Effets préventifs et thérapeutiques des polyphénols dans un modèle in vitro et in vivo de maladie inflammatoire de l’intestin : caractérisation des polyphénols de la pelure de pomme et de la canneberge par spectrométrie de masse

Abstract

La muqueuse intestinale est exposée à des agents oxydants provenant de l’ingestion d’aliments modifiés, de cellules immuno-inflammatoires et de la flore intestinale. Une diète élevée en fruits et légumes peut diminuer le stress oxydant (SOx) ainsi que l’inflammation via plusieurs mécanismes. Ces effets bénéfiques peuvent être attribuables à leur contenu élevé en polyphénols. La première étude de mon doctorat consistait à tester l’hypothèse que les polyphénols extraits de pelures de pomme (DAPP) pouvaient diminuer le stress oxydant et l'inflammation impliqués dans les maladies inflammatoires de l'intestin (MII). Nous avons caractérisé les polyphénols des DAPP par spectrométrie de masse (LC-MS) et examiné leur potentiel antioxydant et anti-inflammatoire au niveau des cellules intestinales. L’identification des structures chimiques des polyphénols a été effectuée par LC-MS. Le SOx a été induit par l’ajout du complexe fer/ascorbate (Fe/Asc, 200 µM/2 mM) et l’inflammation par la lipopolysaccharide (LPS, 200µg/mL) à des cellules intestinales Caco-2/15 pré-incubées avec les DAPP (250 µg/mL). L’effet du SOx est déterminé par le dosage du malondialdéhyde (MDA), de la composition des acides gras polyinsaturés et de l’activité des enzymes antioxydantes endogènes (SOD et GPx). L’impact des DAPP sur l’inflammation a été testé par l’analyse de l’expression des marqueurs inflammatoires: cyclooxygénase-2 (COX-2), le facteur de nécrose tumorale alpha (TNF-a et l’interleukine-6 (IL-6) et les facteurs de transcription NF-KB, Nrf-2 et PGC1α par immunobuvardage. Nos données ont montré que les flavonols et les flavan-3-ols constituent les composés polyphénoliques majoritaires des DAPP. L’ajout de Fer2+/Asc a provoqué une augmentation de la peroxidation lipidique comparativement aux cellules contrôles, un appauvrissement des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, et une modulation des enzymes antioxydantes, se traduisant par une augmentation de l’activité de la SOD et une diminution de la GPx. En contrepartie, les DAPP ont exhibé leur potentiel à corriger la plupart des perturbations, y compris l’expression protéique anormalement élevée du COX-2 et la production de la prostaglandine E2 (PGE2), ainsi que l’inflammation telle que réflétée par les facteurs NF-κB, TNF-α et IL-6. Par ailleurs, les mécanismes sous-jacents à ces changements bénéfiques des DAPP ont fait intervenir les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Vraisemblablement, cette première étude a permis de démontrer la capacité des DAPP à amoindrir le SOx et à réduire l’inflammation, deux processus étroitement impliqués dans les MII. Dans la deuxième étape de mon doctorat, nous avons voulu comparer les résultats de DAPP à ceux des polyphénols dérivant de la canneberge qui est considérée par la communauté scientifique comme le fruit ayant le plus fort potentiel antioxydant. À cette fin, nous avons caractérisé l’effet des composés polyphénoliques de la canneberge (CPC) sur le SOx, la défense antioxydante et l’inflammation au niveau intestinal tout en définissant leur métabolisme intraluminal. Les différents CPC ont été séparés selon leur poids moléculaire par chromatographie et leurs structures chimiques ont été identifiées par LC-MS. Suite à une pré-incubation des cellules Caco-2/15 avec les extraits CPC (250 µg/mL), le Fe/Asc et la LPS ont été administrés comme inducteurs du SOx et de l’inflammation, respectivement. La caractérisation globale des CPC a révélé que les acides phénoliques composaient majoritairement l’extrait de canneberge de petit poids moléculaire (LC) alors que les flavonoïdes et les procyanidines dimériques/trimériques représentaient l’extrait de poids moléculaire moyen (MC) tout en laissant les procyanidines oligo et polymériques à l’extrait de haut poids moléculaire (HC). Les CPC ont permis de restaurer la plupart des perturbations engendrées dans les Caco-2/15 par le Fe/Asc et le LPS. Les CPC exhibaient le potentiel d’abaisser les niveaux de MDA, de corriger la composition des acides gras polyinsaturés n-3 et n-6, d’augmenter l’activité des enzymes antioxydantes (SOD, GPx et CAT) et d’élever l’expression de Nrf2 et PGC1α. En outre, les CPC pouvaient aussi réduire les niveaux élevés des protéines inflammatoires COX-2, TNF-α et IL-6 ainsi que la production des PGE2 par un mécanisme impliquant le NF-κB. Au niveau mitochondrial, les procyanidines oligomériques ont réussi à corriger les dysfonctions reliées à la production d’énergie (ATP), l’apoptose (Bcl-2, Cyt C et AIF) et le statut des facteurs de transcription mitochondriaux (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). Dans le but de bien comprendre les mécanismes d’action des CPC, nous avons défini par LC-MS les composés polyphénoliques qui ont été transportés ou absorbés par l’entérocyte. Nos analyses soulignent le transport (i) des acides cinnamiques et benzoïques (LC); (ii) la quercétine glycosylée et conjuguée et les procyanidines dimériques de type A (MC); et (iii) l’épicatéchine et les procyanidines oligomériques (HC). Les processus de métabolisation (méthylation, glucuronidation et sulfatation) au niveau de l’entérocyte ont probablement permis le transport de ces CPC surtout sous leur forme conjuguée. Les procyanidines oligomériques ayant un degré de polymérisation supérieur à 2 (HC) ont semblé adhérer aux cellules Caco-2/15. L’épicatéchine suivi par les procyanidines dimériques de type A ont été trouvés majoritaires au niveau des mitochondries. Même si nous ignorons encore l’action biologique de chaque composé polyphénolique, nous pouvons suggérer que leurs effets combinatoires exercent des fonctions antioxydantes, anti-inflammatoires et mitochondriales dans le modèle intestinal Caco-2/15. Dans une troisième étape, nous avons procédé à l’évaluation des aspects préventifs et thérapeutique des DAPP tout en sondant les mécanismes sous-jacents dans une étude préclinique. À cette fin, nous avons exploité le modèle de souris avec colite expérimentale provoquée par le Dextran Sulfate de Sodium (DSS). L’induction de l’inflammation intestinale chez la souris C57BL6 a été effectuée par l’administration orale de DSS à 2.5% pendant 10 jours. Des doses physiologiques et supra-physiologiques de DAPP (200 et 400 mg/kg/j, respectivement) ont été administrées par gavage pendant 10 jours pré- et post-DSS. L’inflammation par le DSS a provoqué une perte de poids, un raccourcissement du côlon, le décollement dystrophique de l’épithélium, l’exulcération et les infiltrations de cellules mono et polynucléaires au niveau du côlon. De plus, le DSS a induit une augmentation de la peroxidation lipidique, une régulation à la baisse des enzymes antioxydantes, une expression protéique à la hausse de la myéloperoxidase (MPO), du COX-2 et de la production des PGE2. Par ailleurs, les DAPP ont permis de corriger ou du moins d’alléger la plupart de ces anomalies en situation préventive ou thérapeutique, en plus d’abaisser l’expression protéique de NF-κB et des cytokines inflammatoires (TNF-a et l’IL-6) tout en stimulant les facteurs de transcription antioxydants (Nrf-2, PGC1α). Conséquemment, les polyphénols des DAPP ont exhibé leur puissant pouvoir antioxydant et anti-inflammatoire au niveau intestinal dans un modèle in vivo. Leurs actions sont associées à la régulation des voies de signalisation cellulaire et des changements dans la composition du microbiote. Ces trois projets de recherche permettent d’envisager l’évaluation des effets préventifs et thérapeutiques des DAPP cliniquement chez les patients avec des désordres inflammatoires de l’intestin.

The intestinal mucosa is exposed to oxidizing agents from the ingestion of modified foods, immuno-inflammatory cells and intestinal flora. Diet high in fruits and vegetables may reduce oxidative stress and inflammation via several mechanisms. These beneficial effects may be due to their high polyphenol content. The first aims for my PhD was to define the nature of polyphenols extracted from dried apple peels (DAPP) and to determine their antioxidant and anti-inflammatory potential in the intestine. Caco-2/15 cells were used to study the role of DAPP preventive actions against oxidative stress (OxS) and inflammation induced by iron-ascorbate (Fe/Asc) and lipopolysaccharide (LPS), respectively. The combination of HPLC with fluorescence detection, HPLC-ESI-MS TOF and UPLC-ESI-MS/MS QQQ allowed us to characterize the phenolic compounds present in the DAPP (phenolic acids, flavonols glycosides, flavan-3-ols, procyanidins). The addition of Fe/Asc to Caco-2/15 cells induced OxS as demonstrated by the rise in malondialdehyde, depletion of n-3 polyunsaturated fatty acids, and alterations in the activity of endogenous antioxidants (SOD, GPx, G-Red). However, preincubation with DAPP prevented Fe/Asc-mediated lipid peroxidation and counteracted LPS-mediated inflammation as evidenced by the down-regulation of cytokines (TNF-α and IL-6), and prostaglandin E2. The mechanisms of action triggered by DAPP induced also a down-regulation of cyclooxygenase-2 and nuclear factor-kB, respectively. These actions were accompanied by the induction of Nrf2 (orchestrating cellular antioxidant defenses and maintaining redox homeostasis), and PGC-1α (the “master controller” of mitochondrial biogenesis). Our findings provide evidence of the capacity of DAPP to reduce OxS and inflammation, two pivotal processes involved in inflammatory bowel diseases. The cranberry fruit has been reported to have high antioxidant effectiveness that is potentially linked to its richness in diversified polyphenolic content. Therefore, the second objective was to compare the results for apple to those for the cranberry. More specifically, the aim of this study was to determine the role of cranberry polyphenolic fractions in oxidative stress, inflammation and mitochondrial functions using intestinal Caco-2/15 cells. The second aim of this work was to determine the polyphenolic species that were responsible for the observed biological activity. The combination of HPLC and UPLC-TDQ techniques allowed us to characterize the profile of low, medium and high molecular weight polyphenolic compounds in cranberry extracts. The medium molecular weight fraction was enriched with flavonoids and procyanidin dimers whereas procyanidin oligomers (degree of polymerization > 4) were the dominant class of polyphenols in the high molecular weight fraction. Pre-incubation of Caco-2/15 cells with these cranberry extracts prevented Fer/Asc-mediated lipid peroxidation and counteracted LPS-mediated inflammation as evidenced by the decrease in pro-inflammatory cytokines (TNF-α and IL-6), cyclooxygenase-2 and prostaglandin E2. Cranberry polyphenols fractions limited both NF-B activation and Nrf2 down-regulation. Consistently, cranberry procyanidins alleviated oxidative stress-dependent mitochondrial dysfunctions as showed by the rise in ATP production and the up-regulation of Bcl-2, as well as the decline of protein expression of cytochrome C and apoptotic inducing factor. These mitochondrial effects were associated with a significant stimulation of PGC1α, a central inducing factor of mitochondrial biogenesis and transcriptional co-activator of numerous downstream mediators. Finally, cranberry procyanidins forestalled the effect of Fer/Asc on the protein expression of mitochondrial transcription factors (mtTFA, mtTFB1, mtTFB2). The analysis of different pathways, including absorption and transport of polyphenol species revealed which species in the three cranberry fractions have been responsible for the antioxidant activity observed. Especially, the identification of flavan-3-ols and A-type procyanidins in mitochondria suggested that these polyphenol species were responsible for the antioxidant activity in this organelle. Our findings provide evidence for the capacity of cranberry polyphenols to reduce intestinal oxidative stress and inflammation while improving mitochondrial dysfunction. Subsequently, we evaluated the preventive and therapeutic aspects of DAPP polyphenols on intestinal inflammation while elucidating the underlying mechanisms and clinical benefits. Induction of intestinal inflammation in the C57BL6 mice was performed by oral administration of the inflammatory agent DSS (Dextran Sodium Sulfate, 2.5% for 10 days). Physiological and supraphysiological doses of DAPP (200 and 400 mg/ kg/day, respectively) were administered by gavage for 10 days pre- and during-DSS. DSS caused weight loss, shortening of the colon, dystrophic detachment of the epithelium, erosion and infiltration of mono- and polymorphonuclear cells in the colon. Additionally, the DSS induced an increase in lipid peroxidation, a down-regulation of antioxidant enzymes, a rise in MPO and COX-2 expression, and PGE2 production. However, the DAPP corrected or at least alleviated most of these abnormalities in preventive and therapeutic situations, in addition to lowering protein expression of NF-kB and inflammatory cytokines (TNF-a and IL-6) while stimulating antioxidant transcription factors (Nrf2, PGC1α). The supraphysiological dose of DAPP in therapeutic situation has corrected mitochondrial dysfunction, as evidenced by the raised ADP/ATP ratio, reduced apoptosis (Cyt C and AIF) and the DNA repair enzyme (OGG1) that eliminated DNA damage, caused by oxidative stress, thereby preventing the initiation of the ROS vicious cycle. The relative abundance of colitogenic bacteria was slightly decreased in DAPP-treated mice compared to DSS-induced colitis group. Conclusions: Polyphenols of DAPP exhibit a powerful anti-oxidant and anti-inflammatory power in the intestine. Their actions are associated with the regulation of cellular signaling pathways and changes in microbiota composition. Therefore, preventive and therapeutic effects of DAPP may be clinically feasible in individuals with intestinal disorders such as colonic cancer.