Χορήγηση φυσικών βιοδραστικών εκχυλισμάτων από μικροφύκη, παρασκευασμένων σε μορφές ελεγχόμενης αποδέσμευσης, σε μοντέλα ασκησιογενούς μυϊκής βλάβης: μελέτη αντιοξειδωτικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων τους

Abstract

Theoretical Background: Exercise-induced muscle damage (EIMD) is a complex physiological phenomenon that occurs primarily as a result of intense or unusual exercise for the individual being tested. The underlying mechanisms include mechanical stress, oxidative stress, and inflammation. Consequently, AMB is a user-friendly, dynamic, and information-rich model of inflammation and oxidative stress that can be applied to assess the anti-inflammatory or antioxidant effects of dietary patterns, foods, supplements, nutrients, or phytochemicals. However, because excessive accumulation of reactive oxygen and nitrogen species (RONS) in muscle cells leads to adverse clinical consequences for athletes, this issue must be addressed, as it can hinder recovery even in high-level athletes. Spirulina has garnered significant attention for its antioxidant and anti-inflammatory properties; however, it’s in vivo antioxidant activity is determined by the bioavailability of the phytochemicals it contains. Microencapsulation could protect the bioactive phytochemical compounds in spirulina and allow for their controlled release. Aim: Based on the above, the objectives of this thesis were: a) The effect of Spirulina Nigrita® supplementation on markers of AMB, oxidative stress, and inflammation following an eccentric exercise protocol (Section 1), b) Detection of volatile alkanes in the volunteers’ exhaled air—Study of their kinetics and their relationship to markers of oxidative stress and inflammation (Section 2), c) Development and characterization of encapsulated structures of polyphenolic compounds derived from Spirulina Nigrita® in a whey protein and pullulan matrix (Section 3), d) Comparison of the antioxidant and anti-inflammatory properties of microencapsulated and non-microencapsulated phenolic extracts before and after an in vitro digestion model (Section 4). Methodology: The dietary intervention with spirulina supplementation was a double-blind, crossover study of healthy volunteers with moderate physical activity who received (42 mg/kg BW per day) of Spirulina Nigrita or a placebo (maltodextrin) for 15 days before performing an eccentric exercise protocol on the non-dominant arm, with a 6-week washout period between the two arms of the study. Anthropometric characteristics, performance and mobility indices, markers of muscle damage, metabolic markers, inflammatory markers, and oxidative stress markers were assessed at 1, 24, 48, and 72 hours after exercise. At the same time points, exhaled air samples were collected and analyzed by gas chromatography–mass spectrometry (GC-MS) using a thermal desorption unit (TDU). Incorporated structures of polyphenolic compounds derived from Spirulina Nigrita were developed in a whey protein and pullulan matrix using electrospinning and spray drying. The total phenolic content was determined, and the degradation kinetics of polyphenolic compounds in Spirulina, both encapsulated and non-encapsulated, were studied. Finally, the release of the components was studied in a gastrointestinal tract simulation system, and the antioxidant and antiplatelet activity of the phenolic extracts from the microencapsulated and non-encapsulated forms of spirulina was evaluated following a standardized static in vitro digestion method. Results: Spirulina Nigrita supplementation did not affect changes in the classic markers of exercise-induced muscle damage or the redox profile before and after exercise. A sex-dependent reduction in IL-6 was observed only in male volunteers, suggesting an anti-inflammatory role for IL-6. Furthermore, spirulina supplementation appears to have an immunomodulatory effect by attenuating the reduction in salivary cortisol and causing a sustained decrease in salivary sIgA concentration after exercise. Consequently, beyond its anti-inflammatory role, spirulina supplementation does not have a beneficial effect on AMB or on markers of exercise-induced stress following eccentric exercise. Our study demonstrated, for the first time, that exercise can alter the levels of several measured volatile alkanes in exhaled air. Spirulina leads to lower concentrations of 2-methylpentane, 3-methylpentane, and 4-methylpentane. Consequently, supplemental spirulina administration and eccentric exercise can influence the profile of volatile alkanes in exhaled breath; thus, exhaled breath analysis could serve as a tool for monitoring exercise-induced muscle damage caused by exercise (EAM). Finally, encapsulating a phenolic extract from Spirulina Nigrita in a whey protein-pullulan matrix, either by electrospinning or spray drying, produced encapsulated particles that enable controlled release of the encapsulated components and may increase the bioavailability of the phenolic compounds. Microencapsulation via spray drying is a promising technique for preserving the antioxidant and antiplatelet activity of the phenolic compounds in Spirulina Nigrita, which could lead to the development of supplements with a protective effect against exercise-induced muscle damage

Θεωρητικό υπόβαθρο: Η μυϊκή βλάβη που προκαλείται από την άσκηση (ΑΜΒ) είναι ένα σύνθετο φυσιολογικό φαινόμενο που εμφανίζεται κυρίως λόγω έντονης ή ασυνήθιστης, για το δοκιμαζόμενο, άσκησης. Οι υποκείμενοι μηχανισμοί περιλαμβάνουν μηχανικό στρες, οξειδωτικό στρες και φλεγμονή. Συνεπώς, η ΑΜΒ αποτελεί ένα εύχρηστο, δυναμικό και πληροφοριακά πλούσιο μοντέλο φλεγμονής και οξειδωτικού στρες που μπορεί να εφαρμοστεί για την εκτίμηση της αντιφλεγμονώδους ή αντιοξειδωτικής δράσης διατροφικών προτύπων, τροφίμων, συμπληρωμάτων, θρεπτικών συστατικών ή φυτοχημικών ενώσεων. Ωστόσο, επειδή η υπερβολική συσσώρευση δραστικών μορφών οξυγόνου και αζώτου (RONS) στον μυϊκό κύτταρο έχει ως αποτέλεσμα αρνητικές κλινικές επιπτώσεις για τον αθλητή χρήζει αντιμετώπισης αφού μπορεί να δυσχεράνει την αποκατάσταση ακόμα και αθλητών υψηλού επιπέδου. Η σπειρουλίνα, έχει τεθεί στο επίκεντρο της προσοχής λόγω των αντιοξειδωτικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων της αλλά ή in-vivo αντιοξειδωτική δράση της καθορίζεται από τη βιοδιαθεσιμότητα των φυτοχημικών ενώσεων που περιέχει. Η μικροενθυλάκωση θα μπορούσε να προστατεύσει τις φυτοχημικές βιοδραστικές ενώσεις της σπειρουλίνας και να επιτρέψει την ελεγχόμενη αποδέσμευση τους. Σκοπός: Βάση των παραπάνω σκοποί της παρούσας διατριβής ήταν: α) Διερεύνηση της επίδραση της χορήγησης συμπληρώματος Spirulina Nigrita σε δείκτες ΑΜΒ, οξειδωτικού στρες και φλεγμονής μετά από πρωτόκολλο έκκεντρης άσκησης (ενότητα 1), β) Ανίχνευση πτητικών αλκανίων στον εκπνεόμενο αέρα των εθελοντών – Μελέτη της κινητικής τους και της σχέσης τους με δείκτες ΑΜΒ, οξειδωτικού στρες και φλεγμονής (ενότητα 2), γ) Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός εγκλεισμένων δομών πολυφαινολικών ενώσεων που προέρχονται από Spirulina Nigrita® σε μήτρα πρωτεΐνης ορού γάλακτος και πουλλουλάνης (ενότητα 3), δ) Σύγκριση των αντιοξειδωτικών και αντιφλεγμονωδών ιδιοτήτων των μικροενθυλακωμένων και μη μικροενθυλακωμένων φαινολικών εκχυλισμάτων πριν και μετά από μοντέλο τεχνητής πέψης (ενότητα 4). Μεθοδολογία: Η διατροφική παρέμβαση με συμπλήρωμα σπειρουλίνας ήταν μία διπλά τυφλή διασταυρούμενη μελέτη υγιών εθελοντών με μέτρια σωματική δραστηριότητα που έλαβαν (42mg Kg−1 BW ανά ημέρα) Spirulina Nigrita ή εικονικό φάρμακο (μαλτοδεξτρίνη) για 15 ημέρες πριν από την εκτέλεση ενός πρωτοκόλλου έκκεντρης άσκησης στο μη κυρίαρχο χέρι με περίοδο wash-out 6 εβδομάδων μεταξύ των δύο σκελών της μελέτης. Αξιολογήθηκαν ανθρωπομετρικά χαρακτηριστικά, δείκτες απόδοσης και κινητικότητας, δείκτες μυϊκής βλάβης, μεταβολικοί δείκτες, δείκτες φλεγμονής, καθώς και δείκτες οξειδωτικού στρες στις 1, 24, 48 και 72 ώρες μετά την άσκηση. Στις ίδιες στιγμές συλλέχθηκαν δείγματα εκπνεόμενου αέρα που αναλύθηκαν με αέρια χρωματογραφία/φασματομετρία μάζας (GC-MS) σε συνδυασμό με μονάδα θερμικής εκρόφησης (TDU). Έγινε ανάπτυξη εγκλεισμένων δομών πολυφαινολικών ενώσεων που προέρχονται από Spirulina Nigrita σε μήτρα πρωτεΐνης ορού γάλακτος και πουλλουλάνης με ηλεκτροστατική ινοποίηση και ξήρανση με ψεκασμό. Προσδιορίσθηκε το ολικό φαινολικό φορτίο και μελετήθηκε η κινητική αποδόμησης των πολυφαινολικών ενώσεων της σπειρουλίνας σε εγκλεισμένη και μη μορφή. Τέλος, μελετήθηκε η αποδέσμευση των συστατικών σε σύστημα προσομοίωσης γαστρεντερικής οδού και αξιολογήθηκε η αντιοξειδωτική και αντιαιμοπεταλιακή δράση των φαινολικών εκχυλισμάτων των μικροενθυλακωμένων και μη μορφών της σπειρουλίνας, που προέκυψαν μετά από σύστημα τεχνητής πέψης. Αποτελέσματα-Συμπεράσματα: Η χορήγηση Spirulina Nigrita δεν επηρέασε τις μεταβολές των κλασσικών δεικτών ασκησιογενούς μυϊκής βλάβης αλλά και το οξειδοαναγωγικό προφίλ πριν και μετά την άσκηση. Παρατηρήθηκε μία φυλοεξαρτώμενη μείωση της IL-6 μόνο στους άντρες εθελοντές που υποδεικνύει τον αντιφλεγμονώδη ρόλο της. Επίσης, η χορήγηση σπειρουλίνας φαίνεται ότι έχει ανοσοτροποποιητικό ρόλο εξασθενώντας τη μείωση της σιελικής κορτιζόλης και προκαλώντας μια διατηρούμενη μείωση της συγκέντρωσης της σελικής sIgA μετά την άσκηση. Συνεπώς, πέρα από τον αντιφλεγμονώδη ρόλο της, η χορήγηση σπειρουλίνας δεν εμφάνισε ευνοϊκή δράση στην ΑΜΒ και σε δείκτες ασκησιογενούς στρες μετά από έκκεντρη άσκηση. Η μελέτη μας έδειξε για πρώτη φορά ότι η άσκηση μπορεί να οδηγήσει σε μεταβολές στα επίπεδα αρκετών μετρούμενων πτητικών αλκανίων στον εκπνεόμενο αέρα. Η σπειρουλίνα οδηγεί σε χαμηλότερες συγκεντρώσεις των 2-μεθυλοπεντάνιο, 3-μεθυλοπεντάνιο και 4-μεθυλοοκτάνιο. Συνεπώς, η συμπληρωματική χορήγηση σπειρουλίνας και η έκκεντρη άσκηση μπορούν να επηρεάσουν το προφίλ των πτητικών αλκανίων στον εκπνεόμενο αέρα άρα η ανάλυση εκπνεόμενου αέρα θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως εργαλείο για την παρακολούθηση της μυϊκής βλάβης που προκαλείται από την άσκηση (ΑΜΒ). Τέλος, ο εγκλεισμός φαινολικού εκχυλίσματος Spirulina Nigrita σε μήτρα πρωτεΐνης ορού γάλακτος και πουλουλάνης, είτε με ηλεκτροστατική ινοποίηση είτε με ξήρανση με ψεκασμό οδήγησε σε εγκλεισμένες μορφές που οδηγούν σε ελεγχόμενη αποδέσμευση των εγκλεισμένων συστατικών και μπορούν να αυξήσουν τη βιοδιαθεσιμότητα των φαινολικών ενώσεων. Η μικροενθυλάκωση με ξήρανση με ψεκασμό αποτελεί μια υποσχόμενη τεχνική για την διατήρηση της αντιοξειδωτικής και αντιαιμοπεταλιακής δράσης των φαινολικών ενώσεων της Spirulina Nigrita που θα μπορούσε να οδηγήσει στη παρασκευή συμπληρωμάτων με προστατευτική δράση έναντι της ασκησιογενούς μυϊκής βλάβης.