Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Effects of Instant Cascara Beverage on the Brain-Gut Axis: Study of the Influence of Sex and Dietary Background in a Preclinical Model
Autor
GALLEGO BARCELÓ, PAULA
Director
DEL CASTILLO BILBAO, MARÍA DOLORES
Directores
URANGA OCIO, JOSÉ ANTONIO; ABALO DELGADO, RAQUEL
Fecha de depósito
26-05-2026
Periodo de exposición pública
27 de mayo a 9 de junio de 2026
Fecha de defensa
Sin especificar
Programa
Ciencias de la Salud
Mención internacional
Solicitada
Resumen
Esta tesis analiza los efectos de la bebida Instant Cascara (IC), obtenida a partir de cáscara de café, sobre distintos componentes del eje cerebro-intestinal (BGA) en ratas Wistar macho y hembra, sometidas a diferentes contextos dietéticos.
IC es una bebida elaborada a partir de la cáscara seca de la cereza del café y autorizada como nuevo alimento en la Unión Europea, cuyo interés científico radica tanto en su carácter de matriz alimentaria compleja como en su potencial aplicación en nutrición funcional y salud digestiva. Esta tesis se sitúa además en el contexto de la valorización de subproductos agroalimentarios en el desarrollo de nuevos alimentos funcionales, ya que IC deriva de la cascara de café, una materia prima con valor añadido desde la perspectiva de la bioeconomía circular. En este sentido, el trabajo conecta la investigación básica sobre fisiología digestiva y neuroinmunología con la innovación alimentaria sostenible, aportando información relevante sobre los efectos de este nuevo alimento en la funcionalidad del BGA y la base científica para sustentar futuras alegaciones de salud.
IC constituye una matriz alimentaria rica en carbohidratos (47.48%), fibra dietética (18.32%), compuestos fenólicos —principalmente ácidos clorogénicos (10.7–12.6%)—, melanoidinas (15.0%), cafeína (1.39%), así como aminoácidos, incluyendo precursores relevantes para rutas metabólicas y neuroquímicas, entre ellos ácido aspártico (Asp, 190 mg/100 g), ácido glutámico (Glu, 210 mg/100 g) y ácido gamma aminobutírico (GABA, 30 mg/100 g). Contiene también diversos micronutrientes, como potasio (2284 mg/100 g), magnesio (20.84 mg/100 g), calcio (54.78 mg/100 g) y sodio (266.58 mg/100 g).
Esta composición global sugiere un potencial modulador sobre las funciones del BGA. El BGA es un sistema dinámico y bidireccional que integra la actividad del sistema nervioso central (SNC), entérico (SNE), autónomo (SNA), endocrino e inmunitario. Su correcto funcionamiento resulta esencial para regular la motilidad gastrointestinal (GI), la sensibilidad visceral, la integridad de la barrera intestinal, la homeostasis metabólica y diversas dimensiones del comportamiento y el estado emocional.
El estado actual del conocimiento evidencia que la funcionalidad del BGA está modulada por factores tales como el sexo biológico y la composición de la dieta. Por ello, esta tesis incorpora el sexo y el contexto dietético como dos variables fundamentales. Esta decisión metodológica no sólo responde a la evidencia previa sobre dimorfismo sexual y dieta, sino también a la necesidad de interpretar la acción de IC desde una perspectiva integradora y biológicamente realista.
Los parámetros que afectan al BGA, como el tránsito GI, la sensibilidad visceral y el comportamiento emocional presentan un marcado dimorfismo sexual que se refleja también en la diferente prevalencia de los trastornos del BGA (tradicionalmente conocidos como trastornos funcionales digestivos) en hombres y mujeres.
Igualmente, tanto los nutrientes como los compuestos bioactivos de los alimentos ejercen efectos específicos sobre la neurotransmisión, la inmunomodulación, la motilidad y la percepción sensorial en el BGA. En este contexto, analizar una matriz alimentaria compleja como IC, en lugar de estudiar sus componentes por separado, es esencial para entender sus efectos fisiológicos reales, ya que la matriz determina la liberación, biodisponibilidad e interacciones entre compuestos. Esta perspectiva resulta especialmente relevante en bebidas ricas en fibra, melanoidinas y polifenoles, cuyo comportamiento biológico depende en buena medida de su interacción con el entorno intestinal. Al tratarse de una matriz compleja, sus efectos no pueden entenderse como la simple suma de las acciones individuales de sus componentes, sino como el resultado de sus sinergias, su biodisponibilidad y las transformaciones que experimentan durante la digestión.
La HIPÓTESIS de partida de la presente tesis doctoral fue como sigue: el consumo regular de IC es seguro y produce efectos beneficiosos sobre la función GI y los procesos relacionados con el BGA, a través de la acción sinérgica de sus componentes bioactivos, y estos efectos son modulados por el sexo biológico y el fondo dietético.
El OBJETIVO GENERAL fue evaluar el impacto del consumo regular de IC sobre la salud general y las funciones relacionadas con el BGA en modelos experimentales, teniendo en cuenta la posible influencia del sexo biológico y del fondo dietético.
Para abordar este objetivo general, se plantearon los siguientes OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
1. Evaluar el impacto de la ingesta regular de IC sobre la salud general en un modelo experimental (rata).
2. Evaluar, en el mismo modelo experimental (rata) los efectos de IC sobre las funciones del BGA, en concreto:
a. Comportamiento emocional.
b. Motilidad GI a través de aproximaciones tanto in vivo como in vitro.
c. Umbrales nociceptivos somáticos y viscerales.
d. Cambios estructurales y en la expresión de biomarcadores neuroinmunológicos en la pared colónica.
3. Determinar, en el mismo modelo experimental (rata), la influencia del sexo en los efectos de IC sobre la salud general y las funciones del BGA.
4. Evaluar, en el mismo modelo experimental (rata), los efectos de dos dietas bajas en fibra fermentable, diferentes en su densidad nutricional (grasa/ proteína), una utilizada como control y otra moderadamente hipercalórica, sobre las funciones relacionadas con el BGA, y determinar si el consumo regular de IC puede modular o contrarrestar las alteraciones inducidas por estas dietas de una manera dependiente del sexo.
Para abordar estos objetivos, se plantearon dos fases consecutivas:
1. Evaluación de los efectos de IC en ratas sanas alimentadas con dieta estándar.
2. Estudio de la interacción entre IC y dietas con distinta densidad en nutrientes y bajo contenido en fibra dietética fermentable.
Se emplearon 280 ratas adultas jóvenes (2-3 meses de edad), 140 machos y 140 hembras (n = 7–10 por grupo experimental), a las que se proporcionó agua o la bebida IC a concentración 10 mg/ml, durante 3 semanas consecutivas. En la primera fase del estudio, los animales se mantuvieron con la dieta estándar de laboratorio habitual (3312 kcal/kg, 3.2% grasa, 15.2% proteína, 5.1% salvado de trigo como fuente de fibra) durante todo el estudio. En la segunda, en cambio, al inicio de las 3 semanas del estudio se sustituyó dicha dieta por una de las dos siguientes dietas, de composición definida de acuerdo con las guías del Instituto Americano de Nutrición (AIN) para el animal de laboratorio: AIN-93M (diseñada como dieta de mantenimiento de roedores adultos); y AIN-93G (diseñada para roedores en crecimiento, incluyendo a las madres gestantes y durante la lactancia). Estas dietas presentan celulosa (5%), no fermentable, como única fuente de fibra y difieren en su contenido calórico y densidad nutricional, de manera que, para los animales adultos estudiados aquí, AIN-93M o MD (3601 kcal/kg, 4% grasa, 14% proteína) se empleó como dieta control, y AIN-93G o GD (3766 kcal/kg, 7% grasa, 20% proteína), dieta moderadamente hipercalórica, se empleó como estrategia para mimetizar las tendencias nutricionales actuales ampliamente extendidas en la población adulta joven.
Se monitorizaron regularmente peso corporal e ingestas sólida y líquida a lo largo del estudio. Después de 2 semanas de exposición a las dietas y/o al IC, se valoró el comportamiento exploratorio y la presencia de anhedonia y ansiedad mediante el test del campo de agujeros (hole-board test), el “splash test” y el test del laberinto en cruz (plus-maze test), respectivamente. La motilidad GI general in vivo se valoró mediante métodos radiográficos, no invasivos, tras 1 día y tras 21 días de exposición, y al finalizar estos estudios se tomaron muestras de colon distal para evaluar su contractilidad in vitro (baño de órganos) y para los análisis anatomopatológicos e inmunohistoquímicos, estos últimos tanto en secciones como en preparaciones “en sábana” (whole-mount) del plexo mientérico. En otra cohorte de cada grupo experimental se valoraron los parámetros nociceptivos somáticos para obtener los umbrales de sensibilidad táctil (test de los filamentos de von Frey) y muscular (pressure administration device), tras 2 semanas de exposición, y, tras la tercera, se valoró la sensibilidad visceral mediante el test de la distensión colorrectal. Se realizó un estudio de la fase del ciclo estral de las hembras en cada uno de los experimentos indicados.
Resultados de la fase 1 (capítulos 1-3, correspondientes a 3 artículos ya publicados). En animales alimentados con la dieta estándar, la ingesta regular de IC fue bien tolerada y no produjo alteraciones adversas en motilidad GI, estructura del colon o conducta emocional. Sin embargo, se observaron modulaciones funcionales moderadas dependientes del sexo en nocicepción somática, actividad locomotora espontánea, y contractilidad y marcadores neuroinmunológicos del colon. En lo que respecta a la contractilidad colónica, se observó específicamente un incremento en las respuestas a la estimulación eléctrica (que estimula la liberación de neurotransmisores) en hembras, y más en las expuestas a IC, en cuyo colon distal se constataron modificaciones, posiblemente compensadoras, en la densidad de células gliales entéricas (aumento) y fibras inmunorreactivas (IR) para péptido relacionado con el gen de la calcitonina (CGRP) (disminución), pero no en otros marcadores de poblaciones neuronales mientéricas de interés, mientras en los machos expuestos a IC se observó una reducción de la infiltración de macrófagos en la pared del colon distal.
En conjunto, los resultados bajo dieta estándar indicaron que IC modula de manera moderada pero funcionalmente relevante distintos aspectos de la fisiología del BGA, siendo el sexo biológico un determinante crítico de la respuesta, tanto en su magnitud como en el tipo de mecanismo neuroinmune predominante.
Esta primera fase resulta clave dentro de la tesis, ya que establece una base fisiológica sobre la que interpretar los estudios posteriores y demuestra que la bebida presenta actividad biológica incluso en condiciones basales.
Resultados de la fase 2 (capítulos 4-5, correspondientes a 2 artículos en revisión/preparación). Ambas dietas indujeron cambios notorios en la fisiología GI, incluyendo una reducción del tamaño del ciego, significativa en ambos sexos tras la exposición crónica. Además, cada una de estas dietas produjo efectos específicos y dependientes del sexo en el tránsito GI, con un retraso en los machos y una aceleración en las hembras, al comparar la dieta moderadamente hipercalórica (GD) con la dieta control (MD), efectos que se intensificaron con el consumo crónico. Los resultados apoyan la idea de que las dietas empleadas, con escaso contenido en sustratos fermentables y diferente densidad nutricional, no son fisiológicamente neutras en lo que se refiere al BGA.
En este contexto fisiológico alterado, los efectos de IC fueron mucho más evidentes que bajo dieta estándar. En los machos bajo dieta control (MD), IC produjo un retraso transitorio del tránsito GI (día 1), que desapareció tras la exposición crónica (día 21). En los machos alimentados crónicamente con la dieta de mayor densidad nutricional (GD), IC contrarrestó el enlentecimiento del tránsito, acelerando la progresión del contenido GI y mitigando la constipación inducida por la dieta. La magnitud del efecto varió según el segmento gastrointestinal, pero el hallazgo es consistente y relevante desde el punto de vista funcional. Este resultado constituye uno de los hallazgos más relevantes de la tesis, ya que puso de manifiesto que una misma intervención nutricional puede resultar discreta en condiciones basales y claramente relevante cuando actúa sobre un sistema digestivo alterado por la dieta.
Por su parte, en las hembras bajo la misma dieta moderadamente hipercalórica, la interacción dieta-IC no afectó de forma significativa a la motilidad global, pero sí produjo un aumento de la sensibilidad visceral ante la distensión colorrectal, manifestada como un incremento en la respuesta contráctil abdominal. Este efecto fue selectivo y no se observó bajo dieta estándar, lo que indicó que la dieta modula no sólo la fisiología basal sino también la respuesta a matrices alimentarias bioactivas. La aparición de este efecto selectivo en hembras confirmó que el sexo biológico condiciona la dirección y la naturaleza de la respuesta a IC, y muestra que una misma matriz alimentaria puede asociarse con perfiles funcionales distintos según el contexto biológico.
Finalmente, IC no produjo cambios relevantes en actividad locomotora, conducta emocional ni sensibilidad somática en ninguno de los dos contextos dietéticos estudiados en esta fase, reforzando la idea de que sus efectos son sutiles y altamente dependientes de la interacción sexo-dieta. Esta ausencia de alteraciones conductuales generalizadas es importante, porque sugiere que los cambios observados en motilidad y sensibilidad visceral no fueron consecuencia de una perturbación global del estado del animal, sino a modulaciones más específicas del BGA.
Las CONCLUSIONES derivadas del trabajo experimental realizado en esta tesis son las siguientes:
1. La bebida IC, autorizada como "nuevo alimento", fue bien tolerada por ratas sanas macho y hembra, a la dosis ensayada. No se observaron alteraciones conductuales relevantes, ni cambios en el tránsito GI global, ni hiperalgesia visceral bajo condiciones fisiológicas (dieta estándar).
2. Bajo la dieta estándar, la ingesta regular de IC (aunque no modificó el tránsito GI global) moduló de forma dependiente del sexo la contractilidad neuromuscular colónica (ex vivo) y ciertos parámetros neuroinmunes, indicando efectos fisiológicos discretos y diferenciados en machos y hembras.
3. En comparación con la dieta estándar, las dietas con distinta densidad en nutrientes (grasa/proteína) y bajo contenido en fibra dietética fermentable no fueron neutras en las condiciones evaluadas, ya que afectaron a la motilidad GI, con potenciales implicaciones en el desarrollo de nuevas recomendaciones dietéticas para estudios preclínicos.
4. La exposición crónica a dietas con distinta densidad en nutrientes y bajo contenido en fibra fermentable indujo diferencias dependientes del sexo en la motilidad GI. La dieta de mayor densidad nutricional produjo un enlentecimiento generalizado del tránsito en los machos (compatible con patrones relacionados con dispepsia y estreñimiento funcional), mientras que las hembras mostraron una tendencia a un tránsito más rápido.
5. Bajo estas dietas, IC mostró efectos diferenciales por sexo. En los machos, IC enlenteció de manera aguda el tránsito proximal en combinación con la dieta control, pero tras exposición crónica contrarrestó el enlentecimiento inducido por la dieta de mayor densidad nutricional. En las hembras sometidas a esta misma dieta, IC se asoció con un leve aumento de la sensibilidad visceral, que debe interpretarse con cautela hasta comprender mejor sus mecanismos.
6. Los resultados de la presente investigación mostraron que un subproducto sostenible del café, la bebida IC, actúa como una matriz alimentaria moduladora del eje intestino‑cerebro en el modelo preclínico empleado, con efectos dependientes del sexo biológico y del contexto dietético.
7. El estudio preclínico sugirió que la incorporación regular de IC en la dieta de individuos sanos podría contribuir a una hidratación saludable y aportó una base científica inicial que podría contribuir, en el futuro, a sustentar alegaciones de salud. Para avanzar en esta dirección, serán necesarios estudios de intervención en humanos que confirmen su relevancia funcional en distintos perfiles biológicos y dietéticos.
