A metabolomic exploration of processed meat intake : dietary biomarkers and metabolic effects
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The intake of red and processed meat has been associated with several adverse health outcomes such as colorectal cancer and type II diabetes. Processed meat is a very heterogeneous food group and the estimation of its intake in epidemiological studies is often limited by the insufficient details of dietary questionnaires or recall bias of study participants. Biomarkers of intake could provide a valuable tool to estimate intake of different processed meat products and help disentangle the mechanisms linking processed meat intake and disease, but no such biomarkers have been proposed yet. Untargeted metabolomics was applied in this thesis to identify biomarkers of processed meat intake in an agnostic way. In the first part of this thesis, untargeted metabolomics analyses of 10 in vitro digested meat products revealed that different processed meat products showed chemical profiles and metabolites specific for smoking, fermentation and the use of pepper as ingredient. The second part aimed at the identification of biomarkers for processed meat intake in a randomized cross-over dietary intervention study and in a cross-sectional study. In the first study, 12 volunteers consumed 3 different processed meat products (salami, bacon, hot dogs) and control foods (non-processed pork, tofu) during 3 days. Syringol metabolite levels were elevated in plasma and urine after intake of smoked meat (bacon, hot dogs) and levels of pepper-derived metabolites were elevated in urine and plasma after salami intake, when compared to non-processed meat intake. Biomarkers were then tested for replication in 24-hr urine (n = 474) and serum samples (n = 397) of the European Prospective Investigation into Cancer and nutrition (EPIC) cross-sectional study by assessing their association with processed meat intake based on food frequency questionnaire data. Urinary syringol metabolites and urinary and plasma pepper-derived metabolites were discriminating smoked meat consumers and sausage consumers, respectively, from non-consumers. The third part aimed at the investigation of the impact of meat intake on human metabolism. A large panel of acylcarnitines, metabolites involved in energy and fatty acid metabolism, were assessed for their association with meat intake. First, acylcarnitines that showed different levels in blood and urine after intake of pork and tofu in the dietary intervention study were identified. These were then tested for an association with red and processed meat intake in the EPIC cross-sectional study. Several short and medium chain acylcarnitines were elevated in urine samples after pork intake compared to tofu intake in the intervention study and associated with red and processed meat intake in the EPIC cross-sectional study. Stearoylcarnitine (C18:0) in blood was consistently associated with meat intake in the intervention and cross-sectional study. The new biomarkers identified in this thesis may contribute to improve assessment of intake of processed meat in future epidemiological studies on cancer and other health outcomes. Increased levels of acylcarnitines associated with meat intake show that meat intake influences this important metabolic pathway and this may provide new clues to explain effects of meat intake on disease risk. Future research should investigate the generalizability of these results in other population settings (e.g. other eating cultures in Asia)
Abstract FR:
Différentes études épidémiologiques ont montré que la consommation de viande rouge et de viande transformée était associée à un risque plus élevé de développer certaines maladies comme le cancer colorectal ou le diabète de type II. L’utilisation de biomarqueurs de l’alimentation pour quantifier plus précisément la consommation alimentaire dans les études épidémiologiques est donc un outil prometteur. Aucun biomarqueur de la consommation de viande transformée n’a été proposé à ce jour. L’objectif de cette thèse était donc (I) d’identifier des nouveaux biomarqueurs de la consommation de viande transformée, et de (II) mieux comprendre l’impact de la consommation de viande sur le métabolisme humain. La première partie de cette thèse a permis d’analyser 33 échantillons de viandes digérées in vitro via une approche métabolomique non-ciblée. Les saucisses frites et les saucissons présentaient tous deux des taux élevés de piperamides (alcaloïdes provenant du poivre). Le syringol et ses dérivés, constituants de la fumée de bois, étaient quant à eux spécifiques des produits issus de viandes fumées. Enfin, certaines amines biogènes étaient spécifiques des produits fermentés. La deuxième partie de cette thèse visait à identifier des biomarqueurs de la consommation de différents types de viandes transformées. Pour cela, une étude interventionnelle croisée randomisée a été réalisée sur 12 sujets qui ont consommé pendant 3 jours consécutifs cinq types de viande ou substitut (bacon, hot-dogs, saucisson, porc frit et tofu). De plus fortes teneurs en métabolites conjugués de syringol et de ses dérivés ont été mesurées dans les échantillons d’urine et de plasma collectés après la consommation de hot dogs, par comparaison à ceux collectés après consommation de porc non-transformé. De la même manière, de plus fortes teneurs en piperamides ont été mesurées après la consommation de saucisson, par comparaison au porc non-transformé. Dans un deuxième temps, les biomarqueurs identifiés dans l’étude interventionnelle ont été testés pour réplication dans des échantillons d’urine (n = 474) et de sérum (n = 397) issus d’une étude transversale. Nous avons observé que les teneurs en métabolites conjugués de syringol et de ses dérivés dans les échantillons d’urine étaient associés à la consommation de viande fumée. De plus, les alcaloïdes du poivre et leurs métabolites, ont été retrouvés dans l’urine et étaient associés à la consommation récente de saucisses. Ces métabolites également retrouvés dans le sérum, étaient associés à la consommation habituelle de saucisses ou viande transformée. Enfin, la troisième partie de cette thèse avait pour objectif d’étudier l’impact de la consommation de viandes rouges et transformées sur les taux d’acylcarnitines dans le sang et l’urine. Dans l’urine, nous avons observé que la présence de plusieurs acylcarnitines à chaines courtes et moyennes était élevée après la consommation de porc, en comparaison à celle de tofu dans l’étude interventionnelle. Onze de ces acylcarnitines étaient également associées à la consommation de viande dans l’étude transversale. Dans le sang, nous avons observé que l’acylcarnitine C18:0 était associée à la consommation de viande à la fois dans l’étude interventionnelle et dans l’étude transversale. Enfin, aucune association n’a été observée entre la consommation de poulet et les concentrations d’acylcarnitines dans l’étude transversale. Cette thèse a donc permis d’identifier de nouveaux biomarqueurs de la consommation de viandes fumées (métabolites du syringol) et de saucisses (piperamides). Ils pourraient aider à quantifier la consommation de ces produits dans des études épidémiologiques. Nous avons également pu montrer l’impact de la consommation de viandes rouges et transformées sur le taux d’acylcarnitines, qui sont d’importants métabolites impliqués dans le métabolisme énergétique