Rischi e benefici dei fitoestrogeni: l`importanza di conoscere i

SICURA- QsA 2011 Modena, 28 settembre 2011
Contaminanti e nutrienti negli alimenti:
valutazione del Rischio Beneficio
Rischi e benefici dei fitoestrogeni:
l’importanza di conoscere i meccanismi di azione
STEFANO LORENZETTI
[email protected]
Dipartimento di Sanità
Sanità Pubblica Veterinaria e Sicurezza Alimentare
Reparto di Tossicologia Alimentare e Veterinaria
Istituto Superiore di Sanità
Sanità (ISS), Roma
I fitoestrogeni: definizioni
“ …any plant substance or metabolite that induces biological responses in vertebrates &
can mimic or modulate the actions of endogenous estrogens
usually by binding to estrogen receptors.”
(COT Report 2003 on Phytoestrogens and Health - UK Food Standard Agency)
Molecole bioattive non nutrienti naturalmente presenti in frutta e verdura e, in generale,
negli alimenti di origine vegetale della filiera agro-alimentare le quali:
1.Possiedono una struttura chimica estrogeno-simile;
2.Legano il recettore estrogeno ERα
α
3.Inducono l’espressione genica di geni estrogeno-regolati
4.Stimolano la proliferazione di particolari linee cellulari umane (E-screen)
Definiti anche endocrine disrupters (ED) o interferenti endocrini (IE) in quanto capaci
di modulare il metabolismo endocrino generalmente mediante il loro legame con i
RECETTORI NUCLEARI (nell’uomo 48): ERs, ERRs, AR, AhR, ThR, PxR, etc…
I fitoestrogeni: principali strutture chimiche di riferimento
FLAVONOIDI
Isoflavoni: Genisteina, Daidzeina
Flavonoli: Quercetina
Flavanoli: Luteolina e Apigenina
Flavanoni: Naringenina
Classificazione dei fitoestrogeni
Figure 1. Classification of phytoestrogens.
Lorenzetti, NutraFOODS 2005
ISOFLAVONES (IFs)
Genistein, Daidzein, Glycitein,
Formononetin, Biochanin A, …
FLAVONOLS
Quercetin, Kaempferol, Rutin, …
IFs-PRECURSORS
Deoxybenzoins
IFs-METABOLYTES
Equol, …
FLAVONES
Apigenin, Luteolin, …
FLAVONOIDS
FLAVANONES
Naringenin, Hesperidin, …
FLAVANOLS / CATECHINS
Epigallocatechin-3-gallate (EGCG), …
ANTHOCYANINS / STILBENES
Cyanidin-3-glycoside (C3G) or kuromanin,
trans-resveratrol, …
PHYTOESTROGENS
COUMESTANS
Coumestrol, …
PRENYL-FLAVONOIDS
8-prenylnaringenin,
Xanthohumol, Isoxanthohumol, …
NON - FLAVONOIDS
PLANT LIGNANS
Matairesinol,
Isolariciresinol,
Secoisolariciresinol,
Lariciresinol, Pinoresinol,
Syringaresinol, …
MAMMALIAN
LIGNANS
Enterodiol,
Enterolactone
PRINCIPALI MECCANISMI DI AZIONE DEI FITOESTROGENI
MECCANISMO D’AZIONE DELL’ E2 E DEI FITOESTROGENI
Principali effetti cellulari dei fitoestrogeni
Diversamente dai micro-nutrienti, i fitoestrogeni sono definiti come molecole non nutrienti
o interferenti endocrini di origine naturale…
… a differenza dei micro-nutrienti non se ne conoscono malattie da carenza!!!
Potenziali effetti benefici sulla
salute sono ampiamente
reclamizzati
Assenza valutazione rischiobeneficio (supplementazione e
fortificazione!)
Diversi “bersagli
molecolari”
molecolari” associati a
molti processi biologici
e a diverse condizioni
fisiofisio-patologiche.
Biological properties of genistein: cellular level
• Induction of apoptosis
• Induction of differentiation
• Inhibition of cell proliferation
• Modulation of cell cycle progression
• Antioxidant effects
• Reversal of multidrug resistance to anticancer drugs
• Inhibition of angiogenesis
• Suppression of osteoclastic function
• Suppression of lymphocyte activation and proliferation
• Mast cell stabilization and mild anti-inflammatory
properties
Biological properties of genistein: suggested applications
• Cancers
• Postmenopausal bone loss and osteoporosis
• Cardiovascular diseases
• Menopause
• Cystic fibrosis
PHYTOESTROGENS AND WESTERN DISEASES: POTENTIAL
HEALTH BENEFITS
• Hormone-altering
• Estrogenic-antiestrogenic
• Antioxidative
• Cancer protective, anticarcinogenic
• Anti-proliferative
• Cardioprotective, antiatherogenic, hypocholesterolemic
• Bone-maintaining
• Antiviral, antibacterial, insecticidal, or fungistatic
ESPOSIZIONE AGLI ISOFLAVONI DELLA SOIA
MEDIANTE ASSUNZIONE DI ALIMENTI
CHINA and JAPAN
intake
up to 100 mg/day of isoflavone
J. Nutr., 2000, 130:2590130:2590-2593
Nutr. Cancer, 1999, 33:8233:82-87
Nutr. Cancer, 1997, 29:22829:228-233
Am. J. Clin. Nutr., 1991, 54:109354:1093-1100
USA
intake
less than 1 mg/day of isoflavone
J. Nutr., 2001, 131:1826131:1826-1832
(Framingham study)
EUROPE
less than 1 mg/day of isoflavone
intake
(Ireland, Italy, Netherlands, (up to 6-10 mg/day among soy foods
United
Kingdom)
Impossibile
ottenere tali livelli diconsumers)
esposizione agli isoflavoni con gli alimenti
Br. J.della
Nutr.,
2003,
89 (Suppl.1):S25S30
(Suppl.1):S25
tipici
dieta
mediterranea,
in cui -flavonoidi,
antocianine e lignani sono i
fitoestrogeni caratteristici di frutta e verdura.
ISOFLAVONE FOOD FORTIFICATION LEVELS:
a consensus panel recommendation (FASEB J., 2000, 14:36)
CARDIOVASCULAR RISK REDUCTION
40-60 mg aglycones/day
60 mg aglycones/day
mg aglycones/day
CANCER PREVENTION
50-110
mg aglycones/day
recommended isoflavone intake: 60mg aglycones/day
60-100
with the lower dose considered as “reasonable and responsible”
responsible” (?)
RELIEF OF MENOPAUSE SYMPTOMS
90
BONE HEALTH BENEFITS
• No significant clinical effects are reported on human infants
(up to 9.6 mg IF/kg BW/day)
Proc.Soc.Exper.Biol.Med., 1998, 217:247217:247-253
• No significant toxicity is reported in human adults on a short-term
basis
(up to 16 mg IF/kg BW/day)
Am.J.Clin.Nutr., 2002, 75:12675:126-136
• Long-term toxicity ???
4-momo-old infants - the plasma total isoflavone concentration in
infants fed soysoy-based formula is 13000–
13000–22000 times higher
than the plasma concentration of estradiol in early life (< 2
yr), which is 147–294 pmol/L (40–80 pg/mL) Setchell et al., 1998
Un ruolo estrogenoestrogeno-simile della genisteina nel sistema cardiovascolare
La proteina-chinasi AKT e il sistema cardiovascolare
Circ. Res., 2001, 88:975Circ. Res., 2001, 88:1020
Nuclear phospho-Akt473 localization is increased in women relative
to men but decreases after menopause
Arrows indicate nuclei staining for phospho-Akt473 (green), together
with all nuclei (blue) and antibody to myosin heavy chain ß to show
distribution of cardiomyocytes (red).
Circ. Res., 2001, 88:1020
Nuclear phospho-Akt473 and cytosolic phospho-forkhead256
localization in cultured cardiomyocytes treated with E2 or genistein
phospho-Akt473
phospho-forkhead256
Nuclear phospho-forkhead256 labeling showed a punctate pattern
with variable intensity between individual cells in treated cultures
that may reflect differences in the efficiency of the phosphoforkhead256 protein export.
Circ. Res., 2001, 88:1020
Un ruolo estrogenoestrogeno-simile della genisteina nel sistema cardiovascolare
PRINCIPALI FATTORI CHE REGOLANO
OSTEOCLASTOGENESI
Stimulatory factors are shown in orange and inhibitory factors are shown
in blue.
Positive (+) or negative (–) effects of E on these regulatory factors are
shown in red.
J Clin Invest, 2000, 106:1203106:1203-1204
OSTEOCLAST MATURATION BY OSTEOBLAST
/ RANK
/ RANKL
Ex vivo/in vitro HUMAN OSTEOCLASTOGENESIS MODEL
CD14+
Differentiation
monocytes
start
+ M-CSF
+ RANKL
day
0
4
Pro-OCLs
(round
cells)
Mo/Mphi lineage
CD14/LPS
F4/80
FcgII/IIIR
(CD16/CD32)
TRAP
CTR
VTR/CD61
(b3 integrin)
MMP-9
cath K
CAII
Proliferation
end
7-10
OCLs
21
Committed,
Fully resorptive,
mononuclear cellsmature OCLs
(MNC cells,
(fusiform cells)
(round cells)
with ruffled border)
Pre-OCLs
Pre-OCL
Osteoclast
++
++
+
+
-
++
-
+
++
+
+++
++
+
-
+/++
++
++
++
+++
+++
++
OSTEOCLASTOGENESI: ruolo di alcuni flavonoidi
100
90
80
70
60
-41.4%
-41.4%
50
40
30
-49.0% -49.8%
-58.5% -49.0% -49.8%
-58.5%
-75.2%
-75.2%
20
10
0
CTRL- CTRL+
E2
GEN
DZ
-87.4%
-87.4%
ZEA QRC
RAL
Lorenzetti and Branca, unpublished data
On bone matrix, nanomolar concentrations of PEs have an inhibi
inhibitory
tory
Raloxifene
oxifene show
effect on OCLs differentiation: in particular, Quercetin and Ral
a strong reduction
Isoflavones appear to act similarly to E2, whereas quercetin seems
seems to
reproduce SERMs effect
I livelli plasmatici di una molecola bioattiva
sono proporzionali ad un effetto benefico funzionale ?
Interazioni tra sostanze bioattive
e legami aspecifici con proteine presenti negli alimenti
Plasma antioxidants from chocolate
Total Antioxidant Capacity (TAC)
Nature (2003) 424:1013
as ferric-reducing antioxidant potential
In soggetti umani in buona salute,
valutazione della capacità antiossidante totale (TAC)
e dei livelli dell’epi-catechina
confrontando cioccolato puro (DC), cioccolato
puro+latte (DC + MK) e cioccolato al latte (MC)
Risultati:
Dopo 1 hr dall’ingestione di DC, la TAC plasmatica
è del 20% superiore a quella di MC e DC+MC;
I livelli plasmatici di epicatechina si abbassano di
circa il 46% in DC+MC e di circa il 69% in MC.
DC
MC
Mean (-)epicatechin levels
Interazioni tra sostanze bioattive presenti negli alimenti fortificati (o arricchiti):
mantengono l’effetto biologico?
In soggetti umani in buona salute, valutazione dell’effetto antiossidante confrontando
l’assunzione di vit.C da una singola porzione di succo di frutta d’arancia (300 ml contenente
150 mg vit. C) e da una bevanda supplementata della stessa quantità di vit. C.
Effetto antiossidante considerato: danneggiamento in vitro del DNA indotto da perossido di
idrogeno in cellule mononucleari del sangue (MNBC).
“Orange juice vs vitamin C:
effect on hydrogen peroxide-induced DNA damage
in mononuclear blood cells”.
Br J Nutr. (2007) 97(4):639-643
Risultati HPLC analisi:
La concentrazione plasmatica di vit. C aumentata in maniera analoga.
Risultati esperimento DNA damage (dopo vit.C intake):
Significativamente diminuito dopo 3 ore dall’assunzione del succo di frutta
d’arancia (circa 18 %; P < 0.01) e costante per circa 24 ore (circa 16 %; P < 0.01).
Nessun effetto osservato nella bevanda supplementata.
Effetto protettivo non spiegabile con la sola presenza di vit. C:
effetto matrice e/o altre sostanze bioattive coinvolte ?
Interazioni a livelli multipli:
interferenti della funzione tiroidea
Thyroid System–Disrupting Chemicals: SITI BERSAGLIO
Hypothalamus
Pituitary gland
anterior
nitrati
NH4-perclorato
(iso)tiocianati
genisteina
Thyrotropin
releasing hormone
TRH
genisteina
isotiocianati
Thyroid
stimulating hormone
TSH
Sodium/Iodide symporter
NIS
Iodide IH2O2
Thyroid peroxidase
TPO
TRβ
β-2
Thyroid gland
follicular cells
Tri-iodothyronine T3
D2
D1
D3
Thyroxine T4
Blood stream
Mono-iodotyrosine
MIT
+
Di-iodotyrosine
DIT
Iodine I2
+
Thyroglobulin
TG
D1
T3- & T4-binding proteins
THBPs (TBG & TBPA)
∆ TRα
α → dwarfism
∆ TRβ
β → resistance to thyroid hormone (RTH)
Target cells
pituitary gland,
gonads,
heart, skeletal muscle
brain, prostate,
thyroid,…
Thyroid hormone
receptors (T3-binders)
THRs
T3
hTHRA ->TRα
α-1; TRα
α-2
hTHRB ->TRβ
β-1; TRβ
β-2; TRβ
β-3
THRE
trascrizione
gene bersaglio
Thyroid System–Disrupting Chemicals:
fitoestrogeni ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO
L’interazione negativa tra consumo di soia e bassi livelli di
assunzione di iodio è stata inizialmente dimostrata in modelli
animali da Kimura et al. (1976),
(1976), il quale aveva evidenziato l’
l’alta
insorgenza di carcinomi tiroidei in ratti alimentati con una dieta
dieta
iodioiodio-carente a causa degli estratti di soia presenti.
La genisteina, l’
l’isoflavone principale della soia, inibisce l’
l’attività
attività
della TPO a concentrazioni prossime a quelle fisiologiche massime
massime
riscontrabili nell’
nell’uomo (Divi et al., 1997, Biochem. Pharmacol. 54:108754:10871096).
Thyroid System–Disrupting Chemicals:
fitoestrogeni ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO
L’assunzione mediante la dieta di genisteina diminuisce ll’’attività
attività della
TPO nei ratti di entrambi i sessi in modo significativo anche a livelli bassi (5
ppm).
female
male
Doerge & Sheehan (2002) Env Health Persp (EHP) 110:349110:349-353
Thyroid System–Disrupting Chemicals:
fitoestrogeni ed inibizione della tiroide perossidasi/TPO
In concomitanza di carenza di iodio anche il consumo di Crucife
Crucifere
re
(Brassica spp)
spp) può risultare in effetti negativi sulla tiroide (sia negli
uomini che negli animali) a causa dell’
dell’attività
attività goitrogenica degli
isotiocianati (derivati bioattivi dei glucosinolati):
TPO
IC50 inhibition by fresh plant foods
Cavolfiore
Cavolo
Germogli di bambù
Senape
Rapa
Rafano
Chandra et al., (2004) Indian J Med Res 119:180-185
La supplementazione di iodio riduce ma non neutralizza completa
completamente
mente
tale attività
. NB: La cottura riduce l’attività goitrogenica degli isotiocianati.
attività
ANCHE NEL FUMO DI SIGARETTA SI FORMANO TIOCIANATI !!!
Grazie per la vostra attenzione
Stefano Lorenzetti
[email protected]
Istituto Superiore di Sanità
Sanità (ISS)
Dip.to Sanità
Sanità Pubblica Veterinaria e Sicurezza Alimentare
Reparto di Tossicologia Alimentare e Veterinaria
SITO INTERFERENTI ENDOCRINI: http://www.iss.it/inte/
contiene il database EDID (Endocrine disrupting chemicals - Diet Interaction Database)
Integratori alimentari: affidabilità dei prodotti in commercio (1)
Presenza di isoflavoni della soia in integratori dietetici commerciali (33 prodotti)
Setchell et al., J. Nutr., 2001
Possibilità di un non corretto o mancato controllo qualità (?!)
Integratori alimentari: affidabilità dei prodotti in commercio (2)
Presenza di isoflavoni della soia in latte di soia commerciali (40 prodotti, 85
samples)
Setchell and Cole, J. Agric. Food Chem., 2003
Non omogeneità tra prodotti della stessa categoria e tra diversi lotti dello stesso produttore (?!)
Interazioni complesse:
β-carotene, condensato di sigaretta
e pressione dell’ossigeno nei tessuti bersaglio
Interazione tra micronutrienti e miscele di xenoestrogeni:
il β-carotene (pro-vitamina A) e il fumo di sigaretta (1)
Il fumo di sigaretta contiene una miscela di più di 4000 sostanze chimiche, molte
delle quali bioattive e interagenti in particolare con i micronutrienti assunti mediante
la dieta, p.es. vitamina C, acido folico, β-carotene, Zn++, Se++, etc...
Un alto consumo di frutta e verdura e un alto livello plasmatico di β-carotene sono
associato con un minor rischio di malattie croniche quali i tumori, in particolare del
polmone.
Interazione tra micronutrienti e miscele di xenoestrogeni:
il β-carotene (pro-vitamina A) e il fumo di sigaretta (2)
Il β-carotene è uno “scavenger” liposolubile di radicali liberi le cui proprietà antiossidanti in vivo dipendono dal livello di tensione dell’ossigeno.
β-carotene anti-OX
Danno lipidico (lipid peroxidation) in polmoni di ratto
pO2 polmone = circa 105-150 mmHg
pO2 altri tessuti = da 5 a 71 mmHg
loss of anti-OX properties
β-carotene pro-OX
All’aumentare della tensione di ossigeno (pO2 da
15 a 150 mmHg), il β-carotene non previene più il
danno lipidico nel polmone del condensato di
sigaretta (TAR) ma addirittura lo amplifica !
Palozza et al., 2006, Carcinogenesis 27:2383
Interazione tra micronutrienti e miscele di xenoestrogeni:
il β-carotene (pro-vitamina A) e il fumo di sigaretta (3)
I livelli plasmatici di β-carotene sono inversamente proporzionali alla quantità di
sigarette fumate:
β-carotene
β-carotene (µmol/l) increase
(µmol/l)
each 1 mg dietary uptake
Non smokers
0.72
+ 0.04
Lightiest smokers
(< 10 cigarette/day)
0.48
+ 0.01
Heaviest smokers
(> 20 cigarette/day)
0.37
Ex smokers
0.58
---
In vitro e in vivo, il β-carotene agisce come anti-carcinogeno, ma i suoi prodotti
ossidati possono facilitare la carcinogenesi:
il fumo di tabacco è un potente ossidante capace di distruggere o ossidare il βcarotene;
a loro volta, i metaboliti ossidati del β-carotene stimolano il legame al DNA dei
metaboliti del benzopirene aumentando così il rischio di danno al genoma e quindi il
rischio di tumore.
Di conseguenza, un eventuale supplementazione di β-carotene in fumatori può
risultare nociva alla salute !
Northrop-Clewes & Thurnham (2007) Clinica Chimica Acta 377:14–38