Ανάλυση μοριακών και βιοχημικών δεδομένων δοκιμασίων για προϊόντα υγείας και αγροδιατροφής

Abstract

The present Ph.D. thesis focuses on the synthesis of data from assays concerning molecular and biochemical parameters of health and agri-food products. The synthesis of scientific outcomes from various primary studies constitutes a foundation of modern scientific research. It is based on Evidence-Based Practice methodology, utilizing tools such as systematic review and the statistical methodology of meta-analysis. Systematic review is a thorough and organized process of literature review, which follows strict criteria for the collection and evaluation of research data, aiming to resolve specific research questions. Meta-analysis, as part of systematic review, is a valuable tool for the quantitative synthesis of data across a wide range of studies, such as the study of biochemical assay outcomes of agri-food products as well as diagnostic tests. Initially, the present Ph.D. thesis focused on the study of biochemical analysis data on the antioxidant activity of stevia leaf extracts. The selection of this topic was determined by the growing interest of both scientists and consumers in phytochemical compounds, which are recognized for their antioxidant activity and their contribution to a healthier lifestyle. In recent years, stevia has gained great increasing interest among consumers and food industry mainly due to its use as a natural, calorie-free sweetener. Within the research framework, meta-analyses were conducted on data from various methodologically different assays (DPPH, ABTS, FRAP, ORAC, POX, SOD, CAT, MDA) for evaluating the antioxidant activity of different stevia leaf extracts, both in vitro and in vivo. Meta-analysis showed that the antioxidant capacity of the hydroalcoholic extracts was superior to that of the aqueous and organic extracts, and that the optimal extraction of antioxidant compounds is achieved using a solvent mixture of ethanol and water at a 1:1 ratio. Moreover, the results showed that the administration of stevia extracts to rats significantly restored antioxidant markers. In addition, the antiproliferative activity of stevia leaf extracts were investigated using the meta-analysis methodology with data from assays based on different chemical principles. The findings indicated that the antiproliferative effect of stevia is attributed to its polyphenols, and that neural cancer cells are more responsive to this effect. Within the outline of investigating large-scale data analysis methodologies and due to the contemporary relevance of COVID-19, the diagnostic value of rapid antigen detection tests for the SARS-CoV-2 virus was studied. Through meta-analysis, the sensitivity and specificity of the tests were determined, which were compared to the reverse transcription real-time polymerase chain reaction method (RT-PCR), which is considered the gold standard, reference test. Specificity was found to be high across all rapid diagnostic tests, while sensitivity was shown to depend on viral load. In the last decade, there has been intensive research on the microbiomes of various ecosystems, and large-scale biological data are being produced. Using stevia as a model organism, this study investigated for the first time in Greece the microbial profile of its root and rhizospheric soil, which plays a crucial role in plant health. The study was conducted using the 16S rRNA gene sequencing technique, which included laboratory-based molecular methods for generating sequence data, followed by bioinformatics tools for the analysis and interpretation of these data. The results revealed distinct microbial compositions across root compartments, with the rhizosphere exhibiting higher microbial diversity.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη σύνθεση δεδομένων από μοριακές και βιοχημικές δοκιμασίες που αφορούν προϊόντα υγείας και αγροδιατροφής. Η σύνθεση επιστημονικών στοιχείων και αποτελεσμάτων από διάφορες πρωτογενείς μελέτες αποτελεί θεμέλιο της σύγχρονης επιστημονικής έρευνας. Βασίζεται στη Μεθοδολογία Βάσει Αποδείξεων (Evidence Based Practice), αξιοποιώντας εργαλεία όπως η συστηματική ανασκόπηση και η στατιστική μεθοδολογία της μετα-ανάλυσης. Η συστηματική ανασκόπηση είναι μια διεξοδική και οργανωμένη διαδικασία ανασκόπησης βιβλιογραφίας, η οποία ακολουθεί αυστηρά κριτήρια για τη συλλογή και αξιολόγηση ερευνητικών δεδομένων, στοχεύοντας στην επίλυση συγκεκριμένων ερευνητικών ερωτημάτων. Η μετα-ανάλυση, ως μέρος της συστηματικής ανασκόπησης, είναι ένα πολύτιμο εργαλείο για την ποσοτική σύνθεση των δεδομένων σε ένα ευρύ φάσμα μελετών, όπως η μελέτη δοκιμασιών βιοχημικών χαρακτηριστικών αγροδιατροφικών προϊόντων καθώς και διαγνωστικών δοκιμασιών. Αρχικά η παρούσα διατριβή επικεντρώθηκε στη μελέτη δεδομένων βιοχημικών αναλύσεων αντιοξειδωτικής δραστικότητας εκχυλισμάτων φύλλων στέβιας. Η επιλογή αυτού του θέματος καθορίστηκε από το αυξανόμενο ενδιαφέρον τόσο των επιστημόνων όσο και των καταναλωτών για τις φυτοχημικές ενώσεις, οι οποίες αναγνωρίζονται για την αντιοξειδωτική τους δράση και τη συμβολή τους σε έναν πιο υγιεινό τρόπο ζωής. Τα τελευταία χρόνια η στέβια έχει κερδίσει μεγάλη δημοτικότητα μεταξύ των καταναλωτών κυρίως λόγω της χρήσης της ως φυσικό γλυκαντικό χωρίς θερμίδες. Στο πλαίσιο της έρευνας πραγματοποιήθηκαν μετα-αναλύσεις σε δεδομένα ποικίλων δοκιμασιών (DPPH, ABTS, FRAP, ORAC, POX, SOD, CAT, MDA) αξιολόγησης αντιοξειδωτικής δραστικότητας διαφόρων εκχυλισμάτων φύλλων στέβιας τόσο in vitro όσο και in vivo. Η μετα-ανάλυση έδειξε ότι η αντιοξειδωτική ικανότητα των υδροαλκοολικών εκχυλισμάτων ήταν ανώτερη από αυτή των υδατικών και των οργανικών εκχυλισμάτων και ότι η βέλτιστη εκχύλιση αντιοξειδωτικών ενώσεων πραγματοποιείται με μείγμα διαλυτών αιθανόλης-νερού σε αναλογία 1:1. Παράλληλα, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η χορήγηση εκχυλισμάτων στέβιας σε επίμυες αποκαθιστά σε μεγάλο βαθμό τους αντιοξειδωτικούς δείκτες. Διερευνήθηκε επίσης η αντιπολλαπλασιαστική δραστικότητα εκχυλισμάτων φύλλων στέβιας με τη μεθοδολογία της μετα-ανάλυσης δεδομένων από δοκιμασίες που βασίζονται σε διαφορετικές αρχές μεθόδου. Τα ευρήματα έδειξαν ότι η αντιπολλαπλασιαστική δράση της στέβιας αποδίδεται στις πολυφαινόλες της και ότι τα νευρικά καρκινικά κύτταρα ανταποκρίνονται καλύτερα στη δράση αυτή. Στο πλαίσιο διερεύνησης μεθοδολογιών ανάλυσης δεδομένων μεγάλου όγκου αλλά και λόγω της επικαιρότητας του θέματος μελετήθηκε η διαγνωστική αξία των δοκιμασιών ταχείας ανίχνευσης αντιγόνων του ιού SARS CoV-2. Μέσω μετα-ανάλυσης προσδιορίστηκαν η ευαισθησία και η ειδικότητα των δοκιμασιών, οι οποίες συγκρίθηκαν με τη μέθοδο της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης αντίστροφης μεταγραφής πραγματικού χρόνου (Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction, RT-PCR), η οποία θεωρείται η πρότυπη δοκιμασία αναφοράς. Η ειδικότητα βρέθηκε υψηλή σε όλες τις ταχείες διαγνωστικές δοκιμασίες, ενώ η ευαισθησία βρέθηκε ότι εξαρτάται από το ιικό φορτίο.Την τελευταία δεκαετία γίνεται έντονη έρευνα πάνω στα μικροβιώματα διαφόρων οικοσυστημάτων και παράγονται βιολογικά δεδομένα μεγάλου όγκου. Έχοντας ως πρότυπο οργανισμό τη στέβια, στην παρούσα εργασία μελετήθηκε για πρώτη φορά στην Ελλάδα το μικροβιακό προφίλ της ρίζας και του χωμάτινου περιβλήματος της, το οποίο διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στην υγεία του φυτού. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε με τη χρήση τεχνικής αλληλούχησης γονιδιώματος 16S rRNA, η οποία αποτελεί μοριακή μέθοδο ανάλυσης, και τα δεδομένα της αξιολογήθηκαν με εργαλεία βιοπληροφορικής. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν διαφοροποίηση της μικροβιακής σύνθεσης ανά τμήμα ρίζας, με το τμήμα του χωμάτινου περιβάλλοντος της να παρουσιάζει υψηλότερη μικροβιακή ποικιλότητα.