זמינות ביולוגית ויציבות ויטמין D בננו-אנקפסולציה במיצלות קזאין

1. זמינות ביולוגית ויציבות ויטמין D בננו-אנקפסולציה במיצלות קזאין פרופ' צופיה איש-שלום מרכז רפואי רמב"ם, היחידה למטבוליזם העצם והמינרלים הפקולטה לרפואה, הטכניון מכון טכנולוגי לישראל דר' יואב ליבני הפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון, הטכניון, מכון טכנולוגי לישראל livney@technion.ac.il

2. רקע: ויטמין D נוצר בעור בחשיפה לקרינת UVB. בעל חשיבות רבה לתפקוד רב מערכתי: למטבוליזם העצם והסידן, תגובתיות לאינסולין, מערכת החיסון ועוד. לפי מחקרים אפידמיולוגים, סטטוס תקין של ויטמין D קשור בהפחתת סיכון לשברים, ליתר לחץ דם, לסוכרת, ולסרטן. מקורותיו התזונתיים מעטים ואינם יכולים לספק את התצרוכת הנדרשת בהעדר חשיפה מספקת לשמש. יש חסר ויטמין D בכל רובדי האוכלוסייה, עקב הימנעות מחשיפה לשמש מחשש למלנומה, ושימוש בקרם הגנה.

3. רקע: ויטמין D • לכן קיימת חשיבות רבה להעשרת מזונות ומשקאות הנצרכים ע"י אוכלוסיות רחבות בויטמין זה לשם העלאת אספקת הויטמין ומניעת חסר קיצוני. • הויטמין מסיס שומן ורגיש לחום, חמצן וUV • התוסף חייב להיות בעל כושר פיזור הומוגני במוצר כדי למנוע הרעלה.

4. הגישה: פיתוח מערכות הובלה ננוסקופיות לחומרים נוטרסאוטיים הידרופוביים, המבוססות על חלבוני חלב,בהשראת מערכות טבעיות

5. מיצלות הקזאין (מ"ק) • קולואידים כדורייםבגודל 50-500 nm (בממוצע-(150 nm • יש כ-1014-1016 מיצלות במיליליטר חלב • מכילות כ- 2 גר' מים לגרם חלבון • הרכב על בסיס יבש: 94% קזאין, 6% מולקולות קטנות (סידן, פוספאט, ציטראט) Dalgleish et al. (2004) • תפקידן הביולוגי: ריכוז, ייצוב, והובלה של נוטריאנטים חיוניים, בעיקר חלבון וסידן, מהאם לתינוק. הן למעשה ננוקפסולות טבעיות!! Semo, E.; Kesselman, E.; Danino, D.; Livney, Y. D., Food Hydrocolloids, 2006.

6. יתרונות האנקפסולציה בתוך מיצלות הקזאין • הוספה וייצוב חומרים הידרופוביים נוטרסאוטיים במזונות חסרי או דלי-שומן. • העשרת מזונות בסיסיים בחומרים בריאותיים אלה תוך צמצום הפגיעה במרקם ובטעם המוצר, ובתכונות הפונקציונאליות של הקזאין. • הגנה על החומרים הרגישים מפני קלקול בייצור ובמהלך חיי המדף. • צמצום תחושת טעמים לא רצויים של החומרים המוספים. • שיפור פוטנציאלי של הזמינות הביולוגית שלהם. • השגת כל הנ"ל תוך שימוש בחומרים טבעיים המוכריםכ-GRAS

7. תוצאות מחקר מוקדם

8. חקר קישור ויטמין D לקזאין ריכוז הקזאין: mM 1 ע"י מדידת פלואורסנציה של טריפטופן בקזאין

9. תהליך לאנקפסולציה במ"ק:Two-Flow ModeUHP-Homogenization תמיסת קזאינאט עם ויטמין D ועם פוספאט תוצר חלבי הומוגני תמיסת Ca2+

10. תוצאות האנקפסולציהבהמגון מורפולוגיה: דומה לזו של מיצלות קזאין טבעיות A:r-CM (UHPH) B: natural CM A B 100 nm

11. התפלגות גודל המיצלות לאחר יצירתן בהמגון

12. יעילות קישור הויטמין לחלבון ריכוז החלבון ((Mw~24kDa 1% משקלי (43mM) ריכוז הויטמין((Mw=396Da43mM כלומר ביחס מולרי 1:1 עם החלבון

13. הגנה על ויטמין Dבפני טיפול חום

14. הגנה על הויטמין במשך חיי מדף בקירור

15. ויטמין D נקשר היטב לקזאין בתמיסה מימית. פותח תהליך תעשייתי חדשני לאנקפסולציה של חומרים נוטרסאוטיים במיצלות קזאין – ע"י המגון בלחץ אולטרא גבוה. הושגה הגנה לחומר הפעיל כנגד UV, חימום ובאחסון בקירור. חלב שיועשר במיצלות קזאין מועשרות כאלה בכמות של 0.002% מהקזאין כולו, יספק 1/3 מהקצובה היומית המומלצת של הויטמין בכוס חלב אחת! מסקנות משלבי המחקר הקודמים

16. מטרת המחקר הנוכחי: להשוות זמינות של ויטמין D במיצלות קזאין, לזמינות ויטמין D בתכשיר רפואי סטנדרטי.

17. השערת העבודה אנקפסולציה במ"ק עשויה לשפר את זמינות ויטמין :D הגודל הננוסקופי ושטח הפנים העצום (לגרם) של מ"ק המבנה הפרוש של הקזאינים, שהתפתח אבולוציונית להיות נגיש וקל לפרוטאוליזה במערכת העיכול צפויים לסייע לזמינות ויטמין Dשעבר ננואנקפסולציה בתוך מ"ק.

18. תוכנית המחקר אנקפסולציה של ויטמין 3D במ"ק תבוצע בשיטה שפותחה. ניסוי קליני: 105 מבוגרים בריאים בגילאי 18-65 שעברו בדיקה רפואית לאישור התאמתם לניסוי יחולקו אקראית ל-3 קבוצות: קבוצה א': כל נבדק יקבל כוס חלב 0% שומן (250 מ"ל) עם 50,000 יחב"ל ויטמין D3 במיצלות קזאין. קבוצה ב': כל נבדק יקבל 50,000 יחב"ל ויטמין 3D בתרחיף מימי סטנדרטי קבוצה ג': כל נבדק יקבל כוס חלב 0% שומן ללא העשרה (אינבו). ילקחו דגימות דם לפני נטילת התכשיר, וכן לאחר 1, 7, 14 ו- 28 ימים. רמת 25(OH)D בסרום תיבדק ב-ELISA .

19. ממצאים צפויים באופן אופטימאלי, אנו מקוים שהזמינות של הויטמין במיצלות הקזאין תהיה גבוהה מזו של הויטמין בתכשיר הרפואי, אם כי גם זמינות של מעל 60% בהשוואה לתכשיר הרפואי תחשב לתוצאה טובה, שכן כאמור לננוקפסולות ייתרונות רבים, כגון ייצוב, פיזור אחיד, והגנה בפני חום וקרינה, והן עשויות חומרים טבעיים בלבד. (ניתן יהיה לפצות על זמינות מופחתת מעט ע"י הגברת המינון.) בכוונתנו לערוך מחקר המשך (אולי בשת"פ עם התעשייה) בו תושווה הזמינות של הויטמין במיצלות הקזאין לזמינותו בשיטות העשרה קיימות במוצרים עם שומן (למשל חלב 1%).

20. חשיבות המחקרוהשלכות אפשריות לרפואה שיטת אנקפסולציה חדשנית זו מאפשרת לייצב חומרים נוטרסאוטיים הידרופוביים בסביבה מימית, בפרט במוצרים חסרי שומן, להגן עליהם במהלך ייצור המוצר וחיי המדף שלו ולשפר את אחידות פיזורם על פני מנות גדולות של מוצרים נוזליים לצורך מניעת הרעלות שנגרמו בעבר עקב פיזור לקוי של ויטמין 3D ננואנקפסולציה של נוטרסאוטיים ותרופות במ"ק עשויה להוות כלי טבעי ואפקטיבי לייצוב, הגנה, ושיפור הזמינות. העשרת מזונות בדרך זו בויטמין D עשויה לסייע במלחמה בתופעות החסר באוכלוסיה המודרנית שאינה נחשפת כמעט לשמש מחשש למלנומה.

21. תודות לסטודנטים שלי שעשו את העבודה המוקדמת: אפרת סמו דינה קנוך פטריסיה סימט לקרן GIF שמימנהאת המחקר המוקדם וכמובן- למועצת החלב ולמשרד הבריאות על מענק עבור המחקר הנוכחי!

22. ולכם- תודה על ההקשבה! דר' יואב ליבני המעבדה לביופולימרים וננוטכנולוגיה של מזון הפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון טל: 04-829-4225 אימייל: livney@technion.ac.il פרופ' צופיה איש-שלום מרכז רפואי רמב"ם, היחידה למטבוליזם העצם והמינרלים והפקולטה לרפואה, הטכניון מכון טכנולוגי לישראל

23. References DeKruif, C.G., and Holt, C., Casein micelle structure, functions and interactions. In: P.F. Fox and P.L.H. McSweeney, Editors, Advanced dairy chemistry-1 proteins part A, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York (2003), pp. 233–276. Fox, P.F., Milk proteins: General and historical aspects. In: P.F. Fox and P.L.H. McSweeney, Editors, Advanced dairy chemistry-1 proteins part A, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York (2003), pp. 1–48. Eitenmiller, R.R., and Landen, W.O. Jr., Vitamin D, Vitamin analysis for the health and food science, CRC Press, Boca Raton, FL (1999), pp. 77–82. Semo, E., Kesselman, E., Danino, D., Livney, Y.D., Casein micelle as a natural nano-capsular vehicle for nutraceuticals, Food Hydrocolloids (2006) Cogan, U., Kopelman, M., Mokady, S., Shinitzky, M., Binding affinities of retinol and related compounds to retinol binding proteins, European Journal of Biochemistry. 65, 71-78 (1976)

24. Vitamin D • Over 40 known metabolites of vitamin D. • D2 originates from plants, and can be found in nature in limited amounts. • D3 originate form animal sources (e.g. cod fish liver oil)