Very-long-chain polyunsaturated fatty acids and their biological functions

Abstract

The overall aim of this thesis was to gain insight into the bioavailability of dietary very-long-chain polyunsaturated fatty acids (VLC-PUFAs) and their potential effects on skin and bone health. While well-known omega-3 (n-3) PUFAs, such as eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA), have been extensively studied, less is known about the n-3 VLC-PUFAs, which have chain lengths longer than 24 carbons.

Prior to the work presented in this thesis, VLC-PUFAs were not commercially available in large enough concentrations to supply in feeding trials. Therefore, this thesis is the first study of its kind to conduct dietary feeding trials using VLC-PUFA concentrates in rodents and fish, as well as several in vitro experiments involving n-3 VLC-PUFAs with chain lengths of C24–28. The thesis explores the hypothesis that these VLC-PUFAs have specific tissue functions that are incompletely understood or unknown.

In Paper I, the primary goal was to investigate the bioavailability and distribution of dietary n-3 VLC-PUFAs in various tissues in rat, mice, and Atlantic salmon. The study also assessed whether natural fish oil (FO), rich in long chain precursors to VLCPUFAs, affected tissue VLC-PUFA composition. Rats were fed diets supplemented with natural FO as a source of low dietary levels of n-3 VLC-PUFAs, while Atlantic salmon and mice were fed higher dietary levels of n-3 VLC-PUFAs from a FO concentrate. In all experiments, n-3 VLC-PUFA incorporation into organs was investigated. The results demonstrated that natural FO, which has a high EPA content, increased the endogenous production of n-3 VLC-PUFAs in the eye, skin, and brain of mice to a limited extent, with neglectable amounts of n-3 VLC-PUFA originating from the diet. When higher dietary levels were given in the form of concentrate, these fatty acids were bioavailable and deposited in both the phospholipid and triglyceride fractions of all tissues studied, including skin, eye, brain, testis, liver, and heart, and their distribution appeared to be tissue-dependent but not species-specific. When EPA and DHA were balanced in the diets of Atlantic salmon and n-3 VLC-PUFAs increased, the major n-3 VLC-PUFAs from the concentrate increased significantly in the organs studied. This shows that n-3 VLC-PUFAs can be provided via the diet, and thereby provides a tool for functional studies of these fatty acids.

In paper II, the primary goal was to investigate the potential impact of dietary n-3 VLC-PUFAs on skin health. In this study, Atlantic salmon were fed different dietary levels of n-3 VLC-PUFAs from concentrate during the early parr life stage, a period in which the skin matures and develops. Changes in skin morphology were then analysed at two different time points during the experiment and the effects on skin tissue fatty acid composition was determined. In vitro experiments using human dermal fibroblasts and primary Atlantic salmon keratocytes were also conducted to investigate the effects of VLC-PUFA supplementation on the migration capacity of the cells. The results of the study demonstrated that increasing dietary n-3 VLC-PUFAs led to increased epidermis thickness, higher mucus cell count, and more rapid scale maturation in Atlantic salmon skin in vivo, and thereby a more mature skin morphology and possibly more robust skin, at an earlier life stage. Additionally, the in vitro experiments demonstrated that n-3 VLC-PUFA supplementation resulted in more rapid cell migration, indicating potential beneficial effects of VLC-PUFAs in wound healing.

In paper III, the main goal was to investigate the effects of dietary VLC-PUFAs on bone mineralization. Analysis of fatty acid composition, mineral content, bone density and gene expression after feeding Atlantic salmon increasing dietary levels of n-3 VLCPUFAs from concentrate revealed a positive correlation between increasing dietary n-3 VLC-PUFAs and elevated levels of the minerals phosphorous (P), calcium (Ca), and magnesium (Mg) in both the skin and vertebrae and increased bone mineral density (BMD). Furthermore, gene expression analysis highlighted potential links between VLC-PUFAs and bone-related processes, with a minimal but noteworthy number of differentially expressed genes related to bone-related processes. In vitro experiments using human foetal osteoblast cells (hFOB 1.19) were also carried out and revealed some trends in the effects of VLC-PUFAs on expression of cytokines and gene expression markers related to bone differentiation. This suggests that the VLC-PUFAs affected osteoblast differentiation, which aligned with the in vivo findings.

Overall, the work carried out in this thesis demonstrates that VLC-PUFAs can be incorporated into various tissues following dietary supplementation, and that dietary supplementation potentially affects skin maturation and cell migration, with potential implications for wound healing, as well as improving bone mineralization.

Hovedmålet med denne avhandlingen var å bidra med kunnskap om biotilgjengeligheten til veldig langkjedede flerumettede fettsyrer (VLC-PUFAs) fra fiskeoljekonsentrat tilført gjennom kosten og deres potensielle effekter på hud- og benhelse. Mens velkjente omega-3 (n-3) PUFAs som eikosapentaensyre (EPA) og dokosaheksaensyre (DHA) har blitt grundig studert, er mindre kjent om n-3 VLCPUFAs med karbonkjeder lengre enn 24 karbonatomer.

Før arbeidet i denne avhandlingen var VLC-PUFAs ikke tilgjengelige i store nok konsentrasjoner for å kunne tilføres i fôringsforsøk. Dette arbeidet er derfor det første av sitt slag, der fôringsforsøk med VLC-PUFA konsentrater ble utført på rotter, mus, og atlantisk laks, samt inkludert i flere in vitro eksperimenter med n-3 VLCPUFAs med kjeder spesifikt mellom C24-28. Avhandlingen utforsker hypotesen om at disse VLC-PUFAene har spesifikke vevsfunksjoner som er ufullstendig forstått eller ukjente.

I artikkel I var det primære målet å undersøke biotilgjengeligheten og fordelingen av n-3 VLC-PUFAs fra kostholdet i ulike vev hos rotter, mus, og atlantisk laks. I tillegg inkluderer studien en undersøkelse av om naturlig fiskeolje (FO), rik på langkjedede forløpere til VLC-PUFAs, påvirker vevssammensetningen av VLC-PUFA. Rotter ble fôret med dietter tilsatt naturlig FO som en kilde til lave kostholdsnivåer av n-3 VLCPUFAs, mens atlantisk laks og mus ble fôret med høyere kostholdsnivåer av n-3 VLCPUFAs fra et FO-konsentrat. I alle fôringsforsøkene ble deponeringen av n-3 VLCPUFAs i organene undersøkt. Resultatene viste at naturlig FO, på grunn av sitt høye EPA-innhold, i begrenset grad økte produksjonen av endogene n-3 VLC-PUFAs i øye, hud, og hjerne hos mus, med ubetydelige mengder n-3 VLC-PUFA som stammet fra kostholdet. Når høyere nivåer ble gitt i kostholdet i form av konsentrat var disse fettsyrene biotilgjengelige og ble deponert i både fosfolipid- (PL) og triglyserid- (TAG) fraksjonene av alle studerte vev og organer, inkludert hud, øye, hjerne, testikler, lever, og hjerte, og deres distribusjon syntes å være vevsavhengig, men ikke arts-spesifikk. Når EPA og DHA var balansert i diettene til atlantisk laks og n-3 VLC-PUFA nivåene økte, økte de viktigste n-3 VLC-PUFAene fra konsentratet signifikant i de undersøkte organene. Dette viser at n-3 VLC-PUFAs kan tilføres gjennom kosthold, og gir dermed et verktøy for funksjonelle studier av disse fettsyrene.

I artikkel II var det primære målet å undersøke den potensielle påvirkningen av kosttilførsel av n-3 VLC-PUFAs på hudhelsen. I denne studien ble atlantisk laks fôret med ulike nivåer av n-3 VLC-PUFAs fra FO-konsentrat i løpet av tidlig parr livsstadiet, en periode hvor huden modnes og utvikler seg. Endringer i hudmorfologi ble deretter analysert ved to ulike tidspunkter i løpet av eksperimentet, og effektene på fettsyresammensetningen av hudvevet ble analysert. Videre ble det utført in vitro eksperimenter med humane dermale fibroblaster og primære keratocytter fra atlantisk laks, for å undersøke effektene av VLC-PUFA tilskudd på migrasjonskapasiteten til cellene. Resultatene viste at økende nivåer av n-3 VLCPUFA førte til økt tykkelse av epidermis, høyere antall slimceller, og raskere modning av skjellene i huden til atlantisk laks in vivo, og dermed en mer moden hudmorfologi og muligens en mer robust hud på et tidligere livsstadium. I tillegg viste in vitro eksperimentene at n-3 VLC-PUFA tilskudd førte til raskere cellemigrasjon, noe som indikerer potensielle gunstige effekter av VLC-PUFA på sårheling.

I artikkel III var det viktigste målet å undersøke effektene av kosttilførsel av n-3 VLCPUFA på benmineralisering. Gjennom analyser av fettsyresammensetning, mineralinnhold og genuttrykk etter fôring av atlantisk laks med økende nivåer av n- 3 VLC-PUFA fra FO-konsentrat i kostholdet, avdekker studien en positiv sammenheng mellom økende nivåer av n-3 VLC-PUFAs og økte nivåer av mineralene fosfor (P), kalsium (Ca) og magnesium (Mg), både i hud og ryggvirvel. Videre peker analysen av genuttrykk på potensielle sammenhenger mellom VLC-PUFAs og benrelaterte prosesser, med et minimalt men signifikant antall gener knyttet til benrelaterte prosesser som var differensielt uttrykt mellom de ulike diettgruppene. In vitro eksperimenter med humane føtale osteoblastceller (hFOB 1.19) ble også utført og viste noen trender i effekter av VLC-PUFA på ekspresjon av cytokiner og genuttrykk av markører knyttet til ben-differensiering. Dette kan indikere at VLC-PUFA påvirker osteoblastdifferensiering, i tråd med in vivo funnene.

Totalt sett har arbeidet utført i denne avhandlingen vist at VLC-PUFAs kan inkorporeres i ulike vev etter tilførsel via kostholdet, og at økt tilførsel gjennom kostholdet potensielt påvirker hudmodning og cellemigrering, med potensielle implikasjoner for sårheling, i tillegg til å forbedre benmineraliseringen.