Functional properties of chia (Salvia hispanica L.) flour, its hydrolyzed protein and phenolic extract on microbiota and gut health in vivo

Abstract

Chia has a composition with potential to promote changes in the intestinal tissue that favor its functionality, morphology, and microbiota. Objective: evaluate the functional properties of chia flour, its hydrolyzed protein and phenolics on intestinal microbiota and gut health in vivo. Methodology: four experimental trials were conducted. First experiment: 32 male Wistar rats received the following diets (5 weeks): standard (SD), SD+chia, high-fat diet (HFD), or HFD+chia. Second experiment: 64 female Wistar rats fed either SD or HFD (7 weeks). Then, 32 rats underwent ovariectomy (OVX) while 32 rats underwent surgery without removal of the ovary (SHAM). After a 3-week recovery period, the rats were divided into eight groups and received the following diets (8 weeks): SD, SD+chia, HFD, or HFD+chia, for both OVX and SHAM groups. Intestinal microbiota, short-chain fatty acids (SCFA), IgA production, intestinal pH, histomorphometry, and brush border membrane functionality were analyzed. Then, a systematic review was conducted according to PRISMA guidelines, to answer the question: “How does food derived bioactive peptides can impact on gut health and inflammatory mediators in vivo?”. The third and fourth experiments were conducted in ovo. Third experiment: 45 fertile eggs (Gallus gallus) were divided into five groups receiving different treatments: not injected; 18MΩH20; 10mg/mL of hydrolyzed chia protein (1%); 10mg/mL hydrolyzed chia protein+106 CFU Lacticaseibacillus paracasei or 106 CFU Lacticaseibacillus paracasei. Fourth experiment: 27 eggs divided into three groups: not injected; 18MΩH 20; 10mg/mL (1%) of chia phenolic extract. Upon hatching, the animals were euthanized for analysis of intestinal microbiota composition, morphology, and gene expression related to functionality, inflammation, and intestinal barrier proteins. Results: Paper 1: chia flour consumption in male rats increased SCFA production and improved the circular muscle layer. Diversity and abundance of intestinal bacteria were not affected, but richness increased. Proteins associated with intestinal functionality were downregulated. Paper 2: In OVX female rats, chia flour intake increased production of acetic and butyric acids and decreased the cecum content pH, improved muscle layers and crypt thickness, improved richness and decreased microbiota diversity, and improved the expression of Ap and Si. Paper 3: In SHAM female rats, chia consumption increased the production of acetic and butyric acids in the SD group and propionic acid in the HFD group and decreased the pH of cecal content, while reducing IgA concentration in the HFD+chia group. Nevertheless, it increased microbial richness and diversity. The SD+chia group increased Si and Ap gene expression and decreased Sglt1 and Pept1. Paper 4: The systematic review highlighted the potential positive effects of bioactive peptides on inflammation and gut health. Paper 5: The hydrolyzed chia protein downregulated the gene expression of Tnf-α, increased Ocln, Muc2, and Ap, reduced Bifidobacterium, increased Lactobacillus and improved the intestinal morphology. Paper 6: Chia phenolic extract reduced Tnf-α and increased Si gene expression, reduced the Bifidobacterium, E. coli populations and Paneth cell diameter, increased depth crypt, and maintained villus height. Conclusion: chia can be considered a food with biological potential to improve intestinal health. The effects were demonstrated in different fractions of the seed. Key words: Intestinal Microbiota; Intestinal Morphology; Short Chain Fatty Acids; Intestinal Functionality; Intra-Amniotic Administration; Lacticaseibacillus paracasei; Brush Border Membrane; Ovariectomy.A chia possui uma composição com potencial para promover alterações no intestino que favorecem sua funcionalidade, morfologia e microbiota. Objetivo: avaliar as propriedades funcionais da farinha de chia, sua proteína hidrolisada e fenólicos na microbiota intestinal e na saúde intestinal in vivo. Metodologia: foram realizados quatro experimentos. Primeiro: 32 ratos Wistar machos receberam as seguintes dietas (5 semanas): padrão (SD), SD+chia, dieta hiperlipídica (HFD) ou HFD+chia. Segundo: 64 ratas Wistar fêmeas receberam dieta SD ou HFD (7 semanas). 32 ratas foram ovariectomizadas (OVX) enquanto 32 ratas foram submetidas à cirurgia sem remoção do ovário (SHAM). Após 3 semanas de recuperação, as ratas foram divididas e receberam as seguintes dietas (8 semanas): SD, SD+chia, HFD ou HFD+chia, para os grupos OVX e SHAM. Microbiota intestinal, ácidos graxos de cadeia curta (AGCC), produção de IgA, pH intestinal, histomorfometria e funcionalidade da membrana da borda em escova foram analisados. Foi realizada uma revisão sistemática de acordo com as diretrizes PRISMA, para responder à pergunta: “Como os peptídeos bioativos derivados de alimentos podem impactar na saúde intestinal e nos mediadores inflamatórios in vivo?”. Terceiro e quarto experimentos foram conduzidos in ovo. Terceiro: 45 ovos férteis (Gallus gallus) divididos em: não injetados; 18MΩH20; 10mg/mL de proteína de chia hidrolisada (1%); 10mg/mL de proteína de chia hidrolisada+106 UFC Lacticaseibacillus paracasei ou 106 UFC Lacticaseibacillus paracasei. Quarto: 27 ovos férteis divididos em: não injetados; 18MΩH20; 10mg/mL (1%) de extrato fenólico de chia. Após a eclosão, os animais foram eutanasiados para análise da composição da microbiota intestinal, morfologia e expressão gênica relacionada à funcionalidade, inflamação e barreira intestinal. Resultados: Artigo 1: A farinha de chia em ratos machos aumentou AGCC, melhorou a camada muscular circular. Diversidade e abundância de bactérias não foram afetadas, mas a riqueza aumentou. As proteínas associadas à funcionalidade intestinal foram reguladas negativamente. Artigo 2: Em ratas OVX, a farinha de chia aumentou ácidos acético e butírico e diminuiu o pH do conteúdo cecal, aumentou camadas musculares, espessura das criptas, riqueza da microbiota, diminuiu a diversidade, e melhorou a expressão de Ap e Si. Artigo 3: Em ratas SHAM, a farinha de chia aumentou ácidos acético e butírico (grupo SD) e ácido propiônico (grupo HFD), diminuiu o pH do conteúdo cecal, reduziu a concentração de IgA (grupo HFD+chia), aumentou a riqueza e a diversidade microbiana. No grupo SD+chia, aumentou a expressão dos genes Si e Ap e diminuiu Sglt1 e Pept1. Artigo 4: A revisão sistemática destacou os potenciais efeitos positivos dos peptídeos bioativos na inflamação e saúde intestinal. Artigo 5: A proteína hidrolisada regulou negativamente a expressão gênica de Tnf-α, aumentou Ocln, Muc2 e Ap, reduziu Bifidobacterium, aumentou Lactobacillus e melhorou a morfologia intestinal. Artigo 6: O extrato fenólico reduziu Tnf-α e aumentou a expressão do gene Si, a profundidade da cripta, manteve a altura das vilosidades e reduziu Bifidobacterium, E. coli e o diâmetro das células de Paneth. Conclusão: a chia pode ser considerada um alimento com potencial biológico para melhorar a saúde intestinal. Os efeitos foram demonstrados em diferentes frações da semente. Palavras-chave: Microbiota Intestinal; Morfologia Intestinal; Ácidos Graxos de Cadeia Curta; Funcionalidade Intestinal; Administração Intra-Amniótica; Lacticaseibacillus paracasei; Membrana da Borda em Escova; Ovariectomia.