Diseño, desarrollo, estabilización y evaluación funcional de productos nutraceúticos enriquecidos en compuestos organosulfurados del género Allium

• Autores: Enrique Guillamón
• Directores de la Tesis: Antonio Martínez Férez (codir. tes.), Alberto Baños Arjona (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2026
• Idioma: español
• Número de páginas: 259
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    Las enfermedades crónicas no transmisibles, entre las que se incluyen las patologías cardiovasculares, metabólicas, inflamatorias y neoplásicas, constituyen actualmente la principal causa de morbilidad y mortalidad a nivel mundial, representando un desafío prioritario para los sistemas sanitarios y una carga socioeconómica creciente. En las últimas décadas, la investigación nutricional ha puesto de manifiesto que determinados patrones alimentarios, especialmente aquellos ricos en alimentos de origen vegetal, se asocian con una menor incidencia de enfermedades crónicas y con una mejora del estado inflamatorio y metabólico general. Los productos de origen vegetal contienen una amplia variedad de fitoquímicos con potencial bioactivo, entre los que destacan los compuestos organosulfurados (OSCs) presentes en especies del género Allium. El ajo y la cebolla han sido tradicionalmente utilizados en la alimentación humana y en la medicina popular, y un creciente cuerpo de evidencia científica respalda sus efectos beneficiosos sobre la salud cardiovascular, inmunitaria y gastrointestinal. Los OSCs derivados de Allium han demostrado propiedades antimicrobianas, antioxidantes, antiinflamatorias, inmunomoduladoras y quimiopreventivas, lo que los posiciona como candidatos de interés en el ámbito de la nutrición funcional y los nutracéuticos. Uno de los mecanismos fundamentales a través de los cuales la dieta ejerce sus efectos protectores es la modulación de la microbiota intestinal, un ecosistema altamente dinámico implicado en la homeostasis metabólica, inmunitaria y epitelial del hospedador. Alteraciones en su composición y funcionalidad se han asociado con inflamación crónica, disfunción de la barrera intestinal, estrés oxidativo y progresión tumoral, especialmente en cáncer colorrectal. No obstante, los efectos beneficiosos de determinados compuestos dietéticos no se limitan a la modulación microbiana, sino que incluyen mecanismos complementarios como la reducción del estrés oxidativo, la inhibición de rutas proinflamatorias y la regulación de la respuesta inmunitaria, contribuyendo de forma integrada a la preservación de la homeostasis intestinal. En este escenario, la identificación de compuestos dietéticos capaces de actuar de manera coordinada sobre estos ejes emerge como una estrategia prometedora para la prevención y el abordaje de enfermedades crónicas. Por ello, como objetivo inicial de la presente tesis se llevó a cabo una revisión sistemática de la literatura siguiendo las directrices PRISMA, con el objetivo de analizar de forma crítica la evidencia disponible sobre los efectos de los OSCs del género Allium en la microbiota intestinal y la salud gastrointestinal. Esta revisión constituye la primera síntesis sistemática centrada específicamente en el impacto de estos compuestos sobre la microbiota, con especial énfasis en los OSCs derivados de Allium cepa. Los resultados de dicha revisión pusieron de manifiesto que los OSCs de Allium presentan una actividad antibacteriana significativa frente a un amplio espectro de bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, incluyendo cepas multirresistentes a antibióticos. Además, diversos estudios in vivo en modelos animales demostraron que la ingesta de OSCs derivados de cebolla es capaz de modular la composición de la microbiota intestinal, incrementando poblaciones bacterianas beneficiosas y favoreciendo perfiles microbianos asociados a un estado eubiótico. Los estudios incluidos en la revisión mostraron que los OSCs de Allium ejercen efectos protectores en modelos murinos de colitis, atenuando la inflamación intestinal, mejorando la integridad de la barrera epitelial y modulando la respuesta inmunitaria local. Asimismo, se evidenció su capacidad para revertir alteraciones de la microbiota inducidas por dietas hiperlipídicas, lo que sugiere un papel potencial en la prevención de disbiosis asociadas a obesidad y síndrome metabólico. Sin embargo, a pesar de la sólida evidencia preclínica disponible, la revisión reveló una limitación crítica: la práctica ausencia de estudios clínicos o intervenciones dietéticas en humanos que evaluaran OSCs distintos de la alicina, particularmente aquellos derivados de cebolla. Esta laguna de conocimiento justificó la necesidad de investigaciones orientadas a caracterizar otros OSCs relevantes y a validar sus efectos en condiciones fisiológicas reales. En este contexto, la presente tesis doctoral se plantea como una respuesta directa a estas limitaciones, con el objetivo general de caracterizar, optimizar y validar el potencial nutracéutico de los compuestos propil-propano-tiosulfinato (PTS) y propil-propanotiosulfonato (PTSO), dos OSCs derivados de cebolla con propiedades biológicas prometedoras y mayor estabilidad relativa que otros compuestos azufrados. La tesis adopta un enfoque integrador que conecta la bioactividad molecular y celular de estos compuestos con su comportamiento tecnológico, su liberación gastrointestinal, su interacción con la microbiota intestinal y finalmente, su impacto en parámetros clínicos relevantes en humanos. Desde el punto de vista de la bioactividad intrínseca, se demostró que PTS y PTSO presentan una actividad antitumoral significativa in vitro frente a un amplio panel de líneas tumorales humanas representativas de distintos orígenes tisulares. Ambos compuestos en el rango micromolar bajo. En líneas de cáncer colorrectal, PTS mostró valores de IC₅₀ de 15,6 ± 2,5 μM en HT-29 y 18,2 ± 2,2 μM en T-84, mientras que PTSO exhibió una mayor potencia en líneas específicas como MCF-7 (6,9 ± 0,7 μM) y Jurkat (10,6 ± 1,3 μM). En contraste, las células no tumorales mostraron una sensibilidad significativamente menor (IC₅₀ > 229 μM), lo que se tradujo en índices terapéuticos elevados y una clara selectividad frente a células malignas. El análisis mecanístico confirmó que la actividad antiproliferativa de PTS y PTSO está estrechamente asociada a la inducción de estrés oxidativo y a la activación de vías apoptóticas. La coadministración de N-acetilcisteína (NAC, 5 mM) redujo de forma significativa la citotoxicidad inducida por ambos compuestos, incrementando la viabilidad celular en aproximadamente un 40 % en células MCF-7 y en un 33–34 % en células T-84. Estos resultados demuestran que la generación de especies reactivas de oxígeno constituye un mecanismo central de acción y apoyan la hipótesis de que las diferencias en el umbral redox entre células tumorales y no tumorales contribuyen a la selectividad observada. De forma complementaria, PTS y PTSO mostraron una marcada capacidad para modular la respuesta inflamatoria en modelos celulares intestinales. Ambos compuestos redujeron de manera consistente la secreción de citocinas proinflamatorias clave, como interleucina-6, interleucina-8 e interleucina-17A, al tiempo que influenciaron mediadores antiinflamatorios como IL-4. Esta modulación coordinada del perfil citoquínico refuerza su interés en patologías caracterizadas por inflamación crónica, particularmente en el cáncer colorrectal, donde la interacción entre inflamación, microbiota y progresión tumoral es determinante. Un eje central de la tesis fue el desarrollo de sistemas avanzados de vehiculización destinados a superar las limitaciones de estabilidad y biodisponibilidad de estos compuestos. Se diseñó una microemulsión aceite-en-agua optimizada mediante diseño Box–Behnken, que mostró una elevada estabilidad fisicoquímica durante al menos 30 días, con un tamaño medio de gota de 329 nm, un potencial Z de −40,17 mV y una concentración residual de PTS+PTSO de 98 mg/L. Esta formulación no solo preservó la integridad química de los compuestos, sino que potenció su actividad antitumoral e inmunomoduladora en líneas de cáncer colorrectal. Paralelamente, se desarrollaron 3 sistemas sólidos de liberación colónica que permitieron dirigir el PTSO hacia el intestino grueso, utilizando dextrina, pectina y cápsulas entéricas de celulosa microcristalina.

  • English

    Chronic non-communicable diseases, including cardiovascular, metabolic, inflammatory, and neoplastic disorders, currently represent the leading cause of global morbidity and mortality, posing a major challenge for healthcare systems and an increasing socioeconomic burden. Over recent decades, nutritional research has demonstrated that specific dietary patterns, particularly those rich in plant-based foods, are associated with a lower incidence of chronic diseases and with improvements in systemic inflammatory and metabolic status. Plant-derived foods contain a wide range of bioactive phytochemicals, among which organosulfur compounds (OSCs) from species of the genus Allium are particularly noteworthy. Garlic and onion have been traditionally used in human nutrition and folk medicine, and a growing body of scientific evidence supports their beneficial effects on cardiovascular, immune, and gastrointestinal health. Allium-derived OSCs have demonstrated antimicrobial, antioxidant, anti-inflammatory, immunomodulatory, and chemopreventive properties, positioning them as promising candidates in the field of functional nutrition and nutraceuticals. One of the major mechanisms through which diet exerts protective effects is the modulation of the intestinal microbiota, a highly dynamic ecosystem involved in host metabolic, immune, and epithelial homeostasis. Alterations in microbiota composition and functionality have been associated with chronic inflammation, intestinal barrier dysfunction, oxidative stress, and tumor progression, particularly in colorectal cancer. However, the beneficial effects of dietary compounds extend beyond microbial modulation and include complementary mechanisms such as attenuation of oxidative stress, inhibition of pro-inflammatory signaling pathways, and regulation of immune responses, collectively contributing to the maintenance of intestinal homeostasis. In this context, the identification of dietary compounds capable of acting in a coordinated manner across these axes emerges as a promising strategy for the prevention and management of chronic diseases. Accordingly, the initial objective of this doctoral thesis involved a systematic review of the literature conducted in accordance with PRISMA guidelines, aimed at critically evaluating the available evidence regarding the effects of Allium-derived OSCs on intestinal microbiota and gastrointestinal health. This review constitutes the first systematic synthesis specifically focused on the impact of these compounds on the microbiota, with particular emphasis on OSCs derived from Allium cepa. The findings revealed significant antibacterial activity of Allium OSCs against a broad spectrum of Gram-positive and Gram-negative bacteria, including multidrug-resistant strains. Furthermore, several in vivo animal studies demonstrated that dietary intake of onionderived OSCs modulates gut microbiota composition, increasing beneficial bacterial populations and promoting eubiotic microbial profiles. The reviewed studies also showed protective effects in murine models of colitis, including attenuation of intestinal inflammation, improvement of epithelial barrier integrity, and modulation of local immune responses. Additionally, OSCs were capable of reversing microbiota alterations induced by high-fat diets, suggesting a potential role in preventing dysbiosis associated with obesity and metabolic syndrome. Nevertheless, despite robust preclinical evidence, a critical gap was identified in the near absence of clinical studies or dietary interventions in humans evaluating OSCs other than allicin, particularly those derived from onion. This knowledge gap justified further research focused on characterizing additional OSCs and validating their effects under physiological conditions. Within this framework, the present doctoral thesis was designed to characterize, optimize, and validate the nutraceutical potential of propyl-propane-thiosulfinate (PTS) and propyl-propane-thiosulfonate (PTSO), two onion-derived OSCs with promising biological properties and greater relative stability compared to other sulfur compounds. The thesis adopts an integrative approach linking molecular and cellular bioactivity with technological behavior, gastrointestinal release, microbiota interaction, and ultimately clinical outcomes in humans. Regarding intrinsic bioactivity, both PTS and PTSO exhibited significant in vitro antitumor activity across a wide panel of human tumor cell lines representing different tissue origins. Cell viability was reduced in a dose-dependent manner, with IC₅₀ values predominantly within the low micromolar range. In colorectal cancer cell lines, PTS displayed IC₅₀ values of 15.6 ± 2.5 μM in HT-29 and 18.2 ± 2.2 μM in T-84 cells, whereas PTSO showed higher potency in specific lines such as MCF-7 (6.9 ± 0.7 μM) and Jurkat (10.6 ± 1.3 μM). In contrast, non-tumoral cells exhibited markedly lower sensitivity (IC₅₀ > 229 μM), resulting in high therapeutic indices and clear selectivity toward malignant cells. Mechanistic analyses confirmed that the antiproliferative effects of PTS and PTSO are closely associated with the induction of oxidative stress and activation of apoptotic pathways. Co-administration of N-acetylcysteine (NAC, 5 mM) significantly attenuated compound-induced cytotoxicity, increasing cell viability by approximately 40% in MCF-7 cells and by 33–34% in T-84 cells. These findings demonstrate that reactive oxygen species generation constitutes a central mechanism of action and support the hypothesis that differential redox thresholds between tumor and non-tumoral cells contribute to the observed selectivity. Complementarily, PTS and PTSO exhibited a strong capacity to modulate inflammatory responses in intestinal cellular models. Both compounds consistently reduced the secretion of key pro-inflammatory cytokines, including interleukin-6, interleukin-8, and interleukin-17A, while also influencing anti-inflammatory mediators such as IL-4. This coordinated cytokine modulation reinforces their relevance in chronic inflammatory pathologies, particularly colorectal cancer, where interactions between inflammation, microbiota, and tumor progression play a central role. A major focus of the thesis was the development of advanced delivery systems aimed at overcoming the stability and bioavailability limitations of these compounds. An optimized oil-inwater microemulsion was designed using Box–Behnken experimental design, exhibiting high physicochemical stability for at least 30 days, with an average droplet size of 329 nm, a Zpotential of −40.17 mV, and a residual PTS+PTSO concentration of 98 mg/L. This formulation not only preserved chemical integrity but also enhanced antitumor and immunomodulatory activity in colorectal cancer cell lines. In parallel, three solid colonic-release systems were developed using dextrin, pectin, and enteric microcrystalline cellulose capsules to direct PTSO delivery to the large intestine. Following in vitro digestion and colonic fermentation, the encapsulated formulation exhibited the highest post-digestive antitumor efficacy (IC₅₀ = 20.5 μM) and demonstrated a capacity to increase microbial diversity and partially correct dysbiosis characteristic of colorectal cancer patients. Specifically, reductions in Gammaproteobacteria abundance were observed alongside enrichment of short-chain fatty acid (SCFA)-producing taxa such as Clostridia, Actinobacteria, and Bacteroidia. These microbial shifts were accompanied by significant increases in total SCFA production, particularly acetate, propionate, and lactate—metabolites critical for intestinal barrier integrity and immune modulation—thereby reinforcing the potential of formulated PTSO as a nutritional tool to modulate the microbiota–inflammation axis in colorectal cancer. Gastrointestinal fate evaluation using dynamic SimuGIT digestion models demonstrated that the microemulsion provided the highest bioaccessible fraction of PTSO throughout the small intestine, achieving concentrations two- to six-fold higher than those obtained with solid systems in the duodenal compartment. Transepithelial transport of micellarized PTSO was confirmed using Caco-2 cellular models, supporting the physiological relevance of the formulation.