Glutathione metabolism in a piglet model of colitis and protein malnutrition

Abstract

Glutathione (γ-glutamyl-cysteinylglycine; GSH) is the most abundant low molecular weight thiol synthesized endogenously by all cells from glutamate, cysteine and glycine. Inflammatory bowel disease (IBD) is a debilitating condition associated with oxidative stress and protein energy malnutrition (PEM) (especially among children). The aim of this study was to investigate how nutrition and intestinal inflammation impact the regulation of GSH in red blood cells and tissues in a piglet model of dextran sodium sulfate (DSS)-induced colitis. This is the first study to combine the use of a stable isotope methodology to determine GSH synthesis and tandem mass spectrometry to analyze the concentration of GSH and its metabolites in various malnourished models of pediatric colitis. Our results demonstrated that GSH was uniquely regulated in tissues of healthy piglets, with the liver producing the most GSH. GSH concentration was ~20% lower in distal colon of well-nourished piglets with colitis and further reduced by ~60% in piglets with moderate PEM compared to healthy, well-nourished controls. Severe, but not moderate, protein deficiency altered GSH regulation on a systemic level, affecting metabolism in liver and compromising GSH concentration in red blood cells, ileal mucosa and spiral colon. No effect on GSH regulation was reported in moderately protein deficient piglets receiving a difference in protein quality or in moderately PEM piglets receiving probiotic supplementation or glucagon-like peptide 2, an anabolic hormone. In conclusion, we have demonstrated that protein malnutrition, a common consequence of IBD, exacerbates the deleterious effects of severe inflammation by affecting the regulation of GSH. Adequate protein consumption may play a more beneficial role than increasing macronutrient intake with respect to glutathione regulation during inflammation. This emphasizes the role of nutritional intervention, specifically increasing cysteine requirement, as a therapeutic approach towards rehabilitating patients with IBD.Le glutathion est l'un des principaux antioxydants de l'organisme. Il est produit de façon endogène à partir de glutamate, de cystéine et de glycine. La maladie inflammatoire de l'intestin est une condition débilitante associée au stress oxydatif et à la malnutrition protéique et énergétique (MPE), surtout chez les enfants. La présente étude avait pour but d'examiner l'effet de la nutrition et de l'inflammation intestinale sur l'état du glutathion dans les érythrocytes et les tissus en utilisant un modèle de colite induit par dextrane sulfate de sodium (DSS) chez des porcelets. Cette étude est la première à combiner l'utilisation d'isotopes stables pour déterminer la synthèse du glutathion et la spectrométrie de masse pour analyser la concentration du glutathion et de ses métabolites dans divers modèles de malnutrition et de colite pédiatrique. Nos résultats ont démontré que glutathion est uniquement régulé dans les tissus des porcelets sains, la majorité du glutathion étant produit dans le foie. La concentration de glutathion était inférieure d'environ 20% dans le côlon distal de porcelets bien nourris souffrant de colite par rapport aux porcelets sains et inférieure d'environ 60% chez les porcelets avec MPE par rapport aux porcelets bien nourris. Seulement un déficit sévère en protéines a compromis le métabolisme du foie et la concentration de glutathion dans les érythrocytes, la muqueuse iléale et le côlon spiralé. Aucun effet sur la régulation du glutathion n'a été démontré chez les porcelets recevant des protéines de différentes qualités, chez des porcelets avec MPE recevant une supplémentation probiotique ou une hormone anabolisante. En conclusion, nous avons démontré que la malnutrition protéique, une conséquence fréquente de l'inflammation intestinale, exacerbe les effets délétères de l'inflammation sévère en affectant la régulation du glutathion. La consommation adéquate de protéines peut jouer un rôle plus bénéfique que l'augmentation des macronutriments sur la régulation du glutathion. Ceci souligne le rôle de l'intervention nutritionnelle, spécifiquement l'augmentation de la cystéine, comme une approche thérapeutique à la réhabilitation des patients avec la maladie inflammatoire de l'intestin