Effect of chia (Salvia hispanica l.) on the bioavailability of minerals, lipid profile, inflammation, oxidative stress, and intestinal health

Abstract

Chia is a pseudocereal that consumed worldwide due to its protective, functional and antioxidant effects, attributed to the presence of lipids, dietary fiber, antioxidant compounds, vitamins and minerals. Among the minerals, calcium, iron and zinc can be highlighted. But although present in good concentration, the bioavailability of these nutrients is unknown. Also, the effect of chia consumption on inflammatory markers and oxidative stress is not known in animals fed a high-fat diet. Furthermore, the effects of intra-amniotic administration of prebiotics extracted from chia on the morphology and functionality intestinal, on intestinal microbiota and on iron and zinc status are not known. In this sense, the objective of the study was to evaluate the effect of chia (Salvia hispanica L.) flour consumption on the bioavailability of calcium, iron and zinc, lipid profile, inflammation, oxidative stress, intestinal functionality and morphology, and intestinal microbiota. Chia flour cultivated in Brazil (RS state) was used. To obtain the flour, the seeds were ground. In the first biological essay (Manuscript 1), the effect of chia consumption on calcium bioavailability, inflammation, oxidative stress was conducted during 7 weeks. Thirty-two 21-day-old male Wistar rats were given either the AIN-93G diet or the high-fat diet. The study consisted of 4 experimental groups: AIN-93G + calcium carbonate, AIN-93G + chia, high-fat diet + calcium carbonate and high-fat diet + chia. The effects of chia intake on calcium bioavailability were measured using the calcium balance technique. In addition, the effect of chia flour on biochemical markers, inflammation and oxidative stress was evaluated. Chia presented low calcium bioavailability, regardless of the type of diet consumed. However, chia consumption reduced inflammatory processes, improved lipid profile and had no effect on oxidative stress. In the second biological essay (Manuscript 2), the effect of chia consumption on oxidative stress and inflammation in ovariectomized adult rats was evaluated. Eighty 21-day-old female Wistar rats were used. The animals received AIN93-G diet (n = 40) or high fat diet (n = 40) for 7 weeks. At week seven, 40 rats underwent ovariectomy (OVX) and 40 rats underwent surgery, but without organ removal (SHAM). The animals remained in these groups for 3 weeks to recover from surgery. Thus, after 10 weeks, the animals were relocated to the following eight experimental groups, where they remained receiving the experimental diets for 8 weeks: 1) control diet (SHAM), 2) high fat diet (SHAM), 3) control diet + chia (SHAM), 4) high fat diet + chia (SHAM), 5) control diet (OVX), 6) high fat diet (OVX), 7) control diet + chia (OVX), 8) high fat diet + chia (OVX). After 18 weeks, the animals were euthanized. Gene expression of protein related to inflammation and oxidative stress were measured. It was evaluated chia consumption on biochemical markers. Intake of chia improved lipid profile and increased hepatic and cecal indexes. In addition, chia consumption associated with the standard diet improved antioxidant activity, increased SOD and PPAR-α gene expression, and catalase activity, while reducing NFκB expression. Chia consumption associated with high fat diet in ovariectomized rats reduced IL-1β levels and TNF-α expression, increased SOD expression and concentration, and catalase activity. In the third study (Manuscript 3), we evaluated the effect of intra-amniotic administration of prebiotics extracted from chia on gene expression of proteins related to iron and zinc metabolism, as well as effect of prebiotic on intestinal functionality, intestinal morphology and bacterial population in a broiler model (Gallus gallus). The concentration of dietary fiber and phenolic compounds in chia flour was evaluated. Seven experimental groups were used (Group 1: non- injected; Group 2: 18MΩH2O; Group 3: 40mg/mL Inulin; Group 4: 0.5% chia; Group 5: 1% chia; Group 6: 2.5% chia; Group 7: 5% chia). The gene expression of iron and zinc-related proteins was performed by RT-qPCR as well as the expression of brush border membrane proteins and the bacterial composition was evaluated by PCR. Measurements of villi and crypts as well as the number and diameters of goblet cell were evaluated by histological techniques. Intra-amniotic administration of soluble chia extract improved intestinal morphology and protein expression related to Zn metabolism. In addition, chia soluble extract improved gene expression of proteins related to iron metabolism. The consumption of chia demonstrated improve intestinal health and contribute to the absorption of minerals. Thus, in general, our results demonstrated that chia was capable to improve the lipid profile, inflammatory process, oxidative stress, intestinal morphology, intestinal functionality and intestinal microbiota, in vivo. In addition, the consumption of this food had low bioavailability of minerals, such as, calcium. Keywords: Bone metabolism. Calcium. Inflammatory process. Intestinal microbiota. Iron. Zinc.

A chia é um pseudocereal que vem sendo consumido pela população mundial devido aos seus efeitos protetores, funcionais e antioxidantes, atribuídos à presença de lipídios, fibra alimentar, compostos antioxidantes, vitaminas e minerais. Dentre os minerais, pode-se destacar o cálcio, o ferro e o zinco. Mas, embora possua boa concentração, a biodisponibilidade desses nutrientes não é conhecida. Também, não se sabe o efeito do consumo de chia sobre os marcadores inflamatórios e de estresse oxidativo em animais alimentados com dieta hiperlipídica. Além disso, não são conhecidos os efeitos da administração intra-aminiótica de prebióticos extraídos da chia na morfologia e funcionalidade intestinal, na microbiota intestinal e na absorção de ferro e zinco. Nesse sentido, o objetivo do estudo foi avaliar o efeito do consumo de farinha chia (Salvia hispanica L.) na biodisponibilidade de cálcio, ferro e zinco, no perfil de lipídio, na inflamação, no estresse oxidativo, na funcionalidade e morfologia intestinal e na microbiota intestinal. Foi utilizada farinha de chia cultivada no Brasil (RS). Para obtenção da farinha, as sementes foram moídas. No primeiro ensaio biológico (Manuscrito 1), avaliou-se o efeito do consumo de farinha de chia sobre a inflamação, estresse oxidativo e biodisponibilidade de cálcio por sete semanas. Foram utilizados 32 ratos Wistar machos, com 21 dias de vida, que receberam dieta AIN-93G ou dieta hiperlipídica. O estudo foi constituído de 4 grupos experimentais, sendo eles: AIN-93G + carbonato de cálcio, AIN-93G + chia, dieta hiperlipídica + carbonato de cálcio e dieta hiperlipídica + chia. Foram mensurados os efeitos da ingestão de chia na biodisponibilidade de cálcio, por meio da técnica de balanço de cálcio. Além disso, foi avaliado o efeito da farinha de chia nos marcadores bioquímicos, na inflamação e no estresse oxidativo. A chia apresentou baixa biodisponibilidade de cálcio, independentemente do tipo de dieta consumida. No entanto, o consumo de chia reduziu o processo inflamatório, melhorou o perfil de lipídio e não teve efeito sobre o estresse oxidativo. No segundo ensaio biológico (Manuscrito 2), foi avaliado o efeito do consumo de chia no estresse oxidativo e na inflamação em ratas adultas ovariectomizadas. Foram utilizadas 80 ratas Wistar, com 21 dias de vida, que receberam dieta AIN93-G (n=40) ou dieta hiperlípidca (n = 40) por 7 semanas. Na sétima semana, 40 ratas foram submetidas a ovariectomia (OVX) e 40 ratas foram submetidas a cirurgia, porém sem a retirada do órgão (SHAM). Os animais permaneceram nesses grupos por 3 semanas, para recuperação da cirurgia. Assim, após 10 semanas, os animais foram realocados nos seguintes oito grupos experimentais, onde permaneceram recebendo as dietas experimentais por 8 semanas: 1) dieta controle (SHAM), 2) dieta hiperlipidica (SHAM), 3) dieta controle + chia (SHAM), 4) dieta hiperlipidica + chia (SHAM), 5) controle (OVX), 6) dieta hiperlipidica (OVX), 7) dieta controle + chia (OVX), 8) dieta hiperlipidica + chia (OVX). Após 18 semanas, os animais foram eutanasiados. Foi avaliada a expressão gênica de proteínas relacionadas a inflamação e ao estresse oxidativo e o efeito da chia nos marcadores bioquímicos. A ingestão de chia melhorou o perfil de lipídios e aumentou os índices hepático e cecal. Além disso, o consumo de chia associado à dieta padrão melhorou a atividade antioxidante, aumentou a expressão gênica de SOD e PPAR-α e a atividade da catalase, ao mesmo tempo em que reduziu a expressão de NFκB. A ingestão de chia associada à dieta rica em gordura em ratas ovariectomizadas reduziu os níveis de IL-1β e a expressão de TNF-α, aumentou a expressão e a concentração de SOD e a atividade da catalase. No terceiro estudo (Manuscrito 3), avaliou-se o efeito da administração intra- amniótica de prebióticos extraídos da chia sobre a expressão gênica de proteínas relacionadas ao metabolismo de ferro e zinco, assim como o efeito do prebiótico na funcionalidade e morfologia intestinal e na população bacteriana em modelo de aves (Gallus gallus). Foi avaliada a concentração de fibra alimentar e de compostos fenólicos na farinha de chia. Foram utilizados sete grupos experimentais (Grupo 1: não-injetado; Grupo 2: 18MH 2 O; Grupo 3: 40mg/mL Inulina; Grupo 4: 0,5% de chia; Grupo 5: 1% de chia; Grupo 6: 2,5% de chia; Grupo 7: 5% de chia). A expressão gênica das proteínas relacionadas ao ferro e ao zinco foi realizada por RT-qPCR, assim como a expressão das proteínas da membrana da borda em escova e a composição bacteriana foi avaliada por PCR. Foi avaliada as medidas de vilosidades e criptas assim como o número de diâmetros das células caliciformes por meio de técnicas histológicas. A administração intra-aminiótica de extrato solúvel de chia melhorou a morfologia intestinal e a expressão gênica de proteínas relacionadas ao metabolismo de Zn. Além disso, a administração de extrato aumentou a expressão gênica de proteínas relacionadas ao metabolismo de ferro. Assim, o consumo de chia demonstrou melhorar a saúde intestinal e contribuir para a absorção de minerais. De modo geral, nossos resultados demonstraram que o consumo de chia foi capaz de melhorar o perfil de lipídio, o processo inflamatório, o estresse oxidativo, assim como a morfologia, funcionalidade e microbiota intestinal, in vivo. Além disso, o consumo desse alimento apresentou baixa biodisponibilidade de minerais, como o cálcio. Palavras-chave: Cálcio. Ferro. Metabolismo ósseo. Microbiota intestinal. Processo inflamatório. Zinco.