Effects of a blend of green tea and curcuma extract supplementation on lipopolysaccharide-induced inflammation in horses and ponies

Autor: Starzonek, Janine
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
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Druh dokumentu: Text<br />Doctoral Thesis
Popis: Einleitung: Verschiedene Erkrankungen gehen bei Pferden mit einer erhöhten Entzündungsbereitschaft einher. Das entzündliche Geschehen kann dabei in engem Zusammenhang mit dem Auftreten von Stress des endoplasmatischen Retikulums (ER) stehen. Im Zuge der Immunantwort entsteht eine Signalkaskade, die über Entzündungsmarker quantifiziert werden kann. Bei der Expression verschiedener Entzündungsmediatoren rückt insbesondere die Leber in den Fokus. Die anti-inflammatorische und ER-Stress-modifizierende Wirkung von oralen Polyphenolen aus einem Grüntee-Kurkuma-Extrakt (GKE) wurde bereits in anderen Tierspezies, wie z.B. Wiederkäuern oder Schweinen nachgewiesen. Ziel der Studie: Das Ziel der vorliegenden Studie war die Überprüfung der Effekte einer GKE-Supplementierung auf eine Lipopolysaccharid (LPS)-induzierte Entzündung bei Pferden und Ponys. Die Hypothese war, dass die Supplementierung des GKE zu einer Reduktion der entzündlichen Reaktion und des Zellstresses bei Pferden und Ponys führt. Tiere, Material und Methoden: In einer randomisierten, placebo-kontrollierten Studie wurden fünf gesunde adulte Warmblutpferde (Angaben in Mittelwert ± Standardabweichung, Alter 19 ± 5 Jahre; Körpermasse (KM) 589 ± 81 kg) und sechs gesunde adulte Shetlandponys (Angaben in Mittelwert ± Standardabweichung, Alter 9 ± 3 Jahre; KM 126 ± 8 kg) einbezogen. Die tägliche Basisration bestand aus Heu (2 kg/100 kg KM). Im Cross-over erhielten die Tiere für 21 Tage 10 g eines GKE (20% Polyphenolgehalt) nach Angaben des Herstellers, oder alternativ ein Placebo (Kalziumcarbonat) zusammen mit 1 kg (Pferde) oder 0,2 kg (Ponys) eines kommerziellen Ergänzungsfuttermittels für Pferde. Nach der 21-tägigen Supplementierungsphase wurde bei allen Tieren zur Induktion eines moderaten, generalisierten Entzündungsgeschehens LPS (10 ng/kg KM) intravenös appliziert. 24 Stunden vor und 12 Stunden nach der LPS-Challenge wurden Blutproben und Lebergewebe entnommen. Die Entnahme des Lebergewebes erfolgte minimalinvasiv unter Ultraschallkontrolle. Während der anschließenden 3-monatigen Wash-out Phase erhielten alle Tiere ausschließlich Heu zur freien Aufnahme. Hiernach fand im Cross-over Verfahren ein Wechsel der Fütterungsgruppen statt. Eine erneute LPS-Challenge und die anschließende Probennahme wurden nach den oben genannten Kriterien durchgeführt. In allen Blutproben wurden die Parameter Serum Amyloid A (SAA), Haptoglobin (Hp) und Retinol-bindendes Protein 4 (RBP4) gemessen. Mittels RT-qPCR wurden in allen Leberbioptaten die mRNA-Level ausgewählter Entzündungsmarker bestimmt (Hp, TNF-α, IL-1β, IL-6, CD68, FGF21, NF-kB, ATF4). Zusätzlich erfolgte eine histologische Untersuchung auf entzündliche Reaktionen im Gewebe. Die Daten, mit Ausnahme der immunhistochemischen Auswertungen, wurden unter Verwendung der kommerziellen Software Statistica® statistisch ausgewertet. Die Daten wurden mittels des Shapiro-Wilks-Testes auf Normalverteilung überprüft. Da die Daten nicht normalverteilt waren, wurde der Wilcoxon-Test für nicht-parametrische Daten angewendet. Das Signifikanzniveau lag bei p < 0,05. Die Darstellung der Daten erfolgt als Median und dem 25./75. Perzentil. Ergebnisse: Vor der LPS-Challenge lagen alle Werte für SAA ≤ 2,6 mg/l. Nach der LPS-Challenge stiegen die Werte signifikant an (Angabe Median und in Klammern 25./75. Perzentil, Placebo-Gruppe: 98,4 (70,2/118) μg/ml, Zeit p = 0,008; GKE-Gruppe: 70,7 (46,8/111) μg/ml, Zeit p = 0,003). Innerhalb der GKE-Gruppe stieg der Wert für Hp im Serum nach der LPS-Challenge signifikant an (Zeit p = 0,005). Es konnten keine weiteren signifikanten Unterschiede in den Blutparametern im Vergleich der GKE-Gruppe zur Placebogruppe nach LPS Stimulation gefunden werden. Im Lebergewebe zeigte sich nach der LPS-Challenge für die GKE-Gruppe eine 2,6-fach geringere mRNA-Expression für das pro-inflammatorische Zytokin IL-1β im Vergleich zur Placebogruppe (Supplementierung p = 0,04). Die mRNA-Level von CD68 (Zeit p = 0,04) und Hp (Zeit p = 0,03) zeigten nach der LPS-Challenge im Lebergewebe einen signifikanten Anstieg innerhalb der Placebogruppe. Innerhalb der GKE-Gruppe zeigten sich keine Veränderungen durch die LPS-Challenge. Ein signifikanter Unterschied zwischen der Placebo- und der GKE Gruppe nach LPS wurde nicht gefunden. Andere Parameter im Lebergewebe, wie z.B. Transkriptionsfaktor NF-κB und die Zytokine IL-6 und TNF-α, zeigten keine signifikanten Veränderungen nach der LPS-Challenge in beiden Fütterungsgruppen. Für die Ergebnisse der Immunhistochemie konnten keine signifikanten Unterschiede in Abhängigkeit zur LPS-Challenge oder der Fütterung gezeigt werden. Schlussfolgerung: Die LPS-Challenge induzierte eine generalisierte Entzündung bei Pferden und Ponys. Die Supplementierung eines GKE für 21 Tage zeigte über die Reduktion des Entzündungsmarkers IL-1β in der Leber ein anti-inflammatorisches Potential. Andere Blut- und Leberparameter zeigten keinen Supplementierungseffekt. Somit konnte kein umfassender anti-inflammatorischer Effekt der GKE Supplementierung festgestellt werden.:1 Introduction 2 Literature review 2.1 Inflammation 2.1.1 Acute phase reaction 2.1.1.1 Serum amyloid A 2.1.1.2 Haptoglobin 2.1.1.3 Retinol-binding protein 4 2.1.2 Transcription factor NF-κB 2.1.2.1 Pro-inflammatory cytokines (Il-1β, IL-6, TNF-α) 2.1.3 Macrophages 2.1.3.1 Cluster of differentiation 68 2.2 Stress of the endoplasmic reticulum 2.2.1 Fibroblast growth factor 21 2.2.2 Activating transcription factor 4 2.3 Oxidative stress 2.4 Polyphenols 2.4.1 Green tea 2.4.2 Curcuma 2.4.3 Bioavailability 2.4.4 Anti-inflammatory effects 2.4.5 Antioxidative effects 3 Publication 3.1 Effects of a blend of green tea and curcuma extract supplementation on lipopolysaccharide-induced inflammation in horses and ponies 4 Discussion 4.1 Effects of the LPS challenge 4.1.1 Induction of inflammation by LPS 4.1.2 Induction of ER stress and oxidative stress by LPS 4.2 Effects of the GCE supplementation 4.2.1 Anti-inflammatory effects 4.2.2 Reduction of ER stress and oxidative stress 4.2.3 Comparison of in vivo effects in equines and farm animals 4.3 Daily dosages of polyphenols 4.4 Conclusion 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 References 8 Appendix 8.1 List of presentations as part of this thesis 8.2 Further publications 8.2.1 Published articles 8.2.2 Published conference contributions 9 Acknowledgement
Introduction: Different medical conditions are linked with an inflammatory status in horses and ponies. Inflammation can be induced by endoplasmic reticulum (ER) stress, leading to an immune response which can be measured by several markers of the signalling cascade. The liver plays an important role as production site of these inflammatory markers. The influence of feeding a polyphenol-rich supplement consisting of green tea and curcumin extract (GCE) on ER stress and inflammation has been already described in several species such as cattle and pigs. Aim of the study: The aim of the study was to investigate the effect of a GCE supplementation on lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammation in horses and ponies. It was hypothesized that the GCE supplementation will reduce inflammatory reactions and cell stress compared to the placebo group. Animals, material and methods: In a randomized, placebo controlled study, five healthy adult warmblood horses (mean (±SD) age 19 ± 5 years, mean (±SD) body weight (BW) 589 ± 81 kg) and six healthy adult Shetland ponies (mean (±SD) age 9 ± 3 years and mean (±SD) BW 126 ± 8 kg) were included. Animals were fed daily with meadow hay (2 kg/ 100 kg BW). In a cross-over design, animals were supplemented for 21 days with 10 g of a GCE (20% total polyphenol content) according to manufacturer’s instructions or a placebo (calcium carbonate) in a mixture with 1 kg (horses) or 0.2 kg (ponies) of a commercial feed for horses. After supplementation for 21 days, all animals underwent an intravenous LPS (10 ng/kg BW) challenge to induce a moderate systemic inflammation. 24 hours before and 12 hours after the LPS challenge, blood and liver samples were collected. Liver tissue was taken transcutaneously under ultrasound control. Subsequently, a 3-months-lasting wash-out period was conducted where the animals were fed with meadow hay ad libitum. A change of feeding groups according to the cross-over design was performed. A second LPS challenge and sample collection were performed according to the above-mentioned protocol. All blood samples were analysed for serum amyloid A (SAA), haptoglobin (Hp) and Retinol-binding protein 4 (RBP4). RT-qPCR was used to analyse liver mRNA levels of selected markers of inflammation (Hp, TNF-α, IL-1β, IL-6, CD68, FGF21, NF-kB, ATF4). In addition, liver tissue was histologically examined for inflammatory responses. All data except for immunohistochemical results were statistically assessed with a commercial software package (Statistica). Data were checked for normal distribution using the Shapiro-Wilks test. As data set was not normally distributed the Wilcoxon test for non-parametric data was used for analyses. Level of significance was set at P < 0.05. Data are presented as median and 25./75. percentile. Results: All SAA values before LPS were ≤ 2.6 mg/L. After LPS challenge, all SAA values were significantly higher compared to baseline (data expressed as medians and 25./75. Percentile in brackets, placebo group: 98.4 (70.2/118) μg/mL, time P = 0.008; GCE group: 70.7 (46.8/111) μg/mL, time P = 0.003). GCE group showed a significant increase for serum Hp after LPS challenge (time P = 0.005). Other significant differences in blood parameters comparing placebo and GCE group after LPS could not be found. In the liver, the pro-inflammatory cytokine IL-1β showed a 2.6-fold lower mRNA level after LPS challenge in the GCE group compared to placebo group (supplementation P = 0.04). Hepatic mRNA levels of CD68 (time P = 0.04) and Hp (time P = 0.03) increased significantly in the placebo group, but not in the GCE supplementation group. A significant difference between the two feedings groups after LPS could not be found. Other liver parameters, such as transcription factor NF-κB and the cytokines IL-6 and TNF-α, were not different after LPS challenge in both feeding groups. Immunohistochemical results showed no difference between GCE and placebo group after LPS challenge. Conclusion: The LPS challenge induced inflammation in the horses and ponies. Feeding a GCE for 21 days showed some potential to alter LPS-induced systemic inflammatory responses by reducing mRNA levels of the inflammatory marker IL-1β in liver tissue. Nevertheless, an overall anti-inflammatory effect by GCE was missing, since other blood and liver parameters were not affected by the GCE supplementation.:1 Introduction 2 Literature review 2.1 Inflammation 2.1.1 Acute phase reaction 2.1.1.1 Serum amyloid A 2.1.1.2 Haptoglobin 2.1.1.3 Retinol-binding protein 4 2.1.2 Transcription factor NF-κB 2.1.2.1 Pro-inflammatory cytokines (Il-1β, IL-6, TNF-α) 2.1.3 Macrophages 2.1.3.1 Cluster of differentiation 68 2.2 Stress of the endoplasmic reticulum 2.2.1 Fibroblast growth factor 21 2.2.2 Activating transcription factor 4 2.3 Oxidative stress 2.4 Polyphenols 2.4.1 Green tea 2.4.2 Curcuma 2.4.3 Bioavailability 2.4.4 Anti-inflammatory effects 2.4.5 Antioxidative effects 3 Publication 3.1 Effects of a blend of green tea and curcuma extract supplementation on lipopolysaccharide-induced inflammation in horses and ponies 4 Discussion 4.1 Effects of the LPS challenge 4.1.1 Induction of inflammation by LPS 4.1.2 Induction of ER stress and oxidative stress by LPS 4.2 Effects of the GCE supplementation 4.2.1 Anti-inflammatory effects 4.2.2 Reduction of ER stress and oxidative stress 4.2.3 Comparison of in vivo effects in equines and farm animals 4.3 Daily dosages of polyphenols 4.4 Conclusion 5 Zusammenfassung 6 Summary 7 References 8 Appendix 8.1 List of presentations as part of this thesis 8.2 Further publications 8.2.1 Published articles 8.2.2 Published conference contributions 9 Acknowledgement
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