Nutritional interventions in inflammatory diseases: investigating the molecular pathways

Abstract

Inflammation is a biological process against harmful stimuli, such as pathogens, damaged cells and toxic compounds which contributes in infection control and tissue repairing. Inflammatory dysregulation and chronic inflammatory responses may lead to various chronic inflammatory conditions, such as Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) and Inflammatory Bowel Diseases (IBD). NAFLD is the most common liver disease, characterised by excessive fat accumulation in liver, not caused by alcohol consumption. IBD represents a group of intestinal disorders that are characterized by chronic inflammation of the digestive tract. Both conditions show a high prevalence in Western societies, mainly due to the westernised lifestyle, and are in need for new promising options for treatment with the least side effects. Also, they share common pathogenic features, such as increased intestinal permeability, gut dysbiosis and chronic inflammatory responseMastiha, is a plant product with a plethora of bioactive constituents, such as terpenic acids, phenolic compounds and phytosterols. Mastiha’s anti-inflammatory properties are well established. The aim of this dissertation was to investigate the molecular pathways under which Mastiha exhibits its anti-inflammatory action. More specifically, we explored the effectiveness of Mastiha as a non-pharmacological intervention in both NAFLD and IBD, and which molecular mechanisms accompany this effect.In order to evaluate the effect of Mastiha in NAFLD we designed a multicenter, randomized, double-blinded and placebo-controlled clinical trial and investigated the effect on liver inflammation and fibrosis through MRI, biochemical, inflammatory and multi-omic analyses. After six months of Mastiha supplementation, we observed a significant improvement on microbiota dysbiosis as depicted in Bray-Curtis dissimilarity index which was significantly greater among patients that received Mastiha, compared to Placebo. Also, Mastiha decreased the proportion of Flavonifractor, a taxa involved in the catabolism of quercetin, a flavonoid with antioxidant and anti-inflammatory properties. The above effects paralleled with a decrease in plasma cholic acid and phospholipids, possibly attributed to the bioavailable triterpenic acids of Mastiha. Finally, in severely obese patients we observed an improvement of the liver fibrosis as assessed via MRI. In IBD, we applied a randomized, double-blind, placebo-controlled, parallel-group clinical trial with a 3 months duration for patients in relapse and a 6 months duration in patients for remission. Quantification of inflammatory biomarkers revealed a significant increase of serum interleukin-17A (IL-17A) in the Mastiha group and the different mean changes between Mastiha and placebo groups in inactive patients, with this pattern being observed specifically in Crohn’s disease (CD) patients in remission. Similarly, metabolomics analysis revealed an increase in metabolites, such as the aromatic aminoacids phenylalanine, tyrosine and tryptophan together with alanine, glycine and acetic acid, only in patients in remission. As tryptophan is involved in T-helper-17 regulation, the above suggest a possible shift of Th-17 cells to a more protective pathway in quiescent IBD. Finally, Mastiha regulated some gut microbiota related to inflammatory processes, although no evident effect was observed on microbiota dysbiosis.Taking into account that all the above pointed towards Mastiha’s anti-inflammatory activity, we examined whether this action is attributed to epigenetic mechanisms related to inflammation, such as regulation of miRNA levels. MicroRNAs are small molecules that serve as important regulators of gene expression, including inflammatory pathways. Interestingly, the same microRNA, miR-155 (implicated in lipid and Th-17 regulation) was modified by Mastiha in both clinical trials, revealing a possible common mechanism across Mastiha supplementation in two different inflammatory conditions. More studies are needed to further explore this mode of action and introduce other potential pathways that explain Mastiha’s valuable anti-inflammatory action.

Ως φλεγμονή ορίζεται η εντοπισμένη απόκριση του σώματος σε βλαβερά ερεθίσματα, όπως τα παθογόνα, οι τοξικοί παράγοντες και ο τραυματισμός, η οποία συμβάλλει στον έλεγχο της μόλυνσης, και επιδιόρθωση της ιστικής βλάβης. Η απορρύθμιση αυτού του μηχανισμού και η χρόνια επιμένουσα φλεγμονή μπορεί να οδηγήσει σε χρόνιες φλεγμονώδεις νόσους, όπως είναι η μη αλκοολική λιπώδης νόσος (ή διήθηση) του ήπατος (ΜΑΛΝΗ) (γνωστή και ως λιπώδες ήπαρ) και οι ιδιοπαθείς φλεγμονώδεις νόσοι του εντέρου (ΙΦΝΕ). Η ΜΑΛΝΗ είναι η πιο συχνή νόσος του ήπατος, που χαρακτηρίζεται από συσσώρευση λίπους στα ηπατοκύτταρα, μη προκαλούμενη από το αλκοόλ. Οι ΙΦΝΕ αποτελούν μία ομάδα νοσημάτων που χαρακτηρίζονται από χρόνια φλεγμονή στον γαστρεντερικό σωλήνα. Και οι δύο διαταραχές έχουν υψηλό επιπολασμό στις Δυτικές κοινωνίες, κυρίως λόγω του δυτικού τρόπου ζωής και απαιτούν νέες υποσχόμενες θεραπευτικές προσεγγίσεις με τις λιγότερες ανεπιθύμητες ενέργειες. Επίσης εμφανίζουν κοινά παθογενετικά χαρακτηριστικά, όπως αυξημένη εντερική διαπερατότητα, εντερική δυσβίωση και χρόνιες φλεγμονώδεις αποκρίσεις.Η Μαστίχα της Χίου αποτελεί ένα φυτικό προϊόν με πληθώρα βιοενεργών συστατικών, όπως τα τερπένια, τα φαινολικά συστατικά και οι φυτοστερόλες. Οι αντιφλεγμονώδεις ιδιότητές της είναι καλά χαρακτηρισμένες. Σκοπός της συγκεκριμένης διδακτορικής διατριβής ήταν να ερευνηθούν οι μοριακοί μηχανισμοί υπό τους οποίους η Μαστίχα εκδηλώνει τις αντιφλεγμονώδεις ιδιότητές της. Πιο συγκεκριμένα μελετήσαμε την αποτελεσματικότητα της Μαστίχας ως μη φαρμακολογική προσέγγιση τόσο στη ΜΑΛΝΗ όσο και στις ΙΦΝΕ, καθώς και το ποιοι μηχανισμοί συνοδεύουν αυτήν τη δράση.Προκειμένου να αξιολογήσουμε τη δράση της Μαστίχας στη ΜΑΛΝΗ σχεδιάσαμε μία πολυκεντρική, διπλά-τυφλή, τυχαιοποιημένη, ελεγχόμενη με εικονικό φάρμακο κλινική μελέτη και μελετήσαμε την επίδραση στη φλεγμονή και την ίνωση του ήπατος μέσα από μαγνητική τομογραφία ήπατος σε συνδυασμό με αξιολόγηση βιοχημικών παραμέτρων, φλεγμονωδών δεικτών και εφαρμογή μεταγενωμικών και μεταβολομικών αναλύσεων. Μετά από εξάμηνη χορήγηση του συμπληρώματος με τη Μαστίχα παρατηρήσαμε βελτίωση στην εντερική δυσβίωση, όπως αυτή αποτυπώνεται στο δείκτη Bray-Curtis, ο οποίος αυξήθηκε στους εθελοντές που ελάμβαναν Μαστίχα σε σχέση με αυτούς που ελάμβαναν εικονικό φάρμακο (placebo). Επίσης η Μαστίχα μείωσε τον πληθυσμό του Flavonifractor, ένα βακτηριακό γένος που εμπλέκεται στον καταβολισμό της κερσετίνης, ένα φλαβονοειδές με αντιοξειδωτικές και αντιφλεγμονώδεις ιδιότητες. Τα παραπάνω συνδυάστηκαν με μείωση στα χολικά οξέα και τα φωσφολιπίδια του πλάσματος, πιθανά οφειλόμενη στα βιοδιαθέσιμα τριτερπενικά οξέα της Μαστίχας. Τέλος, στους ασθενείς με σοβαρή μορφή παχυσαρκίας παρατηρήθηκε βελτίωση στην ηπατική φλεγμονή και ίνωση όπως αποτυπώθηκαν στη μαγνητική τομογραφία. Στις ΙΦΝΕ πραγματοποιήσαμε μία διπλά-τυφλή, τυχαιοποιημένη, ελεγχόμενη με εικονικό φάρμακο κλινική μελέτη με τρίμηνη διάρκεια στους ασθενείς με ενεργή νόσο και εξάμηνη διάρκεια στους ασθενείς σε ύφεση. Η μέτρηση των φλεγμονωδών δεικτών ανέδειξε μία στατιστικά σημαντική αύξηση στα επίπεδα της ιντερλευκίνης 17Α στον ορό στην ομάδα της Μαστίχας με στατιστικά διαφορετικές μέσες μεταβολές στις ομάδες της Μαστίχας και του placebo. Οι διαφορές αυτές παρατηρήθηκαν στους ασθενείς σε ύφεση και πιo συγκεκριμένα σε αυτούς με νόσο του Crohn. Παρομοίως, η μεταβολομική ανάλυση έδειξε αύξηση μεταβολιτών, όπως τα αρωματικά αμινοξέα φαινυλαλανίνη, τυροσίνη, τρυπτοφάνη μαζί με την αλανίνη, γλυκίνη και το οξικό οξύ, μόνο στους ασθενείς σε ύφεση. Καθως η τρυπτοφάνη εμπλέκεται στη ρύθμιση των βοηθητικών T-17 λεμφοκυττάρων, τα παραπάνω προτείνουν μία πιθανή μεταβολή του ρόλου αυτών των κυττάρων σε πιο προστατευτικό για τις ΙΦΝΕ σε ύφεση. Τέλος, η Μαστίχα ρύθμισε τα επίπεδα σε κάποια εντερικά μικρόβια που σχετίζονται με φλεγμονώδεις διαδικασίες, παρά την απουσία επίδρασης στη συνολική μικροβιακή δυσβίωση.Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι όλα τα παραπάνω ανέδειξαν την αντιφλεγμονώδη δράση της Μαστίχας, μελετήσαμε κατά πόσον αυτή η δράση διαμεσολαβείται από επιγενετικούς μηχανισμούς που σχετίζονται με τη φλεγμονή, όπως η ρύθμιση των microRNAs. Τα microRNAs είναι μικρά μόρια που λειτουργούν ως σημαντικοί ρυθμιστές της γονιδιακής έκφρασης, συμπλεριλαμβανομένων και των φλεγμονωδών μονοπατιών. Το αξιοσημείωτο είναι ότι και στις δύο κλινικές μελέτες παρατηρήσαμε ρύθμιση του ίδιου miRNA, του miR-155 (το οποίο εμπλέκεται τόσο στη ρύθμιση των λιπιδίων όσο και των Τ βοηθητικών λεμφοκυττάρων), αναδεικνύοντας ένα πιθανό κοινό μηχανισμό δράσης της Μαστίχας σε δύο διαφορετικές φλεγμονώδεις νόσους. Στο μέλλον χρειάζονται περισσότερες μελέτες για να αποκαλύψουν περαιτέρω τους εμπλεκόμενους μοριακούς μηχανισμούς και να προτείνουν μονοπάτια που ερμηνεύουν τις αντιφλεγμονώδεις ιδιότητες της Μαστίχας.