Biotechnological Synthesis and Molecular Encapsulation of Natural Stilbenes and Lipophilic Derivatives for Biomedical and Food Applications

Abstract

Los estilbenos son compuestos fenólicos con numerosas bioactividades que los hacen de interés para la salud humana, como su actividad antimicrobiana, antioxidante, anti-inflamatoria, cardioprotectora, anticancerígena o anti-obesidad. Se trata de metabolitos secundarios producidos por determinadas plantas para protegerlas frente a situaciones de estrés biótico o abiótico, siendo la enzima estilbeno sintasa clave en este proceso de biosíntesis. Dentro de este grupo de compuestos bioactivos, destaca el resveratrol por ser el más investigado, sin embargo, existen otros estilbenos menos conocidos con mayor actividad. No obstante, la limitada producción, baja solubilidad en agua, facilidad para degradarse, así como baja biodisponibilidad de esta familia de compuestos bioactivos dificultan su correcta aplicación en la industria alimentaria, cosmética o farmacéutica. En esta Tesis Doctoral se han investigado varias estrategias con el objetivo de hacer frente a estas limitaciones mediante el empleo de diversas metodologías. Con el fin de abordar los problemas en la obtención de estilbenos naturales, se ha desarrollado un método para aumentar la síntesis enzimática de piceatanol y se ha optimizado la expresión de una nueva proteína estilbeno sintasa recombinante encontrada mediante análisis filogenéticos, los cuales también permitieron descubrir el origen y la evolución de estas proteínas en distintos reinos. Además, se caracterizaron y encapsularon algunos de los análogos del resveratrol más prometedores, logrando incrementar su solubilidad y estabilidad en disoluciones acuosas mediante complejos de inclusión con ciclodextrinas, determinando la estequiometria y las constantes de encapsulación, así como el tipo de ciclodextrina que formaba los complejos más estables. Por otra parte, para hacer frente a los problemas de biodisponibilidad de los estilbenos, se sintetizaron derivados hidrofóbicos de estilbenos que podrían actuar como precursores de estos para vehiculizarlos mejor a los tejidos diana. Los procesos de síntesis optimizados lograron rendimientos elevados con alta especificidad. Los derivados obtenidos fueron caracterizados fisicoquímicamente y encapsulados en ciclodextrinas para después analizar sus propiedades biológicas in vitro e in vivo. Se pudo observar que los derivados hidrofóbicos de estilbenos podían ser susceptibles de ser hidrolizados durante el proceso digestivo. No obstante, el uso de inhibidores contrarrestó eficazmente esta hidrólisis, ayudando a su mejor conservación. El efecto de la adición de agentes encapsulantes en este proceso también fue evaluado, caracterizando los complejos formados. En general, los derivados hidrofóbicos de estilbenos fueron más estables, menos metabolizables y más permeables que sus estilbenos originales, respaldando la modificación estructural de estilbenos. También se descubrió que las ciclodextrinas interfieren con los métodos de determinación de actividad antioxidante in vitro, pudiendo dar lugar a malinterpretaciones de actividad en su presencia. Esta interferencia parece estar causada por la encapsulación de los reactivos implicados en las reacciones. Por otra parte, se establecieron relaciones estructura-actividad entre la actividad citotóxica de varios análogos del resveratrol, permitiendo seleccionar aquellos estilbenos con un mayor potencial terapéutico. Los estudios in vivo con los derivados hidrofóbicos de estilbenos libres y/o encapsulados mostraron efectos beneficiosos sobre la obesidad y el cáncer, sin llegar a observarse efectos nocivos en los individuos tras su administración. Finalmente, se desarrollaron modelos de alimentos funcionales enriquecidos con uno de estos derivados, en su forma libre y encapsulada, monitorizando los parámetros de calidad y estabilidad del ingrediente bioactivo en distintas condiciones de almacenamiento, con el fin de evaluar la viabilidad de su aplicación en industria. En general, los resultados de esta Tesis Doctoral presentan distintos enfoques innovadores para abordar la problemática actual que restringe el uso de estilbenos, consiguiendo aumentar su producción, caracterización, solubilidad, estabilidad y biodisponibilidad, para poder ser utilizados de manera eficaz en biomedicina y en alimentación.

Stilbenes are phenolic compounds whose many bioactivities make them of great interest to human health, such as antimicrobial, antioxidant, anti-inflammatory, cardioprotective, anticarcinogenic and anti-obesity activity. They are secondary metabolites produced by certain plants to protect them against biotic or abiotic stress, with the enzyme stilbene synthase being key in this biosynthesis process. Within this group of bioactive compounds, resveratrol is the most researched, but there are other lesser-known stilbenes with greater activity. However, the reduced production, low water solubility, ease of degradation and low bioavailability of this family of bioactive compounds hinder their successful application in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. In this Doctoral Thesis, several strategies have been investigated with the aim to overcome these limitations through the use of different methodologies. In order to address the problems in obtaining natural stilbenes, a method to increase the enzymatic synthesis of piceatannol was developed and the expression of a novel recombinant stilbene synthase found by phylogenetic analyses was optimised, which also led to the discovery of the origin and evolution of these relevant proteins in different kingdoms. In addition, some of the most promising resveratrol analogues were characterised and encapsulated, increasing their solubility and stability in aqueous solutions by means of inclusion complexes with cyclodextrins. The stoichiometry and encapsulation constants were determined, as well as the type of cyclodextrin that formed the most stable complexes. Furthermore, to address the bioavailability problems of stilbenes, hydrophobic stilbene derivatives were synthesised that could act as precursors to better carry stilbenes to target tissues. The optimised synthesis processes achieved high yields with high specificity. These derivatives were physicochemically characterised, encapsulated in cyclodextrins, and their biological properties were analysed in vitro and in vivo. It could be observed that hydrophobic derivatives of stilbenes could be susceptible to hydrolysis during the digestive process. However, the use of inhibitors effectively counteracted this hydrolysis, improving their preservation. The effect of the addition of encapsulating agents in this process was also evaluated, and inclusion complexes characterised. In general, the hydrophobic stilbene derivatives were more stable, less metabolizable and more permeable than their original stilbenes, supporting the structural modification of stilbenes. Cyclodextrins were also found to interfere with in vitro antioxidant activity determination methods, potentially leading to misinterpretations of activity in their presence. This interference seems to be caused by the encapsulation of the reagents involved in the reactions. Moreover, structure-activity relationships were established between the cytotoxic activity of several resveratrol analogues, enabling the selection stilbenes with the greatest therapeutic potential. In vivo studies with free and/or encapsulated hydrophobic stilbene derivatives showed beneficial effects on obesity and cancer, with no harmful effects observed in individuals after administration. Finally, models of functional foods enriched with one of these derivatives, in its free and encapsulated form, were developed, monitoring the quality parameters and stability of the bioactive ingredient under different storage conditions, in order to check the industrial application feasibility. Overall, the findings of this Doctoral Thesis present different innovative approaches to address the current problem that restricts the use of stilbenes, increasing their production, characterisation, solubility, stability and bioavailability, so that they can be used effectively in biomedicine and food.