en las últimas décadas y que han

interaccionado con una determinada predisposición génica62

.

Actualmente, este trastorno se define como pandemia, con creciente

prevalencia63

, que supone una grave amenaza para la salud pública, debido al

riesgo a desarrollar enfermedades asociadas como la diabetes, hipertensión,

enfermedades cardiovasculares, alteraciones inflamatorias, aumento del riesgo

de padecer cáncer, insuficiencia respiratoria y osteoartritis, entre otras, y por el

elevado coste sanitario que se deriva de las mismas64

.

Algunos de los flavonoides más estudiados en el tratamiento de la obesidad son

los extraídos del té. Los compuestos mayoritarios del té son las catequinas,

principalmente (-)-epicatequina (EC), (-)-epicatequina-3-gallato (ECG), (-)epigalo-

catequina (EGC) y (-)-epigalocatequina-3-galato (EGCG)65

. Los extractos de hojas

del té mostraron una importante actividad hipolipemiante en ratas después de 63

semanas de tratamiento66

.

Los efectos de las catequinas purificadas sobre el peso de las ratas también

fueron estudiados67

. Cabe destacar que solamente la inyección intraperitoneal de

EGCG, y no de las otras catequinas (EC, EGC y ECG), causó una pérdida de peso

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22

corporal en ratas de ambos sexos en un periodo comprendido entre 2 y 7 días de

tratamiento. Los mismos resultados se obtuvieron suplementando la dieta con

EGCG en ratones alimentados con una dieta rica en grasa68

. En este último

estudio, los animales control ganaron el doble de peso que los animales tratados

con EGCG, aunque la ingesta de comida no mostró diferencias entre grupos. La

pérdida de peso se debió exclusivamente a una reducción en la cantidad de grasa

corporal68

. En experimentos realizados en líneas celulares de preadipocitos 3T3-

L1, EGCG inhibió la proliferación de forma dosis-dependiente69

.

Los mecanismos moleculares encontrados muestran que los polifenoles del té

estimulan la absorción de glucosa acompañada de un reducción en la

translocación del transportador de glucosa 4 (GLUT4) en el tejido adiposo,

mientras que en el músculo esquelético el aumento de absorción de glucosa se

acompaña de un aumento en la translocación de GLUT4 a la membrana celular.

Además, estos polifenoles suprimen la expresión de PPARγ y activan SREBP-1 en

el tejido adiposo. En resumen, los polifenoles del té muestran efectos biológicos

en la prevención de la obesidad modulando la absorción de glucosa en el tejido

adiposo y en el músculo esquelético y suprimiendo la expresión de factores de

transcripción relacionados con la adipogénesis70

.

Otros estudios se centran en la modulación de la actividad de la lipasa

pancreática (LP)71

. Este enzima, sintetizado en los humanos por el gen PNLIP,

posee una función clave en la digestión de los triglicéridos72

. La LP se secreta al

duodeno y es la responsable de la hidrólisis del 50-70% de la grasas ingeridas73

.

Este enzima se utiliza a menudo para evaluar el potencial de eficacia de productos

naturales como agentes antiobesidad74

. El orlistat es uno de los fármacos

aprobados en Europa que se utiliza en el tratamiento de la obesidad. Esta

molécula inhibe la actividad de la LP reduciendo la absorción de triglicéridos75

.

Muchos polifenoles como los flavanoles, taninos y calconas inhiben la LP73,76

. Un

flavonoide con actividad inhibitoria de la LP es la hesperidina, obtenida de la

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23 23

cáscara de Citrus unshiu77

. Las proantocianidinas reducen la concentración

plasmática de triglicéridos bloqueando la absorción de lípidos de la dieta78

e

inhiben enzimas digestivos como la tripsina, la amilasa y la lipasa74

.

3.2 La aterosclerosis

Los polifenoles han recibido una gran atención en la prevención de

enfermedades cardiovasculares, derivada en parte de la llamada paradoja

francesa, que se ha justificado en principio debido a la protección antioxidante

que ofrecen los polifenoles presentes en el vino y las verduras. Tal vez el

compuesto más estudiado en este contexto es el resveratrol. Se ha demostrado

que el resveratrol ejerce efectos protectores en el modelo de ratones deficientes

en la apolipoproteína E79

, actuando en la concentración sanguínea de lípidos y

sobre el desarrollo de la placa aterosclerótica. El mecanismo parece ser, al menos

en parte, antiinflamatorio, ya que disminuye la expresión de ICAM-1 y VCAM-1 en

los vasos sanguíneos. Sin embargo, el resveratrol no afectó a los niveles

sanguíneos de lípidos en conejos hipercolesterolémicos80

o en ratas normales81

,

aunque mejora la concentración lipídica en sangre en ratas Zucker, un modelo

animal de obesidad que, en avanzada edad, muestran algunas alteraciones

similares a las observadas en la diabetes tipo II82

. De hecho, otro estudio mostró

una extensión de las lesiones ateroscleróticas sin otro efecto significativo sobre

los lípidos o la oxidación de las LDL80

. Así pues, es poco probable que el

resveratrol tenga efectos protectores cardiovasculares a través de cambios en el

perfil lipídico. El resveratrol puede inhibir la producción de especies reactivas de

oxígeno generadas a raíz de la captación de LDL oxidadas por los macrófagos83

.

Esta molécula también reduce la infiltración celular, la fibrosis y la expresión de

citoquinas inflamatorias en un modelo de miocarditis autoinmune84

. Otros

polifenoles como la miricetina y la fisetina reducen la oxidación de las LDL y

disminuyen la expresión de CD3685

. Ambas acciones favorecen la reducción de la

formación de células espumosas y por lo tanto son considerados protectores

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I n t r o d u c c i ó n a

24

contra la aterosclerosis. Otra forma que tienen los flavonoides de evitar la

oxidación de las LDL es mediante el bloqueo de mieloperoxidasa de los

neutrófilos. Este efecto es menos importante en los metabolitos de los

flavonoides86

, que por lo general son menos bioactivos que sus precursores en

forma de aglicona intacta87

. Cabe señalar también que los macrófagos ubicados

en las placas de ateroma pueden absorber conjugados de quercetina y

convertirlos de nuevo a quercetina activa88

. El mismo mecanismo (prevención de

la oxidación de las LDL y reducción de la expresión de CD36) se ha descrito para

ECG que, curiosamente, parece ejercer esta acción específicamente en las

lesiones ateroscleróticas89

. Lo mismo ocurre con el kaempferol y la

rhamnocitrina90

, la quercetina91

, e incluso la quercetina-3-glucurónido88

.

Otros mecanismos de protección incluyen la activación del ABCA1, lo que

posiblemente aumente la concentración sanguínea de las HDL92

; la menor

producción de NADPHox93,94

; actividades antiaterotromboticas95,96

; descenso de

MCP-197

e inhibición de la proteína C reactiva98

.

Los polifenoles tienen efectos puramente vasculares que no se detallan en esta

memoria99

. Además, la mayor parte de la evidencia apunta a que los efectos

antiateroscleróticos se deben a un mecanismo antinflamatorio, más que

antioxidante.

3.3 Enfermedades inflamatorias crónicas.

La inflamación está presente en casi todas las enfermedades, pero en algunas

como el asma, la artritis reumatoide o las alergias, el componente inflamatorio es

especialmente importante.

Los polifenoles pueden prevenir la aparición de tejidos neoplásicos mediante la

modulación de la respuesta inmune. Por ejemplo, se ha demostrado que la

genisteína oral protege contra la carcinogénesis a través de la

inmunoestimulación, reduciendo la expresión de Treg, y mejorando la

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25 25

citotoxicidad de las células T y la función de las células Natural Killer100

. La

genisteína también evita la nefrotoxicidad mediante vías antinflamatorias101

y

previene la inflamación y ulceración de la mucosa gástrica102

, efecto compartido

por otros flavonoides como la catequina103

. Varios flavonoides protegen contra el

shock inducido por LPS en modelos animales, incluida la rutina104

, la baicaleina105

,

la apigenina106

, la hesperidina107

, el resveratrol108

, la quercetina 3-O-beta-(2(")-

galoil)-rhamnopyranosido109

, y EGCG110,111

. Estos efectos probablemente se

deriven de la inhibición de las funciones de los monocitos. Un estudio realizado en

ratones apunta que la quercetina protege contra el shock inducido mediante

Salmonella typhimurium-aroA112

. En cualquier caso, la quercetina no muestra

ningún efecto protector frente a la fiebre inducida por LPS113

. Además, la

quercitrina, otro flavonoide, protege contra el shock anafiláctico114

. El

resveratrol115,116

y la baicalina117,118

muestran efectos protectores frente a la

pancreatitis experimental, mientras que el ácido elágico es útil en el tratamiento

la pancreatitis crónica119

. La demetilnobiletina reduce la hipersensibilidad de tipo

retardada o tardía, con una menor proliferación de células T, menor síntesis de

citoquinas, y mayores niveles de IL-10120

. El resveratrol121

y la baicalina122

tienen

efectos protectores contra el daño hepático inducido por tetracloruro de carbono

(CCl4) y además el primero mejora la lesión hepática en un modelo de hemorragia

traumática123

.

3.4 La enfermedad del hígado graso no alcohólica (NAFLD)

El hígado es el principal órgano metabólico y lleva a cabo una gran variedad de

funciones bioquímicas necesarias para la homeostasis metabólica. Este órgano es

sensible a muchos procesos patológicos, siendo la NAFLD la causa más común de

disfunción hepática124

.

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I n t r o d u c c i ó n a

26

La NAFLD describe una condición clínico-patológica mayoritariamente

asintomática, caracterizada por una significativa acumulación de lípidos en forma

de vesículas (esteatosis, contenido graso > 5-10 % en peso) en los hepatocitos del

parénquima del hígado y en ausencia de un consumo de alcohol significativo125,126

.

Esta enfermedad engloba la esteatosis con un pronóstico benigno, y la

esteatosis acompañada de inflamación y de daño hepatocelular (esteatohepatitis

no alcohólica o NASH), la cual puede desembocar en fibrosis avanzada, cirrosis y

en último extremo en carcinoma hepatocelular125

. Por tanto, debido a que esta

acumulación lipídica en el hígado es un prerrequisito para el desarrollo de NASH y

de sus complicaciones, el estudio de la esteatosis puede ser la base del desarrollo

de nuevas estrategias de prevención y tratamiento de las enfermedades hepáticas

crónicas.

Estudios recientes demuestran que algunos polifenoles127-131

o extractos de

polifenoles132

pueden impedir, al menos parcialmente, la esteatosis hepática

inducida por dietas ricas en grasa. De hecho, los polifenoles pueden actuar sobre

el metabolismo lipídico incidiendo en la actividad del enzima desaturasa. Por

ejemplo, algunos polifenoles reducen la expresión del gen de la Δ-9 desaturasa

(estearoil-CoA desaturasa 1; SCD1)68,133

y de la Δ-6 desaturasa134

. Sin embargo,

queda estudiar si los polifenoles pueden modular la composición de los ácidos

grasos presentes en el hígado, no sólo el contenido total de lípidos.

Los polifenoles también pueden actuar sobre las vías de señalización del

metabolismo lipídico, incluyendo la síntesis y degradación de estos. Diferentes

estudios56,135

demostraron que niveles elevados de glucosa inhiben la actividad de

la AMPK y la fosforilación de la acetil-CoA carboxilasa, aumentando por lo tanto el

contenido de lípidos en los hepatocitos. Sin embargo, la administración de

polifenoles revirtió la inhibición de la actividad de la AMPK y la fosforilación de la

acetil-CoA carboxilasa56

. Por otra parte, se ha demostrado que los polifenoles

estimulan la AMPK y evitan la acumulación de lípidos en los hepatocitos,

probablemente mediante la activación de sirtuina-1 deacetilasa135

. Como las

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27 27

mitocondrias son un orgánulo clave en el metabolismo lipídico y la principal

fuente de especies reactivas de oxígeno y nitrógeno en los hepatocitos, se

postulan como candidatas para desempeñar un papel central en la progresión de

la esteatosis a esteatohepatitis no alcohólica y cirrosis136

. Algunos polifenoles

también han demostrado capacidad para modificar la actividad mitocondrial y

aumentar la mitocondriogenesis137

. Este efecto puede aumentar el catabolismo

de lípidos mitocondrial y por lo tanto, atenuar la acumulación hepática de ácidos

grasos.

La activación de AMPK puede considerarse una diana terapéutica adecuada para

tratar esta enfermedad, y los polifenoles son compuestos naturales que actúan

directamente sobre esta proteína138

.

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I n t r o d u c c i ó n a

28

3.5 Especies vegetales a estudio

En nuestra región geográfica, donde disfrutamos de la dieta mediterránea, es

muy común el consumo de alimentos como las frutas, las verduras, el aceite o el

vino. Desgraciadamente, el contenido de polifenoles en estos alimentos es muy

bajo y su absorción es poco eficiente. Por otro lado, la absorción de una cantidad

aceptable de polifenoles a partir de alimentos como el aceite o el vino, conllevaría

la ingesta en cantidades nada saludables de otros componentes como grasas o

alcohol. Así pues, es de gran interés encontrar e identificar plantas con un alto

contenido en polifenoles que puedan ser incorporados a la dieta. En la presente

tesis doctoral, se han centrado los esfuerzos tanto en Hibiscus sabdariffa,

procedente del Sahel africano como en Aspalathus linearis (rooibos) procedente

de un valle de la República de Sudáfrica (Figura 6).

Figura 6. Distribución geográfica de las dos especies vegetales estudia-das, Hibiscus sabdariffa en el Sahel africano, y Aspalathus linearis en la costa oeste de Sudáfrica.

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C A P Í T U L O 3 . P o l i f e n o l e s y e n f e r m e d a d

29 29

3.5.1 Hibiscus sabdariffa

Hibiscus sabdariffa L., (de la familia de las

malváceas, Figura 7), generalmente llamado

bissap, karkadé o flor de Jamaica, es una

planta tropical consumida habitualmente

como refresco o infusión. Tradicionalmente,

se ha utilizado con eficacia contra la

hipertensión, la inflamación y los trastornos

hepáticos139-141

. Estudios previos muestran

que H. sabdariffa posee actividad antitumo-

ral, antioxidante e hipolipemiante142-147

.

Recientemente, fue publicado que el extracto

de H. sabdariffa inhibe la oxidación de las LDL

y reduce la concentración de triglicéridos en

suero148

, y el colesterol y el colesterol-LDL

en animales de experimentación149

. El examen histológico reveló que podría

reducir la formación de células espumosas e inhibir la proliferación y migración de

las células vasculares de músculo liso, lo que sugiere el efecto antiaterosclerótico

de H. sabdariffa.

Además, los estudios en humanos muestran efectos antihipertensivos y

antiinflamatorios150,151

. Las antocianinas son los pigmentos que otorgan el color

rojo a la planta y son los responsables de la amplia gama de colores en muchos

alimentos. La fuente principal de flavonoides, incluyendo dichas antocininas, son

los pétalos 152

. Las propiedades antioxidantes de H. sabdariffa y otras especies de

hibisco han sido ampliamente estudiados153,154

.

Figura 7. Los cálices de Hibiscus sabdariffa poseen una gran cantidad de polifenoles.

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I n t r o d u c c i ó n a

30

3.5.2 Aspalathus linearis

El té rooibos, es una infusión derivada de Aspalathus linearis (Figura 8), nativa

de la costa oeste de la República de Sudáfrica. Es un arbusto utilizado

popularmente en la preparación de un té suave que no contiene cafeína, muy

pocos taninos y grandes cantidades de polifenoles. Existen dos tipos de rooibos, el

natural y el fermentado. El color natural del rooibos es verde, pero durante su

fermentación, el color cambia de verde a rojo debido a la oxidación de los

polifenoles155

. Las características más relevantes del rooibos radican en su

actividad antioxidante156,157

y antimutagénica158

.

Figura 8. Flores de Aspalathus linearis en la costa oeste de Sudáfrica.

Estudios in vitro e in vivo demuestran que el rooibos posee una gran

bioactividad. Previene la oxidación lipídica y el estrés oxidativo159,160

, la

inflamación161

, y demuestra una gran capacidad hepatoprotectora162

.

Los compuestos mayoritarios identificados en esta planta son la orientina, la iso-

orientina, la rutina y la aspalatina163-165

. Algunos de estos compuestos son

absorbidos efectivamente, lo que ratifica el valor de esta planta puesto que los

polifenoles no se absorben con facilidad166-169

. Algunos estudios in vivo muestran

que la aspalatina posee efectos hipoglicemiantes en un modelo de ratón

diabético170

. La rutina en cambio, posee efectos antihipertensivos171

y la orientina

muestra actividad cardioprotectora172

.

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C A P Í T U L O 4 . T é c n i c a s a n a l í t i c a s

31 31

CAPÍTULO 4. TÉCNICAS ANALÍTICAS

Un parte importante en el estudio de los componentes biactivos de las plantas,

es el desarrollo de técnicas analíticas que permitan determinar los compuestos

presentes en los extractos vegetales. Estas técnicas deben ser robustas,

reproducibles, rápidas y con el menor coste económico posible. Para llevar a cabo

la identificación de los compuestos individualmente, deben utilizarse técnicas

separativas como la electroforesis capilar (CE), la cromatografía de gases o la

cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).

La caracterización de los compuestos polifenólicos de las plantas utilizadas en

esta memoria se ha llevado a cabo utilizando HPLC (Figura 9). A continuación se

describen brevemente los sistemas de separación y detección utilizados.

Figura 9. Esquema general de las partes principales de un sistema de análisis de muestras.

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I n t r o d u c c i ó n a

32

4.1 Cromatografía líquida de alta resolución (HPLC)

La HPLC (del inglés high-performance liquid chromatography) es una técnica de

separación utilizada para analizar la composición de mezclas complejas. En esta

técnica, la mezcla a resolver se inyecta en un sistema formado por un fluido, fase

móvil, que circula en contacto con una fase fija o inmóvil (fase estacionaria). En el

caso de la cromatografía líquida, la fase estacionaria es un sólido o un líquido

fijado en un sólido y la fase móvil es un líquido. Las dos fases se eligen de forma

que los componentes de la mezcla que se quiere analizar se distribuyan de

distinto modo entre la fase móvil y la estacionaria. Aquellos componentes que son

fuertemente retenidos por la fase estacionaria se mueven lentamente con el flujo

de la fase móvil; por el contrario, los componentes que se unen débilmente a la

fase estacionaria se mueven con rapidez. Como consecuencia de la distinta

movilidad, los componentes de la mezcla se separan en bandas o zonas discretas

que pueden analizarse cualitativa o cuantitativamente (Figura 10).

Figura 10. Los componentes de una mezcla se separan al pasar a través de una columna dependiendo de la fuerza de interacción con la misma.

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C A P Í T U L O 4 . T é c n i c a s a n a l í t i c a s

33 33

La cromatografía líquida clásica o a baja presión se lleva a cabo en una columna

generalmente de vidrio rellena con la fase estacionaria. La muestra se introduce

por la parte superior y la fase móvil se hace fluir a través de la columna por

gravedad. Las separaciones requieren mucho tiempo y además presentan baja

eficacia. Con el objeto de aumentar la eficacia en las separaciones, el tamaño de

las partículas de fase estacionaria se fue disminuyendo, lo que generó la

necesidad de utilizar un sistema de bombeo a alta presión para conseguir un flujo

razonable de la fase móvil. De esta manera nació la técnica de cromatografía

líquida de alta resolución (HPLC) que, en fase inversa, es la técnica cromatográfica

más empleada en la actualidad.

La cromatografía de fase normal o "Normal phase HPLC" (NP-HPLC) fue el

primer tipo de sistema HPLC utilizado en el campo de la química, y se caracteriza

por separar los compuestos en base a su polaridad. Esta técnica utiliza una fase

estacionaria polar y una fase móvil apolar, y se emplea cuando el compuesto de

interés es bastante polar. El compuesto polar se asocia y es retenido por la fase

estacionaria. La fuerza de absorción aumenta a medida que aumenta la polaridad

del compuesto, y la interacción entre el compuesto polar y la fase estacionaria

polar (en comparación a la fase móvil) aumenta el tiempo de retención.

Esta técnica cayó en desuso con la aparición de la cromatografía de fase reversa

a finales de los años 70. La HPLC de fase reversa (RP-HPLC) consiste en una fase

estacionaria apolar y una fase móvil de polaridad moderada. El tiempo de

retención es mayor para las moléculas de naturaleza apolar, mientras que las

moléculas de carácter polar eluyen más rápidamente.

La cromatografía de fase reversa es tan utilizada que a menudo se le denomina

HPLC sin ninguna especificación adicional. Esta técnica se basa en el principio de

las interacciones hidrofóbicas que resultan de las fuerzas de repulsión entre un

disolvente relativamente polar, un compuesto relativamente apolar, y una fase

estacionaria apolar.

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34

4.2 Espectrometría de masas (MS)

En la actualidad, la MS es probablemente la herramienta analítica con mayores

aplicaciones. Es capaz de analizar prácticamente cualquier molécula173

debido a su

selectividad y es uno de los pocos sistemas de detección que proporciona

información estructural.

La MS se basa en la separación al vacío de iones en fase gaseosa de acuerdo con

su relación masa/carga (m/z). Su combinación con una técnica de separación

presenta la ventaja de proporcionar una segunda dimensión de separación, ya

que tras separar los compuestos según su tiempo de retención, el espectrómetro

de masas produce una separación en función de la relación m/z, siendo muy útil

en el análisis de muestras complejas174

.

La versatilidad de la MS se debe, en parte, al amplio abanico de posibilidades de

cada una de las secciones del espectrómetro, en concreto el resultado que se

obtenga va a depender notablemente de cuáles sean la interfase (método de

ionización) y el analizador utilizados (Figura 11).

Figura 11. Un espectrómetro de masas consta de una interfase (método de ionización) que vaporiza la muestra, un analizador que se encarga de separar las moléculas en base a su relación m/z y un detector.

Para llevar a cabo el acoplamiento de las técnicas separativas empleadas que

trabajan en fase líquida (HPLC y CE), con un espectrómetro de masas, en el que

las sustancias para ser analizadas deben estar en fase gaseosa, es necesaria la

utilización de una interfase adecuada que transfiera los iones desde una fase a

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35 35

otra. A pesar de la variedad de interfases que se han desarrollado para estos

acoplamientos175,176

, la más utilizada es la ionización por electrospray (ESI). Esta

interfase permite un análisis eficaz de compuestos polares, lábiles y de

compuestos con un alto peso molecular (normalmente hasta 100.000 Da). Por

otro lado, es fácil de implementar, es sensible y puede utilizarse en un amplio

espectro de aplicaciones.

En el analizador de masas se produce la discriminación entre los iones de

diferente m/z al ser sometidos a campos eléctricos o magnéticos constantes, por

pulsos o que varían periódicamente en el tiempo177

. Los más usados son:

cuadrupolo, trampa de iones (IT), triple cuadrupolo (QqQ), tiempo de vuelo (TOF),

transformada de Fourier-resonancia de ión ciclotrónica, orbitrap y algunos de los

acoplamientos entre varios de los mencionados178

. Todos ellos se diferencian en

tamaño y precio, resolución, rango y exactitud de masa que ofrecen, y en la

capacidad de determinar distribuciones isotópicas y de realizar experimentos de

masa en tándem (MS/MS o MSn)173

.

A continuación se detallan en líneas generales la interfase y los analizadores

utilizados en los trabajos presentados en esta tesis.

4.2.1 Ionización por electrospray (ESI)

Esta técnica de ionización suave se utiliza para acoplar técnicas de separación

que trabajan en fase líquida y MS para el análisis de biomoléculas polares, no

volátiles y térmicamente lábiles, en parte por su capacidad de formar iones mono-

o multicargados.

En el proceso de formación del electrospray, el cual se lleva a cabo a presión

atmosférica, intervienen diversos mecanismos al mismo tiempo179

.

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I n t r o d u c c i ó n a

36

Figura 12. Proceso de ionización en una interfase de ionización por electrospray (ESI).

El primer paso en la creación de iones aislados es la formación de un cono de

líquido en la punta de la aguja de la interfase, desde donde se expelen microgotas

cargadas (Figura 12); es entonces cuando la muestra procedente del capilar o

columna de separación y generalmente con la ayuda de un gas nebulizador, se

carga y dispersa simultáneamente. El disolvente se va evaporando de las

microgotas, aumentando su densidad de carga eléctrica, de modo que los iones

de la igual polaridad son atraídos hacia la superficie de la misma debido al campo

electrostático que se aplica entre la salida de la interfase y la entrada al

espectrómetro de masas (±2-5 kV). Cuando las fuerzas de repulsión

electrostáticas de los iones son mayores que la tensión superficial que mantiene

unidas las gotas de forma esférica (límite de Rayleigh), las microgotas se van

dividiendo en otras aún más pequeñas (explosiones de Coulomb), que seguirán

sufriendo procesos de evaporación sucesivos hasta que finalmente se forman

iones cargados desnudos que pasan a fase gaseosa, siendo atraídos hacia la

entrada del espectrómetro de masas como consecuencia del voltaje

aplicado180,181

.

La ionización puede llevarse a cabo en el modo positivo o negativo. En el modo

positivo, se producirá la formación de iones protonados [MH]+ o múltiplemente

protonados. En el modo negativo, se observa normalmente la desprotonación de

las moléculas, pudiéndose formar también iones múltiplemente desprotona-

dos179

.

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C A P Í T U L O 4 . T é c n i c a s a n a l í t i c a s

37 37

4.2.2 Analizadores de masas

Una vez que en la interfase se ha llevado a cabo la transferencia de los iones

desde la fase líquida a la fase gaseosa, los iones son dirigidos hacia el analizador

de masas. Los analizadores de masas permiten la separación, fragmentación,

detección y cuantificación de los analitos en estudio con un grado de sensibilidad

y selectividad muy elevado, proporcionando información sobre su masa

molecular.

A Trampa de iones (IT)

El analizador IT consiste fundamentalmente en un electrodo anular y dos

electrodos laterales de geometría hiperbólica, que poseen una perforación que

permite la entrada y la salida de los iones. Cuando los iones están dentro, se

aplican diferentes voltajes generando un campo eléctrico tridimensional en la

cavidad de la trampa. Este campo atrapa y concentra los iones dada su trayectoria

de oscilación estable. La naturaleza de la trayectoria depende del potencial y de la

relación m/z de los iones. Para llevar a cabo la determinación de las especies que

entran o se forman en la trampa, los potenciales de los electrodos se alteran

sometiendo a los iones confinados a una rampa lineal de radiofrecuencia (RF), de

manera que son expulsados progresivamente en la dirección axial en función de

su relación m/z (Figura 13), como resultado de desestabilizaciones de las

trayectorias que mantienen dentro de la trampa. Una vez que estos iones llegan al

detector, la señal se procesa y da lugar al espectro de masas.

Figura 13. Los iones son expulsados de la trampa hacia el detector mediante radiofrecuencia.

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38

B Tiempo de vuelo (TOF)

En el TOF (del inglés, time of flight), la separación se basa en un principio

bastante simple: la distinta velocidad que adquieren los iones en el interior del

analizador en función de su relación m/z. Si todos los iones comienzan su vuelo

por el analizador al mismo tiempo y con la misma energía cinética, los de menor

m/z llegarán al detector antes (a mayor velocidad) que los de mayor m/z182

(Figura 14).

Figura 14. En el analizador TOF, los iones se aceleran y se separan dependiendo de su relación m/z. De esta manera pueden ser detectados indivi-dualmente.

Para ello es necesario emplear una fuente de ionización por pulsos ya que el uso

de una fuente de ionización continua, como el ESI, puede ocasionar grandes

pérdidas de intensidad. Para eliminar este problema, los iones que provienen del

electrospray se introducen y aceleran en el tubo de vuelo en dirección

perpendicular al eje del espectrómetro. Este diseño ortogonal en el TOF

proporciona una alta eficacia a la hora de transmitir en modo de pulsos los iones

que vienen en forma de haz continuo; además, produce dispersiones pequeñas en

la velocidad de los iones, obteniéndose una mayor resolución183

.

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C A P Í T U L O 4 . T é c n i c a s a n a l í t i c a s

39 39

Una de sus principales ventajas es que proporciona una resolución elevada

(Figura 15), lo que permite obtener valores de masa molecular muy exactos;

además permite obtener espectros de masas con una transmisión iónica eficaz y

proporciona ciclos muy rápidos182

.

Figura 15. Cromatograma en tres dimensiones resultante de la separación de los componentes de una mezcla.

El desarrollo de estas técnicas permite caracterizar de manera relativamente

fácil y en poco tiempo los compuestos presentes en un extracto vegetal

determinado. Es necesario el desarrollo de éstas técnicas en el análisis de

muestras biológicas para determinar qué compuestos son absorbidos y si sufren

modificaciones antes de pasar a la sangre. Conocer qué compuestos son retenidos

en los tejidos y sus mecanismos moleculares de actuación, puede ser clave en el

estudio y desarrollo de terapias eficaces en el tratamiento de enfermedades

crónicas como la obesidad, la enfermedad del hígado graso no alcohólica y los

procesos inflamatorios asociados.

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HIPÓTES

HIPÓTESIS Y OBJETIVOS

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H i p ó t e s i s y o b j e t i v o s

43 43 43

Hipótesis

El consumo de extractos ricos en polifenoles de origen vegetal pueden tener

efectos beneficiosos en la salud humana.

Objetivos

1. Desarrollar y estandarizar técnicas analíticas reproducibles para la

caracterización y cuantificación de los compuestos presentes en los

extractos de plantas.

2. Evaluar la actividad antiinflamatoria.

3. Asesorar la capacidad de extractos vegetales de actuar en la prevención de

esteatosis hepática en modelos animales.

4. Establecer posibles mecanismos moleculares de actuación.

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RESULT

RESULTADOS

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ESTUDIO 1

Direct characterization of aqueous extract of Hibiscus

sabdariffa using HPLC with diode array detection coupled

to ESI and ion trap MS.

Journal of Separation Science. 2009, 32:3441–3448

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UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS BIOLÓGICOS DE LOS POLIFENOLES EN LA INFLAMACIÓN Y EL METABOLISMO : NUEVAS PERSPECTIVAS NUTRICIONALES Raúl Beltrán Debón DL:T-1517-2011

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ESTUDIO 2

Identification of phenolic compounds in aqueous and

ethanolic rooibos extracts (Aspalathus linearis) by HPLC-

ESI-MS (TOF/IT).

Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2011, 400:3643–3654

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ESTUDIO 3

Continous administration of polyphenols from aqueous

rooibos (Aspalathus linearis) extract ameliorates dietary-

induced metabolic disturbances in hyperlipidemic mice.

Phytomedicine. 2011, 18:414–424

UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS BIOLÓGICOS DE LOS POLIFENOLES EN LA INFLAMACIÓN Y EL METABOLISMO : NUEVAS PERSPECTIVAS NUTRICIONALES Raúl Beltrán Debón DL:T-1517-2011

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ROVIRA I VIRGILI CARACTERIZACIÓN DE LOS EFECTOS BIOLÓGICOS DE LOS POLIFENOLES EN LA INFLAMACIÓN Y EL METABOLISMO : NUEVAS PERSPECTIVAS NUTRICIONALES Raúl Beltrán Debón DL:T-1517-2011

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ESTUDIO 4

The aqueous extract of Hibiscus sabdariffa calices

modulates the production of monocyte chemoattractant

protein-1 in humans.

Phytomedicine. 2010, 7:186–191

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PRELIMI

RESULTADOS PRELIMINARES

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ESTUDIO I

El tratamiento con un extracto acuoso de Hibiscus

sabdariffa en un modelo animal de hiperlipémia

sometido de forma crónica a una dieta rica en grasa

previene la esteatosis hepática y la hiperlipémia.

Resultados preliminares.

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Los resultados presentados a continuación se observaron en ratones deficientes

en el receptor de las lipoproteínas de baja densidad (LDLr-/-

). Este modelo

presenta importantes alteraciones metabólicas que en algunos aspectos son

equiparables al síndrome metabólico en humanos184

. El background genético de

estos animales es C57BL/6J y fueron obtenidos de Jackson Laboratories (EE.UU.).

Materiales y métodos

Estudios animales

El número de animales utilizados (n=32) lo determinamos basándonos en

estudios previos185

. Los animales fueron estabulados en un ciclo de 12 h de

luz/oscuridad a una temperatura controlada de 25ºC y alimentados ad libitum con

agua y dieta comercial (Harlan, Barcelona). A las 10 semanas de edad, los

animales se dividieron en dos grupos. El grupo alimentado con dieta normal

(chow diet, CD, n=16) continuó con la misma dieta (3% grasa y 0,03% de

colesterol) y el segundo grupo (n=16) fue alimentado con una dieta rica en grasa

suplementada con colesterol (high fat diet, HF, 20% aceite de palma, 0,25% de

colesterol). Cada uno de estos grupos dietéticos fue dividido a su vez en dos

grupos de tratamiento (n=8). El grupo control recibió agua como único aporte

líquido, mientras que el otro recibió un extracto vegetal acuoso de 10 g/L de

Hibiscus sabdariffa. Para prevenir la degradación de los extractos, estos se

renovaban cada dos días. El peso y la ingesta de los animales se controlaron

semanalmente y los tratamientos duraron 14 semanas. Pasado este periodo, los

animales fueron sacrificados utilizando una sobredosis de ketamina y xilacina.

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Recogida de muestras y determinaciones analíticas

Las muestras de sangre y los tejidos se procesaron siguiendo los protocolos de

nuestro laboratorio publicados anteriormente186

. En las muestras de suero se

analizaron la concentración de glucosa, colesterol, triglicéridos, ácidos grasos

libres y bilirrubina y las actividades enzimáticas AST y ALT, utilizando al analizador

automático Synchron LXi 725 (Beckman Coulter, IZASA, Barcelona). El test de

tolerancia a la glucosa se llevó a cabo siguiendo protocolos descritos

anteriormente186

.

Histología

La esteatosis hepática se evaluó cualitativamente en una escala de 0 a 3, donde

0 representa la ausencia total de esteatosis y 3 el mayor grado de esteatosis

(>66%).

Proteómica (Western blot)

Mediante inmunodetección por Western Blot, se analizó la expresión de

diversas proteínas en el hígado y el tejido adiposo epididimal. Los tejidos fueron

homogeneizados en tampón de lisis (5 ml/g; 20 mM Tris-HCl, 150 mM NaCl, 1 mM

EDTA, 1 mM EGTA, 1% CHAPS, 1 mM Pefabloc y 1% cóctel inhibidor de fosfatasas

nº 2, Sigma-Aldrich Inc., Steinheim, Alemania) utilizando el homogenizador

Precellys 24 (Bertin Technologies, Francia). Las muestras fueron deslipidadas

utilizando metanol/dietileter (3:7). Las proteínas se cuantificaron utilizando el 2D

Quant kit (GE Healthcare, Piscataway, NJ, EE.UU.) y la electroforesis se realizó

utilizando geles de gradiente de poliacrilamida Bis-Tris NuPage 4-12% (Invitrogen,

Barcelona). Las proteínas fueron transferidas a membranas de nitrocelulosa

utilizando el sistema de transferencia iBlot (Invitrogen). Los anticuerpos de

detección utilizados fueron rabbit anti-AMPK (2532, Cell Signaling Tech., Danvers,

MA, EE.UU.), rabbit anti-pAMPK (2531, Cell Signaling Tech.), rabbit anti-C/EBPβ

(∆198, St. Cruz Biotech., Heidelberg, Alemania), rabbit anti-FAS (3180, Cell

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Signaling Tech.) y rabbit anti-actin (H-300, St. Cruz Biotech.). El anticuerpo

secundario utilizado fue goat anti-rabbit-HRP (Dako, Glostrup, Dinamarca). Para la

detección quimioluminiscente se utilizó el kit ECL Advance Western Blotting

Detection kit (Amersham, GE Healthcare, Barcelona), y el revelado se realizó en el

sistema VersaDoc (Bio-Rad, Madrid).

Análisis estadísticos

Todos los análisis estadísticos se llevaron a cabo utilizando el software Statistical

Package for Social Sciences (SPSS, Chicago, IL, EE.UU.).

Resultados

Se realizó un control semanal del peso de los animales y de la ingesta de

alimentos. Tanto en los animales que recibieron dieta rica en grasa (High-fat diet),

como los que recibieron dieta normal (Chow diet), la administración del extracto

vegetal redujo significativamente el aumento de peso de los ratones.

Figura 1. Incremento de peso de los animales alimentados con dieta rica en grasa (High-fat diet) y

dieta normal (Chow diet) y tratados con H. sabdariffa (puntos negros) o con agua (puntos blancos).

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Esta reducción del aumento de peso producida por el extracto vegetal, podía

atribuirse a una disminución en la ingesta de alimentos. En cambio, el análisis de

este parámetro mostró que los animales comieron prácticamente lo mismo,

incluso, los animales alimentados con la dieta rica en grasa y tratados con el

extracto de H. sabdariffa comieron más.

Figura 2. Ingesta de los animales alimentados con dieta rica en grasa (High-fat diet) y dieta normal

(Chow diet) y tratados con H. sabdariffa (puntos negros) o con agua (puntos blancos).

Se realizó un análisis bioquímico en los sueros de los ratones con el fin de

conocer algunos parámetros de interés metabólico y de función hepática de los

ratones.

En ambos tratamientos dietéticos, la concentración de colesterol plasmática

aumentó en los animales tratados con H. sabdariffa, siendo significativa en los

animales alimentados con dieta normal (Chow diet). Por el contrario, la

concentración de triglicéridos disminuyó en ambos grupos dietéticos en los

animales tratados con H. sabdariffa, aunque este descenso solamente fue

significativo en los animales alimentados con dieta rica en grasa (High-fat diet). La

concentración de ácidos grasos libres (NEFA) disminuyó significativamente en

ambos grupos dietéticos en los animales tratados con el extracto vegetal.

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El análisis de los marcadores de función hepática, bilirrubina y actividad AST,

solamente mostró diferencias significativas en los animales tratados con el

extracto de H. sabdariffa y alimentados con dieta rica en grasa.

Figura 3. Concentraciones séricas de diferentes parámetros bioquímicos. NEFA – ácidos grasos libres,

del inglés non-esterified fatty acids. AST – Aspartato aminotransferasa. * p < 0.05

La concentración sérica de glucosa en los animales tratados con H. sabdariffa

mostró un aumento significativo en estos animales (Figura 3). Este dato no

corresponde al observado en los test de tolerancia a la glucosa, donde la

concentración basal de glucosa era la misma tanto en animales tratados con H.

sabdariffa como en los no tratados. Creemos que el aumento observado en el

análisis bioquímico se debe a un fallo en el diseño experimental. Antes de ser

sacrificados, los animales se dejaron en ayunas durante 8 horas. En este periodo

de tiempo, se les retiró la comida pero no la bebida, por lo que los animales

tratados con H. sabdariffa continuaron ingiriendo el extracto. Este extracto

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contiene una fracción de polisacáridos los cuales pueden ser los responsables del

aumento de glucosa observado.

Figura 4. Curvas de glucosa de los animales alimentados con dieta rica en grasa (High-fat diet) y dieta

normal (Chow diet) y tratados con H. sabdariffa (puntos negros) o con agua (puntos blancos).

El análisis de la esteatosis hepática reveló que el tratamiento con el extracto de

H. sabdariffa evitaba la acumulación intrahepática de lípidos. En ambos grupos

dietéticos, la incidencia de esteatosis hepática fue menor, pero los resultados más

significativos, de los cuales se presentan imágenes histológicas en la figura

siguiente, se obtuvieron en los animales alimentados con la dieta rica en grasa y

tratados con el extracto de H. sabdariffa.

Figura 5. Fotografías de cortes histológicos hepáticos de animales alimentados con la dieta rica en

grasa y tratados con agua (Control) o con H. sabdariffa. El gráfico muestra la valoración cualitativa de

la esteatosis en los grupos estudiados. * p < 0.05.

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Mediante western blot se analizó la expresión hepática de uno de los enzimas

claves en el control de metabolismo energético, la AMPK. La forma activa de este

enzima se presenta de forma fosforilada, por lo que se analizó la AMPK total, y la

AMPK fosforilada. En la figura inferior, se observa como en ambos grupos

dietéticos, la cantidad hepática de AMPK fosforilada (pAMPK) es ligeramente

mayor en aquellos animales que fueron tratados con H. sabdariffa.

Figura 6. Análisis de la expresión en homogenados de tejido hepático mediante western blot de AMPK

y AMPK fosforilada (pAMPK). Como control se utilizó la Actina para comprobar que en todos los casos

se había utilizado la misma cantidad de muestra.

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105

ESTUDIO II

Metabolomic study of liver composition of animals

treated with Hibiscus sabdariffa and Aspalathus linearis.

Study description and results

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E s t u d i o I I

107 107

I. Purpose of Experiment

The goal of this study was to characterize alterations in liver metabolism

associated with preventive intervention of liver steatosis by treatment with

Hibiscus sabdariffa (Hb) and Aspalathus linearis (Roo) plant extracts.

II. Experimental design

Liver samples utilized for this study were collected from C57BL/6J background

mice deficient in low density lipoproteins receptor (LDLr KO).

Dietary and treatment group identification:

HF - high fat diet (20% palm oil + 0.25% cholesterol)

CD - normal chow diet

Hb - treatment with Hb (Hibiscus sabdariffa extract)

Roo - treatment with Roo (Aspalathus linearis extract)

Global biochemical profiles were compared across the following sample groups.

Treatment Groups

Group Animals Group ID Description

1 6 CD+C LDLr KO + Water + Chow Diet

2 6 CD+Hb LDLr KO + Hb + Chow Diet

3 6 HF+C LDLr KO + Water + HF diet+0.25% Cholesterol

4 6 HF+Hb LDLr KO + Hb + HF diet+0.25% Cholesterol

5 6 HF+Roo LDLr KO + Roo + HF diet+0.25% Cholesterol

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R e s u l t a d o s p r e l i m i n a r e s I

108

III. Summary of Procedure

At the time of analysis samples were extracted and prepared for analysis using

Metabolon’s standard solvent extraction method. The extracted samples were

split into equal parts for analysis on the GC/MS and LC/MS/MS platforms. Also

included were several technical replicate samples created from a homogeneous

pool containing a small amount of all study samples.

IV. Data Quality: Instrument and Process Variability

QC Sample Measurement Median RSD

Internal Standards Instrument Variability 4 %

Endogenous Biochemicals Total Process Variability 12 %

Instrument variability was determined by calculating the median relative

standard deviation (RSD) for the internal standards that were added to each

sample prior to injection into the mass spectrometers. Overall process variability

was determined by calculating the median RSD for all endogenous metabolites

(i.e., non-instrument standards) present in 100% of the Client Matrix samples,

which are technical replicates of pooled client samples. Values for instrument and

process variability meet Metabolon’s acceptance criteria as shown in the table

above.

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109 109

V. Metabolite Summary and Significantly Altered Biochemicals

The mView product specification includes all detectable compounds of known

identity (named biochemicals). The present dataset comprises a total 499

biochemicals, 272 named and 227 unnamed compounds (with the Hb study

sample set exhibiting 495 total compounds, 272 named and 223 unnamed).

Following log transformation and imputation with minimum observed values for

each compound, contrasts resulting from the two-way ANOVA were used to

identify biochemicals that differed significantly between study

diet/treatment/gene knockout groups. A summary of the numbers of

biochemicals that achieved statistical significance (p≤0.05), as well as those

approaching significance (0.05<p<0.1), is shown below. When analyzing 493-499

compounds, we would expect to see 25 compounds meeting the p≤0.05 cut-off by

random chance. For the primary Hb sample set, the two-way ANOVA identified

biochemicals exhibiting a significant diet main effect, treatment main effect or

diet:treatment interaction.

An estimate of the false discovery rate (q-value) is calculated to take into

account the multiple comparisons that normally occur in metabolomic-based

studies; as q-values were reasonable for p≤0.05, no q-value cutoff was established

for this study.

Statistical Comparisons - Significantly Altered Biochemicals

Hb Treatment Study

ANOVA Contrasts CD+Hb

CD+C

HF+C

CD+C

HF+Hb

HF+C

HF+Hb

CD+C

HF+Roo

HF+C

HF+Roo

HF+Hb

Total biochemicals

p≤0.05 103 73 226 227 128 228

Biochemicals (↑↓) 50|53 38|35 43|183 51|176 98|30 215|13

Total biochemicals

0.05<p<0.10 39 32 32 41 36 35

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110

Biochemicals (↑↓) 18|21 17|15 5|27 14|27 28|8 31|4

Two-Way ANOVA Diet

Main Effect

Treatment

Main Effect

Diet:Treatment

Interaction

Total biochemicals

p≤0.05 151 214 105

Total biochemicals

0.05<p<0.10 32 40 47

We have also included in the electronic deliverables, a file with data for each

biochemical displayed as box plots like that shown in the example figure below.

VI. Biochemical Summary

This study was conducted in order to identify differences in the metabolic

profiles of LDLr knockout mice under normal or high fat diets. Numerous studies

have been conducted with LDLr knockout mice which have reported diet-induced

weight gain and glucose intolerance in response to a high fat diet as well as

modulating aspects of energy metabolism. In addition to the LDLr knockout and

dietary differences, we were also interested in metabolic changes induced by

Median Value

Mean Value

Extreme Data Points

Upper QuartileLower Quartile

“Max” of distribution“Min” of distribution

___

Box and Whiskers Legend

+

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E s t u d i o I I

111 111

supplementation with either hibiscus (Hb) or rooibos (Roo) plant extracts in

conjunction with liver steatosis. Previous studies with either Hb or Roo have

suggested that phenolic compounds present in these extracts may impact

oxidative stress, inflammation, hyperglycemia and even altered liver function. For

this study, liver samples from LDLr knockout mice maintained under normal or

high fat diets were further treated with control (H2O), Hb, or Roo extracts with

groups consisting of 6 biological replicates each. Equivalent amounts of liver

tissue were extracted for each sample and, therefore, no additional normalization

of the biochemical data was required.

Datasets provided in the mView product can be quite large and contain a great

deal of information. To provide an initial focus for further consideration, a few

observations are offered below from a cursory view of the data.

A number of carbohydrate-related metabolites were found to be significantly

and consistently higher with plant extracts (either Hb or Roo) regardless of diet

(high fat (HF) or control (CD)). In particular, maltose was nearly 300-fold higher in

CD+Hb than in the CD+H2O, 600-fold higher in HF+Hb than in HF+H2O or CD+H2O,

and 130-fold greater in the HF+Roo diet compared to the HF control samples.

Previous studies have observed that plant extract formulations may often be

reconstituted in maltose which would be consistent with these findings. In this

case, the plant extracts in this experiment were derived solely from freshly

ground plant material, indicating that the Hb and Roo extracts may be both

extremely high in maltose which may be impacting the liver. In addition to this,

the higher level of maltose may have caused the liver to compensate possibly first

through gluconeogenesis (generating excess glucose) and then secondly through

the sorbitol pathway resulting in the significantly higher levels of sorbitol and

fructose. Lactate levels were also higher in all extract-treated groups and may

indicate an elevated level of glycolysis. These are important observations

consistent between the extract-treated samples regardless of diet that may

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112

suggest that the formulation process is contributing to differences observed in the

liver.

While the HF diet or plant extracts alone did not significantly affect the levels of

amino acids in comparison to the control diet, the combination of HF+Hb did

result in significant lower levels of nearly all amino acids. This decrease may be an

indication of reduced uptake from the diet or potentially represent increased

amino acid metabolism for energy purposes in response to hibiscus extract.

However, this seems unlikely given the abundance of glucose observed under

these conditions. In contrast to this, the HF+Roo diet resulted in slightly higher

levels of free amino acids in contrast to the HF+C diet. These results are intriguing

and if they are indicative of increased amino acid utilization, these results may be

consistent with reports in the literature which have suggested that diets fortified

with essential and in particular ketogenic amino acids may prevent hepatic

steatosis in mouse models of dietary induced obesity.

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E s t u d i o I I

113 113

The HF diet resulted in greater levels of bile acids in the liver (many that were

statistically significant compared to control), which may be an indication of

decreased liver function (consistent with steatosis). It is interesting to note that

there was a significant reduction in the levels of bile acids (cholate, taurocholate,

deoxycholate, taurodeoxycholate, 6-beta-hydrolithocholate, beta-muricholate

and taurourso-deoxycholate) in livers maintained on HF diet when Hb extract was

also co-administered. The HF+Roo samples also showed a similar result (lower bile

acids) in relation to the HF control samples. The significant decreases in bile acids

associated with Hb or Roo extract may be suggestive of improved liver function.

This would be consistent with previously reported results from this client, who

found that dietary-induced liver steatosis was prevented by the Roo extract.

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114

With respect to lipid levels in the liver, several long-chain fatty acids and

glycerol were found to be significantly lower in the HF+Hb liver samples in

contrast to the HF control diet. While the liver is the primary tissue for de novo

synthesis of fatty acids, the changes observed here may be indicative of reduced

lipolysis. However, this is difficult to confirm since monoacyl- or diacyl-glycerols

were not observed. By comparison, sphingolipids including sphinganine (a

ceramide precursor) and sphingosine and sphingomyelin (ceramide catabolites)

were higher in mice reared on the HF diet compared to CD. Ceramide itself was

not detectable on our platform because of its physical characteristics. The

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E s t u d i o I I

115 115

inclusion of plant extracts in the diet generated interesting changes in the levels

of liver sphingolipids. Though not statistically significant, the levels of sphinganine

and sphingosine in HF+plant extract-treated animals trended upward compared

to HF diet alone. In contrast, stearoyl sphingomyelin and palmitoyl

sphingomyelin were lower in livers from HF+plant extract-treated animals,

returning to levels that mimicked the CD. These results may suggest that either

plant extract in combination with a high fat diet may cause preferential

catabolism of ceramide to sphingosine instead of sphingomyelin. Since elevated

levels of ceramides have been recognized as a factor contributing to impaired

insulin signaling in non-adipose tissue – events that are strongly associated with

liver steatosis – altered ceramide catabolism in association with these plant

extracts may also impact liver steatosis, perhaps in a favorable manner.

One of the most consistent differences associated with HF+Roo samples were

the significant differences in glutathione related metabolites. Both oxidized and

reduced glutathione levels were found to be significantly higher in the HF+Roo

samples in relation to the HF+H2O controls. 5-oxoproline, a degradation product

of glutathione, was also higher in the HF+Roo samples in relation to the HF

controls suggesting increased glutathione turnover. In addition, cysteine-

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116

glutathione disulfide, which is formed during oxidative reactions with

glutathione, was higher in the HF+Roo samples when compared to HF controls.

Elevated levels of cysteine-glutathione disulfide are often an indicator of an

oxidative environment or of increased oxidative stress. Moreover, urate may be

generated during purine metabolism through the activity of xanthine oxidase – an

enzyme whose activity is increased under conditions of oxidative stress. Urate

levels were nearly 4-fold higher in the HF+Roo samples in relation to the HF

controls, providing further support for conditions of an increased oxidative

environment or oxidative stress with Roo treatment. Finally, additional

antioxidants including alpha-tocopherol and ascorbate were generally greater in

the HF+Roo samples compared to control and may suggest a buildup of

antioxidants to compensate for elevated oxidative stress.

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E s t u d i o I I

117 117

Data derived from structurally unnamed biochemicals were also provided with

this dataset, resulting in the identification of an additional 227 compounds. Many

of these unnamed metabolites may serve as potential biomarkers of Hb- or Roo-

treatment in relation to a high fat diet. Of particular interest are X-14619 and X-

11651 (a potential bile acid with structural similarities to tauro(cheno)deoxycholic

acid), whose levels were significantly reduced upon addition of Hb to the high fat

diet. X-11651 behaves similar to that of the bile acids discussed previously but X-

14619 may show an amelioration of the effects of the high fat diet with the Hb

extract and may be worth pursuing further. Additional unnamed compounds of

interest included X-11540 (possibly dodecenoyl-carnitine) which was uniquely

higher within the HF+Roo samples as well as X-11611_200 which was unique to

both HF and CD with hibiscus. X-06132_201, X-16820, and X-16830 showed signs

of being significantly higher within only the HF+Hb samples.

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R e s u l t a d o s p r e l i m i n a r e s I

118

In conclusion, there were a number of significant differences identified in the

LDLr knockout mouse liver with respect to dietary changes as well as following

treatment with plant extracts, which may have favorable impacts on liver

steatosis. Unique findings with respect to the plant extracts showed that the Hb

extract in particular may have had a positive impact on liver steatosis, possibly

increasing metabolism of amino acids and decreased levels of bile acids. By

comparison, treatment with the Roo extract often generated overlapping effects

to that seen after treatment with Hb. Additionally, the biochemical data provided

in this study may suggest that Roo treatment generates a more oxidative

environment in the liver or perhaps lead to conditions of increased oxidative

stress.

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DISCUSIÓ

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

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D i s c u s i ó n

121 121

1. DISCUSIÓN

La obesidad es una de las enfermedades más frecuentes en todo el mundo.

Tanto es así que la Organización Mundial de la Salud la califica de pandemia63

,

siendo particularmente alarmante el incremento en la edad infantil. Esta

enfermedad multifactorial se asocia con el desarrollo de otras patologías como la

diabetes, la hipertensión y alteraciones inflamatorias. La tasa de obesidad, del

orden del 15% en Europa y superior al 30% en Norteamérica, justifica los

esfuerzos que la comunidad científica destina a investigar las causas de esta

enfermedad, entre las que se encuentran componentes genéticos, endocrinos y

factores ambientales como hábitos dietéticos inadecuados y modelos sedentarios

de actividad física60

.

Desgraciadamente, la búsqueda de factores de riesgo convencionales para las

enfermedades crónicas es una estrategia limitada que no proporciona una

solución eficaz para el tratamiento de la enfermedad. Una estrategia alternativa

podría centrarse en la población general a través de simples modificaciones en la

dieta, dado que la evidencia científica apoya cada vez más la opinión de que estas

intervenciones dietéticas tienen importantes efectos sobre el estado de salud a

largo plazo. Sin embargo, la financiación de ensayos clínicos para demostrar la

eficacia de los polifenoles en la dieta se complica por el hecho de conseguir

extractos naturales siempre con la misma composición. La industria alimentaria,

con el fin de evitar esta limitación, centra sus investigaciones en los efectos de los

elementos individuales.

Nuestro enfoque, sin embargo, examina la actividad biológica del extracto

completo. Algunos de los compuestos presentes en los extractos estudiados

poseen numerosas actividades biológicas, como las antocianinas, el ácido

hidroxicítrico, el ácido hibiscus y el ácido clorogénico, los cuales se comercializan

como suplementos dietéticos destinados a reducir el sobrepeso y otras

afecciones187

. Una de las desventajas de nuestra estrategia es que la

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D i s c u s i ó n y c o n c l u s i o n e s s

122

interpretación de los resultados puede convertirse en una tarea complicada

debido a las múltiples dianas metabólicas de los compuestos polifenólicos46-48

.

Además, este planteamiento condena la incorporación del extracto como

suplemento dietético antes que como fármaco. Las plantas que son ampliamente

utilizadas en la medicina popular son candidatas inmediatas a la investigación,

como ocurren en el caso de Hibiscus sabdariffa y Aspalathus linearis. La primera

se utiliza tradicionalmente para tratar la hipertensión y los trastornos

hepáticos146,188

, mientras que a la segunda se le atribuyen efectos beneficiosos en

el tratamiento de alergias, asma y problemas dermatológicos158

.

Las técnicas analíticas desarrolladas proporcionan una herramienta eficaz en la

caracterización de los compuestos polifenólicos presentes en extractos acuosos

vegetales. El objetivo era desarrollar un método cualitativo muy simple para

separar y caracterizar simultáneamente los compuestos presentes en ambos

extractos. En el caso de H. sabdariffa se describieron dos compuestos por primera

vez, el 5-O-caffeoylshikimic acid y la N_feruloyltyramina (Estudio 1; pág.47).

Además sabemos que los compuestos mayoritarios presentes en este extracto

son el ácido hibiscus, el ácido hidroxicítrico, el ácido clorogénico y las dos

antocianinas (Material suplementario; pág. 147). También en el caso del extracto

de A. linearis se describieron nuevos compuestos. Concretamente los once

siguientes: patuletin 7-glucoside, esculin, safflomin A, carlinoside, isocarlinoside,

neocarlinoside, 2″-O-β-arabinopyranosylorientin, vicenin-2, eriodictyol-5,3′ di-O-

glucoside, quercetin-3-O-arabinoglucoside y scoparin (Estudio 2; pág. 57).

En los estudios llevados a cabo en ratones, los extractos vegetales de H.

sabdariffa y A. linearis muestran una alta actividad biológica, aunque su

comportamiento difiere en algunos aspectos. En ambos casos, los efectos

producidos por los extractos parecen ser mayores cuanto mayor es la agresión

externa, que en estos estudios, es el consumo de una dieta hipercalórica. Ambos

extractos previenen el incremento de peso en los animales alimentados con la

dieta normal, pero solamente H. sabdariffa consigue hacerlo en los animales

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D i s c u s i ó n

123 123

alimentados con una dieta rica en grasa. Los responsables de este efecto pueden

ser el ácido hidroxicítrico189,190

y su isómero, el ácido hibiscus, ya que su

concentración es muy alta en los extractos de H. sabdariffa (ver Material

suplementario; pág. 147).

Ambos extractos muestran una gran actividad hipolipemiante, tanto a nivel

sérico como hepático (Estudio 3; pág. 71 y Estudio I; pág. 95). La diferencia más

importante la observamos en los niveles plasmáticos de colesterol. Mientras que

A. linearis disminuye la concentración plasmática de colesterol, los animales

tratados con H. sabdariffa muestran una concentración mayor respecto al control.

Esto podría ser debido a un aumento de la excreción de colesterol por parte del

hígado. Los resultados obtenidos en el análisis metabolómico de los hígados de

los animales alimentados con una dieta rica en grasa, muestran un contenido de

colesterol intrahepático menor en los animales tratados con H. sabdariffa,

mientras que en los tratados con A. linearis la acumulación de colesterol es

mayor, comparados con el control (Estudio II; pág. 105). Además, estos últimos

muestran una concentración plasmática de VLDL y LDL menor. En ambos casos,

los resultados encajan con la concentración plasmática de colesterol observada.

Por otro lado, la administración de dieta rica en grasa en los animales control

produce un incremento en la concentración hepática de ácidos biliares, lo que

puede indicar una alteración en la función hepática191

. Tanto el tratamiento con

H. sabdariffa como con A. linearis reduce significativamente la concentración de

ácidos biliares en el hígado, sugiriendo una mejora en la función hepática (Estudio

II; pág. 105). Estos resultados se correlacionan además con la esteatosis

observada

Los efectos observados son independientes de cambios en la resistencia a la

insulina, como muestran los test de tolerancia a la glucosa realizados en los

animales de experimentación. Sin embargo, el tratamiento con H. sabdariffa

produce un incremento significativo en la glucosa plasmática. En el hígado, el

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D i s c u s i ó n y c o n c l u s i o n e s s

124

contenido de glucosa es mucho mayor en los animales tratados con los extractos

vegetales. Particularmente, la concentración de maltosa es significativamente

mayor. Estos resultados sugieren que ambas plantas son ricas en este azúcar (o en

polisacáridos cuya digestión produzca este disacárido), hecho que podría afectar

particularmente al hígado. La alta concentración de maltosa puede activar

mecanismos compensatorios; por un lado, vía gluconeogénesis generando un

exceso de glucosa, y por otro lado, produciendo sorbitol y fructosa por la vía del

sorbitol (Estudio II; pág. 105). Este alto contenido en glucosa parece activar

parcialmente la glicolisis, como revela la alta concentración de lactato observada

en los animales tratados con los extractos vegetales (Estudio II; pág. 105). Una

posible estrategia, en la que ya hemos empezado a trabajar para evitar estas

alteraciones en las concentraciones hepáticas y plasmáticas de glucosa, es

eliminar los polisacáridos de los extractos vegetales, obteniendo así un extracto

mucho más concentrado.

Las alteraciones observadas en el metabolismo de la glucosa y de los lípidos,

apuntan a un enzima clave en la regulación del metabolismo energético, la AMPK.

Cuando las reservas energéticas disminuyen, AMPK activa vías catabólicas como la

β-oxidación de los ácidos grasos192,193

. Además, inhibe rutas biosintéticas como la

síntesis de ácidos grasos o la gluconeogénesis192,193

. Los dos extractos estudiados

activan la AMPK en el hígado. Este hecho podría bloquear la síntesis de ácidos

grasos, promoviendo su oxidación, lo que explicaría la reducción de los depósitos

intrahepáticos de lípidos. Lo que no explica es el aumento de glucosa

intrahepática, aunque podría deberse a que los hepatocitos transforman la

maltosa en glucosa para dar salida a las grandes cantidades ingeridas de este

disacárido. Por otro lado, como se especifica en el Estudio I del apartado de

Resutados Preliminares, los animales se dejaron en ayunas antes del sacrificio,

pero no se les retiró el extracto vegetal. Este error en el diseño del experimento

explicaría la alta concentración plasmática y hepática de glucosa, y la ausencia en

estos animales de un estado de resistencia a la insulina.

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D i s c u s i ó n

125 125

Aunque los niveles altos de glucosa en sangre son un factor que no se debe

menospreciar, los datos obtenidos muestran que la administración continuada de

extractos ricos en polifenoles puede ayudar en el control de las enfermedades

metabólicas.

En humanos, nuestros estudios in vitro muestran en células mononucleares de

sangre periférica (PBMCs) una protección efectiva ante la muerte celular inducida

por H2O2. Los resultados indican que los componentes responsables de estos

efectos pasan fácilmente a través de la membrana de la célula y pueden

acumularse en ellas e inducir potentes mecanismos de defensa. La importancia

biológica de la interacción entre las especies reactivas de oxígeno y ciertas

citoquinas inflamatorias sigue siendo difícil de explicar. Hemos encontrado una

secreción significativa de IL-6 e IL-8 por parte de los PBMCs en respuesta al estrés

oxidativo que se acentúa aún más por la incorporación del extracto, lo que

sugiere un efecto xenohormético. IL-6 desempeña muchas funciones biológicas,

pero en este contexto, su producción puede deberse a la demanda metabólica

inducida experimentalmente por la adición de H2O2194,195

. Además, la IL-6 también

puede proteger las células contra la apoptosis inducida por H2O2 al inhibir la

muerte celular por la vía de señalización de JNK196

. IL-8 no sólo promueve la

respuesta inflamatoria, sino que también actúa para suprimir la apoptosis,

principalmente a través de la IL-8RA en situación de estrés oxidativo. La presencia

de IL-8 suprime la función de la apoptosis en las interacciones Fas-FasL197

. Por el

contrario, algunos experimentos sugieren que la MCP-1 previene la apoptosis en

varios modelos y aumenta la supervivencia de las células198,199

. En nuestros

resultados, la disminución observada de MCP-1 en nuestro modelo experimental

podría indicar un efecto proapoptótico. En la regulación de la apoptosis pueden

concurrir diferentes vías y moléculas de señalización, y en nuestro caso, el

resultado de esta regulación depende del equilibrio de los efectos opuestos

provocados por citoquinas concurrentes. También puede depender de las

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D i s c u s i ó n y c o n c l u s i o n e s s

126

características de la célula y el factor de inducción, como se ejemplifica en datos

recientes144

en los que los polifenoles de H. sabdariffa impiden la inflamación

inducida por lipopolisacáridos en macrófagos.

Los efectos observados en voluntarios sanos fueron diferentes después de la

ingestión de dosis altas de H. sabdariffa. La concentración plasmática de MCP-1

disminuye significativamente y no se observa ningún efecto en la concentración

de IL-6 e IL-8. Estos estudios deben ampliarse en pacientes con un elevado grado

de inflamación, como pacientes diagnosticados de síndrome metabólico u

obesidad mórbida, donde los efectos podrían ser más importantes. Queda por

determinar si el tratamiento es seguro y si sus efectos se mantienen cuando es

administrado de forma crónica. Así pues, puede ser relevante la investigación

enfocada a la inhibición de la producción de MCP-1 para prevenir enfermedades

inflamatorias crónicas mediante el uso de estos extractos. Aunque no poseemos

datos propios en humanos de la farmacocinética de estos extractos, el potente

efecto observado sugiere una absorción inmediata y significativa de compuestos

biológicamente activos. Existen datos previos acerca de la absorción de las

antocianidinas del H. sabdariffa200

. Además, los glucósidos de estas antocianidinas

son fuertes candidatos según lo indicado previamente por datos obtenidos con

antocianinas del vino tinto purificadas201,202

. Aun así, el papel de otros

compuestos o un efecto combinado no puede ser ignorado. Los flavonoides

poseen una gran actividad antioxidante y tradicionalmente se ha atribuido los

efectos beneficiosos que producen a esta capacidad antioxidante49,50

. Sin

embargo, nuestros resultados demuestran que la disminución en el plasma de la

concentración de MCP-1 no se debe a un aumento concomitante en la capacidad

antioxidante del plasma. En cambio, los posibles mecanismos pueden involucrar

una inhibición directa de las vías inflamatorias y metabólicas responsables de la

producción de MCP-1203

.

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D i s c u s i ó n

127 127

En resumen, los resultados obtenidos muestran que los extractos vegetales ricos

en polifenoles pueden producir beneficios para la salud humana. Además cuentan

con la ventaja de carecer de valor calórico y de la toxicidad potencial del alcohol.

En los animales de experimentación, el metabolismo de los lípidos y la glucosa se

ven claramente alterados a consecuencia del consumo crónico de estos extractos,

reduciendo los lípidos plasmáticos, bloqueando el desarrollo de esteatosis

hepática, y todo ello independientemente a cambios en la resistencia a la insulina.

En los seres humanos, H. sabdariffa provoca una disminución significativa en la

concentración plasmática de MCP-1, lo que sugiere que esta planta puede ser un

valioso complemento de la dieta.

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129

2. CONCLUSIONES

• La metodología desarrollada para HPLC acoplada a ESI-TOF-MS y ESI-IT-

MS2 es una técnica analítica potente para la separación y caracterización

de los compuestos polifenólicos contenidos en extractos vegetales

acuosos.

• Los efectos biológicos observados en modelos animales de

experimentación parecen ser más importantes cuanto mayor es la

agresión externa (en este caso, el consumo de una dieta hipercalórica).

• Los extractos vegetales, administrados de forma crónica, previenen

trastornos en el metabolismo lipídico como la hiperlipémia y la esteatosis

hepática en modelos animales de experimentación alimentados con una

dieta rica en grasa.

• Los efectos biológicos observados en estos animales son independientes

de cambios en la resistencia a la insulina, y sugieren una activación de la

AMPK como uno de los posibles mecanismos responsables de dichos

efectos.

• En humanos, la administración aguda de una dosis alta de polifenoles

disminuye la concentración plasmática de MCP-1 en unas horas,

sugiriendo una absorción inmediata y significativa de compuestos

bioactivos.

• La gran actividad antiinflamatória de estos compuestos observada en

humanos es independientemente de un aumento en la capacidad

antioxidante del plasma y propone la utilización de extractos acuosos

vegetales en el tratamiento de enfermedades inflamatorias.

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B i b l i o g r a f í a

145 145

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O t r o s

161 161 161

Publicaciones no indexadas

1. Fernández-Arroyo S, Rodriguez-Medina IC, Beltrán-Debón R, Pasini F, Joven

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Agro Food Industry Hi-Tech. 2010 May; 21: 3. 38-42

Participaciones en congresos

79th

Annual Congress of the European Atherosclerosis Society (EAS)

Gothenburg 2011

4th

International Conference on Paraoxonases

La Pineda 2010

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O t r o s a

162 162

ABREVIATURAS

ABCA1 – ATP-binding cassette, member 1

ALT – alanino amino transferasa

AMPK – AMP-activated protein kinase

AST – aspartato aminotransferasa

ATP – adenosine triphosphate

CE – Capilar electrophoresis

Da – Dalton

EC – epicatechin

ECG – epicatechin gallate

ECGC – epigallocatechin gallate

EDTA – ethylenediaminetetraacetic acid

EGC – epigallocatechin

EGTA – ethylene glycol tetraacetic acid

ERK – elk-related tyrosine kinase

ESI – electrospray injection

FAS – TNF receptor superfamily member 6

FASL – Fas ligand

GLUT4 – insulin-responsive glucose transporter 4

HDL – high-density lipoprotein

HPLC – high performance liquid chromatography

ICAM-1 – intercellular adhesion molecule 1

IL-6 – interleucina-6

IL-8 – interleucina-8

IL-8RA – chemokine (C-X-C motif) receptor type 2 (CXCR2)

IL-10 – interleucina-10

IT – ion trap

JNK – c-Jun N-terminal kinase

LDL – low-density lipoprotein

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O t r o s

163 163 163

LDLr-/-

- low-density lipoprotein receptor deficient mice

LP – lipasa pancreática

LPS – lipopolisacárido

MCP-1 – monocyte chemoattractant protein-1

MS – mass spectrometry

m/z – relación masa/carga

NAD – nicotinamide adenine dinucleotide

NADPHox – nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase

NAFLD – non-alcoholic fatty liver disease

Nampt – nicotinamide phosphoribosyltransferase

NASH – non-alcoholic steatohepatitis

NEFA – non-esterified fatty acids

NF-κβ – nuclear factor κβ

pAMPK – phosphorylated AMP-activated protein kinase

PBMCs – peripheral blood mononuclear cells

PNLIP – pancreatic lipase

PPARγ – peroxisome proliferator-activated receptor gamma

SCD1 – stearoyl-Coenzyme A desaturase 1

SIRT1 – sirtuin 1

SREBP-1 – sterol regulatory element binding protein 1

TOF – Time of flight

VCAM-1 – vascular cell adhesion molecule 1

VLDL – very low-density lipoprotein

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