Valuing the plant proteins as blends of high nutritional quality for specific populations : Proof of concept with a new product designed for preventing metabolic dysfunctions in the elderly
Valorisation de protéines végétales sous forme de mélanges de forte qualité nutritionnelle pour des populations spécifiques : Application à l'élaboration d'un ingrédient protéique et la caractérisation de ses effets sur la santé cardiométabolique chez la personne âgée
Résumé
The production and consumption of animal products generate negative externalities for the environment and health, and this contributes to the paradigm of reducing the proportion of animal proteins on our plates in favor of plant proteins. The benefits of plant-based diets could be multiplied tenfold in a world with an aging population. Indeed, age is a major risk factor for cardiometabolic diseases, while plant-rich diets are associated with reducing these risks. Plant proteins contain proportionally more amino acids (AA) identified as potentially beneficial to health.We have chosen to select plant protein sources especially rich in leucine, arginine, and cysteine because of the demonstrated effects of these AAs on the pathophysiology of sarcopenia and cardio-metabolic diseases. Leucine is an AA that enhances muscle anabolism and has been shown to be an effective nutritional intervention in reducing sarcopenia. Moreover, arginine is the main precursor of nitric oxide (NO), a key molecule in vascular homeostasis. In healthy adults or those at cardiometabolic risk, oral arginine supplementation can restore vascular function, particularly in acute nutritional stress.Finally, cysteine is involved in the defense against oxidative stress, which is implicated in initiating vascular endothelial dysfunction. Preventing its alteration in at-risk elderly populations is a major challenge in cardiovascular risk prevention. No study has yet characterized the synergistic effects of AA combinations on muscle protein synthesis and postprandial endothelial function in the elderly at cardiometabolic risk. In this thesis, we studied the effects of a plant protein blend rich in arginine, cysteine, and leucine on these targets.First, we defined target values for our AAs of interest: arginine, cysteine, and leucine, as well as for each of the indispensable AAs. We then evaluated combinations of protein ingredients by linear optimization. The final blend contained five protein ingredients derived from brown rice, potato, lupine, maize, and rapeseed.In a first study, we compared the long-term effects of milk protein and this plant protein blend on protein metabolism in aging rats. This thesis work showed no difference in the response of muscle protein synthesis to diet or in the evolution of lean mass and muscle mass during aging. Thus, well-designed plant protein mixtures can have a high nutritional value even in demanding situations such as aging protein metabolism.Secondly, in the same study, we compared the effects of milk protein and our plant protein blend on the cardiometabolic health of animals. This study revealed the beneficial long-term effects of the plant protein blend on insulin sensitivity.Finally, we conducted a clinical study comparing the acute effects on endothelial function after a loading meal containing milk protein, our plant protein blend, or no protein in the elderly with cardiometabolic risk factors. We showed that a challenge meal rich in saturated fat and sucrose induced only mild endothelial dysfunction in the at-risk elderly, irrespective of the protein source. In this population, we conclude that the acute addition of an optimized plant protein blend has no beneficial effect on postprandial adverse events.
Les activités de production et de consommation de produits animaux génèrent des externalités négatives sur l'environnement et la santé, ce qui participe au paradigme de réduction de la part des protéines animales au profit des protéines végétales dans nos assiettes. Les intérêts de cette végétalisation des régimes pourraient être décuplés dans un monde à la démographie vieillissante. En effet, l'âge est un facteur de risque majeur pour les maladies cardiométaboliques tandis que les régimes riches en végétaux sont associés à une réduction de ces risques. Les protéines végétales contiennent, en proportion, plus d'acides aminés (AA) identifiés comme potentiellement bénéfiques pour la santé. Nous avons choisi de sélectionner des sources protéiques végétales spécialement riches en leucine, arginine et cystéine en raison des effets démontrés de ces AA sur la physiopathologie de la sarcopénie et des maladies cardiovasculaires. En effet, la leucine est un AA activateur de l'anabolisme musculaire qui s'est avéré être une intervention nutritionnelle efficace pour réduire la sarcopénie. Par ailleurs, l'arginine est le principal précurseur du monoxyde d'azote (NO), molécule pivot de l'homéostasie vasculaire. Chez des personnes adultes saines ou à risque cardiométabolique, une supplémentation orale en arginine permet de restaurer cette fonction vasculaire, notamment dans des situations de stress nutritionnel aigu. Enfin, la cystéine participe à la défense contre le stress oxydant qui est impliqué dans l'initiation de la dysfonction endothéliale vasculaire. Prévenir son altération chez les publics âgés à risque est un enjeu majeur de la prévention des risques cardiovasculaires. Aucune étude n'a encore caractérisé les effets de combinaison d'AA, en synergie, sur la synthèse protéique musculaire et la fonction endothéliale postprandiale chez la personne âgée à risque cardiométabolique. Ainsi, dans ce travail de thèse, nous avons étudié les effets d'un mélange de protéines végétales riche en arginine, cystéine et leucine sur ces cibles physiologiques. Dans un premier temps, nous avons défini des valeurs cibles pour nos AA d'intérêt : arginine, cystéine et leucine; ainsi que pour chacun des AA indispensables. Nous avons ensuite évalué des combinaisons d'ingrédients protéiques par optimisation linéaire. Le mélange final retenu est composé de cinq ingrédients protéiques issus du riz brun, de la pomme de terre, du lupin, du maïs et du colza. Dans une première étude, nous avons comparé les effets à long terme de protéines de lait et de ce mélange protéique végétal sur le métabolisme protéique chez le rat vieillissant. Ce travail de thèse n'a montré aucune différence sur la réponse de la synthèse des protéines musculaires à l'alimentation et sur l'évolution de la masse maigre et de la masse musculaire au cours du vieillissement. Ainsi, des mélanges de protéines végétales bien conçus peuvent avoir une valeur nutritionnelle élevée même dans des situations exigeantes telles que le métabolisme protéique vieillissant.Ensuite, nous avons, dans cette même étude, comparé les effets de protéines de lait et de notre mélange protéique végétal sur la santé cardiométabolique des animaux. Cette étude a révélé des effets bénéfiques de long terme du mélange protéique végétal sur la sensibilité à l'insuline. Enfin, nous avons mené une étude clinique comparant les effets aigus sur la fonction endothéliale après un repas de charge contenant des protéines de lait, notre mélange de protéine végétal ou sans protéines, chez la personne âgée présentant des facteurs de risque cardiométabolique. Nous avons montré qu'un repas de provocation riche en graisses saturées et en saccharose n'induit qu'un léger dysfonctionnement endothélial chez la personne âgée à risque, quelle que soit la source de protéines. Nous concluons que, dans cette population, l'ajout aigu d'un mélange optimisé de protéines végétales n'a aucun effet bénéfique sur les événements indésirables postprandiaux.