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Doctoral Thesis
2022
Einfluss verschiedener Getreidearten und Herstellungsverfahren auf den Gehalt immunogener Substanzen in Brot sowie in vivo auf die Verträglichkeit an der Maus und im Menschen
Einfluss verschiedener Getreidearten und Herstellungsverfahren auf den Gehalt immunogener Substanzen in Brot sowie in vivo auf die Verträglichkeit an der Maus und im Menschen
Abstract (English)
There are three medical conditions that are triggered by consumption of cereals. Celiac disease, wheat allergy and non-celiac wheat sensitivity (NCWS). While the underlying triggers and mechanisms of the first two entities have been extensively studied, there is still uncertainty in this regard for NCWS. Symptoms are nonspecific and diagnostic markers are lacking. Besides bacterial fermentable carbohydrates (FODMAPs), selected cereal proteins such as gluten or α-amylase trypsin inhibitors (ATIs) are in the focus of research as triggers. The aim of the present work was firstly to investigate the influence of the choice of cereal (common wheat, spelt, rye) and the production of bread (degree of milling and choice between yeast and sourdough) on the presence of potentially immunogenic proteins based on proteomic analysis. In a second step, the tolerability of selected breads should be investigated in a transgenic mouse model with intestinal inflammation and in a human study in patients with NCWS and subjective spelt tolerance. This was to narrow down possible triggers of NCWS and to investigate underlying mechanisms.
Within the project, protein composition of bread and flour samples was analyzed based on a quantitative proteomics method (nano-UHPLC-ESI-MS based). In addition, a list of known and potentially immunogenic cereal proteins was generated based on Pfam annotation, which was used for the analysis of allergens in flour and bread. This showed that neither the absolute number nor the abundance of these allergenic proteins were dependent on the degree of milling of the flour or the fermentation process of the dough, which means that they are not selectively degraded during bread production. However, such proteins were identified in higher numbers and higher relative amounts in spelt and wheat samples compared to rye samples. Furthermore, different bread types from the proteome analysis were investigated in a mouse model with intestinal inflammation. This did not demonstrate better tolerability of rye bread compared to spelt and wheat bread. Instead, there was a trend for sourdough bread to have less negative effects on intestinal inflammation compared to yeast dough bread. It also turned out that inflammation was increased independently of gluten. No differences were found between wheat and spelt in either the proteomic analysis or the animal studies in this project. However, in a subgroup of NCWS patients, spelt bread is subjectively better tolerated than wheat bread, which could be due to both genetics and the different production of wheat and spelt bread. In order to verify the phenomenon and identify underlying mechanisms, if any, a clinical study was conducted in patients of this subgroup. The aim of the blinded study was to investigate whether spelt bread is actually better tolerated than wheat bread and whether the production process (16h dough or 1h dough + baking agent) has an influence. After each bread (4 days each + 3 days washout), gastrointestinal symptoms were assessed using the Irritable Bowel Syndrome Severity Scoring System (IBS-SSS) questionnaire. Extraintestinal symptoms and various blood and stool parameters were also analyzed. It was found that spelt bread was not better tolerated compared to wheat bread after blinded consumption and that FODMAP-rich bread was not worse tolerated compared to FODMAP-poor bread.
Abstract (German)
Es gibt drei Krankheitsbilder, die durch Verzehr von Getreide getriggert werden. Die Zöliakie und die Weizenallergie und die Nicht-Zöliakie Weizensensitivität (NCWS). Während die zugrundeliegenden Auslöser und Mechanismen der ersten beiden Entitäten bereits eingehend untersucht wurden, besteht diesbezüglich bei der NCWS noch Unklarheit. Die Symptome sind sehr unspezifische und es fehlen diagnostische Marker. Als Auslöser stehen neben bakteriell fermentierbaren Kohlenhydraten (FODMAPs) ausgewählte Getreideproteine wie Gluten oder α-Amylase-Trypsin-Inhibitoren (ATIs) im Fokus der Forschung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es zum einen, den Einfluss der Wahl des Getreides (Weichweizen, Dinkel, Roggen) und der Herstellung von Brot (Vermahlungsgrad und Wahl zwischen Hefe- und Sauerteig) auf das Vorliegen potenziell immunogener Proteine auf Basis einer Proteomanalyse zu untersuchen. In einem zweiten Schritt sollte die Verträglichkeit ausgewählter Brote in einem transgenen Mausmodell mit intestinalen Entzündungen und in einer Humanstudie an Patienten mit NCWS und subjektiver Dinkeltoleranz auf ihre Verträglichkeit untersucht werden. Dadurch sollten mögliche Auslöser der NCWS eingegrenzt und zugrundeliegende Mechanismen untersucht werden.
Im Rahmen des Projektes wurde auf Basis einer quantitativen Proteomics Methode (nano-UHPLC-ESI-MS basiert) die Proteinzusammensetzung von Brot- und Mehlproben analysiert. Zudem wurde auf Basis der Pfam Annotierung eine Liste mit bekannten und potenziell immunogenen Getreideproteinen erstellt, die für die Analyse von Allergenen in Mehl und Brot herangezogen wurde. Dabei zeigte sich, dass weder die absolute Anzahl noch die Abundanz dieser allergenen Proteine abhängig vom Mahlgrad des Mehls oder dem Fermentationsprozess des Teiges waren, was bedeutet, dass sie bei der Brotherstellung nicht selektiv abgebaut werden. Jedoch konnten in Dinkel- und Weizenproben im Vergleich zu Roggenproben solche Proteine in höherer Anzahl und höherer relativer Menge identifiziert werden. Weiter wurden verschiedene Brotsorten aus der Proteomanalyse an einem Mausmodell mit intestinalen Entzündungen untersucht. Dabei konnte keine bessere Verträglichkeit von Roggenbrot im Vergleich zu Dinkel- und Weizenbrot nachgewiesen werden. Stattdessen zeigte sich ein Trend, dass Sauerteigbrot die Darmentzündungen weniger stark negativ beeinflusste, als Hefeteigbrot. Auch stellte sich heraus, dass die Entzündungen unabhängig von Gluten verstärkt wurden. Weder in der Proteomanalyse noch in den Tierversuchen dieses Projektes konnten Unterschiede zwischen Weizen und Dinkel festgestellt werden. In einer Subgruppe von NCWS Patienten wird Dinkelbrot jedoch subjektiv besser vertragen als Weizenbrot, was sowohl auf die Genetik als auch auf die unterschiedliche Herstellung von Weizen- und Dinkelbrot zurückzuführen sein könnte. Um das Phänomen zu verifizieren und ggf. zugrundeliegende Mechanismen zu identifizieren, wurde eine klinische Studie an Patienten dieser Subgruppe durchgehführt. Ziel der verblindeten Studie war es zu untersuchen, ob Dinkelbrot tatsächlich besser vertragen wird als Weizenbrot und ob die Herstellung (16h Teigführung oder 4h Teigführung +Backmittel) einen Einfluss. Nach jedem Brot (jeweils 4 Tage + 3 Tage Washout) wurden die gastrointestinalen Symptome mit dem Irritable Bowel Syndrome Severity Scoring System (IBS-SSS) Fragebogen bewertet. Außerdem wurden extraintestinale Symptome und verschiedene Blut- und Stuhlparameter analysiert. Es zeigte sich, dass Dinkelbrot im Vergleich zu Weizenbrot nach verblindetem Verzehr nicht besser vertagen wurde und dass FODMAP-reiches Brot im Vergleich zu FODMAP-armem Brot nicht schlechter vertragen wird.
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Faculty of Natural Sciences
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Institute of Clinical Nutrition
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2022-05-10
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German
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Classification (DDC)
570 Biology