Bioavailability of oleuropein from olive leaf extract in humans : impact of enzymatic pre-treatment and probiotic co-administration

Abstract

La oleuropeína es un compuesto fenólico que se encuentra principalmente en las hojas de olivo y se utiliza como nutracéutico en forma de extracto de hoja de olivo (OLE). Es la forma glucosídica de la oleuropeína aglicona (OEa), compuesta de hidroxitirosol (HT) unido al ácido elenólico (EA). OLP muestra una amplia gama de actividades in vitro y con animales, pero los datos en humanos son menos claros y no confirman las expectativas. Una causa es la biodisponibilidad de la OLP. Este parámetro es difícil de medir debido al escaso conocimiento sobre su mecanismo de absorción, su metabolización, etc. Esta complejidad aumenta cuando se consideran los metabolitos de la OLP que tienen un comportamiento diferente. Aún así, la OLP tiene una baja absorción debido a su gran estructura y alta polaridad, lo que impide su absorción pasiva, a diferencia de sus metabolitos más pequeños como el HT y la OEa. En consecuencia, el principal objetivo de esta tesis fue aumentar el conocimiento sobre la bioeficacia y biodisponibilidad de la OLP y sus metabolitos, y mejorarla mediante dos procesos biotecnológicos: un pretratamiento enzimático y una coingestión probiótica. Utilizando modelos in vitro como la oxidación de la LDL o el cultivo de condrocitos encapsulados primarios, se estableció que los metabolitos de la OLP mostraban efectos similares a los de la molécula original, la OEa mostrando los mejores resultados. Las enzimas que poseían tanto actividad de β-glucosidasa como de esterasa se seleccionaron luego con sustrato modelo, OLP puro y OLE. Se obtuvo un rendimiento de reacción del 72% de la producción de metabolitos utilizando Rapidase® Fiber. Paralelamente, usando un cribado in silico y cultivos en medios empobrecidos en fuente de carbono pero ricos en OLP, se seleccionó el probiótico L. plantarum NCC 1171 por su capacidad para degradar más del 50% del contenido de OLP en sus medios en 8 horas. Un obstáculo en la comprensión de la biodisponibilidad de OLP es la falta de homogeneidad dentro de su análisis. En esta tesis se desarrolló un nuevo método analítico para cuantificar los metabolitos de la OLP bajo sus formas conjugadas sin la presencia de estándares analíticos comerciales. El enfoque se basó en el cálculo de un factor de respuesta entre el sistema de detección UV y MS, lo que permitió la cuantificación de metabolitos conjugados utilizando estándares de aglicona tanto en plasma como en orina. Gracias a este método, se confirmó que el intestino delgado es el principal sitio de absorción de los metabolitos de la OLP. El sulfato de hidroxitirosol mostró la AUC plasmática más alta, mientras que el dihidro-OEa-glucurónido fue el metabolito más concentrado en la orina. Se confirmó la variabilidad interindividual, mientras que se observó un efecto de género, mostrando las mujeres un AUC y excreción más alto que los hombres. La ingesta crónica condujo a una disminución en el AUC de los metabolitos totales como se observó en PK2 en comparación con PK1. Los tratamientos no tuvieron un impacto significativo en la OLP, aunque se encontró una tendencia con el tratamiento probiótico mitigando la disminución en el AUC total en comparación con el grupo de control. Los resultados del análisis de microbiota indican que la ingestión crónica de OLE no cambió la población o diversidad microbiana, ni la producción de SCFA. Estos resultados, asociados con el Tmax rápido, indican que la microbiota colónica afecta pobremente los parámetros de absorción, distribución, metabolización y excreción de OLP, y es probable que sea absorbida o metabolizada antes de llegar al colon, ya sea a partir de la enzima LPH o de la microbiota del intestino delgado.

OLP is a phenolic compound mainly found in olive leaves and used as nutraceutical under the form of olive leaf extract (OLE). It is the glycosidic form of oleuropein aglycone (OEa), made of hydroxytyrosol (HT) linked to elenolic acid (EA). OLP shows a wide range of activities in vitro, mainly due to antioxidant and anti-inflammatory effect. While positive outcomes are also found in animal studies, human data are less clear and do not confirm the expectations from in vitro effects. One cause is the bioavailability of OLP. This parameter is difficult to measure due to elusive knowledge about its stability in gastrointestinal tract, its mechanism of absorption, its metabolization etc. This complexity increases when considering the metabolites of OLP, produced during digestion process, and having different behavior. Still, OLP has a low absorption due to its large structure and high polarity, preventing its passive absorption, contrary to its smaller metabolites like hydroxytyrosol and oleuropein aglycone. Consequently, the main objective of this thesis was to increase knowledge about the bioefficacy and bioavailability of OLP and its metabolites, and to improve it using two biotechnological processes: an enzymatic pre-treatment and a probiotic co-ingestion. As a pre-requisite, in vitro experiments were performed to confirm the bioefficacy of OLP metabolites. Using both LDL oxidation and primary encapsulated chondrocytes, it was established that metabolites of OLP showed similar effects as those of the parent molecule. Additionally, it was shown that HT, the main described metabolite, was not the most efficient, OEa showing better results. Enzymes possessing both β-glucosidase and esterase activity were then screened with model substrate, pure OLP, and OLE. A reaction yield of 72% of metabolites production was obtained using Rapidase® Fiber. In parallel, another screening was performed to obtain a probiotic. After an in silico screening and cultures in media depleted in carbon source but rich in OLP, L. plantarum NCC 1171 was selected for its capacity to degrade more than 50% of OLP content in its media in 8 hours. After upscaling and production, the efficacy of both products was measured during a clinical trial. One hurdle in the understanding of OLP’s bioavailability is the lack of homogeneity within its analysis, leading to difficulties when comparing different studies. A new analytical method to quantify metabolites of OLP under their conjugated forms without the presence of commercial analytical standards was developed in this thesis. The approach was based on the calculation of a response factor between UV and MS detection system, allowing the quantification of conjugated metabolites using aglycone standards in both plasma and urine. Thanks to this method, the small intestine was confirmed as the main site of absorption for OLP metabolites, HT sulfate being the main absorbed one. The high presence of dihydro OEa glucuronide as one of the main metabolites in plasma, contributing to 12.3% of total plasma metabolites. The inter-individual variability hypothesized previously was confirmed, while a gender effect was observed, with women showing higher AUC than men. The chronic intake led to a decrease in total metabolites AUC as observed in PK2 compared to PK1. The treatments did not significantly impact OLP, although a trend was found with the probiotic treatment mitigating the decrease in total AUC compared to the control group. Results from microbiota analysis indicate that chronic OLE ingestion did not change microbial population or diversity, nor SCFA production. These results, associated with the quick Tmax, indicate that colonic microbiota poorly impacts OLP absorption, distribution, metabolization and excretion parameters, and is likely to be absorbed or metabolized before reaching the colon, either from the LPH enzyme or small intestine microbiota.