Nutraceutical approach to the modulation of cholesterol metabolism: in vitro and in vivo studies

Negli ultimi anni, si sono diffusi nuove strategie per il trattamento delle malattie cardiovascolari, che possano supportare una terapia medica, o in alcuni casi, sostituirla. Infatti, l’abbandono delle terapie è il più importante problema di salute pubblica del mondo occidentale, soprattutto per le malattie croniche. Ciò è dovuto alla complessità delle terapie farmacologiche e ai numerosi e in alcuni casi gravi effetti collaterali dei farmaci somministrati. Di conseguenza, una riduzione di questi effetti migliorerebbe le condizioni di vita del paziente e quindi diminuirebbe il rischio di abbandono della terapia. Per ottenere ciò, è possibile affiancare al trattamento farmacologico una terapia nutraceutica, consistente nella somministrazione di complessi molecolari o microorganismi, provenienti da piante, latte o cibi funzionali. Lo scopo generale di questo studio è indagare le attività ipolipidemizzanti di un composto nutraceutico e di un ceppo batterio specifico nel modello animale che presenta elevati alti livelli plasmatici di colesterolo. Inoltre, sono stati analizzati gli effetti del trattamento nutraceutico sui meccanismi fisiologici che contrastano la creazione della placca aterosclerotica come l’efflusso di colesterolo dalle “foam cells” presenti nell’ateroma, o la riduzione dell’assorbimento intestinale di colesterolo. La presente tesi è divisa in due parti. Nella prima parte, abbiamo analizzato la capacità dei Bifidobacteria di ridurre i livelli di colesterolo nel medium di crescita. Dall’analisi, si è osservato che vari ceppi del genere Bifidobacteria presentano un’ampia capacità di assimilazione del colesterolo all’interno della cellula batterica, in particolare il Bifidobacterium bifidum PRL2010. Le analisi di trascrittomica del Bb PRL2010 incubato in presenza di colesterolo, hanno rivelato un significativo aumento dei livelli di trascrizione di geni codificanti trasportatori e riduttasi, responsabili del meccanismo di accumulo all’interno della cellula batterica e della conversione del colesterolo in coprostanolo. L’attività ipolipidemizzante del Bb PRL2010 è stata poi valutata nel modello murino, mostrando la modificazione del microbiota dei topi trattati dopo somministrazione del batterio in questione. Nella seconda parte del progetto di ricerca, abbiamo indagato sugli effetti di un composto coperto da brevetto, chiamato “Ola”, sull’efflusso di colesterolo di criceti trattati con questo composto nutraceutico. L’efflusso di colesterolo è il primo step del meccanismo fisiologico noto come Trasporto Inverso del Colesterolo, che consente l’eliminazione del colesterolo dalle placche aterosclerotiche, attraverso l’interazione fra le HDL, presenti nella circolazione sanguigna, e specifici trasportatori delle foam cells, come ABCA1/G1 e SR-BI. In seguito, le lipoproteine rilasciano il colesterolo alle cellule epatiche, dove è metabolizzato ed escreto attraverso le feci. Per valutare l’effetto dell’Ola sul profilo lipidico dei criceti, sono state condotte analisi in vitro. I risultati mostrano un aumento dell’efflusso di colesterolo in cellule che esprimono il trasportatore ABCA1, comparato con il gruppo controllo. Questi due studi mostrano come l’approccio nutraceutico può essere un importante modo per contrastare l’aterosclerosi. Come mostrato in letteratura, gli effetti dei composti nutraceutici sull’aterosclerosi e su altre malattie croniche, hanno portato a un ampio uso come supporto alle terapie farmacologiche, ed in alcuni casi hanno rimpiazzato la terapia farmacologica stessa.

Advances in (poly)phenol research: novel sources, bioavailability, bioaccumulation and bioactivity

In the last decades, increasing scientific evidence has correlated the regular consumption of (poly)phenol-rich foods to a potential reduction of chronic disease incidence and mortality. However, epidemiological evidence on the role of (poly)phenol intake against the risk of some chronic diseases is promising, but not conclusive. In this framework a proper approach to (poly)phenol research is requested, using a step by step strategy. The plant kingdom produces an overwhelming array of structurally diverse secondary metabolites, among which flavonoids and related phenolic and (poly)phenolic compounds constitute one of the most numerous and widely distributed group of natural products. To date, more than 8000 structures have been classified as members of the phytochemical class of (poly)phenol, and among them over 4000 flavonoids have been identified. For this reason, a detailed food (poly)phenolic characterization is essential to identify the compounds that will likely enter the human body upon consumption, to predict the metabolites that will be generated and to unravel the potential effects of phenolic rich food sources on human health. In the first part of this work the attention was focused on the phenolic characterization of fruit and vegetable supplements, considering the increasing attention recently addressed to the so called "nutraceuticals", and on the main coffee industry by-product, namely coffee silverskin. The interest oriented toward (poly)phenols is then extended to their metabolism within the human body, paramount in the framework of their putative health promoting effects. Like all nutrients and non-nutrients, once introduced through the diet, (poly)phenols are subjected to an intense metabolism, able to convert the native compounds into similar conjugated, as well as smaller and deeply modified molecules, which in turn could be further conjugated. Although great strides have been made in the last decades, some steps of the (poly)phenol metabolism remain unclear and are interesting points of research. In the second part of this work the research was focused on a specific bran fraction, namely aleurone, added in feed pellets and in bread to investigate the absorption, metabolism and bioavailability of its phenolic compounds in animal and humans, with a preliminary in vitro step to determine their potential bioaccesibility. This part outlines the best approaches to assess the bioavailability of specific phenolics in several experimental models. The physiological mechanisms explaining the epidemiological and observational data on phenolics and health, are still far from being unraveled or understood in full. Many published results on phenolic actions at cell levels are biased by the fact that aglycones or native compounds have been used, not considering the previously mentioned chemical and biological transformations. In the last part of this thesis work, a new approach in (poly)phenol bioactivity investigation is proposed, consisting of a medium-long term treatment of animals with a (poly)phenol source, in this specific case resveratrol, the detection of its metabolites to determine their possible specific tissue accumulation, and the evaluation of specific parameters and/or mechanism of action at target tissue level. To conclude, this PhD work has contributed to advancing the field, as novel sources of (poly)phenols have been described, the bioavailability of (poly)phenols contained in a novel specific bran fraction used as ingredient has been evaluated in animal and in humans, and, finally, the tissue accumulation of specific (poly)phenol metabolites and the evaluation of specific parameters and/or mechanism of action has been carried out. For these reasons, this PhD work should be considered an example of adequate approach to the investigation of (poly)phenols and of their bioactivity, unavoidable in the process of unequivocally defining their effects on human health.