Modulation oxidativer Zellschäden durch phenolische Apfelsaftinhaltsstoffe und deren intestinale Abbauprodukte in humanen Kolonzellen

Modulation of oxidative cell damage by phenolic apple juice ingredients and their intestinal degradation products in the human colon cells

  • Es ist bekannt, dass die Genese von Darmerkrankungen von der aufgenommenen Nahrung beeinflusst wird. Der Genuss von Apfelprodukten mit hoher antioxidativer Wirksamkeit könnte daher zur Prävention ROS-assoziierter Erkrankungen beitragen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung von polyphenolreichen Extrakte aus Apfelsaft (AE01–AE07), Tresterextraktionssaft (AE03B, AE06B) und Apfelschalen (GS, PE) sowie von Polyphenolen auf ihr Potenzial zur Verringerung oxidativer Zellschäden in Caco-2 Zellen. Zur Annäherung an die in vivo-Situation wurden mit Darmbakterien fermentierte Apfelsaftextrakte/Trub in die Untersuchungen einbezogen, dabei entstehende Abbauprodukte wurden charakterisiert und ebenfalls geprüft. Untersuchte Parameter waren (oxidative) DNA-Schädigung, zellulärer ROS-Level, GSH-Spiegel und SOD1-Expression. Zusätzlich wurde die zellfreie antioxidative Kapazität (ORAC/TEAC) erfasst. Die antioxidative Kapazität aller Extrakte war hoch und korrelierte mit dem Gehalt an Polyphenolen bzw. Procyanidinen. Der zelluläre ROS-Level wurde am effektivsten durch AE07 und GS reduziert, während AE05, AE06B und GS den besten Schutz vor oxidativen DNA-Schäden boten. Eine Erhöhung des tGSH-Spiegels konnte durch Inkubation mit AE06, AE07, GS und PE erreicht werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass vor allem Flavonol/Procyanidin-reiche Extrakte eine gute protektive Wirksamkeit aufweisen. Die fermentierten Extrakte zeigten eine deutliche antioxidative Wirksamkeit, was vor allem den identifizierten phenolischen Abbauprodukten zugeschrieben werden konnte, die fast alle eine ausgeprägte Wirksamkeit im zellfreien und zellulären System zeigten. Es ist nicht auszuschließen, dass auch andere Komponenten (wie z.B. SCFA) zur protektiven Wirksamkeit fermentierter Extrakte beitragen könnten. Der fermentierte Trub erwies sich in den Untersuchungen als unwirksam, da in ihm keine Polyphenole identifiziert werden konnten. Weiterhin wurden auch Polyphenol-vermittelte prooxidative Effekte untersucht, für die sich neben einer starken Strukturabhängigkeit die Wahl des verwendeten Mediums als entscheidender Faktor für die beobachtete H2O2-Bildung erwies. Es wurden keine adversen Effekte auf zelluläre Marker beobachtet, vielmehr könnte die Wirksamkeit der Polyphenole durch geringe Mengen an ROS unterstützt werden, da diese die antioxidative Abwehr der Zellen aktivieren. Insgesamt erwiesen sich phenolische Extrakte aus Apfelbestandteilen als wirksame Antioxidanzien mit hohem Potenzial zur Verringerung oxidativer Zellschäden in humanen Kolonzellen. In begleitenden Untersuchungen mit Einzelstoffen wurden Polyphenole identifiziert, die wesentlich zur protektiven Wirkung der Extrakte beitragen. Es konnte gezeigt werden, dass die protektive Wirksamkeit von Extrakten und Inhaltsstoffen trotz intestinalen Abbaus persistiert und dass eine moderate prooxidative Wirksamkeit der Polyphenole in Zellen einen günstigen Einfluss auf deren antioxidative Abwehr ausüben kann.
  • Pathogenesis of colon cancer and other diseases are markedly influenced by nutrition. Uptake of apple products with a high antioxidant capacity could therefore exhibit a beneficial effect regarding their prevention, as they are mainly correlated with increased oxidative stress. In this work the capacity of polyphenol-enriched extracts derived from apple juices (AE01-AE07), apple pomace extraction juices (AE03B, AE06B) and apple peels (GS, PE) as well as from single phenolic constituents on reduction of oxidative cell damage in the human colon cancer cell line Caco-2 was studied. To approach the in vivo-situation, phenolic apple extracts / apple lees were anaerobically fermented using human fecal microbiota; emerging degradation products were identified and also tested on antioxidant behaviour. The endpoints assessed included modulation of DNA (oxidation) damage and cellular redox-status, glutathione (GSH) level, expression of antioxidant enzyme SOD1 (superoxide dismutase, isoform 1). Additionally, cell free antioxidant capacity of the extracts/compounds was measured by ORAC and TEAC assay. Cell free antioxidant capacity of all extracts was distinct and correlated with their amount of polyphenols and procyanidins, respectively. Modulation of cellular redox-status was most effective by incubation with AE07 and GS, while AE05, AE06B, and GS were the most effective reducers of DNA (oxidation) damage. Cellular GSH-level was increased by AE06, AE07, GS, and PE in higher concentrations. The results suggest that particularly flavonol-/procyanidin-rich extracts exhibit a distinct antioxidant effectiveness. Fermented extracts also show antioxidant behaviour, which is mainly due to their amount of phenolic degradation products. These were found to be effective antioxidants in both cell free and cellular systems. We cannot exclude that also other, non-phenolic degradation products (e.g. short chain fatty acids, SCFA) account for the protective efficacy of the fermented apple juice extracts. The fermented apple lees exhibited no antioxidant effectiveness at all, potentially due to the absence of any phenolic constituents. Furthermore, polyphenol-mediated prooxidative effects (generation of hydrogen peroxide, H2O2, by polyphenol incubation) were studied, showing a strong dependence on polyphenol structure and cell culture medium type. No adverse effects of extracellularly generated H2O2 were observed with cellular markers; in fact, cellular antioxidant defense could be induced by small amounts of reactive oxygen species. Phenolic extracts from apple were identified as antioxidants with a high potency to reduce oxidative cell damage in human colon cells. Accompanying studies with apple constituents could identify polyphenols that contribute to the effects observed in apple juice extracts. We were also able to show that protective efficacy of the extracts and constituents persists intestinal degradation and that a moderate prooxidative efficacy of polyphenols can induce cellular defense. Taken together, phenolic extracts from apple products show distinct antioxidant effectiveness against oxidative cell damage, especially when rich in flavonols or procyanidins, also persisting during intestinal degradation.

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Metadaten
Author:Phillip Bellion
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-24585
Advisor:Gerhard Eisenbrand
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2009
Year of Publication:2009
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2009/12/17
GND-Keyword:Apfel ; Apfelsaft ; Chronische Darmentzündung ; Darmflora ; Darmkrankheit ; Darmkrebs ; Mikrobieller; Oxidativer Stress ; Reaktive Sauerstoffspezies
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Chemie
DDC-Cassification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften

$Rev: 12793 $