Elucidation of the effects of fermented spirulina protein hydrolysate and bioactive peptide fractions on anti-inflammatory, anticancer, and indirect antioxidant mechanisms for therapeutic and nutraceutical applications

Abstract

Artan metabolik sendrom oranı, inflamatuvar ve enfeksiyon hastalıkları nedeniyle takviye edici ürünlere ve sağlıklı beslenmeye olan ilgi giderek artmaktadır. Bu bağlamda, Spirulina platensis, sağlığa yararlı özellikleri nedeniyle yenilikçi nutrasötiklerin üretimi için en çekici kaynaklardan biri haline gelmiştir. Bu çalışmada, üç farklı mikrobiyal fermentasyon ile (Lactobacillus helveticus, Kluyveromyces marxianus ve Lactobacillus helveticus ve Kluyveromyces marxianus'un birlikte fermentasyonu) erlen düzeyinde gerçekleştirilen fermente Spirulina (FS) (FS by KM, FS by LH ve FS by mix) ürünlerinin, Lactobacillus helveticus ve Kluyveromyces marxianus'un birlikte fermentasyonu ile farklı koşullarda gerçekleştirilen (havalandırma 0.5 vvm (M2); havalandırma 1 vvm (M4); Cascade üretim (M6) ve sabit pH'da gerçekleştirilen üretim (M8)) biyoreaktör ürünlerinin, M6'nın ultrafiltrasyon (UF) işlemlerinden geçirilmiş fraksiyonlarının (>2 kDa, 2-5 kDa, 5-10 kDa), seçilen fraksiyonun (5-10 kDa) peptit fraksiyonlarının (FR1, FR2, FR3 ve FR4) ve fermente edilmemiş (kontrol) Spirulina ürünlerinin potansiyel antikanser ve NO baskılayıcı etkileri araştırılmıştır. M6 ve FS by mix ürünlerinin, sitotoksik etki göstermeksizin, makrofajların, LPS ile indüklenen NO salınımını etkili bir şekilde azalttığı görülmüştür. Antikanser aktiviteler ele alındığında ise, M6, M6 5-10 kDa fraksiyonu, M6 (5-10 kDa) fraksiyonuna ait FR1 ve FR2 fraksiyonları, HT-29 hücrelerinin canlılığını seçici olarak inhibe ederek umut vadeden etkiler göstermiştir. Ayrıca, M6 ve M6 (5-10 kDa) fraksiyonu, antioksidan genlerin (Nrf-2, HO-1, NQO1, Gclc ve Srnx1) ifadelerini mRNA seviyesinde arttırmıştır ve ürünlerin Nrf-2'nin nükleer akümülasyonunu stimüle ettiği saptanmıştır. Bu çalışmanın bulguları değerlendirildiğinde, FS by mix, M6, M6 5-10 kDa fraksiyonu, FR1 ve FR2'nin potansiyel antikanser, antioksidan ve NO baskılayıcı etkilerinin umut vadettiği çıkarımlanabilir. Fermente Spirulina hidrolizatları, daha kapsamlı analizler ile değerlendirilerek nutrasötikler için yeni bir içerik maddesi olarak geliştirilebilir.

Supplementary products and healthy diets are arousing interest with the increasing metabolic syndrome rate, and inflammatory and infectious diseases. In this manner, Spirulina platensis is one of the most attractive sources for the production of innovative nutraceuticals due to its health-beneficial properties. Enhancing the impact of fermentation on Spirulina platensis' health-beneficial effects was demonstrated via in vitro studies in the scope of this thesis. Fermented Spirulina (FS) products, FS by Lactobacillus helveticus (FS by LH), FS by Kluyveromyces marxianus (FS by KM), and FS by the combined culture of both microorganisms (FS by mix); FS by LH and KM under different conditions (aeration 0.5 vvm (M2); aeration 1 vvm (M4); Cascade production (M6) and constant pH production (M8)) bioreactor products, ultrafiltration fractions of M6 (>2 kDa, 2-5 kDa, 5-10 kDa), peptide fractions (FR1, FR2, FR3, FR4) of selected UF product (5-10 kDa) and unfermented Spirulina (control) products were investigated in terms of their potential anticancer, and NO suppressive effects. M6 and mix-fermented products efficiently decreased the LPS-induced NO secretion of macrophages without showing cytotoxic effects. In terms of anticancer activity, M6, M6 5-10 kDa, FR1, and FR2 showed promising effects by selectively inhibiting the viability of HT-29 cells. Moreover, M6 and M6 5-10 kDa upregulated the expressions of antioxidant genes (Nrf-2, HO-1, NQO1, Gclc, and Srnx1) on mRNA level and promoted the nuclear accumulation of Nrf-2. On the whole, the findings of this study present a positive aspect on potential anticancer, antioxidant, and NO suppressive effects of the mix, M6, M6 5-10 kDa, FR1, and FR2. Hence, fermented Spirulina hydrolysates could be developed as a novel ingredient for nutraceuticals by further more comprehensive analysis.