Multiple approaches to investigate the variability in (poly)phenol bioavailability and metabolism

Crescenti evidenze scientifiche suggeriscono che consumi moderati e a lungo termine di cibi ricchi in (poli)fenoli possono ridurre il rischio di malattie croniche. I (poli)fenoli rappresentano la più grande categoria di fitocomposti e costituiscono una famiglia eterogenea di più di 8000 molecole. Le loro attività citoprotettive derivano da una modulazione indiretta di vie di segnalazione cellulare che controllano processi rilevanti per la progressione di patologie legate all’invecchiamento. Il principale ostacolo allo sfruttamento del loro potenziale per la prevenzione delle malattie croniche è l’eterogeneità nella risposta fisiologica al loro consumo, che origina principalmente da differenze interindividuali nella loro biodisponibilità e metabolismo. Un tentativo di scoprire i metabotipi (anche detti fenotipi metabolici) è stato effettuato per gestire questa variabilità, basandosi su criteri qualitativi, quantitativi o quali-quantitativi. È cruciale considerare the gli effetti sulla salute attribuiti al consumo dei (poli)fenoli possono derivare da un’azione sinergica esercitata dai (poli)fenoli ingeriti lungo il tratto gastrointestinale, dai loro metaboliti e cataboliti che agiscono in modo sistemico, e dall’ecologia microbica intestinale associata alla loro bioconversione. In questo senso, la relazione tra il microbiota intestinale e i (poli)fenoli è bidirezionale: il primo è coinvolto nel catabolismo dei (poli)fenoli, mentre questi ultimi possono modulare positivamente la composizione e la funzione microbica intestinale. Lo scopo di questa Tesi di Dottorato è stato quello di investigare la variabilità nella biodisponibilità e nel metabolismo dei (poli)fenoli applicando approcci multipli. Sono stati analizzati due diversi fattori che contribuiscono a tale variazione: fattori endogeni/dipendenti dall’ospite, inclusi l’assetto genetico e il microbiota intestinale, e proprietà chimiche/strutturali, ovvero la struttura nativa dei composti. Quattro diversi approcci sono stati applicati per raggiungere questo obiettivo: (1) uno studio in vitro usando un modello di fermentazione umano, (2) uno studio di intervento sull’uomo in acuto, (3) uno studio di intervento sull’uomo in cronico, (4) una revisione sistematica di studi sull’uomo. I primi tre approcci sono basati su analisi metabolomiche targeted, mentre il quarto è basato su una revisione critica della letteratura. Nel primo studio, un protocollo di fermentazione colonica in vitro è stato ottimizzato utilizzando composti puri di flavan-3-oli con una diversa struttura ((−)epicatechina e dimeri di procianidina B2 e A2). L’ottimizzazione del protocollo è stata ottenuta estendendo il tempo di incubazione e monitorando le condizioni di fermentazione. L’analisi del pH e della composizione del microbiota ha confermato la stabilità e le caratteristiche simil-coloniche dell’ambiente di incubazione, mentre l’estensione del tempo di fermentazione fino a 48 ore e il monitoraggio di 5 diversi tempi di incubazione hanno permesso di quantificare cataboliti addizionali a basso peso molecolare. I risultati suggeriscono che la struttura dei flavan-3-oli influenza il catabolismo microbico da un punto di vista quantitativo, qualitativo e cinetico: la polimerizzazione e l’aggiunta di un legame etere nelle procianidine di tipo A aumentano l’ingombro sterico e la rigidità della molecola, con una riduzione della bioaccessibilità, che risulta in un catabolismo rallentato e ridotto. L’impatto della struttura dei flavan-3-oli sulla produzione di metaboliti fenolici è stata ulteriormente investigata in uno studio di intervento cross-over in acuto. Diversi estratti vegetali ricchi in flavan-3-oli sono stati consumati da soggetti sani: un estratto di tè verde, un estratto di semi d’uva con un alto contenuto di monomeri, e un estratto di semi d’uva con un alto contenuto di procianidine. Tre proprietà chimiche/strutturali sono state considerate: la polimerizzazione, il grado di idrossilazione dell’anello B e la presenza di unità di gallato. È stato anche valutato il contributo dei metaboliti endogeni (principalmente composti fenolici a basso peso molecolare) al pool di metaboliti urinari dei flavan-3-oli per evitare errori nelle stime della biodisponibilità. Sono state rilevate differenze tra i trattamenti nell’escrezione urinaria dei metaboliti fenolici in 24 e 48 ore, da cui si deduce che la struttura nativa dei flavan-3-oli influenza la biodisponibilità e il metabolismo di questa classe di (poli)fenoli. I risultati confermano che le procianidine sono resistenti al catabolismo microbico, mentre la peculiare composizione dei flavan-3-oli del tè verde dà origine al profilo metabolico più ricco. Il terzo studio ha previsto l’analisi di campioni di plasma e urina provenienti da uno studio di intervento di 12 settimane, controllato e in parallelo. L’intervento è consistito nell’assunzione di polvere liofilizzata di mirtillo rosso americano da parte di soggetti anziani in salute. Il consumo di mirtillo rosso americano ha determinato cambiamenti nei metaboliti plasmatici ma non ha influenzato il profilo metabolico urinario. È stato applicato un approccio di metabotipizzazione per maneggiare la variabilità interindividuale nel metabolismo dei (poli)fenoli in condizioni non controllate. Tre metaboliti fenolici caratterizzati da differenze quali-quantitative nell’escrezione urinaria di alcuni metaboliti microbici sono stati identificati e ulteriormente confermati applicando un modello basato solo sui metaboliti colonici dei flavan-3-oli. I risultati suggeriscono che il metabolismo colonico è il principale determinante del raggruppamento dei soggetti, e i metaboliti dei flavan-3-oli possono essere cruciali nel determinare i metabotipi dei (poli)fenoli, essendo i metabotipi dei flavan-3-oli altamente predittivi dei metabotipi dei (poli)fenoli. Nel quarto studio, è stata condotta una revisione sistematica e critica di studi sull’uomo per investigare l’impatto delle variazioni genetiche sulla biodisponibilità e il metabolismo dei (poli)fenoli. In particolare, è stata esplorata l’associazione tra polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) in geni coinvolti nell’assorbimento, distribuzione, metabolismo ed escrezione (ADME) dei (poli)fenoli e la variabilità interindividuale nei livelli plasmatici o urinari dei metaboliti dei (poli)fenoli. Sono stati selezionati dodici studi che indagano diverse fonti e classi di (poli)fenoli: flavan-3-oli del tè verde, flavanoni dell’arancia, isoflavoni della soia, lignani dei semi di lino, e composti fenolici da dieta libera. In totale, sono stati analizzati 88 SNP in 33 geni, più della metà dei quali relativi al metabolismo di farmaci/xenobiotici. Il metabolismo di fase II è stato il più investigato, confermando il ruolo cruciale della coniugazione nel metabolismo dei (poli)fenoli. I metaboliti influenzati dalla variabilità genetica comprendevano metaboliti strutturalmente correlati ai flavonoidi, principalmente coniugati di fase II, e metaboliti di origine microbica. Non è stato trovato alcun consenso tra gli studi che ha permesso di associare una particolare variante genetica ad un cambiamento nei livelli di un metabolita specifico nelle urine o nel plasma, suggerendo il bisogno di ricerca di maggiore qualità nel campo e di nuove metodologie come studi di associazione genome-wide. I risultati di questa Tesi di Dottorato rappresentano un punto di partenza per migliorare la conoscenza disponibile sulla variabilità nella biodisponibilità e nel metabolismo dei (poli)fenoli, che rappresenta un fattore chiave per svelare l’attività protettiva dei metaboliti fenolici associata al consumo di cibi ricchi in (poli)fenoli. Questa informazione aiuterà nello sviluppo di nuovi concetti e metodologie e nella costruzione di un nuovo scenario basato su strategie nutrizionali preventive, basate sull’evidenza e personalizzate con questi importanti composti bioattivi vegetali.