Actividad de extractos ricos en polifenoles de cáscara de manzana sobre Helicobacter pylori : estudios in vitro e in vivo

Abstract

Helicobacter pylori (H. pylori) infecta la mucosa gástrica de la mitad de la población mundial, y es el único microorganismo conocido capaz de sobrevivir exitosamente en el estómago humano. Muchos estudios han establecido a H. pylori como agente etiológico del cáncer gástrico, linfoma del tejido linfoide asociado a la mucosa (MALT), y la úlcera péptica. En efecto, en 1994, la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC) de la Organización Mundial de la Salud (OMS), definió a H. pylori como un agente carcinógeno definitivo (tipo I) en el cáncer gástrico. Es importante destacar que en Chile la prevalencia de la infección por H. pylori normalizada para la población mundial de entre 20 y 60 años es aproximadamente de un 80%. Este alto nivel de infección por H. pylori explicaría por qué Chile tiene la mayor tasa de mortalidad por cáncer gástrico en América, y se ubica entre los cinco primeros países del mundo con respecto a la mortalidad por cáncer gástrico. Sin embargo, la gran mayoría de las personas infectadas con H. pylori permanece asintomática. El tratamiento de la infección por H. pylori requiere el uso de una combinación de antibióticos con un inhibidor de la bomba de protones. La literatura muestra un aumento en la aparición de cepas resistentes a los antibióticos, por lo que hoy en día es importante buscar sustancias no-antibióticas con actividad anti-H. pylori. Entre éstas, un número importante de diferentes productos del reino vegetal han sido probados, incluyendo antimicrobianos pertenecientes a diferentes grupos de fitoquímicos, tales como los aceites esenciales y los polifenoles. Los polifenoles son componentes ubicuos de plantas medicinales y nutricionales. Estos compuestos, no sólo actuarían como antioxidantes, sino que también podrían ejercer actividades antimicrobianas en diferentes porciones del tracto digestivo. Numerosos antecedentes sugieren que el consumo regular de alimentos o bebidas ricas en polifenoles, podría ayudar a prevenir y atenuar el daño a la mucosa gástrica inducido por H. pylori. En relación con esto último, las manzanas poseen muchas propiedades beneficiosas para la salud humana asociadas con su alto contenido en compuestos fenólicos. Entre las diversas variedades, las manzanas Granny Smith se exportan tanto como producto fresco como para la producción de jugo concentrado. Aunque una gran parte de estas exportaciones considera el uso de la fruta entera, en la última década, los productos de manzana deshidratada han tenido un aumento significativo. Puesto que la deshidratación requiere la eliminación de la cáscara, se llega a acumular importantes cantidades de ésta, las que constituyen un residuo agroindustrial que genera problemas a las empresas con las autoridades de la CONAMA. Algunas variedades de manzana podrían tener entre un 40 a 50% de los polifenoles totales del fruto en la cáscara. De hecho, la concentración de polifenoles en la cáscara puede triplicar al observado en la pulpa. Los principales grupos de polifenoles de la manzana incluyen los glucósidos de flavonoides, ésteres fenólicos de ácidos carboxílicos, dihidrochalconas, catequinas y procianidinas. Los polifenoles de la cáscara de manzana podrían actuar contra H. pylori no sólo como agentes antimicrobianos, sino también neutralizando algunos de sus factores de virulencia. También estos compuestos podrían reducir el daño inducido por las especies reactivas del oxígeno y nitrógeno (ERON) generadas durante el proceso inflamatorio asociado a la infección. En esta tesis se realizó un estudio farmacológico de los efectos in vitro e in vivo de un extracto enriquecido en polifenoles de cáscara de manzana sobre H. pylori. La preparación del extracto de cáscara de manzana (APPE) se llevó a cabo utilizando adsorción de los polifenoles en la resina Sepabeads SP-850. De esta forma, los polifenoles de los extractos acuosos de cáscara de manzana fueron adsorbidos en forma exitosa. Los polifenoles fueron recuperados con etanol y concentrados en rotavapor, llegando a un rendimiento de 3.50 ± 0.7 g por 1000 g de cáscara de manzana fresca. El contenido de polifenoles totales fue de ~ 60%, con un perfil HPLC-DAD casi idéntico al obtenido en la cáscara fresca de manzana Granny Smith. El análisis específico de los compuestos polifenólicos de APPE obtenidos por RP-HPLC, permitieron identificar la presencia de: (1) ácido clorogénico, (2) procianidina B1, (3) procianidina B2, (4) (-)-epicatequina, (5) procianidina C1, ( 6) rutina, (7) hiperósido, (8) isoquercitrina (9), quercetina-3-O-pentósido, (10), quercetina-3-O-pentósido, (11) quercitrina, (12) floretina-O-xiloglucósido, y (13) floridzina. Para confirmar la identidad de los 13 principales componentes se desarrolló un método de separación por HPLC-ESI/MS/MS, el cual permitió obtener la huella digital de APPE caracterizada por el perfil de polifenoles. Usando RP-HPLC, se logró una muy buena separación de los glucósidos quercetina y algunas procianidinas desde los monómeros hasta los trímeros. Mediante RP-HPLC no fue posible separar los oligómeros superiores a los trímeros, probablemente debido al gran número de isómeros que interfieren con la separación. Por lo tanto, para el análisis de oligómeros de prociandinas superiores de los trímeros se consideró a la NP-HPLC como la técnica más adecuada. Así, con el uso de la NP-HPLC, las procianidinas desde los monómeros a los undecámeros fueron separadas según su grado de polimerización, siendo éste el método de elección para la separación de oligómeros. Con el objetivo de fraccionar los polifenoles de APPE de acuerdo a su tamaño molecular, se utilizó una combinación de cromatografía en columnas de Sephadex LH-20 y Toyopearl HW-40. Como resultado de esta estrategia, se obtuvieron las fracciones de polifenoles de bajo peso molecular (LMW) y alto peso molecular (HMW). La determinación del grado de polimerización (mDP) de APPE, HMW y LMW se llevó a cabo mediante depolimerización por floroglucinólisis y tiólisis con cisteamina y tolueno--tiol. La depolimerización generada por dichos nucleófilos permitió obtener perfiles donde claramente se identificó como principal unidad de extensión y de término a la epicatequina. Por medio del estudio de los productos de despolimerización y los perfiles de NP-HPLC, fue posible confirmar que en su mayoría LMW posee unidades monoméricas (mDP = 1). APPE posee un mDP = 2-4, mientras que para HMW mDP = 8-10. Se evaluó el efecto del extracto APPE y las fracciones LMW y HMW sobre la viabilidad de H. pylori, la actividad de la ureasa y el estallido respiratorio de neutrófilos. Los resultados sugieren, en base a los valores de sus IC50, que la actividad inhibitoria de la ureasa mostrada por APPE estuvo asociada principalmente a la presencia de polifenoles de alto peso molecular (HMW) y, en menor grado, con de la presencia de los componentes de bajo peso molecular (LMW). Tal inhibición fue concentración-dependiente, tiempo-independiente, reversible y competitiva. Por el contrario, el efecto de APPE tanto sobre la viabilidad de H. pylori, como sobre la producción de las especies reactivas del oxígeno (ERO) por parte de los neutrófilos, se asoció principalmente con los componentes de LMW. APPE pudo inhibir el estallido respiratorio de neutrófilos inducido por H. pylori, PMA y fMLP en forma concentración-dependiente. Este efecto se observó tanto en el interior como en el exterior de los neutrófilos. Este resultado indicó que APPE podría atenuar el daño a la mucosa gástrica asociado a las ERO producidas por los neutrófilos, particularmente cuando H. pylori despliega sus mecanismos de evasión. Se investigaron los efectos inhibitorios de APPE contra la infección por H. pylori, y la vacuolación inducida por VacA. APPE disminuyó significativamente la vacuolación en células HeLa con un valor de IC50 de 450 g GAE / mL. APPE también mostró un efecto anti-adherente in vitro contra H. pylori. Se observó una inhibición significativa de la adhesión de H. pylori con una reducción del 20-60% para concentraciones de entre 0.250 y 5 mg GAE / mL. En un modelo a corto plazo de infección (ratones C57BL6 / J), dos niveles de dosis de APPE (150 y 300 mg / kg / día) mostraron un efecto inhibitorio sobre el asentamiento de H. pylori. Después de 7 días de cultivo, no fue posible recuperar bacterias con la morfología típica de H. pylori, tanto en los grupos tratados con APPE como en los controles no infectados. Paralelamente, el análisis por PCR de tiempo real de los estómagos de animales tratados con APPE, no mostró diferencias significativas con el control no infectado. Estos resultados concordaron con la visible reducción de la carga de H. pylori observada en las evaluaciones histológicas. Pese al corto plazo de interacción huésped-patógeno y el bajo índice de gastritis observado en los animales infectados, los polifenoles de APPE mostraron un efecto anti-inflamatorio sobre la gastritis asociada a la presencia de H. pylori, reduciendo los niveles de malondialdehído. En esta tesis se ha demostrado que APPE podría ejercer sus efectos anti-H. pylori mediante múltiples mecanismos. Así, los polifenoles de alto peso molecular inhibieron la actividad de la ureasa, el proceso de adhesión de las bacterias a la mucosa gástrica y la actividad de la toxina VacA. Por otro lado, las propiedades anti-H. pylori y atrapadoras de ERO fueron ligadas a la presencia de los polifenoles de bajo peso molecular. Como era de esperar, el efecto antioxidante de APPE y sus propiedades anti-VacA, probablemente cumplan un papel en la disminución del daño inflamatorio in vivo causados por H. pylori a la mucosa gástrica de los ratones infectados. En resumen, en este estudio se observó que APPE puede prevenir eficazmente las primeras etapas del proceso de colonización gástrica por H. pylori y suprimir algunas de sus consecuencias patológicas más relevantes como la inflamación

Helicobacter pylori (H. pylori) infects the gastric mucosa of half of the world´s population, and is the only microorganism known to successfully inhabit the human stomach. Many studies have established H. pylori as an etiologic agent of gastric cancer, mucosa-associated lymphoid tissue lymphoma (MALT), and peptic ulcer. In fact, in 1994, the International Agency for Research on Cancer (IARC) of the World Health Organization (WHO) defined H. pylori as a definite carcinogen in gastric cancer (type I). Importantly, in Chile the prevalence of H. pylori infection standardised for world population for ages 20 to 60 is approximately 80%. This high level of H. pylori infection may explain why Chile has the highest rate of gastric cancer mortality in the Americas, and is among the top five countries in the world with regard to gastric cancer mortality. However, the vast majority of people infected with H. pylori has no symptoms and will never develop problems. The treatment of H. pylori infection requires the use of two or more antibiotics combined with a proton pump inhibitor. The occurrence of strains resistant to antibiotics has been to increasing, and it is nowadays important to search for new alternatives to antibiotics with anti-H. pylori activity. Among these, a number of different products from vegetable origin have been tested, including antimicrobials belonging to phytochemical such as essential oils and polyphenols. Polyphenols are ubiquitous constituents of medicinal and nutritional plants. Such compounds, not only would act as antioxidants, but also they could exert antimicrobial activities in different portions of the digestive tract. Growing evidence suggests that regular intake of foods or polyphenol-rich beverages might help to prevent and attenuate H. pylori-induced damage to the gastric mucosa. Regarding the latter, apples possess many beneficial properties for the human health related to their high content in phenolic compounds. Among several varieties, Granny Smith apples are exported both as fresh product and as juice concentrates. Although a great part of such exports considers the whole fruit, during the past decade, exports of value added dehydrated apple products have had a significant increase. Since dehydration requires peel removal, important amounts of apple peel accumulate to be largely classified as an agro-industrial waste. Some apple varieties concentrate in the peel from 40 to 50% of the total fruit polyphenols. In fact, the amount of polyphenols in the apple peel could be up to three times higher than that found in the pulp. The principal classes of whole apple polyphenols include flavonoid glycosides, phenol carboxylic acid esters, dihydrochalcones, catechins, and procyanidins. Apple peel polyphenols might act against H. pylori exerting not only an antimicrobial action but also neutralizing some of its virulence factors. These compounds could also reduce the damage induced by the Reactive Oxygen and Nitrogen Species (RONS) generated during the inflammatory process associated to the infection. In this thesis a pharmacological study was undertaken considering the in vitro and in vivo effects of an apple peel polyphenols-enriched extract upon H. pylori. The preparation of apple peel extract (APPE) was carried out using the adsorption resin Sepabeads SP-850. Thus, the polyphenols from the aqueous extracts of apple peel were successfully adsorbed. Recovery of the polyphenols was carried out with ethanol and concentrated through evaporative rotation with a yield of 3.50± 0.7g from 1000 g of fresh apple peel. Total polyphenolic content was ~60 % with a HPLC-DAD profile remarkably similar to that obtained in the fresh peel of Granny Smith apples. Specific analysis of APPE polyphenolic compounds by RP-HPLC allowed to identify the presence of (1) chlorogenic acid, (2) procyanidin B1, (3) procyanidin B2, (4) (−)-epicatechin, (5) procyanidin C1, (6) rutin, (7) hyperoside, (8) isoquercitrin, (9) quercetin-3-O-pentoside, (10) quercetin-3-O-pentoside, (11) quercitrin, (12) phloretin-O-xyloglucoside, and (13) phloridzin. To confirm the identity of the 13 main components of APPE a fingerprint profile method was developed using HPLC-ESI/MS/MS method. Using RP-HPLC, the extremely good separation of quercetin glycosides and individual procyanidins from monomers to trimers was achieved. RP-HPLC method was not able to separate oligomers higher than trimers probably due to the higher number of isomers interfering with the separation. Hence, NP-HPLC was better suited for analysis of procyandin oligomers higher than trimers. Using NP-HPLC, procyanidin monomers through undecamers were separated by the degree of polymerization and the separation of higher oligomers was preferable. With the aim to fractionate APPE polyphenols according to their molecular size, a combination of Sephadex LH-20 and Toyopearl HW-40s column chromatography was used. As result of this strategy, low molecular weight (LMW) and high molecular weight (HMW) polyphenolic fractions were obtained. Determination of mDP of APPE, HMW and LMW was carried out by depolymerization via phloroglucinolysis and thiolysis with cysteamine and toluene--thiol. Depolymerization with nucleophile generated profiles where it is clearly seen that the main extension and terminal unit was epicatechin. By means of the study of depolymerization products and NP-HPLC profiles, it was possible to confirm that LMW possesses mostly monomeric units (mDP = 1). APPE possesses an mDP = 2-4, while for HMW mP = 8-10. The effect of APPE, LMW y HMW against H. pylori viability, urease activity and neutrophil respiratory burst was evaluated. On the basis of the IC50 ranking order, the results suggested that the urease-inhibitory activity displayed by APPE is associated, primarily, with the presence of HMW polyphenols and, to a lower degree, with the presence of monomeric components (LMW). Such urease inhibition was concentration-dependent, time-independent, reversible and competitive. On the contrary, inhibitory effect for both viability and reactive oxygen species (ROS) production by stimulated neutrophils was associated mainly with LMW components. Thus, APPE inhibited the respiratory burst of neutrophils induced by H. pylori, PMA and fMLP in concentration-dependent form. This effect was observed on both the interior and exterior of the neutrophil. This result suggests that APPE have an attenuating effect on the damage to gastric mucosa caused by neutrophil generated ROS and, particularly, when H. pylori display its evasion mechanism. The inhibitory effects of APPE against H. pylori infection, and VacA-induced vacuolation were investigated. APPE significantly prevented vacuolation in HeLa cell with an IC50 value of 450 g GAE/mL. APPE also displayed an in vitro anti-adhesive effect against H. pylori. A significant inhibition was observed with a 20-60% reduction of H. pylori attachment at concentrations between 0.250 and 5 mg GAE/mL. In a short-term infection model (C57BL6/J mice), two levels of APPE doses (150 and 300 mg/kg/day) showed an inhibitory effect on H. pylori attachment. After 7 days of culture, it was not possible to recover bacteria with the typical H. pylori morphology neither in the groups treated with APPE nor in the controls. Real-time PCR analysis of the stomachs from animals treated with APPE did not show significant differences with non-infected control mice. These results were in agreement with the visible reduction in H. pylori load observed in the histology evaluations. Although the short-term pathogen-host interaction period and the low gastritis score observed in the infected animals, APPE showed an anti-inflammatory effect on the H. pylori-associated gastritis lowering malondialdehyde levels. In this thesis it has been demonstrated that APPE could exert their anti-H. pylori effects by multiple mechanism. So, high molecular weight polyphenols inhibit the urease activity, the process of adherence of the bacteria to the gastric mucosa and the activity of VacA toxin. On another side, low molecular weight polyphenols were involved in the anti-H. pylori and ROS scavenging properties of APPE. As expected, the antioxidant and anti-VacA properties of APPE probably played a role in diminishing the in vivo inflammatory damage caused by H. pylori to the mice gastric mucosa. In summary, in this study it was observed that APPE can effectively prevent the initial steps in the H. pylori colonization process and suppress some of their most relevant pathological consequences such as mucosal inflammation