Interactions of natural products with β-lactoglobulins, members of the lipocalin family

Natural products constitute an important source of new drugs. The bioavailability of the drugs depends on their absorption, distribution, metabolism and elimination. To achieve good bioavailability, the drug must be soluble in water, stable in the gastrointestinal tract and palatable. Binding proteins may improve the solubility of drug compounds, masking unwanted properties, such as bad taste, bitterness or toxicity, transporting or protecting these compounds during processing and storage. The focus of this thesis was to study the interactions, including ligand binding and the effect of pH and temperature, of bovine and reindeer β-lactoglobulin (βLG) with such compounds as retinoids, phenolic compounds as well as with compounds from plant extracts, and to investigate the transport properties of the βLG-ligand complex. To examine the binding interactions of different ligands to βLG, new methods were developed. The fluorescence binding method for the evaluation of ligand binding to βLG was miniaturized from a quartz cell to a 96-well plate. A method of ultrafiltration sampling combined with high-performance liquid chromatography was developed to assess the binding of compounds from extracts. The interactions of phenolic compounds or retinoids and βLG were investigated using the 96-well plate method. The majority of flavones, flavonols, flavanones and isoflavones and all of the retinoids included were shown to bind to bovine and reindeer βLG. Phenolic compounds, contrary to retinol, were not released at acidic pH. Those results suggest that βLG may have more binding sites, probably also on the surface of βLG. An extract from Camellia sinensis (L.) O. Kunze (black tea), Urtica dioica L. (nettle) and Piper nigrum (black pepper) were used to evaluate whether βLG could bind compounds from plant extracts. Piperine from P. nigrum was found to bind tightly and rutin from U. dioica weakly to βLG. No components from C. sinensis bound to βLG in our experiment. The uptake and membrane permeation of bovine and reindeer βLG, free and bound with retinol, palmitic acid and cholesterol, were investigated using Caco-2 cell monolayers. Both bovine and reindeer βLG were able to cross the Caco-2 cell membrane. Free and βLG-bound retinol and palmitic acid were transported equally, whereas cholesterol could not cross the Caco-2 cell monolayer free or bound to βLG. Our results showed that βLG can bind different natural product compounds, but cannot enhance transport of retinol, palmitic acid or cholesterol through Caco-2 cells. Despite this, βLG, as a water-soluble binding protein, may improve the solubility of natural compounds, possibly protecting them from early degradation and transporting some of them through the stomach. Furthermore, it may decrease their bad or bitter taste during oral administration of drugs or in food preparations. βLG can also enhance or decrease the health benefits of herbal teas and food preparations by binding compounds from extracts.

Effects of dairy proteins and calcium on diet-induced obesity in mice

Diet high in dairy products is inversely associated with body mass index, risk of metabolic syndrome and prevalence of type 2 diabetes in several populations. Also a number of intervention studies support the role of increased dairy intake in the prevention and treatment of obesity. Dairy calcium has been suggested to account for the effect of dairy on body weight, but it has been repeatedly shown that the effect of dairy is superior to the effect of supplemental calcium. Dairy proteins are postulated to either enhance the effect of calcium or have an independent effect on body weight, but studies in the area are scarce. The aim of this study was to evaluate the potential of dairy proteins and calcium in the prevention and treatment of diet-induced obesity in C57Bl/6J mice. The effect of dairy proteins and calcium on the liver and adipose tissue was also investigated in order to characterise the potential mechanisms explaining the reduction of risk for metabolic syndrome and type 2 diabetes. A high-calcium diet (1.8%) in combination with dietary whey protein inhibited body weight and fat gain and accelerated body weight and fat loss in high-fat-fed C57Bl/6J mice during long-term studies of 14 to 21 weeks. α-lactalbumin, one of the major whey proteins, was the most effective whey protein fraction showing significantly accelerated weight and fat loss during energy restriction and reduced the amount of visceral fat gain during ad libitum feeding after weight loss. The microarray data suggest sensitisation of insulin signalling in the adipose tissue as a result of a calcium-rich whey protein diet. Lipidomic analysis revealed that weight loss on whey protein-based high-calcium diet was characterised by significant decreases in diabetogenic diacylglycerols and lipotoxic ceramide species. The calcium supplementation led to a small, but statistically significant decrease in fat absorption independent of the protein source of the diet. This augments, but does not fully explain the effects of the studied diets on body weight. A whey protein-containing high-calcium diet had a protective effect against a high-fat diet-induced decline of β3 adrenergic receptor expression in adipose tissue. In addition, a high-calcium diet with whey protein increased the adipose tissue leptin expression which is decreased in this obesity-prone mouse strain. These changes are likely to contribute to the inhibition of weight gain. The potential sensitisation of insulin signalling in adipose tissue together with the less lipotoxic and diabetogenic hepatic lipid profile suggest a novel mechanistic link to explain why increased dairy intake is associated with a lower prevalence of metabolic syndrome and type 2 diabetes in epidemiological studies. Taken together, the intake of a high-calcium diet with dairy proteins has a body weight lowering effect in high-fat-fed C57Bl/6J mice. High-calcium diets containing whey protein prevent weight gain and enhance weight loss, α-lactalbumin being the most effective whey protein fraction. Whey proteins and calcium have also beneficial effects on hepatic lipid profile and adipose tissue gene expression, which suggest a novel mechanistic link to explain the epidemiological findings on dairy intake and metabolic syndrome. The clinical relevance of these findings and the precise mechanisms of action remain an intriguing field of future research.

Heraproteiinivalmisteen vaikutus laihdutukseen ja laihdutustuloksen pysyvyyteen ylipainoisilla aikuisilla

Johdanto: Lihavuus on maailmalaajuisesti merkittävä kansanterveydellinen ja –taloudellinen ongelma. Lihavuuden ehkäisemiseksi ja epidemian leviämisen hillitsemiseksi on tärkeää tuntea lihavuuteen vaikuttavat tekijät. Yksittäisistä ruoka-aineista maidon käytön on havaittu monissa epidemiologisissa ja kokeellisissa tutkimuksissa olevan yhteydessä alhaisempaan painoon, ehkäisevän lihomista ja edistävän laihtumista. Maidon sisältämistä yhdisteistä kalsiumin vaikutuksia on tutkittu eniten. Myös heraproteiinin on esitetty olevan yksi mahdollinen painoon vaikuttava komponentti, ja näyttöä tästä on saatu eläinkokeista. Tavoitteet: Tutkimuksessa tavoitteena oli selvittää, vaikuttaako päivittäin nautittu heraproteiinia sisältävä välipalajuoma laihtumiseen tai saavutetun laihdutustuloksen pysyvyyteen ylipainoisilla aikuisilla. Aineisto ja menetelmät: Tutkimus toteutettiin osana Valio Oy:n OMPPU2-tutkimusta, joka oli satunnaistettu, lumekontrolloitu ja kaksoissokkoutettu kahden rinnakkaisen ryhmän tutkimus. Tutkimus alkoi rekrytoinneilla alkuvuodesta 2010, joissa tutkimukseen valittiin 105 ylipainoista (BMI 27–35), tervettä, 20–50-vuotiasta naista ja miestä. Tutkimushenkilöt satunnaistettiin tutkimus- ja verrokkiryhmiin, ja molemmat ryhmät nauttivat tutkimusvalmisteensa päivittäin hedelmätäysmehuun sekoitettuna (tutkimusryhmä heraproteiinijauheen ja verrokkiryhmä maltodekstriinijauheen). Tutkimus koostui kahdesta jaksosta: viiden kuukauden laihdutusjaksosta ja tätä seuranneesta kolmen kuukauden painonhallintajaksosta. Tutkimuskäynneillä tutkimuksen alussa, laihdutusjakson lopussa ja painonhallintajakson lopussa mitattiin tutkimushenkilöiden paino ja vyötärönympärys sekä määritettiin kehonkoostumus bioimpedanssilaitteella. Tutkimushenkilöiden ruoankäyttö ja ravinnonsaanti laskettiin samoissa aikapisteissä kerättyjen kolmen päivän ruokapäiväkirjojen perusteella. Tutkimushenkilöitä, joilla tutkimusvalmisteen käyttö oli alle 50 %, ei otettu huomioon tilastoanalyyseissä. Tilastollinen analyysi tehtiin käyttäen kahden riippumattoman otoksen t-testiä ja kaksisuuntaista parittaista t-testiä normaalijakautuneilla muuttujilla, ja Mann-Whitneyn U-testiä ja Wilcoxonin ttestiä ei-normaalijakautuneilla muuttujilla. Tutkimusvalmisteen ja painonmuutosten välinen korrelaatio laskettiin käyttäen Pearsonin korrelaatiokertoimia. Tulokset on ilmaistu keskiarvoina (keskihajonta). Tulokset: Molemmat ryhmät laihtuivat laihdutusjakson aikana. Heraproteiiniryhmässä painonpudotus oli 2,4 (3,8) kg (p=0,002) ja verrokkiryhmässä 3,4 (4,1) kg (p<0,001). Ryhmien välinen ero ei ollut merkitsevä. Rasvamassa väheni verrokkiryhmässä 2,4 (3,8) kg (p<0,001), mikä oli viiteellisesti enemmän (p=0,054) kuin heraproteiiniryhmässä 1,1 (3,1) kg (p=0,129). Rasvaprosentti ja viskeraalirasvan määrä pienenivät verrokkiryhmässä heraproteiiniryhmää enemmän (p<0,025). Vyötärönympärys pieneni heraproteiiniryhmässä 1,9 (3,0) cm (p=0,001) ja verrokkiryhmässä 3,8 (3,8) cm (p<0,001) ryhmien välisen eron ollessa merkitsevä (p=0,017). Maltodekstriinin käyttö korreloi käänteisesti painonmuutosten kanssa laihdutusjaksolla (r=-0,389, p=0,013). Painonhallintajaksolla painossa ei tapahtunut merkitseviä muutoksia kummassakaan ryhmässä. Heraproteiinin käytön ja painonmuutosten välisestä negatiivisesta korrelaatiosta oli viitteitä tällä jaksolla (r=-0,344, p=0,063). Kun tarkasteltiin koko tutkimuksen aikana tapahtuneita muutoksia (laihdutusjakson alusta painonhallintajakson loppuun), ei ryhmien välillä ollut merkitseviä eroja painon tai kehonkoostumuksen muutoksissa. Energiansaanti väheni molemmissa ryhmissä merkitsevästi laihdutusjakson aikana (p<0,01), mutta muutos ei eronnut ryhmien välillä. Ravintoaineista rasvan saanti väheni (p<0,001) ja C-vitamiinin saanti lisääntyi (p<0,001) molemmissa ryhmissä laihdutusjaksolla. Alkoholin saanti väheni verrokkiryhmässä (p=0,017). Proteiinin saanti lisääntyi heraproteiiniryhmässä merkitsevästi enemmän kuin verrokkiryhmässä (p=0,002). Painonhallintajaksolla energiansaanti ei muuttunut kummassakaan ryhmässä laihdutusjakson loppuun verrattuna. Fyysisessä aktiivisuudessa tutkimuksen aikana ei ollut eroa ryhmien välillä. Johtopäätökset: Heraproteiinin ei havaittu tehostavan laihdutusta maltodekstriiniin verrattuna tässä tutkimuksessa. Sen sijaan maltodekstriiniä nauttineessa ryhmässä rasvaprosentti ja erityisesti vatsan alueen rasva pienenivät heraproteiiniryhmää enemmän laihdutusjaksolla. Tulos oli lähes täysin vastakkainen tutkimushypoteesin kanssa, eikä vaikuttaisi selittyvän eroilla energiansaannissa tai fyysisessä aktiivisuudessa. Tämä tutkimus ei siis tue olettamusta, että heraproteiini osana laihdutusruokavaliota auttaisi laihdutuksessa. Painonhallintajaksolla heraproteiinin ja painonmuutosten välinen lähes merkitsevä käänteinen korrelaatio saattaa viitata heraproteiinin merkitykseen painonhallinnassa. Vapaasti elävien ihmisten kohdalla sekoittavia tekijöitä on kuitenkin vaikea vakioida, mikä vaikeuttaa johtopäätösten tekemistä.