Effetti molecolari e cellulari delle sostanze bioattive non nutrienti

Composti ad attività ormonale nell’ambiente e negli alimenti: quali rischi?
Bologna, 25 febbraio 2009
Effetti molecolari e cellulari
delle sostanze bioattive non nutrienti
presenti negli alimenti di origine vegetale
Stefano LORENZETTI, Francesca MARANGHI
[email protected]
ISS - Istituto Superiore di Sanità
Tossicologia Alimentare e Veterinaria
Dipartimento di Sanità Pubblica Veterinaria e Sicurezza Alimentare
Introduzione dai non nutrienti alla nutrigenomica
i non nutrienti
ALIMENTI - componenti nutrizionali:
Ø macro-nutrienti (carboidrati, lipidi e proteine);
Ø micro-nutrienti (vitamine, sali minerali).
* Carenze e/o eccessi nutrizionali di macro- e micronutrienti hanno ben noti effetti sulla salute umana e
sono spesso associati a ben definite malattie.
attive:
nutrienti e
Ma Anche ALIMENTI - molecole biologicamente
(bioactive compounds) diverse dai microdefinite come non nutrienti (p.es. i
fitoestrogeni)…
* … a differenza dei micro-nutrienti non se ne
conoscono malattie da carenza!!!
CLASSE
VITAMINE
COMPONENTE BIOATTIVA
FONTE ALIMENTARE
Vitamin D
Dairy products
Folic acid ; Vitamin A
Vegetables
Vitamin E (-tocopherol)
Vegetable oils
Ascorbic acid
Vegetables, fruits
Calcium
Dairy products, vegetables
Selenium
Cereal grains, meat, fish
Zinc
Meat, vegetables
Lycopene
Tomatoes
Lutein
Dark green vegetables
ß-Carotene
Orange-yellow vegetables
Genistein
Soybeans, soy products
Resveratrol
Grapes, red wine
Quercetin
Vegetables, fruits
(-)-Epigallocatechin-3-gallate
Green tea
Allyl isothiocyanate
Cabbage
Benzyl isothiocyanate
Garden cress
Sulforaphane
Broccoli
Indole-3-carbinol
Cruciferous vegetables
MONOTERPENI
D-Limonene
Citrus fruit oils
ACIDI FENOLICI
Curcumin
Turmeric, curry, mustard
Caffeic acid
Fruits, coffee beans, soybeans
Ferulic acid
Fruits, soybeans
Chlorogenic acid
Fruits, coffee beans, soybeans
MINERALI
CAROTENOIDI
FLAVONOIDI
ISOTIOCIANATI
Adapted from: Huang, Osawa, Ho & Rosen, 1994
alcuni composti bioattivi
interazioni biologiche complesse non nutrienti
Le molecole alimentari biologicamente attive possono influenzare
Davis CD, Exp. Biol. Med., 2007
diversi “bersagli molecolari” associati
a molti processi biologici
e a diverse condizioni fisio-patologiche.
Modelli di interazione complessi
Strumenti potenti (da perfezionare): le “omics”
Davis & Milner, 2004, Mutation Res.
Modelli di interazione complessi
Milner, J. Nutrition, 2004
MICROARRAY ANALYSIS
Dong et al., Cancer Res., 2003
Categorie geniche funzionali modulate
da dietary selenium in human prostate cancer cells
Introduzione –
dalle definizioni ai meccanismi di azione
molecole bioattive e recettori nucleari
Diverse molecole bioattive non nutrienti (fitoestrogeni, isotiocianati, …) presenti negli
alimenti così come contaminanti (pesticidi, composti industriali, cadmio) della filiera
agro-alimentare sono definiti endocrine disrupters (ED) o interferenti endocrini (IE) in
quanto capaci di modulare il metabolismo endocrino, soprattutto mediante il loro legame
con i recettori nucleari (nell’uomo 48): ERs, AR, AhR, ThR, PxR, etc…
Dietary
soy-derived isoflavone (ISP)
supplement
113-genes su >17,000 significativamente regolati (80 UP-, 33-DOWN)
Molecole bioattive come interferenti endocrini
INTERFERENTI ENDOCRINI o endocrine disrupters (EDs)
“ …any plant substance or metabolite that induces biological responses in vertebrates and can mimic
or modulate the actions of endogenous oestrogens usually by binding to estrogen receptors.”
(COT Report 2003 on Phytoestrogens and Health - UK Food Standard Agency)
FITO-ESTROGENI. Molecole derivanti da piante che, strutturalmente e/o funzionalmente,
assomigliano agli estrogeni di mammifero. Ruolo naturale: proteggere le piante dallo stress/
meccanismo di difesa delle piante.
Potenziali effetti benefici sulla salute: ampiamente reclamizzati MA scarsi/controversi dati
tossicologici: Assenza valutazione rischio-beneficio
3 classi principali
flavonoidi, lignani e cumestani
più di 5000 sostanze.
FLAVONOIDI
Isoflavoni: Genisteina, Daidzeina
Flavonoli: Quercetina
Flavanoli: Luteolina e Apigenina
Flavanones: Naringenina
Binding to the estrogen receptor (ER)
ü Induction of specific estrogen responsive gene products
ü Stimulation of ER-positive breast cancer cell growth
molecole bioattive e recettori nucleari
Non solo piante: carry-over mangime-consumatore
Isoflavoni (IF) in latte bovino
Antignac et al., 2003 (F)
King et al., 1998 (AUS)
Isoflavoni (IF) in latte ovo-caprino
Sakakibara et al., 2004 (F)
IF range 1 - 30 ng/ml
genisteina range 2 - 30 ng/ml
daidzeina < 5ng/ml
equol 45 (+ 10) - 293 (+ 10) ng/ml
equolo 250 µg/L
equolo-simili 1120 mg/L
p-ethyl fenolo 250 µg/L
formononetina 50 µg/L
Isoflavoni nel latte materno
Setchell et al., 1998 (USA)
about 5.6 + 4.4 µg/L
On the basis of our findings for 4-mo-old infants, the plasma total isoflavone concentration
in infants fed soy-based formula is 13000–22000 times higher than the plasma concentration
of estradiol in early life (< 2 yr), which is 147–294 pmol/L (40–80 pg/mL)
Molecole bioattive come interferenti endocrini
XENO- IE. Sostanze di origine sintetica prodotte dall‘industria agro-alimentare e chimica, la cui
introduzione nell‘ambiente sarebbe responsabile di notevoli alterazioni dei meccanismi riproduttivi
delle specie viventi (nell‘uomo, TDS/testicular dysgenesis syndrome).
Esempi:
plasticizzanti:
bispenol A / BPA; ftalati (DBP, DEHP)
insetticidi, fungicidi: linuron, lindano, vinclozolina
diossine:
TCDD
ERs, AR; PPARs
AR, ERs
AhR
ü La loro azione in realtà è spesso mediata da uno o più recettori nucleari (NRs),
non necessariamente o non solo dai recettori per gli estrogeni !
bis(2-ethylhexyl) ftalato
DEHP
di-n-butyl ftalato
DBP
vinclozolina
bisfenolo A / BPA
lindano: γ-esaclorocicloesano / γ-HCH
Interazioni a livelli multipli:
interferenti della funzione tiroidea
IE e tiroide: meccanismi d’azione generale (1)
Gli IE possono alterare il sistema tiroideo (De Vito et al., 1999) : MOLTI BERSAGLI
(1)
a livello della ghiandola tiroidea, influenzando l’uptake intracellulare di iodio, il suo legame
alla tiroglobulina, il suo trasferimento dalla tireoglobulina alle iodotirosinasi e il loro
coupling per la formazione degli ormoni tiroidei nonché il rilascio di T3 e T4 nel flusso
sanguigno (Hadley, 1996);
(2)
a livello del legame degli ormoni tiroidei con le proteine di trasporto nel sangue (THBPs) che
mantengono costante le concentrazioni libere di ormoni tiroidei e regolano la loro
disponibilità per gli organi bersaglio periferici (Robbins, 1996);
(3)
a livello dell’uptake degli ormoni tiroidei nelle cellule bersaglio (Hennemann et al., 2001);
(4)
a livello del legame degli ormoni tiroidei con le THBGs intracellulari che agirebbero come
modulatori della nuclear-receptor-mediated transcription (Ashizawa & Cheng, 1992; Mori et
al., 2002);
(5)
a livello degli enzimi metabolici che attivano o inattivano gli ormoni tiroidei (St. Germain,
1994);
(6)
a livello dei recettori tirodei e dei loro cofattori che controllano l’espressione genica
modulando l’interazione con le consensus di riconoscimento nei promotori dei geni bersaglio
(McKenna et al., 1999);
(7)
Effetti INDIRETTI sull’ipotalamo e la ghiandola pituitaria sono anche possibili (Hadley,
1996).
Siti bersaglio: ricadute multiple a livello periferico (2)
Hypothalamus
Pituitary gland
anterior
Thyrotropin
releasing hormone
TRH
nitrati
NH4-perclorato
(iso)tiocianati
PEs (genisteina, …)
Sodium/Iodide symporter
NIS
Iodide IThyroid peroxidase
TPO
Thyroid
stimulating hormone
TSH
TRβ-2
Thyroid gland
follicular cells
Tri-iodothyronine T3
D2
D1
D3
Thyroxine T4
Blood stream
Target cells
pituitary gland,
gonads,
heart, skeletal muscle
brain, prostate,
thyroid,…
Mono-iodotyrosine
MIT
+
Di-iodotyrosine
DIT
H2O2
Iodine I2
+
Thyroglobulin
TG
D1
T3- & T4-binding proteins
THBPs (TBG & TBPA)
Thyroid hormone
receptors (T3-binders)
THRs
?
? TRβ ?
? TRα
T3
dwarfism
resistance to thyroid hormone (RTH)
hTHRA ->TRα-1; TRα-2
hTHRB ->TRβ-1; TRβ-2; TRβ-3
THRE
trascrizione
gene bersaglio
fitoestrogeni ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO (1)
q L’interazione negativa tra consumo di soia e bassi livelli di assunzione di iodio è stata
inizialmente dimostrata in modelli animali da Kimura et al. (1976), il quale aveva
evidenziato l’alta insorgenza di carcinomi tiroidei in ratti alimentati con una dieta iodiocarente a causa degli estratti di soia presenti.
ü La genisteina, l’isoflavone principale della soia, inibisce l’attività della TPO a
concentrazioni prossime a quelle fisiologiche massime riscontrabili nell’uomo (Divi et al.,
1997, Biochem. Pharmacol. 54:1087-1096 ).
fitoestrogeni ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO (2)
q L’assunzione mediante la dieta di genisteina diminuisce l’attività della TPO nei ratti,
sia di sesso femminile che maschile, in modo significativo anche a livelli bassi (5 ppm).
female
male
Doerge & Sheehan (2002) Environmental Health Perspectives (EHP) 110:349-353
Sostanze di origine vegetale ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO (3)
q In concomitanza di carenza di iodio anche il consumo di Crucifere (Brassica species)
può risultare in effetti negativi sulla tiroide (sia negli uomini che negli animali) a causa
dell’attività goitrogenica degli isotiocianati (derivati bioattivi dei glucosinolati):
ü La supplementazione di iodio riduce ma non neutralizza completamente tale attività.
TPO
IC50 inhibition by fresh plant foods
Cavolfiore
Cavolo
Germogli di bambù
Senape
Rapa
Rafano
Chandra et al., (2004) Indian J Med Res 119:180-185
ü NB: La cottura riduce l’attività goitrogenica degli isotiocianati.
ANCHE NEL FUMO DI SIGARETTA SI FORMANO TIOCIANATI !!!
I livelli plasmatici di una molecola bioattiva
sono proporzionali ad un effetto benefico funzionale ?
Interazioni tra sostanze bioattive
e legami aspecifici con proteine presenti negli alimenti
Plasma antioxidants from chocolate
Total Antioxidant Capacity (TAC)
Nature (2003) 424:1013
as ferric-reducing antioxidant potential
In soggetti umani in buona salute,
valutazione della capacità antiossidante totale (TAC)
e dei livelli dell’epi-catechina
confrontando cioccolato puro (DC), cioccolato
puro+latte (DC + MK) e cioccolato al latte (MC)
Risultati:
Ø Dopo 1 hr dall’ingestione di DC, la TAC plasmatica
è del 20% superiore a quella di MC e DC+MC;
Ø I livelli plasmatici di epicatechina si abbassano di
circa il 46% in DC+MC e di circa il 69% in MC.
DC
MC
Mean (-)epicatechin levels
Interazioni tra sostanze bioattive presenti negli alimenti fortificati (o arricchiti):
mantengono l’effetto biologico?
“Orange juice vs vitamin C:
effect on hydrogen peroxide-induced DNA damage
in mononuclear blood cells”.
Br J Nutr. (2007) 97(4):639-643
In soggetti umani in buona salute, valutazione dell’effetto antiossidante confrontando
l’assunzione di vit.C da una singola porzione di succo di frutta d’arancia (300 ml contenente
150 mg vit. C) e da una bevanda supplementata della stessa quantità di vit. C.
Effetto antiossidante considerato: danneggiamento in vitro del DNA indotto da perossido di
idrogeno in cellule mononucleari del sangue (MNBC).
Risultati HPLC analisi:
ü La concentrazione plasmatica di vit. C aumentata in maniera analoga.
Risultati esperimento DNA damage (dopo vit.C intake):
Ø Significativamente diminuito dopo 3 ore dall’assunzione del succo di frutta
d’arancia (circa 18 %; P < 0.01) e costante per circa 24 ore (circa 16 %; P < 0.01).
Ø Nessun effetto osservato nella bevanda supplementata.
ü Effetto protettivo non spiegabile con la sola presenza di vit. C:
altre sostanze bioattive coinvolte o effetto matrice ?
SPUNTI DI DISCUSSIONE
Importanza di valutare l’ALIMENTO nella sua interezza:
Veicolo di sostanze bioattive potenzialmente protettive
potenzialmente dannose
Veicolo potenziale di contaminanti
Che possono interagire con le sostanze bioattive
Soprattutto con stessi meccanismi/bersagli
Es. xeno-estrogeni e fito-estrogeni (non necessariamente protettivi)
(Banca dati EDID, http://www.iss.it/inte)
Inoltre
Importanza della valutazione Rischio-Beneficio in sicurezza alimentare à alimenti
“controversi” come il pesce, programmi di fortificazione-supplementazione (acido
folico, sale iodato…)
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