In vitro effects of bioactive extracts of local Italian cultivars: from molecular mechanisms to potential nutraceutical applications for consumers’ well-being

Abstract

Phytochemicals are non-nutritional compounds, naturally present in food and beverages, which exert beneficial effects on human health. The present Doctorate Thesis evaluates the biological properties of bioactive extracts prepared from Italian cultivars/products on different in vitro models to test their ability to ameliorate conditions of cellular oxidative stress, often associated with the occurrence of degenerative pathologies, such as cancer and neurodegenerative processes. The two classes of biomolecules investigated, polyphenols and carotenoids, are largely present in the three different foods and beverage investigated, e.g. red wine, elderberries and pumpkin. The results obtained suggest the existence of novel mechanisms triggered by red wine polyphenols and resulting in the protection of erythrocytes from plasma oxidizing species. These compounds are able to increase antioxidant defences in erythrocytes by activating Plasma Membrane Redox System. Moreover, we hypothesized that red wine polyphenols (73 µg/ml gallic acid equivalents) trigger a slight, but significant increase of intracellular reactive oxygen species, which induces a cellular adaptive response, which, in turn, increases antioxidant defences in erythrocytes. This aspect highlights the preventive role of polyphenols, which, through this mechanism of cellular adaptation against oxidative stress, can prevent the onset of degenerative and age-depending diseases related to oxidative damage, including neurodegeneration. In fact, the present work also describes an in vitro neurodegenerative model aimed to investigate the protective role of a polyphenolic extract from Sambucus nigra berries against oxidative damage induced by neurotoxic agents. We demonstrated that the efficacy of S. nigra polyphenolic extract (500 µg/ml, w/v) to effectively protect neuronal cells from apoptosis is probably related to its ability to modulate the cellular antioxidant response. The data obtained provide an initial indication for future clinical trials addressed to prove the preventive role of these natural extracts against degenerative conditions. Finally, a different class of antioxidant compounds, carotenoids from Cucurbita moschata, showed a functional effects on the proliferation of malignant cell lines. The mechanism of action of a carotenoid-enriched extract (200-400 µg/ml) has been investigated on two malignant cell lines, Caco-2 and SAOs, derived from a colon adenocarcinoma and an osteosarcoma, respectively. The results obtained indicated that pumpkin carotenoids do not directly kill cancer cells, but slow down their proliferation. This effect was associated with an alteration of the energetic metabolism which resulted in a decreases intracellular concentration of ATP and the activation of autophagy. Probably, the “not-protective” autophagy detected directly or indirectly induces cellular differentiation in malignant cells, a possibility that deserves further investigations. [edited by author]

I fitochimici sono composti non-nutrizionali, naturalmente presenti in alimenti e bevande, che esercitano effetti benefici sulla salute umana. La presente Tesi di Dottorato valuta le proprietà biologiche di estratti bioattivi preparati da cultivar/prodotti italiani su diversi modelli in vitro in relazione alla loro capacità di migliorare le condizioni di stress ossidativo, spesso associato con la comparsa di patologie degenerative, come il cancro e processi neurodegenerativi. Le due classi di biomolecole indagate, polifenoli e carotenoidi, sono largamente presenti nei tre diversi alimenti studiati, tra cui vino rosso, bacche di sambuco e zucca. I risultati ottenuti suggeriscono l'esistenza di nuovi meccanismi innescati dai polifenoli del vino rosso e risultanti nella conseguente protezione degli eritrociti da specie ossidanti del plasma. Questi composti sono in grado di aumentare le difese antiossidanti degli eritrociti attivando il sistema Membrane Plasma Redox. Inoltre, abbiamo ipotizzato che i polifenoli del vino rosso (73 µg/ml di acido gallico equivalenti) innescano un lieve, ma significativo aumento di specie reattive dell'ossigeno intracellulare, che induce una risposta adattativa cellulare, che, a sua volta, aumenta le difese antiossidanti negli eritrociti. Questo aspetto evidenzia il ruolo preventivo dei polifenoli, che, attraverso questo meccanismo di adattamento cellulare contro lo stress ossidativo, può prevenire l'insorgenza di malattie degenerative dipendenti dall'età relative al danno ossidativo, compresa la neurodegenerazione. Infatti, il presente lavoro si è focalizzato anche su un modello neurodegenerativo in vitro al fine di studiare il ruolo protettivo di un estratto polifenolico di bacche di Sambucus nigra contro il danno ossidativo indotto da agenti neurotossici. E’ stato dimostrato che l'efficacia dell’estratto polifenolico di S. nigra (500 µg/ml, w/v) nel proteggere efficacemente le cellule neuronali da apoptosi è probabilmente legata alla sua capacità di modulare la risposta antiossidante. I dati ottenuti forniscono una prima indicazione per futuri studi clinici rivolti a dimostrare il ruolo preventivo di questi estratti naturali contro le condizioni degenerative. Infine, una diversa classe di composti antiossidanti, i carotenoidi presenti in Cucurbita moschata, hanno mostrato un effetto funzionale sulla proliferazione di linee cellulari maligne. Il meccanismo di azione di un estratto arricchito in carotenoidi (200-400 µg/ml) è stato studiato su due linee di cellule maligne, Caco-2 e SAOs, derivate rispettivamente da un adenocarcinoma del colon e un osteosarcoma. I risultati ottenuti hanno indicato che i carotenoidi della zucca non inducono la morte delle cellule tumorali, ma rallentano la loro proliferazione. Questo effetto è stato associato ad un'alterazione del metabolismo energetico cellulare che porta a un decremento della concentrazione intracellulare di ATP e all'attivazione dell'autofagia. Probabilmente, l'autofagia di tipo “non-protettivo” che si attiva dopo trattamento con i carotenoidi, induce differenziamento cellulare nelle cellule maligne, una possibilità che merita ulteriori indagini. [a cura dell'autore]