Polyphenol metabolism: from in vitro to in vivo approaches

Abstract

Los compuestos fenólicos son fitoquímicos ampliamente distribuidos en nuestra dieta debido a la ingesta de productos vegetales –principalmente frutas y verduras, derivados del cacao, te, café y vino tinto-. Varios efectos beneficiosos han sido relacionados con la ingesta de compuestos fenólicos, como por ejemplo la reducción del riesgo de sufrir enfermedades cardiovasculares o neurodegenerativas, la prevención de enfermedades relacionadas con el estrés oxidativo, o la reducción de algunos canceres. Pero menos información existe sobre los mecanismos de acción de estos en el cuerpo y sobre que compuestos alcanzan las dianas metabólicas. La presente tesis ha estado centrada en la evaluación de la digestibilidad y bioaccesibilidad de los compuestos fenólicos de la dieta durante el proceso de digestión y en el estudio de la absorción, el metabolismo y la distribución en tejidos de los compuestos fenólicos y de sus metabolitos. Para completar los objetivos citados, (i) se estudió la digestibilidad y bioaccesibilidad de los compuestos fenólicos de la dieta mediante el uso de un método de digestión in vitro; (ii) se desarrolló un método in vitro de fermentación colónica y se aplicó dicho método a compuestos fenólicos de la dieta; (iii) se desarrollaron metodologías analíticas para la cuantificación de compuestos fenólicos y sus metabolitos en muestras biológicas y finalmente (iv) se realizaron estudios in vivo, usando rata Wistar como modelo animal, para evaluar la absorción, el metabolismo y la distribución en tejidos de los compuestos fenólicos (principalmente procianidinas y compuestos fenólicos del aceite de oliva) y sus metabolitos.Como resultados principales de la parte experimental, se demostró que las procianidinas de bajo grado de polimerización (dimer y trímero) fueron estables durante el proceso de digestión. Se caracterizaron las rutas de formación de los productos de fermentación colónica de varios compuestos fenólicos, identificando a los ácidos fenólicos hidroxilados como los principales productos de fermentación de los flavonoides. Paralelamente, se desarrollaron y validaron dos métodos cromatográficos que combinaban la extracción en fase sólida con la ultra cromatografía líquida de alta resolución acoplada a la espectrometría de mases en tándem (UPCL-MS/MS) para la determinación de compuestos fenólicos y sus metabolitos en muestras biológicas. Dichos métodos fueron utilizados para analizar los compuestos fenólicos y sus metabolitos en las muestras biológicas que fueron obtenidas como resultado de los estudios de ingesta aguda e ingesta crónica de extractos ricos en compuestos fenólicos y de alimentos ricos en compuestos fenólicos en ratas Wistar. De los estudios in vivo se estableció que los metabolitos fenólicos fueron ampliamente distribuidos alcanzando prácticamente todos los órganos del cuerpo y que la presencia de metabolitos de procianidinas en plasma y su distribución en tejidos fue modulada por la composición de la matriz alimentaria que vehiculizaba a los compuestos fenólicos. Además, se demostró, mediante la comparación de un producto rico y un producto enriquecido en compuestos fenólicos, que la naturaleza de los compuestos fenólicos puede modificar significativamente parámetros farmacocinéticos de los metabolitos fenólicos. Adicionalmente, se demostró, mediante la exposición de los animales durante el embarazo y la lactancia a una dieta rica en fructosa y grasas saturadas, que la dieta pueden modular la capacidad de glucuronidación del hígado sobre los flavonoides en la generación parental y en la generación hija. No obstante, se ha de tener en cuenta que los resultados obtenidos en estudios con animales y en estudios in vitro representan el paso previo a los estudios clínicos y que los resultados obtenidos pueden no ser directamente extrapolables a humanos. Por lo que, los estudios clínicos representan el objetivo final de todo estudio nutricional relacionado con alimentos funcionales.

Phenolic compounds are phytochemicals widely distributed in our diet due to the intake of plant-derived products -e.g. fruits and vegetables, cocoa derivatives, tea, coffee or red wine-. Several beneficial effects have been established related to the intake of dietary phenolic compounds, such as the reduction of the risk of cardiovascular and neurodegenerative diseases, prevention of illnesses related with oxidative stress, or the reduction of some cancers, among others. But less is known about how phenolic compounds act in the body after their ingestion and which phenolic metabolites reach the metabolic targets. This thesis was focus on the evaluation of the bioaccessibility and digestibility of dietary phenolic compounds during the digestion process; and on the study of the absorption, metabolism and tissue distribution of phenolic compounds and their metabolites. To complete with these objectives, (i) the evaluation of the bioaccessibility and digestibility of dietary phenolic compounds by the use of an in vitro digestion system; (ii) the development of an in vitro colonic fermentation model and the evaluation of the colonic fermentation of dietary phenolic compounds (ii) the development of analytical methodologies to quantify polyphenols and their metabolites in biological samples (plasma and tissues) and (iii) the study of the absorption, metabolism and tissue distribution of dietary phenolic compounds (mainly procyanidins and olive oil phenolics) and their metabolites in vivo using rats as an animal model were performed. As a result of the experimental work developed within this dissertation, the stability during the digestion process of dimer and trimerprocyanidins was demonstrated. The colonic metabolic pathways of individual phenolic compounds were successfully established detecting hydroxylated phenolic acids as the main colonic metabolites of flavonoids. Parallel, two chromatographic methods combining off-line solid-phase extraction and ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS) were successfully validated for the determination of phenolic compounds and their metabolites in biological samples, which were used to detect and quantify polyphenols and their metabolites in the biological samples obtained as a result of the in vivo acute and chronic studies performed using phenolic extract and polyphenol-rich foods as a polyphenol sources. Derived from the in vivo studies were established that, phenolic metabolites were widely distributed through the body reaching practically all the organs; procyanidin plasmatic bioavailability and tissue distribution were modulated according to the food matrix composition and the intake of phenols by a naturally rich-phenol or by a phenol-enriched food could vary the pharmacokinetic parameters of the phenolic metabolites. Additionally environmental factors, such as the diet, may modulate the hepatic glucuronidation capacity toward flavonoids in the parental and offspring rats, as was demonstrated with an in utero exposure of a high fructose and saturated fat diet.Nonetheless, data from animal and in vitro experiments represent the previous step to the human clinical studies because it may not be readily extrapolatable to humans. So, human clinical studies should be the colophon of all the nutritional studies related with functional foods.