Carotenoids: Exploring Links with Inflammation and Optimizing Dietary Intake

Plasma levels of carotenoids have consistently shown inverse associations with systemic markers of inflammation, mainly C-reactive protein (CRP) and circulating leukocyte counts. However, their relationship with specific leukocyte subsets and other inflammatory markers remains unclear. Furthermore, results from carotenoid intervention studies have been inconsistent, potentially due to the low absorption rates of carotenoids, which are heavily affected by food processing. In vitro studies have shown that preparing spinach as a smoothie can enhance carotenoid release. Yet, it remains unclear how co-consumed liquid components affect their absorption. The aim of this thesis was therefore to address these gaps by exploring the association between carotenoids and inflammation, and by developing strategies to optimize their dietary intake.

In Paper I, we found that plasma carotenoids were inversely associated with circulating granulocytes, but not other immune cells, in a population-based cohort. Carotenoids were also associated with CRP, interleukin-18, and matrix metalloproteinase-9 (MMP-9). Mediation analysis revealed that granulocytes mediated the relationship between carotenoids and CRP, as well as MMP-9. In Papers II and III, we evaluated how co-consumed liquid components affected the release and absorption of carotenoids from spinach smoothies. Only four of the fourteen liquids enhanced release in vitro, while cow´s milk was the only liquid to significantly enhance in vivo absorption in humans.

Overall, this thesis supports an inverse association between carotenoids and several inflammatory markers, particularly those involved in innate immunity. Furthermore, we developed a practical dietary strategy to optimize carotenoid intake by consuming spinach in smoothies with cow's milk. This offers a valuable tool for future studies evaluating the immunomodulatory effects of carotenoids and their potential to reduce chronic low-grade inflammation.

Låggradig kronisk inflammation är en riskfaktor för vanliga folksjukdomar som hjärt-kärlsjukdom, typ 2 diabetes och cancer. Medicinska behandlingar som hämmar inflammation minskar risken för sjukdom, men kopplas samtidigt till allvarliga biverkningar. Ett mer fysiologiskt behandlingsalternativ skulle kunna vara förändrade kostvanor. Ett högt intag av frukt och grönt kopplas till lägre inflammation. Orsaken är inte klarlagd, men en förklaring är intag av karotenoider, som är antioxidanter och rikligt förekommande i vissa frukter och grönsaker.

Flera studier har funnit att höga nivåer av karotenoider i blodet är kopplat till lägre inflammation. Men dessa studier har ofta använt generella mått och sambandet med specifika typer av immunceller eller inflammationsmarkörer är oklart. Samtidigt uppvisar kostinterventioner som syftat till att öka karotenoidintaget motstridiga resultat. Detta kan bero på att absorptionen av karotenoider är komplex, och att de lätt bryts ner vid uppvärmning. Som exempel är mängden karotenoider som kroppen kan ta upp från spenat mycket högre i en smoothie jämfört med när spenaten värms upp. Däremot vet vi inte hur olika drycker som används i en smoothie påverkar absorptionen. Syftet med denna avhandling var därför att dels undersöka sambandet mellan karotenoider och immunceller/inflammation i blodet, dels att utveckla en metod för att optimera upptag av karotenoider från spenat.

I delarbete I, som var en befolkningsstudie såg vi ett starkt samband mellan karotenoidnivåer i blodet och specifika inflammationsmarkörer som kopplas till ökad risk för folksjukdomar. Vi såg också en koppling till en specifik typ av immuncell, granulocyter. Uppskattat karotenoidintag baserat på kostenkäter visade dock inget samband. I delarbete II och III undersökte vi vilka drycker som bäst kan användas i spenatsmoothies för att maximera upptaget av karotenoider. Av de fjorton drycker vi testade (mjölk- samt växtbaserade) var det endast fyra som ökade frisättningen av karotenoider från spenaten. När vi sedan testade hur upptaget i kroppen påverkades av dessa drycker, visade det sig att endast komjölk markant ökade absorptionen.

Sammanfattningsvis visar denna avhandling att det finns ett tydligt samband mellan karotenoidintag och inflammation, vilket stärker potentialen för att karotenoider kan användas i sjukdomsförebyggande syfte. Vi visade också att man kan öka kroppens upptag av karotenoider avsevärt genom att använda komjölk i spenatsmoothie. En sådan smoothie skulle vara ett lättillgängligt verktyg i framtida behandlingsstudier för att se om ett högre intag av karotenoider kan sänka låggradig kronisk inflammation och på så sätt minska risken för sjukdom.

Chronische ontsteking is een risicofactor voor veelvoorkomende ziektes zoals hart- en vaatziekten, diabetes type 2 en kanker. Medische behandelingen die ontstekingen remmen, verlagen weliswaar het risico op deze ziekten, maar hebben vaak ernstige bijwerkingen. Een meer fysiologisch alternatief zou een verandering van voedingsgewoonten kunnen zijn. Een hoog inname van groenten en fruit wordt namelijk geassocieerd met minder ontstekingen. De precieze reden hiervoor is nog onduidelijk, maar een mogelijke verklaring is de inname van carotenoïden, antioxidanten die rijkelijk aanwezig zijn in veel soorten groenten en fruit.

Verschillende studies hebben al aangetoond dat hoge niveaus van carotenoïden in het bloed in verband staan met minder ontsteking. Deze studies maken echter vaak gebruik van algemene meetmethoden, waardoor de relatie met specifieke immuuncellen of ontstekingsmarkers onduidelijk is. Tegelijkertijd leveren voedingsinterventies om de inname van carotenoïden te verhogen inconsistente resultaten op. Een mogelijke reden is dat carotenoïden complex worden opgenomen en bovendien snel afbreken door verhitting. De hoeveelheid carotenoïden die het lichaam kan opnemen uit spinazie is bijvoorbeeld veel hoger in een smoothie dan in verhitte spinazie. Wat we echter nog niet weten, is hoe verschillende dranken in een smoothie de opname beïnvloeden. Het doel van dit proefschrift was daarom tweeledig: ten eerste het onderzoeken van het verband tussen carotenoïden en immuuncellen/ontsteking in het bloed, en ten tweede het ontwikkelen van een methode om de opname van carotenoïden uit spinazie te optimaliseren.

In deelstudie I, een bevolkingsonderzoek, vonden we een sterk verband tussen de carotenoïdenniveaus in het bloed en specifieke ontstekingsmarkers die geassocieerd worden met een verhoogd risico op veelvoorkomende ziekten. Er werd ook een verband gevonden met een specifiek type immuuncel, granulocyten. De geschatte inname van carotenoïden op basis van voedingsenquêtes liet echter geen verband zien. In deelstudies II en III onderzochten we welke dranken het beste kunnen worden gebruikt in spinaziesmoothies om de opname van carotenoïden te maximaliseren. Van de veertien geteste dranken verhoogden slechts vier het carotenoïdegehalte uit de spinazie. Toen we vervolgens testten hoe de opname in het lichaam werd beïnvloed door deze dranken, bleek dat alleen koemelk de opname van carotenoïden aanzienlijk verhoogde.

Samenvattend laat dit proefschrift zien dat er een duidelijk verband bestaat tussen carotenoïdeninname en ontsteking, wat het potentieel van carotenoïden voor ziektepreventie vergroot. Ons onderzoek toonde ook aan dat het gebruik van koemelk in een spinaziesmoothie de opname van carotenoïden aanzienlijk verhoogt. Een dergelijke smoothie zou een gemakkelijk hulpmiddel kunnen vormen voor toekomstig onderzoek. Daarin kan gekeken worden of een hogere inname van carotenoïden de chronische ontsteking en het risico op ziekte kan verlagen.