Development of an improved propionibacterium for potential use as a nutraceutical towards the prevention - treatment of colorectal cancer

Abstract

Propionibacterium freudenreichii is a commercially important bacterium that is well-known for its role as ripening starter in the cheese industry and its probiotic potential. These bacteria may beneficially modulate the intestinal ecosystem and can exert anti-neoplastic effects, particularly against colorectal cancer (CRC), via the production of short chain fatty acids (SCFAs), namely acetate and propionate. Thus, propionibacteria can be envisaged as a potential nutraceutical towards the prevention/treatment of CRC. In that sense, the aim of this thesis was to develop strategies to enhance the production of SCFA by P. freudenreichii under the simulation of human colon environment, as well as to evaluate its effects on CRC cells. In order to optimize and characterize the production of SCFAs, acetate and propionate by P. freudenreichii, different culture media and different fermentation conditions were evaluated. Moreover, the SCFAs toxic concentrations for the bacterium were determined. Additionally, a digestive stress challenge and random mutagenesis of P. freudenreichii DSM 20271 were performed. Finally, the effect of the propionibacteria fermentation broth on CRC cells and the CRC cells conditioned medium on the growth and biotransformation performance of the bacteria were studied. The basal medium (BM) was found to be the best to produce SCFA by P. freudenreichii with high amounts of acetate and propionate being produced, mainly when supplemented with glycerol. However, the results obtained with the medium “mimicking the content of the human colon” (MCHC) were not favorable regarding SCFAs production. The adapted P. freudenreichii to digestive stress lost the ability to produce high amounts of SCFAs in yeast extract-lactate (YEL) and BM media, in particular propionate. Moreover, partial inhibition of the bacteria growth and SCFAs production occurred at the following concentrations of pure SCFAs: 4 g L-1 acetate; 3 g L-1 propionate; 6 g L-1 propionate; 1 g L-1 acetate and 3 g L-1 propionate. Pure acetate and propionate, as well as the bacterial fermentation broth inhibited the CRC cells RKO proliferation and promoted their accumulation in the sub-G1 phase of the cell cycle. In conclusion, the results gathered in this work suggest that the coculture of P. freudenreichii and CRC cells was found to be possible and favorable for the bacteria and that P. freudenreichii could potentially be used in the CRC prevention/treatment via their ability to produce SCFAs.

A Propionibacterium freudenreichii é uma bactéria comercialmente importante, conhecida pela sua utilização como cultura de arranque na produção de queijo, bem como pelo seu potencial probiótico. Estas bactérias podem modular beneficamente o ecossistema intestinal e exercer os efeitos antineoplásicos, em particular contra o cancro colorectal (CRC), através da produção de ácidos gordos de cadeia curta (AGCC), nomeadamente acetato e propionato. Assim, as propionibactérias podem ser vistas como potenciais nutracêuticos para a prevenção/tratamento do CRC. Nesse sentido, o objectivo desta tese foi desenvolver estratégias para aumentar a produção de AGCC pela P. freudenreichii em condições que simulam o cólon humano, bem como avaliar o seu efeito nas células de CRC. A fim de otimizar e caracterizar a produção dos AGCC, acetato e propionato, diferentes meios de cultura e diferentes condições foram avaliados. Além disso, as concentrações de AGCC tóxicas para a bactéria foram determinadas. Adicionalmente, realizaram-se ensaios de adaptação ao stresse digestivo e de mutação aleatória na P. freudenreichii DSM 20271. Finalmente, foi estudado o efeito do meio de fermentação da bactéria nas células de CRC, bem como o efeito do meio condicionado das células de CRC no crescimento e produção de AGCC pela bactéria. O meio basal (BM) demonstrou ser o melhor para produzir AGCC pela P. freudenreichii, obtendo-se grandes quantidades de acetato e propionato, principalmente no meio BM suplementado com glicerol. No entanto, os resultados obtidos com o meio que "imita o conteúdo do cólon humano" (MCHC) não foram favoráveis relativamente à produção de AGCC. A P. freudenreichii adaptada ao stresse digestivo perdeu a capacidade de produzir grandes quantidades de AGCC, particularmente propionato, nos meios de extrato de levedura-lactato (YEL) e BM. Adicionalmente, observou-se uma inibição parcial do crescimento bacteriano e produção de AGCC para as seguintes concentrações de AGCC puros: 4 g L-1 acetato; 3 g L-1 propionato; 6 g L-1 propionato; 1 g L-1 acetato e 3 g L-1 propionato. O acetato e o propionato, bem como o meio de fermentação da bactéria inibiram a proliferação das células de CRC RKO e induziram um aumento de células na fase sub-G1 do ciclo celular. Em conclusão, os resultados deste trabalho sugerem que a co-cultura entre células de CRC e P. freudenreichii é possível e favorável para a bactéria e que a P. freudenreichii poderá potencialmente ser usada na prevenção/tratamento de CRC através da sua capacidade de produzir AGCC.