Optimisation et évaluation d’un nouveau test PAMPA amélioré pour la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments.

Ce mémoire rapporte l’optimisation et l’évaluation d’une nouvelle version du test PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) appelée Néo-PAMPA. Ce test qui permet la prédiction de l’absorption intestinale de médicaments consiste en l’utilisation d’une membrane modèle de la paroi intestinale composée d’une bicouche lipidique déposée sur un coussin de polydopamine recouvrant un filtre poreux. En effet, nous nous sommes intéressés lors de ce projet à la mise en place d’une membrane artificielle qui serait plus représentative de la paroi intestinale humaine. Nous avons pu déterminer, suite à une étude comparative des propriétés de huit médicaments ainsi que les coefficients de perméabilité obtenus, que les filtres en polycarbonate présentaient le meilleur choix de support solide pour la membrane. Nous avons également vérifié la déposition du coussin de polydopamine qui apporte le caractère fluide à la bicouche lipidique. Les résultats des tests de perméabilité ont démontré que le coussin de polymère n’obstrue pas les pores du filtre après un dépôt de 4h. Nous avons par la suite étudié la déposition de la bicouche lipidique sur le filtre recouvert de polydopamine. Pour ce faire, deux méthodes de préparation de liposomes ainsi que plusieurs tailles de liposomes ont été testées. Aussi, la composition en phospholipides a été sujette à plusieurs changements. Tous ces travaux d’optimisation ont permis d’aboutir à des liposomes préparés selon la méthode du « film lipidique » à partir d’un mélange de dioléoylphosphatidylcholine (DOPC) et de cholestérol. Une dernière étape d’optimisation de la déposition de la bicouche reste à améliorer. Enfin, le test standard Caco-2, qui consiste à évaluer la perméabilité des médicaments à travers une monocouche de cellules cancéreuses du colon humain, a été implémenté avec succès dans le but de comparer des données de perméabilité avec un test de référence.

Intestin et défauts métaboliques dans la résistance à l'insuline

En lien avec l’augmentation constante de l’obésité, de plus en plus de personnes sont atteintes de résistance à l’insuline ou de diabète de type 2. Ce projet doctoral s’est surtout intéressé à l’une des conséquences majeures des pathologies cardiométaboliques, soit la dyslipidémie diabétique. À cet égard, les gens présentant une résistance à l’insuline ou un diabète de type 2 sont plus à risque de développer des perturbations lipidiques caractérisées essentiellement par des taux élevés de triglycérides et de LDL-cholestérol ainsi que de concentrations restreintes en HDL-cholestérol dans la circulation. Les risques de maladies cardiovasculaires sont ainsi plus élevés chez ces patients. Classiquement, trois organes sont connus pour développer l’insulino-résistance : le muscle, le tissu adipeux et le foie. Néanmoins, certaines évidences scientifiques commencent également à pointer du doigt l’intestin, un organe critique dans la régulation du métabolisme des lipides postprandiaux, et qui pourrait, conséquemment, avoir un impact important dans l’apparition de la dyslipidémie diabétique. De façon très intéressante, des peptides produits par l’intestin, notamment le GLP-1 (glucagon-like peptide-1), ont déjà démontré leur potentiel thérapeutique quant à l’amélioration du statut diabétique et leur rôle dans le métabolisme intestinal lipoprotéinique. Une autre évidence est apportée par la chirurgie bariatrique qui a un effet positif, durable et radical sur la perte pondérale, le contrôle métabolique et la réduction des comorbidités du diabète de type 2, suite à la dérivation bilio-intestinale. Les objectifs centraux du présent programme scientifique consistent donc à déterminer le rôle de l’intestin dans (i) l’homéostasie lipidique/lipoprotéinique en réponse à des concentrations élevées de glucose (à l’instar du diabète) et à des peptides gastro-intestinaux tels que le PYY (peptide YY); (ii) la coordination du métabolisme en disposant de l’AMPK (AMP-activated protein kinase) comme senseur incontournable permettant l’ajustement précis des besoins et disponibilités énergétiques cellulaires; et (iii) l’ajustement de sa capacité d’absorption des graisses alimentaires en fonction du gain ou de la perte de sa sensibilité à l’insuline démontrée dans les spécimens intestinaux humains prélevés durant la chirurgie bariatrique. Dans le but de confirmer le rôle de l’intestin dans la dyslipidémie diabétique, nous avons tout d’abord utilisé le modèle cellulaire intestinal Caco-2/15. Ces cellules ont permis de démontrer qu’en présence de hautes concentrations de glucose en basolatéral, telle qu’en condition diabétique, l’intestin absorbe davantage de cholestérol provenant de la lumière intestinale par l’intermédiaire du transporteur NPC1L1 (Niemann Pick C1-like 1). L’utilisation de l’ezetimibe, un inhibiteur du NPC1L1, a permis de contrecarrer cette augmentation de l’expression de NPC1L1 tout comme l’élévation de l’absorption du cholestérol, prouvant ainsi que le NPC1L1 est bel et bien responsable de cet effet. D’autre part, des travaux antérieurs avaient identifié certains indices quant à un rôle potentiel du peptide intestinal PYY au niveau du métabolisme des lipides intestinaux. Toutefois, aucune étude n’avait encore traité cet aspect systématiquement. Pour établir définitivement l’aptitude du PYY à moduler le transport et le métabolisme lipidique dans l’intestin, nous avons utilisé les cellules Caco-2/15. Notre étude a permis de constater que le PYY incubé du côté apical est capable de réduire significativement l’absorption du cholestérol et le transporteur NPC1L1. Puisque le rôle de l'AMPK dans l'intestin demeure inexploré, il est important non seulement de définir sa structure moléculaire, sa régulation et sa fonction dans le métabolisme des lipides, mais aussi d'examiner l'impact de l’insulino-résistance et du diabète de type 2 (DT2) sur son statut et son mode d’action gastro-intestinal. En employant les cellules Caco-2/15, nous avons été capables de montrer (i) la présence de toutes les sous-unités AMPK (α1/α2/β1/β2/γ1/γ2/γ3) avec une différence marquée dans leur abondance et une prédominance de l’AMPKα1 et la prévalence de l’hétérotrimère α1/β2/γ1; (ii) l’activation de l’AMPK par la metformine et l’AICAR, résultant ainsi en une phosphorylation accrue de l’enzyme acétylCoA carboxylase (ACC) et sans influence sur l'HMG-CoA réductase; (iii) la modulation négative de l’AMPK par le composé C et des concentrations de glucose élevées avec des répercussions sur la phosphorylation de l’ACC. D’autre part, l’administration de metformine au Psammomys obesus, un modèle animal de diabète et de syndrome métabolique, a conduit à (i) une régulation positive de l’AMPK intestinale (phosphorylation de l’AMPKα-Thr172); (ii) la réduction de l'activité ACC; (iii) l’augmentation de l’expression génique et protéique de CPT1, supportant une stimulation de la β-oxydation; (iv) une tendance à la hausse de la sensibilité à l'insuline représentée par l’induction de la phosphorylation d'Akt et l’inactivation de la phosphorylation de p38; et (v) l’abaissement de la formation des chylomicrons ce qui conduit à la diminution de la dyslipidémie diabétique. Ces données suggèrent que l'AMPK remplit des fonctions clés dans les processus métaboliques de l'intestin grêle. La preuve flagrante de l’implication de l’intestin dans les événements cardiométaboliques a été obtenue par l’examen des spécimens intestinaux obtenus de sujets obèses, suite à une chirurgie bariatrique. L’exploration intestinale nous a permis de constater chez ceux avec un indice HOMA élevé (marqueur d’insulinorésistance) (i) des défauts de signalisation de l'insuline comme en témoigne la phosphorylation réduite d'Akt et la phosphorylation élevée de p38 MAPK; (ii) la présence du stress oxydatif et de marqueurs de l'inflammation; (iii) la stimulation de la lipogenèse et de la production des lipoprotéines riches en triglycérides avec l’implication des protéines clés FABP, MTP et apo B-48. En conclusion, l'intestin grêle peut être classé comme un tissu insulino-sensible et répondant à plusieurs stimuli nutritionnels et hormonaux. Son dérèglement peut être déclenché par le stress oxydatif et l'inflammation, ce qui conduit à l'amplification de la lipogenèse et la synthèse des lipoprotéines, contribuant ainsi à la dyslipidémie athérogène chez les patients atteints du syndrome métabolique et de diabète de type 2.

Validation et conditionnement d'un test PAMPA amélioré pour l'évaluation de la perméabilité membranaire de médicaments.

Les tests PAMPA et les tests Caco-2 sont des essais in vitro de l’évaluation de la perméabilité intestinale des médicaments. Ils sont réalisés lors de la phase de découverte du médicament. Les tests PAMPA ne sont pas biologiquement représentatifs de la paroi intestinale, mais ils sont rapides et peu coûteux. Les tests Caco-2 nécessitent plus de 21 jours pour la culture cellulaire et des installations spécifiques sont requises. Ils sont constitués d’une monocouche d’entérocytes à confluence et donc plus biologiquement représentatifs. Il y a un besoin pour le développement d’un essai qui est biologiquement représentatif de la membrane intestinale humaine, rapide et peu coûteux. Le premier but de ce projet était de développer une méthode analytique qui permettrait l’évaluation simultanée de huit médicaments témoins utilisés pour la validation de l’essai de perméabilité. Le deuxième but de ce projet était donc d’améliorer la membrane des tests PAMPA pour proposer un nouveau test : le néoPAMPA. Contrairement au test PAMPA traditionnel, cette membrane est constituée de trois composantes : (1) un filtre poreux qui agit à titre de support, (2) un coussin polydopamine chargé négativement qui sert d’ancrage et qui assure la fluidité de la bicouche et (3) une bicouche lipidique formée par fusion de vésicules. Une méthode analytique HPLC-MS/MS a été validée selon les spécifications de la FDA et de la EMA. Cette méthode a permis de quantifier simultanément les huit médicaments standards utilisés pour le test néoPAMPA. Le test PAMPA traditionnel a été mis en place à titre d’essai control. Les coefficients de perméabilité mesurés pour les huit médicaments au travers de la membrane PAMPA comparaient favorablement aux résultats de la littérature. Les composantes de la membrane néoPAMPA ont été optimisées. Les conditions optimales retenues étaient les filtres de polycarbonate hydrophile ayant des pores de 15 nm, les plaques Costar 12 puits comme dispositif des tests de perméabilité, une bicouche lipidique composée de 70 % DOPC et de 30 % cholestérol cationique ainsi qu’une déposition des liposomes en présence de 150 mM NaCl suivi d’un équilibre d’1 h en présence d’une solution saturée en DOPC. Les stabilités de la cassette de médicaments et des liposomes sont insuffisantes pour le conditionnement commercial des membranes néoPAMPA. Les différentes optimisations réalisées ont permis d’améliorer la membrane néoPAMPA sans toutefois la rendre fonctionnelle. La membrane néoPAMPA n’est toujours pas en mesure de discriminer des molécules en fonction de leur perméabilité attendue.

Le rôle du stress oxydant dans les changements épigénétiques contribuant aux complications du syndrome métabolique.

La méthylation de l'ADN est l'une des modifications épigénétiques au niveau des îlots CpG. Cette modification épigénétique catalysée par les ADN méthyltransférases (DNMTs) consiste en la méthylation du carbone 5' d’une cytosine ce qui aboutit à la formation de 5-méthylcytosine. La méthylation de l'ADN est clairement impliquée dans l'inactivation des gènes et dans l'empreinte génétique. Elle est modulée par la nutrition, en particulier par les donneurs de méthyle et par une restriction protéique. Ces modifications épigénétiques persistent plus tard dans la vie et conduisent au développement de nombreuses pathologies telles que le syndrome métabolique et le diabète de type 2. En fait, de nombreux gènes clés subissent une modification de leur état de méthylation en présence des composants du syndrome métabolique. Cela montre que la méthylation de l'ADN est un processus important dans l'étiologie du syndrome métabolique. Le premier travail de ce doctorat a porté sur la rédaction d’un article de revue qui a examiné le cadre central du syndrome métabolique et analyser le rôle des modifications épigénétiques susceptibles d'influer sur l'apparition du stress oxydant et des complications cardiométaboliques. D’autre part, les cellules intestinales Caco-2/15, qui ont la capacité de se différencier et d’acquérir les caractéristiques physiologiques de l'intestin grêle, ont été utilisées et traitées avec du Fer-Ascorbate pour induire un stress oxydant. Le Fer-Ascorbate a induit une augmentation significative de l’inflammation et de la peroxydation des lipides (malondialdehyde) ainsi que des altérations de de la défense antioxydante (SOD2 et GPx) accompagnées de modifications épigénétiques. De plus, la pré-incubation des cellules avec de la 5-aza-2'-désoxycytidine, un agent de déméthylation et/ou l’antioxydant Trolox a normalisé la défense antioxydante, réduit la peroxydation des lipides et prévenu l'inflammation. Ce premier travail a démontré que les modifications du redox et l’inflammation induites par le Fer-Ascorbate peuvent impliquer des changements épigénétiques, plus particulièrement des changements dans la méthylation de l’ADN. Pour mieux définir l’impact du stress oxydant au niveau nutritionnel, des cochons d’Inde âgés de trois jours ont été séparés en trois groupes : 1) Témoins: alimentation régulière; 2) Nutrition parentérale (NP) 3) H2O2 : Témoins + 350 uM H2O2. Après quatre jours, pour un groupe, les perfusions ont été stoppées et les animaux sacrifiés pour la collecte des foies. Pour l’autre groupe d’animaux, les perfusions ont été arrêtées et les animaux ont eu un accès libre à une alimentation régulière jusqu'à la fin de l’étude, huit semaines plus tard où ils ont été sacrifiés pour la collecte des foies. Ceci a démontré qu’à une semaine de vie, l'activité DNMT et les niveaux de 5'-méthyl-2'-désoxycytidine étaient inférieurs pour les groupes NP et H2O2 par rapport aux témoins. A neuf semaines de vie, l’activité DNMT est restée basse pour le groupe NP alors que les niveaux de 5'-méthyl-2'-désoxycytidine étaient plus faibles pour les groupes NP et H2O2 par rapport aux témoins. Ce travail a démontré que l'administration de NP ou de H2O2, tôt dans la vie, induit une hypométhylation de l'ADN persistante en raison d'une inhibition de l'activité DNMT. Finalement, des souris ayant reçu une diète riche en gras et en sucre (HFHS) ont été utilisées comme modèle in vivo de syndrome métabolique. Les souris ont été nourris soit avec un régime standard chow (témoins), soit avec une diète riche en gras et en sucre (HFHS) ou avec une diète HFHS en combinaison avec du GFT505 (30 mg/kg), un double agoniste de PPARα et de PPARδ, pendant 12 semaines. La diète HFHS était efficace à induire un syndrome métabolique étant donnée l’augmentation du poids corporel, du poids hépatique, des adiposités viscérales et sous-cutanées, de l’insensibilité à l’insuline, des lipides plasmatiques et hépatiques, du stress oxydant et de l’inflammation au niveau du foie. Ces perturbations étaient accompagnées d’une déficience dans l’expression des gènes hépatiques PPARα et PPARγ concomitant avec une hyperméthylation de leurs promoteurs respectifs. L’ajout de GFT505 à la diète HFHS a empêché la plupart des effets cardiométaboliques induits par la diète HFHS via la modulation négative de l’hyperméthylation des promoteurs, résultant en l’augmentation de l’expression des gènes hépatiques PPARα et PPARγ. En conclusion, GFT505 exerce des effets métaboliques positifs en améliorant le syndrome métabolique induit par l'alimentation HFHS via des modifications épigénétiques des gènes PPARs. Ensemble, les travaux de cette thèse ont démontré que le stress oxydant provenant de la nutrition induit d’importants changements épigénétiques pouvant conduire au développement du syndrome métabolique. La nutrition apparait donc comme un facteur crucial dans la prévention de la reprogrammation fœtale et du développement du syndrome métabolique. Puisque les mécanismes suggèrent que le stress oxydant agit principalement sur les métabolites du cycle de la méthionine pour altérer l’épigénétique, une supplémentation en ces molécules ainsi qu’en antioxydants permettrait de restaurer l’équilibre redox et épigénétique.

New grafted PLA-g-PEG polymeric nanoparticles used to improve bioavailability of oral drugs.

Les nanoparticules (NPs) de polymère ont montré des résultats prometteurs pour leur utilisation comme système de transport de médicaments pour une libération contrôlée du médicament, ainsi que pour du ciblage. La biodisponibilité des médicaments administrés oralement pourrait être limitée par un processus de sécrétion intestinale, qui pourrait par la suite être concilié par la glycoprotéine P (P-gp). La dispersion de la Famotidine (modèle de médicament) à l’intérieur des nanoparticules (NPs) pegylées a été évaluée afin d’augmenter la biodisponibilité avec du polyéthylène glycol (PEG), qui est connu comme un inhibiteur de P-gp. L’hypothèse de cette étude est que l’encapsulation de la Famotidine (un substrat de P-gp) à l’intérieur des NPs préparées à partir de PEG-g-PLA pourrait inhiber la fonction P-gp. La première partie de cette étude avait pour but de synthétiser quatre copolymères de PEG greffés sur un acide polylactide (PLA) et sur un squelette de polymère (PLA-g-PEG), avec des ratios de 1% et 5% (ratio molaire de PEG vs acide lactique monomère) de soit 750, soit 2000 Da de masse moléculaire. Ces polymères ont été employés afin de préparer des NPs chargés de Famotidine qui possède une faible perméabilité et une solubilité aqueuse relativement basse. Les NPs préparées ont été analysées pour leur principaux paramètres physicochimiques tels que la taille et la distribution de la taille, la charge de surface (Potentiel Zeta), la morphologie, l’efficacité d’encapsulation, le pourcentage résiduel en alcool polyvinylique (PVA) adsorbé à la surface des NPs, les propriétés thermiques, la structure cristalline et la libération du médicament. De même, les formules de NPs ont été testées in vitro sur des cellules CaCo-2 afin dʼévaluer la perméabilité bidirectionnelle de la Famotidine. Généralement, les NPs préparées à partir de polymères greffés PLA-g-5%PEG ont montré une augmentation de la perméabilité du médicament, ce par l’inhibition de l’efflux de P-gp de la Famotidine dans le modèle CaCo-2 in vitro. Les résultats ont montré une baisse significative de la sécrétion de la Famotidine de la membrane basolatéral à apical lorsque la Famotidine était encapsulée dans des NPs préparées à partir de greffes de 5% PEG de 750 ou 2000 Da, de même que pour d’autres combinaisons de mélanges physiques contenant du PEG5%. La deuxième partie de cette étude est à propos de ces NPs chargées qui démontrent des résultats prometteurs en termes de perméabilité et d’inhibition d’efflux de P-gp, et qui ont été choises pour développer une forme orale solide. La granulation sèche a été employée pour densifier les NPs, afin de développer des comprimés des deux formules sélectionnées de NPs. Les comprimés à base de NPs ont démontré un temps de désintégration rapide (moins d’une minute) et une libération similaire à la Famotidine trouvée sur le marché. Les résultats de l’étude du transport de comprimés à base de NPs étaient cohérents avec les résultats des formules de NPs en termes d’inhibition de P-gp, ce qui explique pourquoi le processus de fabrication du comprimé n’a pas eu d’effet sur les NPs. Mis ensemble, ces résultats montrent que l’encapsulation dans une NP de polymère pegylé pourrait être une stratégie prometteuse pour l’amélioration de la biodisponibilité des substrats de P-gp.

Actividades inibitória de colinesterases e antioxidante de extractos de plantas utilizadas como chás

Nos últimos séculos perdeu-se o interesse por uso de plantas medicinais nos países desenvolvidos, devido à evolução da síntese química de fármacos. Ressurgiu recentemente este uso para desenvolvimento de novos fármacos de patologias com múltiplos mecanismos fisiopatológicos associados devido às actividades simultâneas dos extractos. Dos potenciais usos medicinais explorou-se a inibição da acetilcolinesterase (AChE) para problemas gastrointestinais e para terapêutica da doença de Alzheimer com menos efeitos secundários, e menor toxicidade associada. Realizou-se um estudo de actividades antioxidante e inibitória de AChE onde as duas espécies estudadas de plantas tiveram actividade. A decocção de A. cherimola apresentou capacidade de actividade mais elevada de inibir Ache com um IC50 de 0,627±0,028 mg/mL e antioxidante com um EC50 de 15,435±0,184 mg/mL. Nenhum dos extractos perdeu actividade com o metabolismo in vitro gástrico e pancreático. Na biodisponibilidade verificou-se que a maior parte dos compostos permeia até determinada extensão a monocamada de células Caco-2 com excepção do glucósido da quercetina. A via de transporte predominante dos compostos estudados parece ser difusão paracelular passiva.

Polymer-drug conjugates for combination anticancer therapy: investigating the mechanism of action.

We developed a family of polymer-drug conjugates carrying the combination of the anticancer agent epirubicin (EPI) and nitric oxide (NO). EPI-PEG-(NO)8, carrying the highest content of NO, displayed greater activity in Caco-2 cells while it decreased toxicity against endothelium cells and cardiomyocytes with respect to free EPI. FACS and confocal microscopy confirmed conjugates internalization. Light scattering showed formation of micelle whose size correlated with internalization rate. EPI-PEG-(NO)8 showed increased bioavailability in mice compared to free EPI.

Effect of growth time on the surface and adhesion properties of Lactobacillus rhamnosus GG

Aims: To investigate the changes in the surface properties of Lactobacillus rhamnosus GG during growth, and relate them with the ability of the Lactobacillus cells to adhere to Caco-2 cells. Methods and Results: Lactobacillus rhamnosus GG was grown in complex medium, and cell samples taken at four time points and freeze dried. Untreated and trypsin treated freeze dried samples were analysed for their composition using SDS-PAGE analysis and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), hydrophobicity and zeta potential, and for their ability to adhere to Caco-2 cells. The results suggested that in the case of early exponential phase samples (4 and 8 h), the net surface properties, i.e. hydrophobicity and charge, were determined to a large extent by anionic hydrophilic components, whereas in the case of stationary phase samples (13 and 26 h), hydrophobic proteins seemed to play the biggest role. Considerable differences were also observed between the ability of the different samples to adhere to Caco-2 cells; maximum adhesion was observed for the early stationary phase sample (13 h). The results suggested that the adhesion to Caco-2 cells was influenced by both proteins and non-proteinaceous compounds present on the surface of the Lactobacillus cells. Conclusion: The surface properties of Lact. rhamnosus GG changed during growth, which in return affected the ability of the Lactobacillus cells to adhere to Caco-2 cells. Significance and Impact of the Study: The levels of adhesion of Lactobacillus cells to Caco-2 cells were influenced by the growth time and reflected changes on the bacterial surface. This study provides critical information on the physicochemical factors that influence bacterial adhesion to intestinal cells.

Anti-cancer properties of phenolics from apple waste on colon carcinogenesis in vitro

Colorectal cancer is one of the most common cancers in Western countries. The World Health Organisation identifies diet as a critical risk factor in the development and progression of this disease and the protective role of high levels of fruit and vegetable consumption. Several studies have shown that apples contain several phenolic compounds that are potent anti-oxidants in humans. However, little is known about other beneficial properties of apple phenolics in cancer. We have used the HT29, HT115 and CaCo-2 cell lines as in vitro models to examine the effect of apple phenolics (0.01–0.1% apple extract) on key stages of colorectal carcinogenesis, namely; DNA damage (Comet assay), colonic barrier function (TER assay), cell cycle progression (DNA content assay) and invasion (Matrigel assay). Our results indicate that a crude extract of apple phenolics can protect against DNA damage, improve barrier function and inhibit invasion (p < 0.05). The anti-invasive effects of the extract were enhanced with twenty-four hour pretreatment of cells (p < 0.05). We have shown that a crude apple extract from waste, rich in phenolic compounds, beneficially influences key stages of carcinogenesis in colon cells in vitro.

The reaction of flavanols with nitrous acid protects against N-nitrosamine formation and leads to the formation of nitroso derivatives which inhibit cancer cell growth

Studies have suggested that diets rich in polyphenols Such as flavonoids may lead to a reduced risk of gastrointestinal cancers. We demonstrate the ability of monomeric and dimeric flavanols to scavenge reactive nitrogen species derived from nitrous acid. Both epicatechin and dimer B2 (epicatechin dimer) inhibited nitrous acid-induced formation of 3-nitrotyrosine and the formation of the carcinogenic N-nitrosamine, N-nitrosodimethylamine. The reaction of monomeric and dimeric epicatechin with nitrous acid led to the formation of mono- and di-nitroso flavanols, whereas the reaction with hesperetin resulted primarily in the formation of nitrated products. Although, epicatechin was transferred across the jejunum of the small intestine yielding metabolites, its nitroso form was not absorbed. Dimer B2 but not epicatechin monomer inhibited the proliferation of, and triggered apoptosis in, Caco-2 cells. The latter was accompanied by caspase-3 activation and reductions in Akt phosphorylation, suggesting activation of apoptosis via inhibition of prosurvival signaling. Furthermore, the dinitroso derivative of dimer B2, and to a lesser extent the dinitroso-epicatechin, also induced significant toxic effects in Caco-2 cells. The inhibitory effects on cellular proliferation were paralleled by early inhibition of ERK 1/2 phosphorylation and later reductions in cyclin D I levels, indicating modulation of cell cycle regulation in Caco-2 cells. These effects highlight multiple routes in which dietary derived flavanols may exert beneficial effects in the gastrointestinal tract. (c) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Gut fermentation products of insulin-derived prebiotics beneficially modulate markers of tumour progression in human colon tumour cells

Insulin is a prebiotic food ingredient, which suppresses colon tumour growth and development in rats. In the gut lumen, it is fermented to lactic acid and short chain fatty acids (SCFA). Of these, butyrate has suppressing agent activities, but little is known concerning cellular responses to complex fermentation samples. To investigate the effects of fermentation products of insulin on cellular responses related to colon carcinogenesis. Fermentations were performed in anaerobic batch cultures or in a three-stage fermentation model that simulates conditions in colon-segments (proximal, transverse, distal). Substrate was insulin enriched with oligofructose (Raftilose® Synergy1), fermented with probiotics (Bifidobacterium lactis Bb12, Lactobacillus rhamnosus GG), and/or faecal inocula. HT29 or CaCo-2 cells were incubated with supernatants of the fermented samples (2.5%-25% v/v, 24-72 hours). Cellular parameters of survival, differentiation, tumour progression, and invasive growth were determined. Fermentation supernatants derived from probiotics and Synergy1 were more effective than with glucose. The additional fermentation with faecal slurries produced supernatants with lower toxicity, higher SCFA contents, and distinct cellular functions. The supernatant derived from the gut model vessel representing the distal colon, was most effective for all parameters, probably on account of higher butyrate-concentrations. Biological effects of insulin upon colon cells may be mediated not only by growth stimulation of the lactic acid-producing bacteria and/or production of butyrate, but also by other bacteria and products of the gut lumen. These newly reported properties of the supernatants to inhibit growth and metastases in colon tumour cells are important mechanisms of tumour suppression.

Absorption and metabolism of olive oil secoiridoids in the small intestine

The secoiridoids 3,4-dihydroxyphenylethanol-elenolic acid (3,4-DHPEA-EA) and 3,4-dihydroxyphenylethanol-elenolic acid dialdehyde (3,4-DHPEA-EDA) account for approximately 55 % of the phenolic content of olive oil and may be partly responsible for its reported human health benefits. We have investigated the absorption and metabolism of these secoiridoids in the upper gastrointestinal tract. Both 3,4-DHPEA-EDA and 3,4-DHPEA-EA were relatively stable under gastric conditions, only undergoing limited hydrolysis. Both secoiridoids were transferred across a human cellular model of the small intestine (Caco-2 cells). However, no glucuronide conjugation was observed for either secoiridoid during transfer, although some hydroxytyrosol and homovanillic alcohol were formed. As Caco-2 cells are known to express only limited metabolic activity, we also investigated the absorption and metabolism of secoiridoids in isolated, perfused segments of the jejunum and ileum. Here, both secoiridoids underwent extensive metabolism, most notably a two-electron reduction and glucuronidation during the transfer across both the ileum and jejunum. Unlike Caco-2 cells, the intact small-intestinal segments contain NADPH-dependent aldo-keto reductases, which reduce the aldehyde carbonyl group of 3,4-DHPEA-EA and one of the two aldeydic carbonyl groups present on 3,4-DHPEA-EDA. These reduced forms are then glucuronidated and represent the major in vivo small-intestinal metabolites of the secoiridoids. In agreement with the cell studies, perfusion of the jejunum and ileum also yielded hydroxytyrosol and homovanillic alcohol and their respective glucuronides. We suggest that the reduced and glucuronidated forms represent novel physiological metabolites of the secoiridoids that should be pursued in vivo and investigated for their biological activity.

Influence of fermentation conditions on the surface properties and adhesion of Lactobacillus rhamnosus GG

Background: The surface properties of probiotic bacteria influence to a large extent their interactions within the gut ecosystem. There is limited amount of information on the effect of the production process on the surface properties of probiotic lactobacilli in relation to the mechanisms of their adhesion to the gastrointestinal mucosa. The aim of this work was to investigate the effect of the fermentation pH and temperature on the surface properties and adhesion ability to Caco-2 cells of the probiotic strain Lactobacillus rhamnosus GG. Results: The cells were grown at pH 5, 5.5, 6 (temperature 37 °C) and at pH 6.5 (temperature 25 °C, 30 °C and 37 °C), and their surfaces analysed by X-ray photoelectron spectrometry (XPS), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and gel-based proteomics. The results indicated that for all the fermentation conditions, with the exception of pH 5, a higher nitrogen to carbon ratio and a lower phosphate content was observed at the surface of the bacteria, which resulted in a lower surface hydrophobicity and reduced adhesion levels to Caco-2 cells as compared to the control fermentation (pH 6.5, 37 oC). A number of adhesive proteins, which have been suggested in previous published works to take part in the adhesion of bacteria to the human gastrointestinal tract, were identified by proteomic analysis, with no significant differences between samples however. Conclusions: The temperature and the pH of the fermentation influenced the surface composition, hydrophobicity and the levels of adhesion of L. rhamnosus GG to Caco-2 cells. It was deduced from the data that a protein rich surface reduced the adhesion ability of the cells.

Identification of components of the Sigma B Regulon in Listeria monocytogenes that contribute to acid and salt tolerance

Sigma B (σB) is an alternative sigma factor that controls the transcriptional response to stress in Listeria monocytogenes and is also known to play a role in the virulence of this human pathogen. In the present study we investigated the impact of a sigB deletion on the proteome of L. monocytogenes grown in a chemically defined medium both in the presence and in the absence of osmotic stress (0.5 M NaCl). Two new phenotypes associated with the sigB deletion were identified using this medium. (i) Unexpectedly, the strain with the ΔsigB deletion was found to grow faster than the parent strain in the growth medium, but only when 0.5 M NaCl was present. This phenomenon was independent of the carbon source provided in the medium. (ii) The ΔsigB mutant was found to have unusual Gram staining properties compared to the parent, suggesting that σB contributes to the maintenance of an intact cell wall. A proteomic analysis was performed by two-dimensional gel electrophoresis, using cells growing in the exponential and stationary phases. Overall, 11 proteins were found to be differentially expressed in the wild type and the ΔsigB mutant; 10 of these proteins were expressed at lower levels in the mutant, and 1 was overexpressed in the mutant. All 11 proteins were identified by tandem mass spectrometry, and putative functions were assigned based on homology to proteins from other bacteria. Five proteins had putative functions related to carbon utilization (Lmo0539, Lmo0783, Lmo0913, Lmo1830, and Lmo2696), while three proteins were similar to proteins whose functions are unknown but that are known to be stress inducible (Lmo0796, Lmo2391, and Lmo2748). To gain further insight into the role of σB in L. monocytogenes, we deleted the genes encoding four of the proteins, lmo0796, lmo0913, lmo2391, and lmo2748. Phenotypic characterization of the mutants revealed that Lmo2748 plays a role in osmotolerance, while Lmo0796, Lmo0913, and Lmo2391 were all implicated in acid stress tolerance to various degrees. Invasion assays performed with Caco-2 cells indicated that none of the four genes was required for mammalian cell invasion. Microscopic analysis suggested that loss of Lmo2748 might contribute to the cell wall defect observed in the ΔsigB mutant. Overall, this study highlighted two new phenotypes associated with the loss of σB. It also demonstrated clear roles for σB in both osmotic and low-pH stress tolerance and identified specific components of the σB regulon that contribute to the responses observed.

Effects of fermentation products of pro- and prebiotics on trans-epithelial electrical resistance in an in vitro model of the colon

Evidence from in vivo and in vitro studies suggests that the consumption of pro- and prebiotics may inhibit colon carcinogenesis; however, the mechanisms involved have, thus far, proved elusive. There are some indications from animal studies that the effects are being exerted during the promotion stage of carcinogenesis. One feature of the promotion stage of colorectal cancer is the disruption of tight junctions, leading to a loss of integrity across the intestinal barrier. We have used the Caco-2 human adenocarcinoma cell line as a model for the intestinal epithelia. Trans-epithelial electrical resistance measurements indicate Caco-2 monolayer integrity, and we recorded changes to this integrity following exposure to the fermentation products of selected probiotics and prebiotics, in the form of nondigestible oligosaccharides (NDOs). Our results indicate that NDOs themselves exert varying, but generally minor, effects upon the strength of the tight junctions, whereas the fermentation products of probiotics and NDOs tend to raise tight junction integrity above that of the controls. This effect was bacterial species and oligosaccharide specific. Bifidobacterium Bb 12 was particularly effective, as were the fermentation products of Raftiline and Raftilose. We further investigated the ability of Raftilose fermentations to protect against the negative effects of deoxycholic acid (DCA) upon tight junction integrity. We found protection to be species dependent and dependent upon the presence of the fermentation products in the media at the same time as or after exposure to the DCA. Results suggest that the Raftilose fermentation products may prevent disruption of the intestinal epithelial barrier function during damage by tumor promoters.