Effect of whole sorghum flour BRS 305 on inflammation, oxidative stress, glucose metabolism, adiposity, hepatic lipogenesis and intestinal health in Wistar rats fed with a high-fat high-fructose diet

Abstract

Introduction: The consumption of high fat and high fructose (HFHF) diet promotes an increase in free fatty acids (FFA) circulating in adipose, muscle and liver tissues, causing an increase in adipogenesis that results in the accumulation of visceral fat, insulin resistance, inflammation and impairment of lipid metabolism, as well as an increase in fatty deposits in the liver that results in liver steatosis. In this sense, sorghum BRS 305 stands out for being a cereal with bioactive compounds that can help prevent obesity and hepatic steatosis with the ability to modulate the composition of the intestinal microbiota, reducing the problems generated by the diet in addition to being a low-cost, easy-to-produce, gluten-free. Objective: The aim of the study was evaluate the effect of sorghum flour on insulin resistance, glucose tolerance, adiposity, hepatic steatosis, microbiota modulation, inflammation and oxidative stress in Wistar rats fed a high-fat high-fructose diet. Methodology: The study was divided into two phases. In the first phase male Wistar rats (n=30) at 40 days of age, were allocated into two groups: control AIN93-M (normal control: n=10) and high-fat and high-fructose (HFHF) (30% pork fat and 20% of fructose) (n=20) for 7 weeks to induce metabolic changes. In the second phase, the control AIN93-M manteined with the same diet, and the HFHF group were divided into two groups: HFHF (HFHF control: n=10) and HFHF + sorghum flour (replacing 50% dietary fiber, 100% starch, 19.8% protein and 22.5% lipids in the experimental diet), (n=10), for 10 weeks. At the end of the period, the animals were euthanized. Blood, liver, feces, colon and adipose tissues were collected to evaluate biochemical and inflammatory markers, intestinal microbiota and antioxidant capacity. Data will be submitted to ANOVA followed by the Newman-Keuls test (α=0.05) performed in the GraphPadPrism software, version 7.0. Microbiota data were corrected for multiple comparisons using false discovery rate (FDR) in the STAMP software. Results: Article 1: The consumption of sorghum flour reduced adiposity, as well as the levels of triglycerides, uric acid, alanine aminotransferase, hepatic steatosis and lipogenesis. In addition, sorghum improves glucose metabolism by act directly on insulin sensitivity and glucose tolerance and increased the concentration of PPARα protein in the liver. Article 2: Sorghum flour decreased the concentration of nitric oxide, phosphoprotein kinase B (Akt), nuclear factor-kappa B (p65-NFκB), toll-like receptor 4 (TLR4) and lipid peroxidation in the liver. In addition, sorghum flour improved superoxide dismutase and catalase activities and total plasma antioxidant capacity. Article 3: The intake of the whole sorghum flour showed higher relative abundance of Firmicutes and higher Firmicutes/Bacteroidetes ratio in relation to the other experimental groups, and lower abundance of Bacteroidetes when compared to the HFHF group. Despite this, sorghum increased the production of short- chain fatty acid (SCFA) as propionate and the circular muscle layer, as well as the abundance of the genera Roseburia and Lachnospiraceae_NK4A136_group in relation to the HFHF group. Conclusion: Consumption of sorghum BRS 305 with high content of tannin and resistant starch improved inflammation and oxidative stress by inhibiting the activation of NFκB-p65; further modulated adiposity and glucose metabolism, reducing liver steatosis and lipogenesis. Finally, the consumption of the HFHF diet associated with sorghum flour modulated the composition of the intestinal microbiota and the abundance of SCFA-producing bacteria. Keywords: Adiposity. Metabolic change. Resistant starch. Tannins. Glucose tolerance. Intestinal microbiome. Free fatty acids. Intestinal homeostasis. Short-chain fatty acids.

Introdução: O consumo de dietas rica em gordura saturada e frutose (HFHF) promove o incremento nos ácidos graxos livres circulantes nos tecidos adiposo, muscular e hepático, proporcionando aumento na adipogênese que resulta no acúmulo de gordura visceral, resistência à insulina, inflamação e comprometimento do metabolismo lipídico, bem como aumento nos depósitos de gordura no fígado que resulta em esteatose hepática. Nesse sentido o sorgo BRS 305 se destaca por ser um cereal com compostos bioativos que podem auxiliar na prevenção da obesidade e da esteatose hepática pela capacidade de modular a composição da microbiota intestinal reduzindo os agravos gerados pela dieta, além de ser de baixo custo, fácil produção e sem glúten. Objetivo: O objetivo do estudo foi avaliar o efeito da farinha de sorgo do híbrido BRS 305 na resistência à insulina, na tolerância a glicose, na adiposidade, na esteatose hepática, na modulação da microbiota intestinal, na inflamação e no estresse oxidativo de ratos Wistar alimentados com dieta rica em gordura saturada e frutose. Metodologia: O estudo foi dividido em duas fases. Na primeira, ratos machos Wistar (n=30), com 40 dias de idade, foram alocados em dois grupos: controle com dieta AIN93-M (controle normal: n=10) e com dieta rica em gordura satura e frutose (HFHF) (30% de gordura de porco e 20% de frutose) (n=20) durante 7 semanas para indução das alterações metabólicas. Na segunda fase, os animais do grupo 1 (controle) continuaram com a mesma dieta, e os animais do grupo HFHF foram divididos em dois grupos: HFHF (controle HFHF: n=10) e HFHF + farinha de sorgo, (n=10), por 10 semanas. Ao final do período os animais foram eutanasiados. Foi coletado sangue, fígado, fezes, colón e tecido adiposo para avaliação das alterações bioquímicas, inflamatórias, microbiota intestinal e ação antioxidante. Resultados: Artigo 1: O consumo da farinha integral de sorgo reduziu a adiposidade, assim como os níveis de triglicerídeos, ácido úrico, alanina aminotransferase, esteatose hepática e lipogênese. Além disso, o sorgo melhorou o metabolismo da glicose, atuando diretamente na sensibilidade à insulina e tolerância à glicose e aumentou a concentração da proteína PPARα no fígado. Artigo 2: A farinha integral de sorgo diminuiu a concentração de oxido nítrico, fosfoproteína quinase B (Akt), fator nuclear- kappa B (p65-NFκB), receptor toll-like 4 (TLR4) e a peroxidação lipídica no fígado. Além disso, a farinha integral sorgo melhorou as atividades de superóxido dismutase e catalase e a capacidade antioxidante total do plasma, demostrando seu efeito na melhora do estresse oxidativo e redução da inflamação. Artigo 3: A ingestão da farinha integral de sorgo apresentou maior abundância relativa de Firmicutes e maior razão Firmicutes/Bacteroidetes em relação aos demais grupos experimentais, e menor abundância de Bacteroidetes em relação ao grupo HFHF. Apesar disso, o sorgo aumentou a produção de ácido graxo de cadeia curta (AGCC) como propionato e a camada muscular circular, assim como a abundância dos gêneros Roseburia e Lachnospiraceae_NK4A136_group em relação ao grupo HFHF. Conclusão: O consumo de sorgo BRS 305 com alto teor de tanino e amido resistente melhorou a inflamação e o estresse oxidativo pela inibição da ativação do NFκB-p65, também modulou a adiposidade e o metabolismo da glicose reduzindo a esteatose e a lipogênese hepática, além disso, o consumo da dieta HFHF associada à farinha de sorgo modulou a composição da microbiota intestinal e a abundância de bactérias produtoras de AGCC. Palavras-chave: Adiposidade. Alterações metabólicas. Amido resistente. Taninos. Tolerância à glicose. Microbioma intestinal. Ácidos graxos livres. Homeostase intestinal. Ácidos graxos cadeia curta.