Functional potential of phenolic-rich sorghum toasted flours in cancer prevention and gut microbiota modulation

Abstract

Sorghum, rich in dietary fibers and phenolic compounds, offers promising health benefits. The aim of this thesis was to investigate: 1) the bioactivity of sorghum phenolic-rich extracts against cancer cells and malaria-causing Plasmodium; 2) the potential protective effects of white and tannin toasted sorghum flours against early-stage dimethylhydrazine (DMH)-induced colon cancer in rats, and 3) the influence of these flours and their phenolic extracts on gut microbiota. In the in vitro study, using warm water and 70% ethanol/water as solvents to generate phenolic- rich extracts from sorghum toasted flours, 145 phenolic compounds were identified. White sorghum ethanolic extract (WSE) showed the lowest IC50 on EA.hy926 and A549 cancer cells, while tannin sorghum ethanolic extract (TSE) showed the lowest IC50 on HCT-8 cells. All extracts reduced the adhesion and invasion of HCT-8 cells, indicating antimetastatic potential. WSE also demonstrated toxicity to both chloroquine-resistant and sensitive strains of Plasmodium falciparum. In the in vivo study, 40 male rats were divided into 4 groups and subjected to various diets, including control (G1), tannin and white toasted sorghum flour diets with DMH colon induction (G2, G3, respectively), and DMH only (G4). Oxidative stress assessments indicated an enhanced activity of superoxide dismutase (SOD) and glutathione (GSH) in the liver of rats fed with tannin-rich sorghum flour, suggesting improved defense against oxidative stress induced by DMH. Moreover, aberrant crypt foci (ACF) assays demonstrated a lower incidence of ACF in rats supplemented with sorghum flours (G2: 51.75 ± 26.84, G3: 64.38 ±18 ACF ≤ 3 crypts), suggesting a preventive effect against carcinogenesis. Additionally, determination of short-chain fatty acids (SCFAs) revealed higher acetate levels observed in the group supplemented with white sorghum flour (G3: 36.12 ± 7.01 mM) compared to other groups, and higher propionate levels observed in the same group (G3: 10.51 ± 1.43 mM) compared to the negative control (G1). In vitro fecal fermentation of digested white (WSD) and tannin sorghum flours (TSD), as well as white (WSE) and tannin sorghum extract (TSE) with fructooligosaccharides (FOS) showed the highest acetate concentration in samples of white sorghum phenolic extracts (WSE) and tannin sorghum phenolic extracts (TSE) with FOS. Propionate levels were highest in WSE + FOS, followed by TSE + FOS, compared to FOS alone. WSD supplemented with its phenolic extract, WSE, showed increased acetate and propionate levels, unlike TSD + TSE, emphasizing the influence of phenolic compounds on modulation of SCFA. These findings highlight the promising role of toasted sorghum flours in fighting oxidative stress and cancer cells proliferation in vitro, in mitigating early-stage colon carcinogenesis, and modulating gut microbiota and SCFA, warranting further exploration of their preventive and therapeutic potentials. Keywords: Antioxidant activity; Colon carcinogenesis; Plasmodium falciparum; Phenolic composition; Gut microbiota modulation.O sorgo, rico em fibras alimentares e compostos fenólicos, oferece promissores benefícios à saúde. O objetivo desta tese foi investigar: 1) a bioatividade de extratos ricos em fenólicos de sorgo contra células cancerosas e o plasmódio causador da malária; 2) os potenciais efeitos protetores das farinhas torradas de sorgo branco e com taninos contra os estágios iniciais do câncer de cólon induzido por dimetilhidrazina (DMH) em estágio inicial em ratos; e 3) a influência das farinhas torradas de sorgo e dos seus extratos fenólicos na microbiota intestinal in vitro. No estudo in vitro, utilizando água aquecida e 70% etanol/água para gerar extratos fenólicos das farinhas torradas de sorgo, foram identificados 145 compostos fenólicos. O extrato etanólico de sorgo branco (WSE) mostrou o menor IC50 nas células cancerosas EA.hy926 e A549, enquanto o extrato etanólico de sorgo com taninos (TSE) apresentou o menor IC50 nas células HCT-8. Todos os extratos reduziram a adesão e invasão celular de HCT- 8, indicando potencial antimetastático. O WSE também demonstrou toxicidade para as cepas de Plasmodium falciparum resistentes e sensíveis à cloroquina. No estudo in vivo, 40 ratos foram divididos em 4 grupos e submetidos a várias dietas, incluindo controle (G1), dieta com farinha torrada de sorgo com taninos e com farinha torrada de sorgo branco com indução por DMH (G2, G3, respectivamente) e apenas DMH (G4). As avaliações de estresse oxidativo indicaram uma atividade aumentada de superóxido dismutase (SOD) e glutationa (GSH) no fígado de ratos alimentados com farinha torradas de sorgo com taninos, sugerindo uma defesa contra o estresse oxidativo induzido por DMH. Além disso, os ensaios de focos de criptas aberrantes (ACF) demonstraram uma menor incidência de ACF em ratos suplementados com farinhas de sorgo (G2: 51,75 ± 26,84, G3: 64,38 ± 18 ACF ≤ 3 criptas), sugerindo um efeito preventivo contra a carcinogênese. Adicionalmente, a determinação de ácidos graxos de cadeia curta (SCFA) revelou níveis mais altos de acetato no grupo suplementado com farinha de sorgo branco (G3: 36,12 ± 7,01 mM) em comparação com outros grupos, e maior concentração de propionato observados no mesmo grupo (G3: 10,51 ± 1,43 mM) em comparação com o controle negativo (G1). A fermentação fecal in vitro das farinhas de sorgo branco (WSD) e com taninos (TSD) digeridas, bem como dos extratos de sorgo branco (WSE) e com taninos (TSE) com frutooligossacarídeos (FOS) mostrou a maior concentração de acetato em amostras de extratos fenólicos de sorgo branco (WSE) e extratos fenólicos de sorgo com taninos (TSE) com FOS. Os níveis de propionato foram mais altos em WSE + FOS, seguidos por TSE + FOS, em comparação com FOS sozinho. O WSD suplementado com seu extrato fenólico, WSE, mostrou níveis aumentados de acetato e propionato, ao contrário de TSD + TSE, enfatizando a influência dos compostos fenólicos na modulação de SCFA. Esses achados destacam o papel promissor das farinhas torradas de sorgo no combate ao estresse oxidativo e na proliferação de células cancerosas in vitro, na mitigação da carcinogênese de cólon em estágio inicial e na modulação da microbiota intestinal e dos SCFA, justificando uma exploração adicional de seus potenciais preventivos e terapêuticos. Palavras-chave: Atividade antioxidante; Carcinogênese do cólon; Plasmodium falciparum; Composição fenólica; Modulação da microbiota intestinal.