Identificación de componentes de la microbiota intestinal potencialmente beneficiosos frente a la obesidad

Abstract

La obesidad es un problema de salud a nivel mundial que incrementa el riesgo de sufrir un amplio rango de comorbilidades, incluyendo la diabetes tipo II y las enfermedades cardiovasculares. Debido a estos motivos, es necesario encontrar estrategias para reducir la obesidad y sus co-morbilidades y que puedan ser implementadas en los sistemas de salud públicos. El objetivo general de la tesis ha sido avanzar en el conocimiento de la influencia de la composición y funciones de la microbiota intestinal y su genoma (microbioma) en la obesidad y alteraciones metabólicas asociadas e identificar bacterias intestinales que, junto a cambios en la dieta, puedan contribuir a establecer estrategias de intervención más eficaces para controlar estos desórdenes. El capítulo primero de la tesis se centra en el estudio de la seguridad y habilidad para metabolizar distintas fuentes de fibra de Bacteroides uniformis CECT 7771. Para ello, hemos llevado a cabo la secuenciación del genoma y el análisis del transcriptoma de la bacteria en respuesta a diferentes fuentes de carbono. Se ha observado que B. uniformis CECT7771 es capaz de fermentar todos los sustratos evaluados y crecer más rápido en presencia de aquellas fuentes de carbono de estructura más sencilla (salvado de trigo rico en arabinoxilanos (AXOS) y glucosa). Además, B.uniformis CECT 7771 posee la capacidad de degradar los O-glicanos de la mucina y producir butirato y disminuir la producción de ácidos grasos de cadena larga y proteínas transportadoras de acilo (ACPs), implicados en la síntesis de lipopolisacárido (LPS) bacteriano causante de endotoxemia. Cuando crece en presencia de pectina, B. uniformis CECT 7771 incrementa la producción y secreción de GABA, lo cual podría tener un impacto en el eje intestino-cerebro. B. uniformis CECT 7771 no ha mostrado signos de toxicidad o patogenicidad tras el análisis exhaustivo de los genes codificados en su genoma, ni tras su administración por vía oral en un modelo de toxicidad sub-crónica en ratas. En este modelo, la bacteria produce un perfil de citocinas anti-inflamatorio comparado con el grupo placebo y muestra un efecto dosis-dependiente en la disminución de los valores de la alanina aminotransferasa (ALT), sugiriendo un efecto hepato-protector. En el segundo capítulo de la tesis se ha llevado a cabo un estudio de intervención en humanos con sobrepeso y síndrome metabólico en el que se evaluó, en un primer lugar, los efectos de la suplementación dietética con fibras enriquecidas en AXOS y ácidos grasos poliinsaturados (PUFAs) durante 4 semanas en la composición de la microbiota intestinal y en los parámetros bioquímicos. Los resultados demuestran que la ingesta de AXOS modifica la microbiota, ejerciendo un efecto bifidogénico y un aumento de especies bacterianas productoras de butirato, aunque no hemos visto una mejora en los parámetros bioquímicos analizados. En el caso de la intervención con PUFAs, no hemos detectado cambios en la composición de la microbiota ni en los parámetros bioquímicos evaluados. En segundo lugar, hemos llevado a cabo un estudio multi-ómico en un subgrupo de sujetos de la intervención con AXOS a fin de profundizar en los efectos de este tipo de fibra. El análisis metagenómico nos ha permitido identificar cambios en la configuración de la microbiota intestinal, incluyendo un aumento de Ruminococcus gnavus y Prevotella spp. así como una disminución de Parabacteroides, Paraprevotella y Rikenella. También hemos detectado un incremento de metagenes implicados en la producción de tetrahidrofolato y derivados del ácido fólico, los cuales llevan a cabo una función protectora frente a la hiperhomocisteinemia; la vitamina K2, implicada en la correcta absorción del calcio; y el GABA, cuya baja concentración en el organismo se asocia a estados de ansiedad y desbalance energético y que favorece la secreción de insulina y regula los niveles de ceramidas en plasma.

L'obesitat és un problema de salut a nivell mundial que incrementa el risc de patir un ampli rang de comorbilitats, incloent la diabetis tipus II i les malalties cardiovasculars. A causa d'estos motius, és necessari trobar estratègies per a reduir l'obesitat i les seues co-morbiditats i que puguen ser implementades en els sistemes de salut públics. L'objectiu general de la tesi ha sigut avançar en el coneixement de la influència de la composició i funcions de la microbiota intestinal i el seu genoma (microbioma) en l'obesitat i alteracions metabóliques associades i identificar bacteris intestinals que, junt amb canvis en la dieta, puguen contribuir a establir estratègies d'intervenció més eficaços per a controlar estos desordes. El capítol primer de la tesi es centra en l'estudi de la seguretat i habilitat per a metabolitzar distintes fonts de fibra de Bacteroides uniformis CECT 7771. Per a això, hem dut a terme la seqüenciació del genoma i l'anàlisi del transcriptoma del bacteri en resposta a diferents fonts de carboni. S'ha observat que B. uniformis CECT7771 és capaç de fermentar tots els substrats avaluats i créixer més ràpid en presència d'aquelles fonts de carboni d'estructura més senzilla (segó de blat ric en arabinoxilans (AXOS) i glucosa). A més, B.uniformis CECT 7771 posseïx la capacitat de degradar els O-glicans de la mucina i produir butirat i disminuir la producció d'àcids grassos de cadena llarga i proteïnes transportadores d'acil (ACPs), implicades en la síntesi de lipopolisacárid (LPS) bacterià causant d'endotoxemia. Quan creix en presència de pectina, B. uniformis CECT 7771 incrementa la producció i secreció de GABA, la qual cosa podria tindre un impacte en l'eix intestí-cervell. B. uniformis CECT 7771 no ha mostrat signes de toxicitat o patogenicidad després de l'anàlisi exhaustiva dels gens codificats en el seu genoma, ni després de la seua administració per via oral en un model de toxicitat subcrònica en rates. En este model, el bacteri produïx un perfil de citoquines antiinflamatori comparat amb el grup placebo i mostra un efecte dosi- dependent en la disminució dels valors de l'alanino aminotransferasa (ALT) , suggerint un efecte hepato-protector. En el segon capítol de la tesi s'ha dut a terme un estudi d'intervenció en humans amb sobrecàrrega i síndrome metabòlica en què es va avaluar, en un primer lloc, els efectes de la suplementació dietètica amb fibres enriquides en AXOS i àcids grassos poliinsaturats (PUFAs) durant 4 setmanes en la composició de la microbiota intestinal i en els paràmetres bioquímics (mesures antropomètriques, metabolisme de glucosa, perfil lipídic, marcadors d'inflamació, etc.). Els resultats demostren que la ingesta d'AXOS modifica la microbiota, exercint un efecte bifidogénic i un augment d'espècies bacterianes productores de butirat, encara que no hem vist una millora en els paràmetres bioquímics analitzats. En el cas de la intervenció amb PUFAs, no hem detectat canvis en la composició de la microbiota ni en els paràmetres bioquímics avaluats. En segon lloc, hem dut a terme un estudi multi-ómic en un subgrup de subjectes de la intervenció amb AXOS a fi d'aprofundir en els efectes d'este tipus de fibra. L'anàlisi metagenómic ens ha permés identificar canvis en la configuració de la microbiota intestinal, incloent un augment de Ruminococcus gnavus i Prevotella spp. així com una disminució de Parabacteroides, Paraprevotella i Rikenella. També hem detectat un increment de metagens implicats en la producció de tetrahidrofolat i derivats de l'àcid fòlic, els quals duen a terme una funció protectora enfront de l'hiperhomocisteinemia; la vitamina K2, implicada en la correcta absorció del calci; i el GABA, la baixa concentració del qual en l'organisme s'associa a estats d'ansietat i desbalanç energètic i que afavorix la secreció d'insulina i regula els nivells de ceramides en plasma. L'anàlisi conjunta

Obesity is a global health problem that increases the risk of suffering a wide range of comorbidities, including type II diabetes and cardiovascular diseases. Due to these reasons, it is necessary to find strategies to reduce obesity and its co-morbidities that can be implemented in public health systems. The general objective of the thesis has been to advance in the knowledge of the influence of the composition and functions of the intestinal microbiota and its genome (microbiome) in obesity and associated metabolic alterations and to identify intestinal bacteria that, together with changes in the diet, can help to establish more effective intervention strategies to control these disorders. The first chapter of the thesis focuses on the study of the safety and ability to metabolize different fiber sources of Bacteroides uniformis CECT 7771. For this, we have carried out the genome sequencing and the transcriptome analysis of the bacteria in response to different carbon sources. It has been observed that B. uniformis CECT7771 is able to ferment all evaluated substrates and grow faster in the presence of those carbon sources of simpler structure (wheat bran rich in arabinoxylans (AXOS) and glucose). In addition, B.uniformis CECT 7771 has the ability to degrade the mucin O-glycans, produce butyrate and decrease the production of long chain fatty acids and acyl transport proteins (ACPs), involved in the synthesis of bacterial lipopolysaccharide (LPS) that causes endotoxemia. When grown in the presence of pectin, B. uniformis CECT 7771 increases the production and secretion of GABA, which could have an impact on the gut-brain axis. B. uniformis CECT 7771 has shown no signs of toxicity or pathogenicity after exhaustive analysis of the genes encoded in its genome, or after oral administration in a model of sub-chronic toxicity in rats. In this model, the bacterium produces an anti-inflammatory cytokine profile compared to the placebo group and shows a dose-dependent effect in the decrease of the alanine aminotransferase (ALT) values, suggesting a hepato-protective effect. In the second chapter of the thesis it was done an intervention study in humans with overweight and metabolic syndrome to evaluate at first the effects of dietary supplementation with fibers enriched in AXOS and polyunsaturated fatty acids (PUFAs) during 4 weeks in the composition of the intestinal microbiota and in the biochemical parameters. The results show that the intake of AXOS modifies the microbiota, exerting a bifidogenic effect and an increase of bacterial species that produce butyrate, although we have not seen an improvement in the biochemical parameters analyzed. In the case of the intervention with PUFAs, we have not detected changes in the composition of the microbiota or in the biochemical parameters evaluated. Secondly, we have carried out a multi-omic study in a subgroup of subjects of the intervention with AXOS in order to delve into the effects of this type of fiber. The metagenomic analysis has allowed us to identify changes in the configuration of the intestinal microbiota, including an increase in Ruminococcus gnavus and Prevotella spp. as well as a decrease of Parabacteroides, Paraprevotella and Rikenella. We have also detected an increase in metagenes involved in the production of tetrahydrofolate and folic acid derivatives, which perform a protective function against hyperhomocysteinemia; vitamin K2, involved in the correct absorption of calcium; and GABA, whose low concentration in the body is associated with states of anxiety and energy imbalance and that favors the secretion of insulin and regulates plasma ceramide levels. The joint analysis of the metagenome and the metabolome has allowed us to establish positive correlations between the abundance of Prevotella and the concentrations of short chain fatty acids and succinate, as well as between increases of Eubacterium rectale and reductions in methylamines, which could be involved in t