Presentazione di PowerPoint - Istituto Superiore di Sanità
annuncio pubblicitario
“Valutazione rischio-beneficio di alimenti di origine animale: i prodotti lattiero-caseari ed ittici” Roma, 23 giugno 2008 Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta Stefano LORENZETTI [email protected] ISS - Istituto Superiore di Sanità Dipartimento di Sanità Pubblica Veterinaria e Sicurezza Alimentare Reparto di Tossicologia Alimentare e Veterinaria 1 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta”: SOMMARIO Introduzione (3-8) ¾ non nutrienti e molecole bioattive ¾ interazioni molecolari di molecole alimentari bioattive ¾ modelli di patogeneticità ¾ modelli di interazione complessi: nutri-genomica, … ¾ molecole bioattive e recettori nucleari Esempi di interazioni ¾ interazione tra singoli interferenti endocrini: genisteina (isoflavone della soia) e methoxychlor (pesticida) (10-12) ¾ interferenti della funzione tiroidea (14-22) ¾ influenza di stili di vita contraddittori: dieta (β-carotene) e fumo di sigaretta (24-26) ¾ interazione in matrici alimentari e biodisponibilità: la vitamina C come supplemento e come componente alimentare (28) 2 Introduzione dai non nutrienti alla nutrigenomica 3 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (1): i non nutrienti ALIMENTI - componenti nutrizionali: ¾ macro-nutrienti (carboidrati, lipidi e proteine); ¾ 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. ALIMENTI - molecole biologicamente attive: (bioactive compounds) diverse dai micro-nutrienti e definite come non nutrienti (p.es. i fitoestrogeni)… Potenziali effetti benefici sulla salute sono ampiamente reclamizzati Assenza valutazione rischio-beneficio (supplementazione e fortificazione!) * … a differenza dei micro-nutrienti non se ne conoscono malattie da carenza!!! 4 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (2): 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 5 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (3): esempi di interazioni molecolari Selenium Genistein I3C Genistein EGCG Adapted from: Smelzer & Kim, Nutrition Today, 2003 6 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (4): 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. 7 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (5): modelli di interazione complessi Davis & Milner, 2004, Mutation Res. 8 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (6): 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 9 Introduzione – dalle definizioni ai meccanismi di azione 10 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (7): molecole bioattive e recettori nucleari Le molecole bioattive non nutrienti (fitoestrogeni, isotiocianati, …) presenti negli alimenti e i contaminanti (pesticidi, composti industriali, cadmio) della filiera agro-alimentare sono generalmente definiti endocrine disrupters (ED) o interferenti endocrini (IE) in quanto capaci di modulare il metabolismo endocrino generalmente 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) 11 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (8): INTERFERENTI ENDOCRINI endocrine disrupters (EDCs) molecole bioattive comeo interferenti endocrini “ …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. Il loro ruolo naturale è di proteggere le piante dallo stress e di agire come parte del meccanismo di difesa delle piante. Le classi principali sono 3 (flavonoidi, lignani e coumestani) e più di 5000 sostanze vengono considerate PEs. FLAVONOIDI Isoflavoni: Genisteina, Daidzeina Flavonoli: Quercetina Flavanoli: Luteolina e Apigenina Flavanones: Naringenina 9 Binding to the estrogen receptor (ER) 9 Induction of specific estrogen responsive gene products 9 Stimulation of ER-positive breast cancer cell growth 12 “Interazione tra contaminanti e/o fattori preventivi presenti nella dieta” (8): molecole bioattive come interferenti endocrini XENO-ESTROGENI. 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 9 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 13 MECCANISMO D’AZIONE DELL’ E2 E DEI FITOESTROGENI 14 DIETARY EXPOSURE TO ISOFLAVONES CHINA and JAPAN up to 100 mg/day of isoflavone intake J. Nutr., 2000, 130:2590-2593 Nutr. Cancer, 1999, 33:82-87 Nutr. Cancer, 1997, 29:228-233 Am. J. Clin. Nutr., 1991, 54:1093-1100 USA less than 1 mg/day of isoflavone intake J. Nutr., 2001, 131:1826-1832 (Framingham study) EUROPE (Ireland, Italy, the Netherlands, and the United Kingdom) less than 1 mg/day of isoflavone intake (up to 6-10 mg/day among soy foods consumers) Br. J. Nutr., 2003, 89 (Suppl.1):S25-S30 (VENUS database: www.venus-ca.org) ¾ It is not possible to obtain high intakes of IFs with traditional mediterranean foods. ¾ What about the role of flavonoids and lignans in Western diets ? 15 ISOFLAVONE FOOD FORTIFICATION LEVELS: a consensus panel recommendation (FASEB J., 2000, 14:36) ¾ ¾ ¾ ¾ CARDIOVASCULAR RISK REDUCTION RELIEF OF MENOPAUSE SYMPTOMS BONE HEALTH BENEFITS CANCER PREVENTION 40-60 mg aglycones/day 60 mg aglycones/day 90 mg aglycones/day 50-110 mg aglycones/day recommended isoflavone intake: 60-100 mg aglycones/day with the lower dose considered as “reasonable and responsible” ? • No significant clinical effects are reported on human infants (up to 9.6 mg IF/kg BW/day) Proc.Soc.Exper.Biol.Med., 1998, 217:247-253 • No significant toxicity is reported in human adults on a short-term basis (up to 16 mg IF/kg BW/day) Am.J.Clin.Nutr., 2002, 75:126-136 • Long-term toxicity ??? 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) Setchell et al., 1998 16 PHARMACOKINETICS OF PHYTOESTROGENS In humans, however, the most recent reports (Setchell et al., 2001; Busby et al., 2002) on the pharmacokinetics of pure isoflavones are suggesting that for 50 mg of isoflavone intake, the expected plasma concentrations will be about 1 μM, whereas the tissue absorbable form, the unconjugated one, will correspond to about 1-2 %. Even considering interindividual variations (Urban et al., 2001), it is reasonable to consider that “plasma concentrations of unconjugated isoflavones will not reach more than 50 nM, a value that has to be taken into account in the cell culture models” set up to unravel isoflavones activities and their mechanisms of action. (Barnes, 2003) 17 OSTEOCLAST INHIBITION BY ANTIRESORPTIVE AGENTS E2, SERMs calcitonin BPs ANTIRESORPTIVE DRUGS • Hormone Replacement Therapy (HRT) • Bisphosphonates (BPs) • Calcitonin • Selective Estrogen Receptor Modulators (SERMs) ……… • natural SERMs (phytoestrogens) Other targets for treatments ANABOLIC AGENTS • Ca2+ and vit. D supplementation • Moderate physical activity ……… • PTH 1-34 ……… • BPs (zoledronate) • Genistein (an ideal natural SERM?) 18 Interazioni tra singoli interferenti endocrini: l’isoflavone della soia genisteina e il pesticida methoxychlor 19 Interazione tra singoli interferenti endocrini: Genisteina (isoflavone della soia) e methoxychlor (pesticida) (1) Methoxychlor (MXC) è un pesticida usato nel controllo degli insetti e delle larve. Il suo rilascio nell’ambiente (Mackay model: circa 94% nel suolo e nei sedimenti) è dovuto sia ai suoi impieghi sul campo (alfalfa, soia, frutta e vegetali) che all’uso domestico e nei giardini. La genisteina (4,7,4-trihydroxyisoflavone) è il principale isoflavone della soia. Sia la genisteina (GEN) che il MXC sono estrogenici in vitro e in vivo interagendo con i recettori per gli estrogeni / ERs (Cheng et al., 1955; Gray et al., 1989, 1997; Harris et al., 1974; Levy et al., 1995). MXC GEN 9 Esistono effetti immunomodulatori modulatori singoli e/o additivi/sinergistici di GEN e MXC ? ¾ Il timo e la milza sono i principale organi bersaglio su cui gli estrogeni hanno effetti immunomodulatori (Luster et al., 1984; Erbach and Bahr, 1991; Guo et al., 2002): ---> effetti su differenziamento dei timociti, T cells spleniche e NK cells. 20 Interazione tra singoli interferenti endocrini: Genisteina (isoflavone della soia) e methoxychlor (pesticida) (2) Guo et al., Toxicology (2002) 172:205–215 P < 0.05 9 Il peso corporeo e, in particolare, il peso della MILZA e del TIMO risultano significamente ridotti con GEN (800 ppm) e MXC (800 ppm) singolarmente, ma soprattutto in combinazione nella generazione F0 21 Interazione tra singoli interferenti endocrini: Genisteina (isoflavone della soia) e methoxychlor (pesticida) (3) P < 0.05 Guo et al., Toxicology (2002) 172:205–215 9 L’effetto combinato di GEN (300 ppm o 800 ppm) e MXC (800 ppm) è particolarmente significativo nel diminuire il numero totale dei timociti, ma anche quello delle sue diverse sottoclassi 22 Interazioni a livelli multipli: interferenti della funzione tiroidea 23 Thyroid System–Disrupting Chemicals: meccanismi d’azione generale (1) Gli interferenti endocrini (IE) possono alterare il sistema tiroideo (De Vito et al., 1999): (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). 24 Thyroid System–Disrupting Chemicals: siti bersaglio (2) Hypothalamus Pituitary gland anterior nitrati NH4-perclorato (iso)tiocianati genisteina Thyrotropin releasing hormone TRH genisteina isotiocianati Thyroid stimulating hormone TSH Sodium/Iodide symporter NIS Iodide IThyroid peroxidase TPO 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) Δ TRα → dwarfism Δ TRβ → resistance to thyroid hormone (RTH) Thyroid hormone receptors (T3-binders) THRs T3 hTHRA ->TRα-1; TRα-2 hTHRB ->TRβ-1; TRβ-2; TRβ-3 THRE trascrizione gene bersaglio 25 Thyroid System–Disrupting Chemicals: esempi fitoestrogeni ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO (3) 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. 9 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). 26 Thyroid System–Disrupting Chemicals: esempi fitoestrogeni ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO (4) 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 27 Thyroid System–Disrupting Chemicals: esempi fitoestrogeni ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO (5) 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): 9 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 9 NB: La cottura riduce l’attività goitrogenica degli isotiocianati. ANCHE NEL FUMO DI SIGARETTA SI FORMANO TIOCIANATI !!! 28 Thyroid System–Disrupting Chemicals: esempi xenoestrogeni e proteine di legame degli ormoni tiroidei (THBPs) (6) Diversi sottogruppi di interferenti endocrini (IE) [polychlorinated biphenyls (PCBs) e le loro forme idrossilate; dibenzo-p-dioxins; dibenzofurans] interagiscono fortemente con le proteine di trasporto degli ormoni tiroidei, p.es. la transthyretin (TTR) (Brouwer and van den Berg, 1986; Lans et al., 1993; Cheek et al., 1999) che risulta essere la maggiore proteina di trasporto nei marsupiali, negli uccelli, negli anfibi e in certi pesci: L’interazione tra IE e TTR induce un aumento della clearance plasmatica di ormoni tiroidei (soprattutto T3) e quindi ipo-tiroxinemia, come dimostrato p.es. in ratti, foche e umani (Brouwer, 1989; Brouwer et al., 1989, 1998, 1999). 29 Thyroid System–Disrupting Chemicals: esempi xenoestrogeni e recettori tiroidei (7) (DES) Diversi IE sono capaci di competere significativamente per il legame del T3 con il suo recettore TR sia nella gallina che nella rana-toro: 9 nella gallina, il DES e il pesticida dicofol; (CTRL) (DEHP) 9 nell’anfibio, il DES, lo ftalato DEHP, i pesticidi dicofol e malathion, etc... Il DICOFOL ha anche un notevole ed interessante effetto dose-dipendente sul legame T3-TTR: 9 stimolatorio a basse concentrazioni (0.4/400 nM); 9inibitorio ad alte concentrazioni (40 000 nM). Ishihara et al, Mol. Cell. Endocrinol. (2003) 199:105-117 30 Thyroid System–Disrupting Chemicals: esempi xenoestrogeni e uptake di T3 (8) T3 uptake negli eritrociti dei girini di Rana catesbeiana (Shimada & Yamauchi, 2004, J. Endocrinol. 183:627–637). 9 L’inibizione del T3 uptake è particolarmente significativa nei casi degli ftalati BBP e DBP, dell’erbicida dicofol, ma anche con EE, DES, 1-aminopirene, metoprene e benzofenone 31 Interazioni complesse: β-carotene, condensato di sigaretta e pressione dell’ossigeno nei tessuti bersaglio 32 Interazione tra micronutrienti e miscele di xenoestrogeni: il β-carotene (pro-vitamina A) e il fumo di sigaretta (1) Il fumo di sigaretta contiene una miscela di più di 4000 sostanze chimiche, molte delle quali bioattive e interagenti in particolare con i micronutrienti assunti mediante la dieta, p.es. vitamina C, acido folico, β-carotene, Zn++, Se++, etc... Un alto consumo di frutta e verdura e un alto livello plasmatico di β-carotene sono associato con un minor rischio di malattie croniche quali i tumori, in particolare del polmone. 33 Interazione tra micronutrienti e miscele di xenoestrogeni: il β-carotene (pro-vitamina A) e il fumo di sigaretta (2) Il β-carotene è uno “scavenger” liposolubile di radicali liberi le cui proprietà antiossidanti in vivo dipendono dal livello di tensione dell’ossigeno. β-carotene anti-OX Danno lipidico (lipid peroxidation) in polmoni di ratto pO2 polmone = circa 105-150 mmHg pO2 altri tessuti = da 5 a 71 mmHg loss of anti-OX properties β-carotene pro-OX 9 All’aumentare della tensione di ossigeno (pO2 da 15 a 150 mmHg), il β-carotene non previene più il danno lipidico nel polmone del condensato di sigaretta (TAR) ma addirittura lo amplifica ! Palozza et al., 2006, Carcinogenesis 27:2383–2391 34 Interazione tra micronutrienti e miscele di xenoestrogeni: il β-carotene (pro-vitamina A) e il fumo di sigaretta (3) I livelli plasmatici di β-carotene sono inversamente proporzionali alla quantità di sigarette fumate: β-carotene β-carotene (μmol/l) increase (μmol/l) each 1 mg dietary uptake Non smokers 0.72 + 0.04 Lightiest smokers (< 10 cigarette/day) 0.48 + 0.01 Heaviest smokers (> 20 cigarette/day) 0.37 Ex smokers 0.58 --- In vitro e in vivo, il β-carotene agisce come anti-carcinogeno, ma i suoi prodotti ossidati possono facilitare la carcinogenesi: 9 il fumo di tabacco è un potente ossidante capace di distruggere o ossidare il βcarotene; 9 a loro volta, i metaboliti ossidati del β-carotene stimolano il legame al DNA dei metaboliti del benzopirene aumentando così il rischio di danno al genoma e quindi il rischio di tumore. 9 Di conseguenza, una eventuale supplementazione di β-carotene in fumatori può risultare nociva alla salute ! Northrop-Clewes & Thurnham (2007) Clinica Chimica Acta 377:14–38 35 I livelli plasmatici di una molecola bioattiva sono proporzionali ad un effetto benefico funzionale ? 36 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: DC MC Mean (-)epicatechin levels ¾ Dopo 1 hr dall’ingestione di DC, la TAC plasmatica è del 20% superiore a quella di MC e DC+MC; ¾ I livelli plasmatici di epicatechina si abbassano di circa il 46% in DC+MC e di circa il 69% in MC. 37 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: 9 La concentrazione plasmatica di vit. C aumentata in maniera analoga. Risultati esperimento DNA damage (dopo vit.C intake): ¾ 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). ¾ Nessun effetto osservato nella bevanda supplementata. 9 Effetto protettivo non spiegabile con la sola presenza di vit. C: 38 altre sostanze bioattive coinvolte o effetto matrice ? Grazie per la vostra attenzione Stefano LORENZETTI, [email protected] ISTITUTO SUPERIORE DI SANITA’ DPT. of FOOD SAFETY & VETERINARY PUBLIC HEALTH Unit of MOLECULAR and VETERINARY TOXICOLOGY SITO INTERFERENTI ENDOCRINI: http://www.iss.it/inte/ contiene il database EDID (Endocrine disrupting chemicals - Diet Interaction Database) 39
