Toward celiac-safe foods - Investigation of the interaction between transglutaminase 2 and gluten
Doktorsavhandling, 2018

Celiac disease, a chronic autoimmune enteropathy, may develop in genetically predisposed individuals upon ingestion of gluten proteins found in wheat, barley, and rye. Overall prevalence of celiac disease is increasing and it currently affects around 1% of the population. The types and severity of symptoms of celiac disease show high variability, leading to many sufferers remaining undiagnosed. The only available treatment is to follow a strict gluten-free diet, but gluten-free alternatives are less available, more expensive, and often have lower nutritional and sensorial quality.

This thesis work examined the interactions between the intestinal enzyme transglutaminase 2 and gluten peptides. Transglutaminase 2 plays a significant role in disease initiation and progression, and is the main autoimmune target in developed celiac disease. A method for measuring the interaction between transglutaminase 2 and gluten was developed and tested in studies on sourdough fermentation of wheat flour and bread. Transglutaminase 2-mediated transamidation of gluten was assayed and the extent of available binding motifs for transglutaminase 2 in α2-gliadin, considered the most immunogenic part of gluten, was assessed using an ELISA-based method. The results showed that lactic acid fermentation, which is not specifically tailored to degrade gluten, cannot sufficiently prevent transglutaminase 2 interaction with gluten or decrease the extent of available binding motifs for transglutaminase 2 on α2-gliadin. In studies investigating the possibility to block specific binding motifs for transglutaminase 2 on gluten peptides, using molecules suitable as food additives, binding to α2-gliadin was computationally simulated and promising candidates were identified. These candidates were analyzed in vitro for the ability to prevent transglutaminase 2-mediated transamidation and deamidation of gliadin. Ascorbyl palmitate was found to interact with α2-gliadin in computer simulations and effectively reduced gliadin interaction with transglutaminase 2 in vitro. The cytotoxicity profile of ascorbyl palmitate, in combination with gliadin, was evaluated in Caco-2 cell cultures by determining cell survival, direct cytotoxicity, inflammatory mediators, and cell layer integrity, and no negative effects were found. In ancillary studies of human ileostomy contents after ingestion of raw and extruded gluten-containing products, degradation products of α-gliadin were identified and the effect of extrusion on digestion was investigated. Preliminary results indicate that protein digestibility was decreased after intake of the extruded product, but the effect on α-gliadin digestion needs further evaluation. However, the majority of α-gliadin seems to be undigested after in vivo digestion in both products.

The interaction between transglutaminase 2 and gluten is crucial for celiac disease and in this thesis work, several strategies for preventing this have been explored. Ascorbyl palmitate has been shown to effectively prevent this interaction in vitro and is thus a promising candidate for creating cereal-based foods potentially safe for celiacs.

gliadin

Caco-2 cells

transglutaminase 2

ileostomy subjects

ascorbyl palmitate

gluten

gluten digestion

TG2

zinc

celiac disease

gluten intolerance

extrusion cooking

KB-salen, Kemigården 4, Göteborg
Opponent: Dr. Tuula Sontag-Strohm, Helsingfors Universitet, Finland

Författare

Niklas Engström

Chalmers, Biologi och bioteknik, Livsmedelsvetenskap

Engström, N., Sandberg. A-S., Scheers, N. Cytotoxicity profile of ascorbyl palmitate-gliadin in cultured intestinal cells: Aiming for celiac-safe gluten products

Engström, N., Scheers, N., Sandberg, A-S. A study of gluten digestion in the stomach and small intestine of human ileostomy subjects

Celiaki, även känt som glutenintolerans, är en kronisk autoimmun sjukdom som drabbar ungefär 1-2% av befolkningen. Sjukdomen innebär att glutenproteiner som finns i vete, och liknande proteiner i råg och korn, utlöser en immunreaktion vilket leder till en inflammation i tunntarmen och därmed också ett försämrat näringsupptag. Celiaki kan utvecklas när som helst i livet och symptomen kan variera kraftigt, både i typ och intensitet. De klassiska symptomen inkluderar exempelvis magont och diarré, men avsaknad av dessa symptom är vanligt och många har istället diffusa symptom. Idag är den enda behandlingsmetoden för celiaki att hålla sig till en glutenfri kost, vilket innebär exkludering av alla produkter som innehåller vete, råg eller korn. Dessvärre har en glutenfri kost flera nackdelar. Glutenfria produkter är oftast dyrare, svårare att hitta, de upplevs ofta som sämre smakmässigt och de kan ha ett sämre näringsinnehåll. Att långsiktigt följa en glutenfri kost är svårt, speciellt bland individer som inte har så tydliga symptom, vilket är bekymmersamt då obehandlad celiaki ökar risken för flera allvarliga komplikationer och sjukdomar.

Denna avhandling fokuserar på interaktionen mellan gluten och ett naturligt förekommande enzym som finns i kroppen. Enzymet, som kallas transglutaminas 2, kan utföra en förändring av specifika aminosyror i delar av glutenproteinet, vilket gör att dessa betydligt effektivare kan presenteras för immunförsvarets celler och därmed utlösa en reaktion. Transglutaminas 2 är oerhört viktig för utvecklingen av celiaki och är också den komponent i kroppen som attackeras med autoantikroppar under den pågående immunresponsen. Flera olika sätt att mäta interaktionen mellan transglutaminas 2 och gluten har studerats och hur man skulle kunna förhindra den. Fermentering av vete med mjölksyrabakterier har i tidigare studier visat sig kunna bryta ned gluten, men våra resultat visar att det krävs en omfattande nedbrytning och en noggrann kontroll. En typisk surdegsjäsning resulterar sannolikt i en ofullständig nedbrytning av gluten, som absolut inte lämpar sig för konsumtion av personer med celiaki. Vi har istället studerat möjligheten att blockera de ställen på gluten som transglutaminas binder in till. Genom datorsimuleringar fann vi att askorbylpalmitat har potential att binda in till gluten på dessa ställen, vilket också bekräftades i laboratorieexperiment. Askorbylpalmitat utvärderades även i en mänsklig tarmcellinje, för att ta reda hur väl en kombination tillsammans med gluten tolereras av tarmcellerna, med positiva resultat som följd. Även ileostomiprover från människa har studerats, alltså prover som tagits från slutet av tunntarmen. Syftet var att se hur gluten bryts ned i verkligheten i mage och tunntarm och om processning med hjälp av extrudering har en påverkan. Detta har aldrig tidigare studerats i människa. Preliminära resultat visar sämre nedbrytning av proteinet vid konsumtion av extruderad produkt och att oavsett processning var viktiga glutenproteiner intakta. Interaktionen mellan transglutaminas 2 och gluten är kritisk för celiaki och i denna avhandling har flera strategier för att förhindra denna undersökts. Askorbylpalmitat har visat stor potential för detta och förhoppningen är att askorbylpalmitat i framtiden ska kunna användas för att skapa gluteninnehållande produkter som är säkra för personer med celiaki att äta.

Ämneskategorier

Immunologi inom det medicinska området

Medicinsk bioteknologi (med inriktning mot cellbiologi (inklusive stamcellsbiologi), molekylärbiologi, mikrobiologi, biokemi eller biofarmaci)

Näringslära

Styrkeområden

Livsvetenskaper och teknik

ISBN

978-91-7597-755-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4436

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KB-salen, Kemigården 4, Göteborg

Opponent: Dr. Tuula Sontag-Strohm, Helsingfors Universitet, Finland