Fermentation of phytochemicals to improve their biological activity

Die steigende Nachfrage der Verbraucher nach nachhaltigen pflanzlichen Produkten mit zusätzlichem Gesundheitsnutzen hat das Interesse an Fermentationsverfahren wiederbelebt. Die mikrobielle Biotransformation von sekundären Pflanzeninhaltsstoffen, den so genannten Phytochemikalien, hat das Potenzial, bioaktive Substanzen zu bilden und fermentierte Produkte mit hoher biologischer Wirksamkeit zu erzeugen. Ziel dieser Doktorarbeit war die Fermentation von flavonoidreichen Zitrusextrakten für eine mögliche Anwendung in der Lebens- und Futtermittelindustrie sowie die Untersuchung der Bioaktivität von fermentierten und unfermentierten Pflanzenextrakten anhand verschiedener In-vitro- und In-vivo-Versuche. In dieser Arbeit wurde eine Biotransformationsmethode auf der Grundlage von Zitronensäurehydrolyse und Milchsäurebakterienfermentation von Zitrusextrakten eingeführt, um bioaktive Aglykone aus glykosidischen Bindungen freizusetzen. Die Biotransformation von Zitrusextrakten verbesserte die zelluläre Aufnahme und den Transport von Zitrusflavonoiden, wie in einem Caco-2-Modell der Darmbarriere nachgewiesen wurde. Dabei wurden Aglykone besser von den Zellen aufgenommen und transportiert als glykosylierte Flavonoide. Darüber hinaus wurden in prototypischen In-vitro-Assays überlegene antioxidative und entzündungshemmende Aktivitäten des biotransformierten Extrakts beobachtet, die auf den höheren Aglykongehalt zurückgeführt werden konnten. Anschließend wurde der Modellorganismus Caenorhabditis elegans verwendet, um die antioxidative Aktivität der Zitrusextrakte in einem lebenden Organismus zu validieren und die molekularen Mechanismen hinter den beobachteten Effekten aufzudecken. Der biotransformierte Extrakt und seine bioaktiven Aglykone verlängerten die Motilität des Wurms unter oxidativem Stress signifikant. Darüber hinaus reduzierte der biotransformierte Zitrusextrakt die übermäßige Bildung reaktive Sauerstoffspezies nicht nur in gestressten Zellen, sondern auch in gestressten Fadenwürmern. Mit Hilfe von transgenen Wurmstämmen und Loss-of-Function-Mutanten konnte die antioxidative Aktivität des Extrakts auf die Induktion des Transkriptionsfaktors Skinhead-1 (SKN-1) in Caenorhabditis elegans zurückgeführt werden, dem Homolog des Nuklearen Faktors Erythroid 2-verwandten Faktors 2 (Nrf2) in Säugetierzellen. Ein Teil der Arbeit umfasste auch das Screening von Pflanzenextrakten auf ihre anti-
atherosklerotischen Eigenschaften unter Verwendung eines In-vitro-Tests zur Messung des Cholesterinexports aus Makrophagen. Ein gesteigerter Export von Cholesterin aus Makrophagen kann die Bildung von Schaumzellen verhindern und folglich deren Ansammlung in atherosklerotischen Plaques und das Fortschreiten von Atherosklerose verringern. Nach einer umfangreichen funktionellen Validierung wurde festgestellt, dass Extrakte aus Bitterorange (Citrus aurantium L.) und Holunderblättern (Sambucus nigra) die Bildung von Schaumzellen unterdrücken, indem sie den Efflux-Transporter ATP-bindende-Kassette-Transporter A1 (ABCA1) in Makrophagen induzieren. Neben den positiven Wirkungen, können Phytochemikalien auch negative Folgen für die Gesundheit haben, weshalb die Bewertung ihrer potenziellen Toxizität vor der Verwendung in Lebens- und Futtermitteln von größter Bedeutung ist. Mögliche Alternativen zu Toxizitätstests an Säugetieren wurden in einem Review-Artikel kritisch diskutiert. Insbesondere alternative Modelle mit wirbellosen Tieren könnten eine Brücke zwischen In-vitro-Tests und Studien mit höher entwickelten Tieren bilden und so den Einsatz von Tierversuchen verringern.