Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Validação de metodologia analítica por CLAE-DAD para determinação de compostos fenólicos e atividade biológica em coprodutos agroindustriais

The southern region of Brazil, especially the states of Parana and Santa Catarina stand out for growing grapes and apples for fresh consumption and in order to add value to these products, process the material for the production of wine, juices and jellies . As a result large quantities of by-products, such as peels, seeds and pulp are produced becoming environmental problems. Studies reuse of these by-products have attracted interest because they have shown a high biological potential, due to the presence of high levels of phenolic compounds, which are associated with a lower incidence of disease caused by oxidative stress, due to its antioxidant, antiinflammatory and antibacterial properties. Currently, few studies are presented on the phenolic composition and biological potential of waste grape variety Bordô (Vitis labrusca) and apple (Malus domestica) Gala variety, cultivated in southern Brazil. Within this context, the objectives of this study were: compare the efficiency of solidliquid and liquid-liquid extraction, perform the optimization and validation of analytical methodology by HPLC-DAD for the separation, identification and quantification of multiclass phenolic compounds, evaluate the activity antioxidant by sequestering methods of free radical 2,2-diphenyl-1 picrilhidrazina (DPPH) and 2,2-azino-bis (3- ethyl-benzthiazoline-6-sulphonic acid) (ABTS) solution, reduction of Fe3+ in Fe2+ method (FRAP), ORAC, RP-HPLC-ABTS online, Rancimat and determination of total phenolics three agro-industrial byproducts, pomace and stems grape Bordô produced in Paraná Southwest region and Gala apple pomace coming from the Santa Catarina West. Optimization and validation of chromatographic method showed satisfactory quality parameters for the compounds of interest and the solidliquid extraction was more efficient in extracting phenolic evaluated. The three byproducts evaluated showed significant levels of phenolic compounds when analyzed by HPLC, especially flavonoids, catechin and epicatechin besides that showed significant antioxidant capacity. The grape stems extract had the highest sequestration capacity of DPPH and ABTS radical and reduced iron, and high content of phenolic compounds. The apple pomace extract showed the best response to the Rancimat method, which indicates a high potential to protect the oil from lipid oxidation, was no significant difference when compared to synthetic antioxidant TBHQ. The results of this study showed that the agro-industrial coproducts analyzed are rich in phenolic compounds of high antioxidant capacity and therefore must be better explored by the food and pharmaceutical industries.

Composição química e atividade antioxidante de maracujá-roxo (Passiflora edulis Sims edulis)em diferentes graus de maturação

O maracujá-roxo é um fruto tropical que tem ganho destaque devido ao seu valor nutricional, organolético e às emergentes descobertas acerca das suas propriedades farmacêuticas e antioxidantes. Durante o processo de maturação decorrem várias reações de ordem física e química, e no intuito de enriquecer o conhecimento acerca de como a composição química e as propriedades do maracujá-roxo evoluem ao longo da maturação, este trabalho consistiu na caracterização física do fruto inteiro e na caracterização química geral das sementes, casca e polpa em frutos separados em cinco graus de maturação diferentes (G1 a G5). Foi também avaliada a atividade antioxidante (atividade antiradicalar e poder redutor), e o teor em compostos fenólicos (fenóis totais, derivados do ácido hidroxicinâmico e flavonóis) das diferentes matrizes que compõem o fruto ao longo da maturação. A partir dos resultados obtidos verificou-se na casca que o teor em cinza bruta aumenta essencialmente entre G1 e G2 enquanto se verificou uma diminuição da proteína. Em relação à semente, o teor em cinza bruta aumenta gradualmente, e o teor em proteína aumenta de G1 para G2, estabilizando posteriormente nos 8% (base seca). O teor em gordura aumenta gradualmente ao longo da maturação, verificando-se um maior acumulo entre G1 e G2 (9,9 e 19,1% respetivamente). No que respeita à polpa, há uma diminuição nos teores de cinza e proteína e aumento dos sólidos solúveis totais.Verificou-se um aumento ligeiro do pH ao longo da maturação (entre 2,8 a 3,1) e uma diminuição da acidez (entre 12,1 e 6,7 g de ácido cítrico 100 mL-1). Constatou-se que os açúcares predominantes na polpa foram a sacarose, frutose e glucose. Quanto aos ácidos orgánicos, o ácido cítrico foi o maioritário em todos os graus de maturação e teores mais baixos foram quantificados para os ácidos málico e ascórbico. Entre as diferentes partes do fruto estudadas, as cascas foram a matriz mais antioxidante, aumentando o seu potencial bioativo durante a maturação. As sementes apresentaram valores mais elevados de fenóis totais, derivados do ácido hidroxicinâmico e flavonóis. Foi verificado que a atividade antioxidante esteve correlacionada com os valores de fenóis totais presentes nas diferentes partes do fruto ao longo da maturação. De acordo com o conhecimento dos autores, este é o primeiro estudo que toma em consideração as alterações sofridas pelas diferentes partes do maracujá-roxo produzido em Portugal, ao longo da maturação.

Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

Bioactive compounds of citrus as health promoters

Citrus are a group of fruit species, quite heterogeneous in many aspects, including chemical composition of the fruit. Since ancient times, some citrus fruits were used to prevent and cure human diseases. In the recent decades, it has been demonstrated that fruits can actually help prevent and cure some diseases and above all, they are essential in a balanced diet. Citrus fruits, as one of the groups of fruit species, with greater importance in the world, have been studied for their effects on human health. Some species of citrus were referred as potential antioxidant based therapy for heart disease, cancer and inflammation. Fruit peels and seeds have also high antioxidant activity. The health benefits of citrus fruit have mainly been attributed to the high level of bioactive compounds, such as phenols (e.g., flavanone glycosides, hydroxycinnamic acids), carotenoids and vitamin C. These compounds are present in the fruit pulp and hence in the juice. But some bioactive compounds can be found in parts of the fruit which usually are not used for human food. The content of bioactive compounds depends on the species and cultivar, but also depends on the production system followed in the orchard. Citrus fruits, their derivatives and their by-products (peel, pulp and oil) are reach in different bioactive compounds and its maturity, postharvest and agroindustry processes influence their composition and concentration. The aim of this chapter was to review the main bioactive compounds of the different components of citrus and their relationship to health.

New biomaterials for packaging: a green approach to biopolymers and biocomposites

The impellent global environmental issues related to plastic materials can be addressed by following two different approaches: i) the development of synthetic strategies towards novel bio-based polymers, deriving from biomasses and thus identifiable as CO2-neutral materials, and ii) the development of new plastic materials, such as biocomposites, which are bio-based and biodegradable and therefore able to counteract the accumulation of plastic waste. In this framework, this dissertation presents extensive research efforts have been devoted to the synthesis and characterization of polyesters based on various bio-based monomers, including ω-pentadecalactone, vanillic acid, 2,5-furan dicarboxylic acid, and 5-hydroxymethylfurfural. With the aim of achieving high molecular weight polyesters, different synthetic strategies have been used as melt polycondensation, enzymatic polymerization, ring-opening polymerization and chain extension reaction. In particular, poly(ethylene vanillate) (PEV), poly(ω-pentadecalactone) (PPDL), poly(ethylene vanillate-co-pentadecalactone) (P(EV-co-PDL)), poly(2-hydroxymethyl 5-furancarboxylate) (PHMF), poly(ethylene 2,5-furandicarboxylate) (PEF) with different amount of diethylene glycol (DEG) unit amount, poly(propylene 2,5-furandicarboxylate) (PPF), poly(hexamethylene 2,5-furandicarboxylate), (PHF) have been prepared and extensively characterized. To improve the lacks of poly(hydroxybutyrate-co-valerate) (PHBV), its minimal formulations with natural additives and its blending with medium chain length PHAs (mcl-PHAs) have been tested. Additionally, this dissertation presents new biocomposites based on polylactic acid (PLA), poly(butylene succinate) (PBS), and PHBV, which are polymers both bio-based and biodegradable. To maintain their biodegradability only bio-fillers have been taken into account as reinforcing agents. Moreover, the commitment to sustainability has further limited the selection and led to the exclusive use of agricultural waste as fillers. Detailly, biocomposites have been obtained and discussed by using the following materials: PLA and agro-wastes like tree pruning, potato peels, and hay leftovers; PBS and exhausted non-compliant coffee green beans; PHBV and industrial starch extraction residues.