Berries in Prevention of Metabolic Disease – focus on obesity, diabetes and gut microbiota

Abstract

The increasing prevalence of obesity is a worldwide health problem closely linked to diet and lifestyle factors. Obesity is associated with increased risk of several metabolic disorders including insulin resistance, nonalcoholic fatty liver disease and type 2 diabetes. Hence, there is a great need to identify dietary strategies for the prevention of obesity and related diseases. This thesis investigates the potential of different berries to mediate beneficial health effects in a mouse model of diet-induced obesity and prediabetes.

We found that supplementation with lingonberries, blackcurrants and bilberries reduced body weight gain, insulin resistance, low-grade inflammation and hepatic lipid accumulation in C57BL/6J mice fed a high-fat diet. Supplementation with raspberries, crowberries, blackberries or prunes had no or small effects, whereas açai berries promoted development of obesity and fatty liver compared to the control group receiving high-fat diet without berries.

Global hepatic gene expression analysis revealed that the phenotype in the lingonberry and bilberry groups was coupled to an anti-inflammatory effect, including downregulation of acute-phase proteins and inflammatory mediators. Mice receiving açai displayed an upregulation of steatosis markers and genes related to lipid synthesis, in line with the exacerbation of high-fat-induced fatty liver in these mice. The HELP-tagging assay was used to identify differentially methylated CpG sites in the lingonberry group compared to the high-fat control group. Lingonberries induced genome-wide and specific alterations of DNA methylation, however the significance of these findings remains to be established.

Furthermore, different batches of lingonberries were found to have different capacity to prevent obesity. However lingonberries prevented low-grade inflammation, metabolic endotoxemia and modified the gut microbiota of high-fat fed mice, including increasing the Firmicutes/Bacteroidetes ratio. These findings were independent of effects on body weight gain and achieved regardless of the source of berries.

The capacity of lingonberries to counteract negative outcomes of an unhealthy diet should be further evaluated in humans, including assessment of anti-inflammation and microbiota modulation. The generated knowledge about berries and their effects on metabolism may be useful in designing future dietary strategies aimed at preventing metabolic disease.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Att bär är nyttigt är ett påstående som de flesta känner igen. På butikshyllorna trängs våra nordiska bär med exotiska ”superbär” som utlovar att göra oss friska. Men vilka hälsoeffekter kan egentligen uppnås genom att äta bär? Är vissa bär mer nyttiga än andra? Forskningsresultaten som presenteras i denna avhandling visar att lingon, svarta vinbär och blåbär kan motverka viktuppgång och fetmarelaterade sjukdomar, medan superbäret açai tvärtemot kan bidra till utveckling av fetma - i alla fall i möss.

Övervikt är en global folksjukdom som ökat dramatiskt under de senaste decennierna. I nuläget beräknas 40% av världens befolkning vara överviktig, och 1 av 10 lider av kraftig övervikt, så kallad fetma. Denna utveckling är oroande då fetma är en starkt bidragande riskfaktor för utvecklandet av metabola sjukdomar, till exempel typ 2 diabetes.

Kosten är en viktig faktor för att upprätthålla en god hälsa. I våra försök har vi använt oss av möss som lätt lägger på sig fett när de äter en ”ohälsosam” kost, i detta fall en så kallad högfettskost. Denna musmodell ska motsvara människor som genom kosten har ökad risk för att utveckla fetma och förstadier till typ 2 diabetes. Genom att kombinera högfettskosten med olika bär och ge dessa dieter till möss under tre månader, har vi studerat om dessa bär kan motverka de negativa hälsoeffekterna av högfettskosten.

Möss som fick lingon i högfettskosten visade sig vara skyddade mot fetma jämfört med kontrollmössen som fick högfettskost utan bär. Dessutom hade de som fick lingon lägre blodsocker- och insulinvärden. Även kolesterolhalterna och fettinlagringen i levern var avsevärt lägre än hos kontrollmössen som inte fått bär. Svarta vinbär, blåbär och hallon gav likande positiva effekter men lingonen gav klart störst effekt. Kråkbär, björnbär och katrinplommon var också inkluderade i studien, men dessa bär hade inte så stor inverkan på de studerade parametrarna.

Det kanske mest överraskande fyndet var att açaibäret – som marknadsförts som ett superbär för viktminskning – gav motsatt effekt. Mössen som fick açai-tillskott gick upp ännu mer i vikt än kontrollmössen och utvecklade dessutom fettlever.

Vad händer i kroppen när vi äter dessa olika bär? För att besvara frågan fördjupade vi forskningen om hur de bär som hade störst effekter påverkar kroppen och ämnesomsättningen. Vi använde oss av så kallad genuttrycksanalys. Alla celler och vävnader hos en individ består av samma genetiska material, vilket kan liknas vid en bok full av ritningar. Men hur kommer det sig då att t ex levern har helt annorlunda form och funktion än ett öra? Utseendet och funktionen hos en levercell är beroende på vilka gener i det genetiska materialet som är aktiverade. Man kan säga att i levercellen är det leverritningarna som används, medan det i örat istället är öronritningarna som är aktiva. Genuttrycksanalys utnyttjas för att studera vilka gener som används. I vår studie undersökte vi vilka av alla tusentals gener i levrar från möss som var mer eller mindre aktiverade. Resultatet visade att mössen som fick açai hade fler aktiverade gener involverade i fettinlagring än vad kontrollmössen hade. Dessutom upptäcktes att lingon och blåbär inaktiverade gener involverade i inflammation. Det verkar alltså som om lingon och blåbär har en antiinflammatorisk effekt.

Den antiinflammatoriska effekten av lingon och blåbär är ett intresseväckande fynd eftersom inflammation är kopplad till fetma och andra metabola sjukdomar. Den inflammatoriska reaktionen är en naturlig del av kroppens försvar mot angrepp av mikroorganismer, men ihållande låggradig inflammation är skadlig och verkar kunna motverkas med kost och livsstilsförändringar. För att få ledtrådar om hur lingon minskar låggradig inflammation undersökte vi ytterligare en aspekt – hur påverkas tarmen av bärintag?

Tarmfloran är en viktig faktor som länkar kost och hälsotillstånd. Kroppen består av 10 gånger fler mikroorganismer än egna celler, och majoriteten av dessa bakterier återfinns i tarmarna. Tarmsystemet härbärgerar ca 1.5 kg bakterier, tarmfloran, som utgör ett ekosystem i symbios med kroppen. Dock har det visat sig att sammansättningen av tarmfloran kan rubbas – t ex genom kosten – vilket kan bidra till utveckling av låggradig inflammation, fetma och andra sjukdomar. I vår studie framkom att möss som fått högfettskost hade en tarmflorasammansättning som är kopplad till fetma och negativa hälsoeffekter. Dock hade mössen som fått tillskott av lingon en helt annan tarmflora, vars sammansättning är förknippad med positiva hälsoeffekter.

I samma studie jämfördes hälsoeffekter av olika lingon. Det visade sig att två olika satser lingon, införskaffade från samma leverantör, skiljde sig åt i kapaciteten att förebygga fetma. Dock hade båda satserna lingon samma effekt på tarmfloran och motverkande låggradig inflammation. Skillnaden i ursprung och innehåll mellan de två olika lingonsatserna har inte kunnat fastställas, men fyndet är intressant då det antyder att lingon har positiva hälsoeffekter utöver de effekter som uppnås genom kroppsviktsminskning.

Blir man smal av lingonsylt? Vad kan vi dra för slutsatser av fyra års bärforskning? Våra studier i möss har för första gången identifierat lingon som ett bär med positiva hälsoeffekter på fetma och låggradig inflammation – effekter som bland annat kan vara kopplade till tarmfloran. Dock är möss inte människor, och det återstår att bevisa om lingon – eller lingonsylt – kan påverka kroppsvikt och inflammation även i människa.

• author: Heyman, Lovisa
• supervisor: Cecilia Holm; Karin Berger; Helena Jones
• opponent: Professor Oscarsson, Jan, University of Gothenburg
• organization: Molecular Nutrition (research group); EXODIAB: Excellence of Diabetes Research in Sweden
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology; Biochemistry and Molecular Biology; Nutrition and Dietetics; Microbiology in the medical area; Immunology in the medical area; Endocrinology and Diabetes
• keywords: obesity, type 2 diabetes, berries, low-grade inflammation, gut microbiota, hepatic steatosis, gene expression, DNA methylation, lingonberry, blackcurrant, bilberry, açai
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2015:122
• pages: 139 pages
• defense location: Belfrage Lecture Hall, BMC D15, Klinikgatan 32, Lund
• defense date: 2015-11-27 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-201-6
• project: ANTIDIABETIC FOOD CENTRE
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 70ac2794-e7de-4ee3-9b3e-2efe83de107d (old id 8166619)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:42:20
• date last changed: 2019-05-21 21:36:15