Todd C Rideout

1 Richardson Center for Functional Foods and Nutraceuticals, Universitatea din Manitoba, Winnipeg, Manitoba, Canada;

Scott V Harding

1 Richardson Center for Functional Foods and Nutraceuticals, Universitatea din Manitoba, Winnipeg, Manitoba, Canada;

Peter JH Jones

1 Richardson Center for Functional Foods and Nutraceuticals, Universitatea din Manitoba, Winnipeg, Manitoba, Canada;

Ming Z Fan

2 Center for Nutrition Modeling, Department of Animal and Poultry Science, University of Guelph, Guelph, Ontario, Canada

Abstract

Introducere

O scurtă istorie a fibrelor alimentare

La mijlocul anilor '70, pe măsură ce controversa legată de rolul colesterolului în ateroscleroză a revenit la un punct de dispută fără egal în comunitatea medicală (Steinberg 2004, 2005), ipoteza fibrelor alimentare a apărut ca noua paradigmă a nutriției în sănătatea umană și prevenirea bolilor. În timp ce nutriția modernă a fibrelor dietetice provine din studii observaționale și epidemiologice din anii 1970, ipoteza că consumul de alimente grosiere de origine vegetală ar putea modula sănătatea umană nu a fost un concept cu totul nou. Încă din 430 î.Hr., Hipocrate a înțeles legătura dintre fibrele dietetice și „bolile care afectează un om” și a recunoscut că „corpului uman face o mare diferență dacă pâinea este fină sau grosolană; de grâu cu sau fără carenă ”(Adams 1939). Într-adevăr, progresele în analiza (McCance și colab. 1936) și valoarea energetică (Atwater 1900) a acestor „carbohidrați nedigerabili” fuseseră deja făcute în anii 1930. Cu toate acestea, în prima jumătate a secolului al XX-lea, rapoartele publicate cu privire la funcționalitatea fibrelor alimentare au fost puține și ideea că un grup de carbohidrați din plante nedigerabili ar putea facilita prevenirea bolilor nu a primit multă atenție din partea comunității nutriționale.

În anii 1970, mai mulți cercetători, printre care Burkitt (1972), Trowell (1972a), Painter (1973) și Walker (1974), au propus că prevalența scăzută a bolilor cardiovasculare în țările în curs de dezvoltare se datorează în mare măsură consumului unei diete bogate în fibre. . În urma acestor observații inițiale, mai multe investigații epidemiologice timpurii au susținut o relație inversă între consumul de fibre dietetice și incidența bolilor coronariene (Morris și colab. 1977; Yano și colab. 1978; Kromhout și colab. 1982).

Unul dintre primii cercetători care a furnizat dovezi experimentale în sprijinul rolului protector al fibrelor dietetice împotriva bolilor coronariene a fost David Kritchevsky. Kritchevsky a fost intrigat de faptul că alimentarea cu grăsimi saturate induce ateroscleroza la iepurii hrăniți cu diete semi-purificate, dar nu și la iepurii hrăniți cu chow. Kritchevsky a emis ipoteza că această discrepanță se datora probabil efectelor cardioprotectoare asociate cu componentele din fibre dietetice din dietele comerciale de chow (Kritchevsky 1964). Rezultatele experimentelor ulterioare ale lui Kritchevsky au susținut ipoteza sa inițială a efectelor cardioprotectoare ale fibrelor alimentare (Kritchevsky și Tepper 1965, 1968).

Deși ipoteza fibrelor dietetice a câștigat acceptarea, a fost necesară o definiție cuprinzătoare a fibrelor dietetice pentru a studia eficient aspectele epidemiologice, fiziologice și analitice ale acestor componente dietetice nedigerabile. Cu toate acestea, dezvoltarea unei definiții cuprinzătoare a fibrelor dietetice care a satisfăcut considerațiile distincte ale nutriționiștilor, tehnologilor din alimentație și chimistilor din alimentație a devenit subiectul unei mari dezbateri. În 1972, Trowell a definit inițial fibrele alimentare ca „rămășițele scheletice ale celulelor vegetale care sunt rezistente la hidroliza enzimelor omului” (Trowell 1972b). Această definiție a fost limitată la componentele peretelui celular al plantelor, inclusiv celuloză, hemiceluloză, lignină și alte componente minore, cum ar fi ceara și cutina. Această definiție a fost modificată ulterior pentru a include polizaharide de depozitare a plantelor, cum ar fi gingiile și pectinele, care au efecte biologice similare ale componentelor tradiționale ale peretelui celular, dar nu și-au avut originea în alte structuri decât peretele celular (Trowell 1976).

Având progrese în tehnologia analitică și o mai bună înțelegere a implicațiilor fiziologice ale fibrelor dietetice, Asociația Americană a Cerealiștilor (2001) a propus următoarea definiție cuprinzătoare: „fibra dietetică este părțile comestibile ale plantelor sau carbohidrații analogi care sunt rezistenți la digestie și absorbție în intestinul subțire uman cu fermentație completă sau parțială în intestinul gros. Fibrele alimentare includ polizaharide, oligozaharide, lignină și substanțe vegetale asociate. Fibrele dietetice promovează efecte fiziologice benefice, inclusiv laxarea și/sau atenuarea colesterolului din sânge și/sau atenuarea glicemiei ”. Ha și colegii (2000) au criticat definițiile fibrelor bazate pe fiziologie care stresează fermentația intestinului gros fără a include posibilele interacțiuni ale fibrelor dietetice cu alte componente dietetice în tractul gastrointestinal superior.

Mai recent, consultarea comună a experților FAO/OMS privind carbohidrații în nutriția umană (Mann și colab. 2007) a admis că o reevaluare a definiției fibrelor era justificată și a propus ca fibrele dietetice să fie definite ca „polizaharide intrinseci ale peretelui celular al plantelor”.

Înțelegerea actuală în nutriția fibrelor

Clasificarea fibrelor alimentare

Cu ani de cercetare care susțin efectele hipolipidemice și beneficiile cardioprotectoare asociate consumului de fibre, recomandările pentru un consum crescut de fibre de la autoritățile sanitare din întreaga lume sunt justificate (Heart and Stroke Foundation of Canada 2003; Lichtenstein și colab. 2006). Cu toate acestea, este clar, de asemenea, că consumul real de fibre din America de Nord este mult mai mic decât cel recomandat în prezent (James et al 2003). Această discrepanță se poate datora confuziei create de gama largă de substanțe care sunt clasificate sub umbrela „fibrei dietetice” și lipsei de cunoștințe privind efectul diferitelor fibre asupra sănătății umane (Shamliyan și colab. 2006). Fibrele dietetice sunt de obicei clasificate în funcție de diverse criterii fizico-chimice și fiziologice, inclusiv solubilitatea, vâscozitatea și fermentabilitatea (James și colab. 2003). În general, fibrele solubile precum guma de guar (GG), pectina și psyllium sunt foarte vâscoase și sunt ușor fermentate în acizi grași cu lanț scurt (SCFA) în intestinul gros în comparație cu fibrele insolubile precum celuloza (James și colab. 2003) . Mai mult, fibrele solubile determină un răspuns hipolipidemic și hipoglicemiant mult mai pronunțat decât omologii lor insolubili (Fernandez 2001).

Răspunsul hipocolesterolemic variabil la consumul de fibre solubile

Consumul de fibre solubile în apă, formante vâscoase, cum ar fi GG, pectină și psyllium, s-a dovedit în mod constant că reduce colesterolul plasmatic la subiecții umani (Brown și colab. 1999; Knopp și colab. 1999; Schneeman 1999; Butt și colab. 2007 ). Gradul de scădere a colesterolului ca răspuns la consumul de fibre este variabil, în funcție de o serie de factori, inclusiv natura dietei de bază, tipul de fibre dietetice, durata perioadei de adaptare și cantitatea de fibre consumate. Mai mult, o mare parte din această variabilitate a modificărilor lipidice plasmatice raportate ca răspuns la consumul de fibre alimentare se crede că are o bază genetică (Cara și colab. 1992).

Cele mai mari efecte hipolipidemice ca răspuns la consumul de fibre solubile sunt observate în investigațiile modelului animal, în care condițiile experimentale permit aportul de fibre să fie peste ceea ce se observă de obicei la om. Fernandez și colegii săi au raportat o reducere a colesterolului plasmatic total cu până la 43% la cobaii hrăniți cu o dietă bogată în colesterol (0,25%) suplimentată cu 12,5% GG (Shen și colab. 1998). Interesant este faptul că efectul GG de scădere a colesterolului este mai pronunțat atunci când este consumat cu o dietă bogată în colesterol comparativ cu o dietă fără colesterol. La șobolanii hrăniți cu 7,5% GG, Moundras și colegii (1997) au raportat reduceri totale ale colesterolului plasmatic de 14 și 32% cu diete fără colesterol sau bogate în colesterol (0,3%), respectiv. În mod similar, cobaii hrăniți cu diete suplimentate cu 12,5% GG au răspuns cu o reducere de 22% a colesterolului plasmatic total la o dietă cu nivel scăzut de colesterol (0,04%), dar au demonstrat o reducere de 38% a colesterolului plasmatic total la o dietă bogată în colesterol (0,25%) (Fernandez 1995).

Investigațiile clinice raportează de obicei reduceri ale colesterolului cu lipoproteine ​​cu densitate scăzută (LDL) în intervalul 6% -15% (Fernandez 2001). După consumul a 14 g/zi de psyllium la douăzeci de pacienți cu diabet zaharat de tip 2 timp de 6 săptămâni, Sierra și colegii (2002) au observat o reducere a colesterolului total și a LDL-colesterolului cu 7%, respectiv 9%. În plus, o reducere mare (25%) a colesterolului LDL a fost observată la 24 de voluntari sănătoși care au primit 9 g de GG pe zi timp de 4 săptămâni (Khan și colab. 1981). Alternativ, o meta-analiză a 67 de studii controlate de Brown și colegii săi (1999) a sugerat că consumul de 2-10 g de fibre dietetice majore, cum ar fi pectină, tărâțe de ovăz, gumă de guar și psyllium, au dus la reduceri mici, dar semnificative ale totalului și LDL- colesterolului. În cele din urmă, s-a demonstrat că concentrațiile de lipide circulante postprandiale se schimbă favorabil după consumul de fibre dietetice. Consumul unei mese cu conținut ridicat de fibre cu 15,7 g de beta-glucan a redus concentrațiile de colesterol postprandial sub nivelul postului la 11 bărbați sănătoși în comparație cu o masă cu un nivel scăzut de fibre cu 5,0 g de beta-glucan (Bourdon și colab. 1999).

Mecanisme de scădere a colesterolului din fibrele solubile

guma

Abrevieri: ABCG5/G8, transportor de casete cu legare ATP G5 și G8; C, colesterol; CE, ester colesteril; CYP7A, colesterol 7a-hidroxilază; GG, gumă de guar; LDLr, un receptor de lipoproteine ​​cu densitate mică; NPC1L1, Niemann-Pick-C-1 ca 1; SCFA, acizi grași cu lanț scurt; SREBP2, proteina de legare a elementului de reglare a sterolului 2.

Se crede că efectele hipocolesterolemiante ale fibrelor solubile rezultă dintr-o interferență cu circulația enterohe-patică a acizilor biliari (Fernandez 2001). Marlett și colegii (1994) au ajuns la concluzia că consumul de tărâțe de ovăz la bărbații tineri normolipidemici a scăzut colesterolul seric prin modificarea compoziției bazinului de acizi biliari enterohepatici și creșterea pierderii fecale a acizilor biliari totali. Aceste observații au fost demonstrate în continuare în studiile clinice la om de către Lia și colegii (1995), Andersson și colegii (2002) și Ellegård și Andersson (2007). Suplimentarea dietetică a psyllium la un nivel de 10% este asociată cu o creștere dependentă de doză a excreției de acid biliar fecal la șobolani (Buhman și colab. 2000). În mod similar, amidonul rezistent la amilo-porumb nativ, un amidon modificat cu efecte fiziologice similare fibrelor solubile, sa dovedit a crește excreția fecală a acizilor biliari primari la subiecții umani (van Munster și colab. 1994). Interesant este faptul că, în timp ce GG se credea în mod tradițional că reduce absorbția de acid biliar intestinal, o serie de rapoarte la sfârșitul anilor 1990 au sugerat că fluxul de acid biliar intestinal către ficat poate fi de fapt crescut ca răspuns la consumul de GG (Favier și colab. 1998; Moundras și colab. 1997). Moriceau și colab. 2000). Prin urmare, mecanismele tradiționale prin care GG reduce concentrațiile plasmatice ale colesterolului trebuie să fie reevaluate.

Se crede că reducerea absorbției colesterolului intestinal și absorbția bilei ca răspuns la consumul de fibre solubile modifică homeostazia colesterolului hepatic prin reducerea eficientă a concentrațiilor de colesterol în ficat prin două mecanisme conexe. În primul rând, o scădere a livrării colesterolului alimentar în ficat prin resturi de chilomicron duce la o reducere directă a fondului de colesterol hepatic (Fernandez 2001). S-a demonstrat că suplimentarea alimentară cu GG la 12,5% reduce nivelul colesterolului hepatic liber și esterificat cu 21% și, respectiv, 16% la cobai (Fernandez 1995). În al doilea rând, o creștere a pierderii fecale a acizilor biliari și o reducere a dimensiunii bazinului de acid biliar enterohepatic poate stimula ficatul să producă mai mulți acizi biliari din colesterol, reducând astfel concentrațiile hepatice de colesterol liber (van Bennekum și colab. 2005).

Cererea hepatică crescută de colesterol din reducerea indusă de fibre în cantitatea de colesterol microsomal hepatic poate fi satisfăcută prin creșterea absorbției colesterolului lipoproteic din plasmă, eliberarea colesterolului liber din stocarea intracelulară a colesteril esterului și colesterolului membranar, sau prin creșterea sinteza colesterolului hepatic (Fernandez 2001; Rideout și colab. 2007). Sa demonstrat că consumul diferitelor tipuri de fibre solubile crește rata catabolică fracțională a LDL (Vergara-Jimenez și colab. 1998) și expresia hepatică a LDLr (Fernandez 1995; Fukishima și colab. 2001; Han și colab. 2004).

O creștere compensatorie a expresiei HMG-CoA reductazei hepatice, enzima limitativă a ratei în biosinteza colesterolului, este considerată a explica reducerea rezervei hepatice de colesterol liber după consumul de GG (Favier și colab. 1998), fabricate din fibre solubile din așchii de lemn (Chai și colab. 2003), psyllium (Buhman și colab. 2000) și pectină (Garcia-Diez și colab. 1996). S-a sugerat că GG provoacă un efect hipocolesterolemiant chiar și în fața unei creșteri a sintezei colesterolului hepatic, deoarece creșterea activității HMG-CoAr nu este suficientă pentru a compensa pierderea de steroizi fecali la șobolanii hrăniți cu o dietă suplimentată cu 7,5% GG ( Moundras și colab., 1997).

Se consideră că reducerea concentrațiilor hepatice de colesterol liber după consumul de fibre solubile duce la o modificare a metabolismului lipoproteinelor hepatice. Consumul de fibre solubile a fost asociat cu o reducere a secreției hepatice de apolipoproteină B și cu formarea unor particule mari de LDL (VLDL) foarte bogate în trigliceride, bogate în colesteril-ester (Fernandez 2001). Această modificare a căii endogene de colesterol are ca rezultat o particulă VLDL care este mai puțin predispusă la conversia IDL și LDL prin lipaze extrahepatice și particule LDL cu o densitate de vârf ridicată (Roy et al 2000; Fernandez 2001).

Priorități de cercetare în fibrele dietetice și metabolismul colesterolului

Răspunsuri fiziologice individuale la fibrele dietetice

Viitorul alimentelor funcționale în modularea sănătății umane este strâns legat de conceptul de „nutriție personalizată” (Vakili și Caudill 2007). Capacitatea de a adapta în mod specific tratamentul dietetic bazat pe polimorfisme genetice individuale va consolida importanța dietei în prevenirea bolilor și va revoluționa potențial sistemul de îngrijire a sănătății din lume. Deși factorii dietetici sunt modulatori eficienți ai metabolismului celular la nivel molecular, devine din ce în ce mai clar că există o variabilitate considerabilă în răspunsul lipidelor plasmatice la diferite terapii nutriționale de scădere a lipidelor, inclusiv steroli vegetali (Jones et al 1999) și fibre dietetice. Cara și colab. 1992). Acest răspuns variabil interindividual se datorează parțial variațiilor bazei unice în cadrul secvențelor genetice care funcționează ca ținte moleculare ale componentelor bioactive dietetice (Trujillo și colab. 2006). Deși influența polimorfismelor genetice asupra profilului lipoproteinelor ca răspuns la steroli vegetali (Plat și Mensink 2002), colesterolul alimentar (Robitaille și colab. 2007) și izoflavonele din soia (Hall și colab. 2006) au fost studiate pe larg, rolul genotipului în determinarea efectelor hipocolesterolemiante ale fibrelor alimentare a făcut obiectul a puține investigații.

După cum se poate observa din discuția de mai sus, rapoartele publicate cu privire la rolul polimorfismului genic în răspunsul de scădere a colesterolului la fibrele solubile sunt puține și deseori limitate de dimensiunea redusă a eșantionului. Efectele hipocolesterolemiante ale fibrelor alimentare sunt inițiate de evenimente intestinale primare legate de digestia și absorbția grăsimilor și colesterolului din dietă (Lairon 1996). Prin urmare, investigarea asocierii dintre polimorfisme la gene care reglează digestia trigliceridelor intestinale și a colesterolului și a rezultatelor lipoproteinelor plasmatice ca răspuns la consumul de fibre solubile poate fi prudentă. Într-adevăr, trigliceridele pancreatice lipază și carboxil ester lipaza, două enzime implicate în digestia trigliceridelor intestinale și a colesterolului, s-au dovedit a fi extrem de polimorfe și, prin urmare, pot explica o parte din variabilitatea asociată consumului de fibre dietetice (Lidberge și colab. 1992; Cao și Hegele 2003 ).).

Abordarea „omică” a cercetării fibrelor alimentare

Reglarea expresiei genelor și a proteinelor în bucla enterohepatică

Abrevieri: ABCG5, transportor de casete cu legare ATP G5; ABCG8, transportor de casete cu legare ATP G5; ACAT, acil-coenzima A: colesterol aciltransferaza; ASBT, transportor apical de acid biliar dependent de sodiu; C, colesterol; CE, ester colesteril; CEL, carboxil ester lipaza; CYP7A, colesterol 7α-hidroxilază; HDL, lipoproteine ​​de înaltă densitate; ABCA1, transportor de casete cu legare ATP A1; HMG-CoAr, 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA reductază; LDLr, un receptor de lipoproteine ​​cu densitate mică; NPC1L1, Niemann-Pick-C-1 ca 1; SR-B1, receptor de captare clasa B, tip 1; VLDL, o lipoproteină cu densitate foarte mică.

În al doilea rând, ca răspuns la consumul de GG, am observat o creștere a expresiei mARN-ului ABCG5/G8 hepatic și a expresiei proteinelor și a concentrației de colesterol biliar în comparație cu porcii hrăniți cu control (Rideout 2007; Rideout and Fan 2008). În mod tradițional, prin interferența cu circulația enterohepatică și absorbția intestinală a acizilor biliari, se crede că consumul de fibre solubile modulează excreția de colesterol din întregul corp prin stimularea catabolismului colesterolului în acizi biliari (Trautwein și colab. 1998). Cu toate acestea, o cale suplimentară cantitativ importantă de excreție a colesterolului apare prin secreția biliară și eventuala pierdere fecală a colesterolului liber (Spritz și colab. 1965). Datele noastre recente sugerează că stimularea secreției de colesterol liber biliar prin ABCG5/G8 hepatică poate exista ca un mecanism nou prin care consumul de GG stimulează pierderea de colesterol din întregul corp și reduce în mod eficient concentrațiile plasmatice de colesterol (Rideout 2007; Rideout and Fan 2008).

Ambele abordări moleculare tradiționale vizate și tehnologia nouă cu randament ridicat pot fi utilizate pentru a obține o înțelegere mai cuprinzătoare a modului în care consumul de fibre solubile din dietă reglează modelele de exprimare a genelor și proteinelor. Spre deosebire de alte componente bioactive dietetice despre care se crede că reglează direct transcripția genelor hepatice care răspund la colesterol (Mezei și colab. 2003), componentele fibrelor dietetice nu sunt absorbite din tractul gastro-intestinal și, prin urmare, se crede că influențează homeostazia colesterolului hepatic prin semnalizare secundară. sisteme. și metaboliți (Fernandez 1995). Prin urmare, pentru a delimita complet evenimentele moleculare prin care consumul de fibre solubile modulează metabolismul colesterolului periferic, va fi esențial să se determine semnalele moleculare care sunt implicate în medierea acestor efecte secundare.

Concluzii

Note de subsol

Dezvăluire

Autorii nu raportează niciun conflict de interese în această lucrare.