Identification of biomarkers and nutraceutical strategies in the treatment of colorectal cancer

• Autores: María Jesús Rodríguez Sojo
• Directores de la Tesis: M. Elena Rodríguez Cabezas (codir. tes.), Alba Rodríguez Nogales (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• ISBN: 9791370151829
• Número de páginas: 203
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    Para resumir los mecanismos celulares subyacentes del cáncer, se han definido una serie de signos distintivos que caracterizan a las células tumorales: proliferación sostenida, evasión de mecanismos supresores, resistencia a la muerte celular, promoción de la angiogénesis, activación de la invasión y metástasis hacia otros tejidos, metabolismo celular desregulado y esquive de la destrucción inmunitaria. En este marco, el cáncer colorrectal (CCR) constituye un claro ejemplo de cómo la interacción entre las mutaciones genéticas, la inflamación intestinal crónica y los factores ambientales convergen en la activación de estos mecanismos que conducen a la carcinogénesis. La elevada complejidad del microambiente tumoral (TME) en el CCR, en el que convive el tumor junto con la inflamación intestinal y microbiota, hace de esta una enfermedad compleja y objeto de estudio. En el año 2023 se diagnosticaron en España más de 40.000 nuevos casos de CCR, consolidándose como el segundo cáncer más frecuente a nivel mundial. Su incremento se atribuye, en gran medida, a factores de riesgo como una dieta inadecuada, la presencia de enfermedades previas como la enfermedad inflamatoria intestinal (EII) o la obesidad, tabaquismo y sedentarismo, además de los antecedentes genéticos familiares. Existe una relación muy estrecha entre la EII y el CCR, pues la persistencia de colitis ulcerosa favorece la aparición de cáncer asociado a colitis (CAC). Este riesgo se potencia debido a alteraciones genéticas en genes relacionados con la inmunidad, la respuesta al estrés celular, la autofagia y la microbiota intestinal. El mecanismo fisiopatológico del CCR implica la acumulación de mutaciones en oncogenes y genes supresores, donde el papel de la inflamación es vital para el desarrollo del tumor. Conocer el TME resulta esencial, donde se integran fibroblastos, células vasculares e inmunitarias que cobran gran importancia en los procesos oncogénicos. En este sentido, la infiltración de linfocitos citotóxicos y células T colaboradoras (Th)1 se asocia con un mejor pronóstico, mientras que la infiltración de células Th17, T reguladoras (Treg) y células supresoras de mieloides (MDSCs) suelen vincularse con peor evolución. Dentro del TME, los mastocitos cumplen un papel crucial, donde su efecto depende de la localización, densidad, estado de degranulación, así como de su perfil transcripcional, lo que los convierte en un objetivo prometedor para entender la complejidad del CCR. En el nicho intestinal, la microbiota tiene un papel protagonista y está estrechamente relacionada con el CCR. Los pacientes con CCR presentan disbiosis caracterizada por un aumento de bacterias proinflamatorias, como Fusobacterium, Escherichia coli o Bacteroides fragilis, y una disminución de bacterias beneficiosas productoras de ácidos grasos de cadena corta (AGCC) como Faecalibacterium prausnitzii o Bifidobacterium. La pérdida de AGCC, reduce la protección epitelial y la señalización inmunitaria antitumoral. Estas evidencias abren la puerta de entrada a estrategias terapéuticas basadas en la modulación de la microbiota y de la señal inmunitaria, mediante prebióticos y/o probióticos que tengan efecto sobre la microbiota y sobre el sistema inmunitario. En este sentido, los nutracéuticos, compuestos bioactivos presentes en alimentos que muestran propiedades beneficiosas, representan una vía emergente hacia nuevas estrategias terapéuticas y se están consolidando como una vía prometedora en la investigación para la prevención y tratamiento del CCR. Algunos compuestos bioactivos, como los compuestos azufrados del género Allium, han demostrado propiedades antioxidantes, antiinflamatorias, proapoptóticas y antiproliferativas, por lo que son una buena herramienta como futuros tratamientos. En este contexto, el propil-propanotiosulfonato (PTSO), con acciones beneficiosas sobre el sistema digestivo demostradas, surge como un buen enfoque terapéutico en el tratamiento del CCR. Por ello, para esta Tesis Doctoral, se propusieron los siguientes objetivos: 1. Analizar el efecto modulador del PTSO sobre la microbiota intestinal en el contexto del CCR. 2. Estudiar las acciones inmunomoduladores del PTSO sobre poblaciones inmunitarias que tienen un importante papel en la progresión del CCR, prestando especial atención a los mastocitos, las células linfoides y las MDSCs. 3. Caracterizar el impacto de la inmunomodulación ejercida por el PTSO en el desarrollo tumoral del CCR. Para alcanzar estos objetivos, se llevaron a cabo estudios en diferentes modelos experimentales de CCR. En primer lugar, se investigó el efecto del PTSO sobre un modelo murino de CCR asociado a colitis (CAC) inducido por azoximetano (AOM) y sulfato de dextrano sódico (DSS). La administración de PTSO redujo la carga y el volumen tumoral en comparación con los ratones con CAC no tratados, lo que se asoció con un menor estado inflamatorio y menores niveles de proliferación celular en ratones tratados. Además, el PTSO fue capaz de restablecer la disbiosis asociada al CCR y mejorar la función barrera intestinal, favoreciendo la presencia de bacterias como Weissella confusa o Leuconostoc mesenteroides. Respecto al mecanismo molecular del PTSO sobre células tumorales, se observó que disminuyó la proliferación a través de la ruta pSTAT3/PI3K/mTOR y aumentó la apoptosis a través de un aumento en genes implicados en la regulación de la apoptosis y autofagia, como BNIP3 y MAPK14. El tratamiento con PTSO también tuvo un fuerte impacto inmunomodulador. Este efecto se vio reflejado en el modelo de CAC con un cambio del perfil inmunitario hacia un perfil más favorecedor en los ratones tratados en comparación con los ratones no tratados. El tratamiento con PTSO disminuyó la infiltración de neutrófilos en colon y restauró la diferenciación de macrófagos hacia un fenotipo antiinflamatorio, además de que disminuyó la densidad de mastocitos. De forma complementaria, los estudios in vitro mostraron que el tratamiento con PTSO modula la activación de mastocitos humanos (HMC-1.2), reduciendo la expresión de receptores de superficie asociados a su desgranulación y liberación de mediadores. En este contexto también se observó que el medio condicionado de mastocitos tratados con PTSO disminuyó la viabilidad de células de cáncer colorrectal (HCT-116).

  • English

    To summarize the cellular mechanisms underlying cancer, a series of hallmarks have been defined that characterize tumor cells: sustained proliferation, evasion of suppressive mechanisms, resistance to cell death, angiogenesis promotion, activation of invasion and metastasis toward other tissues, deregulated cellular metabolism, and escape from immune destruction. Within this framework, colorectal cancer (CRC) represents a clear example of how the interaction between genetic mutations, chronic intestinal inflammation, and environmental factors converge in the activation of these mechanisms that lead to carcinogenesis. The high complexity of the tumor microenvironment (TME) in CRC, where the tumor coexists with intestinal inflammation and microbiota, makes this a complex disease and a subject of study. In 2023, more than 40,000 new cases of CRC were diagnosed in Spain, consolidating its position as the second most frequent cancer worldwide. Its increase is largely attributed to risk factors such as inadequate diet, the presence of pre-existing diseases such as inflammatory bowel disease (IBD) or obesity, smoking, sedentary lifestyle, and family genetic background. There is a very close relationship between IBD and CRC, since the persistence of ulcerative colitis favors the appearance of colitis-associated cancer (CAC). This risk is enhanced by alterations in genes related to immunity, cellular stress response, autophagy, and intestinal microbiota. The pathophysiological mechanism of CRC involves the accumulation of mutations in oncogenes and suppressor genes, where the role of inflammation is vital for tumor development. Understanding the TME is essential, as it integrates fibroblasts, vascular cells, and immune cells that play a key role in oncogenic processes. In this context, infiltration of cytotoxic T lymphocytes and T helper (Th) 1 cells is associated with better prognosis, whereas infiltration of Th17, regulatory T cells (Treg), and myeloid-derived suppressor cells (MDSCs) is usually linked to poorer outcomes. Within the TME, mast cells (MCs) play a crucial role, and their effect depends on localization, density, degranulation status, and transcriptional profile, which makes them a promising target to understand the complexity of CRC. In the intestinal niche, the microbiota plays a central role and is closely related to CRC. Patients with CRC present dysbiosis characterized by an increase in pro-inflammatory bacteria such as Fusobacterium, Escherichia coli, or Bacteroides fragilis, and a decrease in beneficial bacteria that produce shortchain fatty acids (SCFAs), such as Faecalibacterium prausnitzii or Bifidobacterium. The loss of SCFAs reduces epithelial protection and antitumor immune signaling. These findings open the way to therapeutic strategies based on modulation of the gut microbiota and immune signaling, through prebiotics and probiotics that act both on the intestinal bacteria and on the immune system. In this regard, nutraceuticals, bioactive compounds present in foods with beneficial properties, represent an emerging path toward new therapeutic strategies and are becoming a promising field of research for the prevention and treatment of CRC. Some bioactive compounds, such as sulfur compounds from the Allium genus, have shown antioxidant, anti-inflammatory, proapoptotic, and anti-proliferative properties, which makes them good tools for future treatments. In this context, propyl-propane-thiosulfonate (PTSO), with demonstrated beneficial digestive actions, emerges as a valuable therapeutic approach in CRC treatment. Therefore, for this Doctoral Thesis, the following objectives were proposed: 1. To analyze the modulatory effect of PTSO on the intestinal microbiota in the context of CRC. 2. To investigate the immunomodulatory actions of PTSO on immune cell populations that play a key role in CRC progression, with particular attention to MCs, lymphoid cells, and MDSCs. 3. To characterize the impact of PTSO-related immunomodulation on tumor development in CRC. To achieve these objectives, studies were carried out in different experimental models of CRC. First, the effect of PTSO was investigated in a murine model of CAC induced by azoxymethane (AOM) and dextran sodium sulfate (DSS). PTSO administration reduced tumor burden and volume compared to untreated CAC mice, which was associated with lower inflammatory status and reduced levels of cell proliferation in treated mice. Moreover, PTSO was able to restore CRC-associated dysbiosis and improve intestinal barrier function, favoring the presence of bacteria such as Weissella confusa and Leuconostoc mesenteroides. Regarding the molecular mechanism of PTSO on tumor cells, it was observed that it decreased proliferation through the pSTAT3/PI3K/mTOR pathway and increased apoptosis through upregulation of genes involved in apoptosis and autophagy regulation, such as BNIP3 and MAPK14. PTSO treatment also had a strong immunomodulatory impact. This effect was reflected in the CAC model, with a shift in the immune profile toward a more favorable one in treated mice compared to untreated mice. PTSO treatment decreased neutrophil infiltration in the colon and restored macrophage differentiation toward an anti-inflammatory phenotype, in addition to reducing mast cell density. Complementarily, in vitro studies revealed that PTSO modulates the activation of human mast cells (HMC-1.2), reducing the expression of degranulation-related surface receptors and mediator release, while conditioned medium from PTSO-treated mast cells decreased the viability of colorectal cancer cells (HCT-116). Moreover, in the AOM/DSS-Kit⁻/⁻ murine model, which lacks mast cells, PTSO treatment was associated with reduced colitis severity and tumor burden, supporting the dual role of mast cells in inflammation and tumorigenesis and highlighting the immunomodulatory potential of PTSO on these cells. Based on this, the immunomodulatory effect of PTSO on the TME was studied. For this purpose, a murine model of subcutaneous xenografts with spheroids enriched in tumor stem cells was used. Immunodeficient mice humanized with human peripheral blood mononuclear cells (hPBMCs), previously treated with PTSO, were employed. Treatment with PTSO on hPBMCs reduced immunosuppressive myeloid populations while increasing effector responses mediated by T lymphocytes and Natural Killer (NK) cells, which resulted in smaller tumor size. This change favored a more competent immune space to limit tumor growth. In conclusion, PTSO emerges as a compound with antitumor and immunomodulatory properties capable of reducing the development of CRC.