Cystic fibrosis (CF) is a fatal inherited disease characterized by chronic, persistent and exaggerated inflammation. The airways of CF patients exhibit a sustained influx of neutrophils and interleukin (IL)-8, the major neutrophil chemoattractant. Anti-inflammatory therapy is a focus of CF treatment, with a clear need for novel, safe and effective therapies. Whey proteins have been attributed a number of biological activities, including antioxidant and anti-inflammatory effects. Previous research has suggested a suppression of the inflammatory response to tumor necrosis factor (TNF)alpha by whey protein hydrolysates (WPH) in respiratory epithelial cell lines. Furthermore, it is suggested that hyperbaric pressure (HP) treatment of whey proteins can potentiate their biological activities. The effect of HP treatment on the digestibility, anti-inflammatory and antioxidant activity of whey protein isolates (WPI) was explored in a series of mechanistic in vitro studies and in a clinical trial. Hydrolysates of pressurized (pWPH) and native (nWPH) whey protein isolates were generated using two differing in vitro digestion protocols that mimic human gastrointestinal digestion. Hyperbaric pressure pre-treatment resulted in enhanced in vitro digestibility and antioxidant activity of WPI regardless of major differences in enzymatic conditions and the resulting peptide profiles, signifying that pressure processing generates an enhanced release of bioactive peptides regardless of the proteolytic environment. The peptide profiles obtained from the hydrolysates of pWPH exhibited quantitative and qualitative differences from those of nWPH. To explore the possible mechanisms by which WPH may exert their anti-inflammatory effects, wild-type and cystic fibrosis (CF) conductance regulator-deficient cells were treated with either nWPH or pWPH and stimulated with TNFalpha, interleukin (IL)-1beta or lipopolysaccharide (LPS). Both nWPH and pWPH suppressed LPS-induced IL-8 secretion, although pWPH were more potent requiring lower doses to exert significant inhibition. pWPH increased the ferric-reducing antioxidant activity of cell culture supernatant in both cell lines. Neither type of hydrolysate suppressed TNFalpha- or IL-1beta-induced IL-8 secretion. Since LPS and IL-1beta, beyond the activation of their respective receptors, share a common intracellular pathway, further experiments were conducted on signalling events that occur prior to the convergence of the two pathways, at the level of Toll-like receptor (TLR)4. There was no effect of either nWPH or pWPH on the cell membrane expression of TLR4. Neither type of WPH exhibited direct binding and neutralization of LPS, but both significantly reduced the binding of LPS to cell surface receptors. It is therefore likely that the WPHs exerted the observed LPS-induced IL-8 suppression by suppressing the binding of LPS to its receptor with the consequent inhibited activation of TLR4. To explore the possible in vivo clinical effects of pressurized WPI, a one-month, open-label pilot study of supplementation with pressurized WPI in children and adults with CF was conducted. Nutritional status was enhanced in both children and adults. An improvement in lung function was observed in children, and C-reactive protein decreased in the majority of patients with initially high values. Overall, the thesis results provide a novel mechanism by which whey proteins and pressurized whey can exert anti-inflammatory effects and suggest new potential avenues for the use of pressurized whey protein isolate as a nutrition-based anti-inflammatory therapeutic or preventative agent. / La fibrose kystique (FK) est une maladie héréditaire fatale caractérisée par une inflammation chronique et exagérée. Les voies respiratoires des patients atteints de FK présentent un afflux soutenu de neutrophiles et d'interleukine (IL)-8, l'agent chimiotactique majeur des neutrophiles. La thérapie anti-inflammatoire est un focus du traitement de la FK et il existe un besoin évident de nouvelles thérapies sûres et efficaces. Des effets biologiques, incluant des effets antioxydants et anti-inflammatoires ont été attribués aux protéines de lactosérum. Des recherches antérieures ont suggéré une suppression de la réponse inflammatoire induite par le facteur de nécrose tumorale (TNF)alpha par des hydrolysats de protéines de lactosérum (WPH). De plus, il a été suggéré que le traitement par pression hyperbare (PH) des isolats de protéines de lactosérum (WPI) peut potentialiser leurs activités biologiques. Les effets d'un traitement PH sur la digestibilité et les activités anti-inflammatoires et antioxydants des WPI ont été explorés dans une série d'études mécanistes in vitro et dans un essai clinique. Des hydrolysats de protéines de lactosérum pressurisées (pWPH) et non pressurisées (nWPH) ont été générés par le moyen de deux différents protocoles de digestion in vitro imitant le processus de digestion gastro-intestinal humain. Le prétraitement HP a entrainé une augmentation de la digestibilité in vitro et de l'activité antioxydante des WPI, malgré les différences entre les deux protocoles de digestion et entre les profiles de peptides résultant des digestions, signifiant que la pression génère une augmentation des peptides bioactifs générés quel que soit l'environnement protéolytique. Les profiles des peptides des pWPH ont exhibé des différences qualitatives et quantitatives comparés aux nWPH. Pour explorer les mécanismes possibles par lesquels WPH pourraient exercer leurs effets anti-inflammatoires, des lignées cellulaires normales et déficientes du Régulateur de la Conductance Transmembranaire Mucoviscidose (CFTR) ont été traitées avec nWPH ou pWPH et stimulées avec TNFalpha, IL-1beta, ou lipopolysaccharide (LPS). Les nWPH et pWPH ont diminué la sécrétion d'IL-8 induite par LPS, bien que les pWPH aient été plus puissants, requérant de moindres doses pour exercer une inhibition significative. pWPH a augmenté l'activité antioxydante des surnageants des cultures des deux lignées cellulaires. Aucun type de WPH n'a inhibé la sécrétion d'IL-8 induite par TNFalpha ou IL-1beta. Puisque LPS et IL-1beta partagent une voie commune de signalisation suivant l'activation de leurs récepteurs respectifs, des expériences ont été menées sur des événements prenant place en amont de la convergence des deux voies de signalisation, au niveau du récepteur Toll-like receptor (TLR)4. Les nWPH ni les pWPH n'ont eu d'effet sur l'expression du TLR4, mais la liaison entre LPS et les récepteurs de surface a été réduite par les deux traitements. Aucun WPH n'a exhibé de liaison directe ou de neutralisation du LPS. Il est donc probable que les WPHs aient exercé la suppression d'IL-8 induite par LPS en inhibant la liaison du LPS avec son récepteur et par conséquent l'activation du TLR4. Pour explorer les effets cliniques in vivo des WPI pressurisés, un essai clinique pilote d'une durée d'un mois a été mené, où des enfants et adultes souffrant de FK ont été supplémentés avec des protéines pressurisées. Le statut nutritionnel des enfants et adultes a été amélioré. Une amélioration des fonctions pulmonaires chez les enfants a été observée et le taux sanguin de protéine C réactive a diminué chez la majorité des patients chez qui les taux étaient élevés au début de l'étude. Globalement, les résultats de cette dissertation fournissent un nouveau mécanisme par lequel les WPI pressurisés peuvent exercer des effets anti-inflammatoires et suggèrent de nouvelles avenues potentielles pour l'usage des WPI pressurisés en tant qu'agent nutritionnel thérapeutique ou préventif.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104624 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Iskandar, Michele |
| Contributors | Larry Lands (Supervisor2), Stan Kubow (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (School of Dietetics and Human Nutrition) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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