ROLE OF BIOACTIVE-RICH DIET IN THE MODULATION OF RISK FACTORS FOR CHRONIC-DEGENERATIVE DISEASES: IN VIVO AND EX VIVO APPROACHES

The rapid increase in prevalence of chronic-degenerative diseases is probably the major global health problem nowadays. Several studies have emphasized the role that dietary patterns rich in specific foods or their bioactive compounds may play in the reduction of disease risk. In fact, nutritional intervention is considered one of the most significant, easily achieved and affordable primary prevention strategy. Recently, increasing interest has been focused on personalized dietary interventions accurately designed to meet specific nutritional needs of target groups of population. The personalized approach seems to be more effective to achieve a defined outcome, especially in targeted subgroups of population considered “at higher risk” to develop chronic diseases. Based on these premises, the aim of the present Ph.D. thesis was to evaluate the effect of specific foods and their bioactives in the modulation of risk factors for chronic-degenerative diseases in “at risk” groups of population, thorough both in vivo and ex vivo approaches. The first part (in vivo approach) was focused on the impact of two different dietary interventions in a population of Italian children and adolescents affected by primary hyperlipidemia and thus considered at “higher risk” to develop cardiovascular (CV) events later in life. Firstly, the study population was characterized for serum lipid profile and fatty acid (FA) composition of red blood cell (RBC) phospholipids, showing differences according to sex and diagnosis of hyperlipidemia. Moreover, in the hyperlipidemic pediatric patients we observed an overall low omega 3 index (eicosapentaenoic acid, EPA + docosahexaenoic acid, DHA: <4%), an emerging risk factor for cardiovascular diseases (CVD). Secondly, in the same population of hyperlipidemic pediatric patients, it was investigated the effect of regular intake of a specific food (hazelnuts, HZN) or food supplement (hempseed oil, HSO) rich in unsaturated fats and other bioactives, in the modulation of different CVD biomarkers related to hyperlipidemia. We documented that both dietary treatments were effective in the management of primary hyperlipidemia at pediatric age. In particular, we showed that 8-week of hazelnuts intake, consumed with skin (HZN+S) or without skin (peeled, HZN-S), significantly improve the serum lipid profile and had a favorable impact on FAs composition of RBC membranes. In addition, HZN treatments were able to reduce the levels of DNA damage, a marker of oxidative stress, even if the concentrations of plasma oxidized LDL (ox-LDL) did not change following the HZN intervention. The effect of HSO supplementation on lipid profile of hyperlipidemic children was evaluated through a pilot study. Even if preliminary, the results from this study showed an enhancement of the omega-3 index and the RBC phospholipid composition following the intake of HSO for 8 weeks. The second part of the Ph.D thesis was performed at the Department of Physiology and Biochemistry of Nutrition of Max Rubner-Institut (Karlsruhe, Germany) and devoted to ex vivo approaches. Considering that chronic diseases are often associated to a compromised immune response, the objective of this part of research was to investigate the potential immunomodulatory properties of different concentrations of long-chain polyunsaturated fatty acids (LC-PUFA) in conjunction with standard dose of vitamin D3 on ex vivo immune cells from healthy volunteers. The effect of these bioactives was evaluated on two mechanisms crucially involved in the innate immune response that specifically act against cancer cells as well as infectious agents: the natural killer (NK) cell activity and the phagocytosis. The findings showed that high dose of LC-PUFA, independently by the presence of the vitamin D, negatively affect the lytic activity of NK cell of target cancer cells, with a dose-dependent response. On the contrary, an enhancement of phagocytic activity of monocytes was observed only when LC-PUFA were combined with vitamin D, suggesting a potential synergic and immunomodulatory role of vitamin D. In conclusion, through this Ph.D thesis it was possible to increase knowledge on the potential benefits of bioactives rich-diet in the modulation of different risk factors for chronic-degenerative diseases. This aspect is particulary important in at risk target groups of population for whom appropriate and personalized nutritional interventions are considered the primary prevention approach. Future studies on largest population groups aimed to clarify the specific mechanisms of action involved are needed to provide additional demonstration that confirm our results.

Il rapido aumento dell’incidenza delle malattie cronico-degenerative è probabilmente uno dei maggiori problemi di sanità pubblica attuali. Sono numerosi gli studi che supportano il ruolo che determinati modelli alimentari ricchi in specifici alimenti o composti bioattivi hanno nella riduzione del rischio di sviluppare malattie. L’intervento di tipo nutrizionale è sempre più considerato una strategia di prevenzione primaria che risulta tra le più efficaci, convenienti e facilmente perseguibili. Recentemente, un interesse crescente si sta sempre più focalizzando su interventi dietetici personalizzati accuratamente studiati per soddisfare le specifiche esigenze nutrizionali di gruppi di popolazione target. Infatti, un approccio nutrizionale personalizzato sembra essere molto più efficace nell’ottenimento di uno specifico risultato, soprattutto in quei gruppi di popolazione target considerati più a rischio di sviluppare malattie croniche. Sulla base di queste premesse, lo scopo della presente tesi di dottorato è stato quello di valutare, attraverso approcci in vivo ed ex vivo, l'effetto del consumo di specifici alimenti e dei loro composti bioattivi nella modulazione di alcuni fattori di rischio per le malattie cronico-degenerative, in gruppi di popolazione “a rischio”. La prima parte della tesi (approccio in vivo) ha avuto l’obiettivo di valutare l’impatto di due diversi interventi dietetici in una popolazione di bambini ed adolescenti italiani affetti da iperlipidemia primaria, e quindi considerati a maggior rischio di possibili eventi cardiovascolari futuri. In primo luogo, la popolazione pediatrica in studio è stata caratterizzata per il profilo lipidico sierico e per la composizione degli acidi grassi dei fosfolipidi delle membrane eritrocitarie, mostrando delle differenze in base al sesso e al tipo specifico di iperlipidemia. Inoltre, in questi soggetti è stata osservato un basso indice omega 3 (acido eicosapentaenoico, EPA + acido docosaesaenoico, DHA: <4%), un marker che è stato suggerito essere associato a un elevato rischio di sviluppare malattie cardiovascolari. In secondo luogo, nella stessa popolazione di pazienti pediatrici iperlipidemici è stato studiato l’effetto del consumo regolare di uno specifico alimento (nocciole, HZN) o un supplemento alimentare (olio di semi di canapa, HSO), entrambi ricchi in acidi grassi insaturi e altri bioattivi, nella modulazione di diversi biomarker di rischio cardiovascolare collegati all’iperlipidemia. Entrambi gli interventi dietetici sono risultati efficaci nella gestione dell’iperlipidemia pediatrica. In particolare, abbiamo dimostrato che l’assunzione per 8 settimane di nocciole, consumate con la cuticola (HZN+S) oppure pelate (HZN-S), migliorava significativamente il profilo lipidico sierico e aveva un impatto favorevole anche sulla composizione degli acidi grassi delle membrane eritrocitarie. Inoltre, i trattamenti dietetici con le nocciole sono stati in grado di ridurre i livelli di danno al DNA, un marker di stress ossidativo. Tuttavia, le concentazioni plasmatiche di LDL ossidate (ox-LDL) non hanno subito alcun cambiamento in seguito all’intervento con le nocciole. L’effetto della supplementazione con olio di semi di canapa nella modulazione del profilo lipidico in bambini iperlipidemici è stato valutato attraverso uno studio pilota. Anche se preliminari, i risultati di questo studio hanno mostrato un miglioramento dell’indice omega 3 e della composizione degli acidi grassi delle membrane eritrocitarie in seguito all’assunzione dell’olio di semi di canapa per 8 settimane. La seconda parte della tesi di dottorato è stata svolta su modelli ex vivo presso il Dipartimento di Fisiologia e Biochimica della Nutrizione del Max Rubner-Institut (Karlsruhe, Germania). Considerando che le malattie cronico-degenerative sono spesso associate ad una risposta immunitaria compromessa, l’obiettivo di questa parte di ricerca è stato quello di studiare il potenziale effetto immunomodulatorio di diverse concentrazioni di acidi grassi polinsaturi a lunga catena (LC-PUFA), in combinazione con dosi standard di vitamina D3, in cellule immunitarie ex vivo prelevate da volontari sani. L’effetto di questi composti bioattivi è stato valutato su due meccanismi implicati nella risposta immunitaria innata, che agiscono specificatamente contro le cellule tumorali e gli agenti patogeni: l’attivita delle cellule natural killer (NK) e la fagocitosi. I risultati ottenuti hanno mostrato che gli LC-PUFA ad elevate dosi, indipendentemente dalla presenza o meno della vitamina D, interferiscono negativamente sulla capacità delle cellule NK di lisare e contrastare le cellule tumorali target, mostrando una risposta dose-dipendente. Al contrario, è stato osservato un miglioramento dell’attività fagocitaria dei monociti quando gli LC-PUFA erano coincubati con la vitamina D, suggerendo un potenziale effetto sinergico e immunomodulatorio della vitamina D. In conclusione, attraverso questa tesi di dottorato è stato possibile aumentare le conoscenze sul potenziale effetto di diete ricche in composti bioattivi nella modulazione di alcuni fattori di rischio per le malattie cronico-degenerative. Questo aspetto risulta particolarmente importante soprattutto nelle popolazioni target considerate più a rischio e per le quali un intervento nutrizionale appropriato e personalizzato viene considerato l’approccio di prevenzione primario. Studi futuri su gruppi di popolazione più ampi e volti a valutare i meccanismi d’azione specifici sono necessari al fine di fornire delle dimostrazioni aggiuntive che confermino i nostri risultati.