Descifrando las funciones de la microbiota intestinal en la obesidad.

Abstract

[ES] La obesidad es uno de los principales problemas de salud pública debido a su elevada prevalencia y a las comorbilidades asociadas, lo que se traduce en una reducción considerable de la calidad y esperanza de vida, además de un enorme gasto económico. Su origen es multifactorial y el desarrollo de terapias efectivas para combatirla resulta complejo. La microbiota intestinal ejerce un papel relevante en el mantenimiento del balance energético y salud metabólica. Por ello, las estrategias basadas en la modificación de la microbiota intestinal son consideradas potenciales alternativas para el manejo clínico de la obesidad. No obstante, se requiere un mayor conocimiento sobre cuáles son las especies bacterianas clave en el mantenimiento de la homeostasis energética del hospedador y su modo de acción. El objetivo general de la tesis ha sido identificar nuevas estrategias basadas en la manipulación de la composición y funciones de la microbiota intestinal eficaces contra la obesidad, así como sus mecanismos de interacción con el hospedador. El capítulo primero de la tesis se centra en estudiar los mecanismos de acción por los que Bacteroides uniformis CECT 7771 ejerce efectos protectores frente al desarrollo de la obesidad, tal y como nuestro grupo ha descrito en trabajos previos. A través de un estudio en ratones con obesidad inducida por la dieta hemos demostrado que esta cepa reduce la disfunción metabólica a través de la modulación de la microbiota intestinal y las alteraciones inmunológicas en el intestino y el tejido adiposo asociados a la obesidad. Todos los efectos sobre el eje intestino-tejido adiposo parecen estar mediados por la activación de TLR5. Además, hemos desarrollado una estrategia similar a un simbiótico con el fin de incrementar la eficacia de esta bacteria administrándola a dosis menores. La formulación simbiótica se diseñó en base a la preferencia de B. uniformis CECT 7771 por el salvado de trigo (WBE) como fuente de carbono en cultivos in vitro. La administración conjunta de la bacteria y WBE mostró beneficios inmuno-metabólicos al reducir el aumento de peso corporal y la adiposidad, al tiempo que mejoraron las rutas del metabolismo energético moduladas por insulina y la homeostasis inmunológica intestinal. Además, reforzó la primera línea de defensa inmunológica al aumentar los niveles de butirato y restaurar los niveles de IEL inducidos y las ILC3.

En el segundo capítulo hemos llevado a cabo dos estudios preclínicos que describen los efectos de dos nuevas bacterias autóctonas del tracto gastrointestinal humano como potenciales probióticos para el tratamiento de la obesidad identificadas por el grupo. El primer estudio, la administración de Holdemanella biformis CECT 9752 a ratones con obesidad inducida por la dieta redujo los niveles de glucosa en ayuno y mejoró la tolerancia oral a la glucosa de forma independiente a la insulina. A nivel del contenido luminal del intestino grueso, la bacteria incrementó los niveles de ácidos grasos insaturados, potenciales secretagogos lipídicos de GLP-1. A nivel del intestino delgado, incrementó la sensibilidad a GLP-1 de las neuronas vagales aferentes, mecanismo implicado en la producción endógena de glucosa. A nivel hepático, la suplementación con la bacteria redujo la gluconeogénesis y mejoró la sensibilidad a insulina.

En el segundo estudio hemos evaluado los efectos inmuno-metabólicos de Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, consumidora de succinato y productora de propionato en un modelo animal de obesidad. La administración redujo el aumento de peso corporal y la ingesta de alimentos y mejoró la tolerancia oral a la glucosa. Estos beneficios se asociaron a un aumento sostenido de la hormona intestinal anorexigénica PYY en plasma y una prevención de la hipersecreción de GIP inducida por la dieta rica en grasa. Además, la bacteria normalizó la inmunidad intestinal alterada en la obesidad, y mejoró

[CA] L'obesitat és un dels principals problemas de salut pública a causa de la seua elevada prevalença i a les comorbilitats associades, la qual cosa es tradueix en una reducció considerable de la qualitat i de l'esperança de vida, a més d'una enorme despesa econòmica. El seu origen es multifactorial i el desenvolupament de teràpies efectives per combatre-les resulta complex. La microbiota intestinal exerceix un paper rellevant en el manteniment del balanç energètic i salut metabòlica. Per això, les estrategias basades en la modificació de la microbiota intestinal son considerades hui en dia potencials alternatives per al maneig clínic de l'obesitat. No obstant això, es requereix d'un major coneixement sobre quines son les espècies bacterianes claus al manteniment de l'homeòstasi energètica de l'hoste i la seua manera d'acció. L'objectiu general de la tesi ha sigut identificar noves estratègies basades en la manipulació de la composició i funcions de la microbiota intestinal eficaces contra l'obesitat, així com els seus mecanismes d'interacció amb l'hoste. El capítol primer de la tesi es centra en estudiar els mecanismes d'acció pels quals Bacteroides uniformis CECT 7771 exerceix efectes protectors enfront del desenvolupament de l'obesitat, tal com el nostre grup ha descrit previament. A través d'un estudi en ratolins amb obesitat induïda per la dieta hem demostrat que aquesta soca redueix la disfunció metabòlica a través de la modulació de la microbiota intestinal i les alteracions immunològiques en l'intestí i al teixit adipos epididimal associats a l'obesitat. Tots els efectes sobre l'eix intestí-teixit adipós semblen estar mediades per l'activació de TLR5.

A més, hem desenvolupat una estrategia similar a un simbiòtic amb la finalitat d'incrementar l'eficàcia d'aquest bacteri administrant-la a dosis menors. La fomulació simbiòtica es va dissenyar basant-se en la preferència de B. uniformis CECT 7771 pel segó del blat (WBE) com a font de carboni en cultius in vitro. L'administració conjunta de la bacteria i WBE va mostrar beneficis immuno-metabòlics al reduir l'augment de pes corporal i l'adipositat, al mateix temps que van millorar les rutes del metabolisme energètic modulades per insulina i la homeòstasi immunològica intestinal. A més, va reforçar la primera línia de defensa immunològica augmentant els nivells de butirat i restaurant els nivells de IEL induïts i de ILC3. Al segon capítol de la tesi hem dut a terme dos estudis preclínics que descriuen els efectes de dos nous bacteris autòctones del tracte gastrointestinal humà com a potencials probiòtics per al tractament de l'obesitat identificades amb posterioritat pel grup. El primer estudi, l'administració de Holdemanella biformis CECT 9752 a un model animal d'obesitat va reduir els nivells de glucosa en dejú i va millorar la tolerància oral a la glucosa de manera independent a la insulina. A nivell del contingut luminal de l'intestí gros, el bacteri va incrementar els nivells d'àcids grassos insaturats, potencials secretagogos lipídics de GLP-1. A nivell de l'intestí prim, va incrementar la sensibilitat a GLP-1 de les neurones vagals aferents, mecanisme implicat en la producció endògena de glucosa. A nivell hepàtic, la suplementació amb el bacteri va reduir la gluconeogènesi i va millorar la sensibilitat a insulina. En el segon estudi hem avaluat els efectes immuno-metabòlics de Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, consumidora de succinat i productora de propionat a un model animal d'obesitat. L'administració va reduir l'augment de pes corporal i l'ingesta d'aliments i va millorar la tolerància oral a la glucosa. Aquests beneficis es van associar a un augment sostingut de l'hormona intestinal anorexigénica PYY en plasma i la prevenció de la hipersecreció de GIP induïda per la dieta rica en greix. A més, el bacteri va normalitzar la immunitat intestinal alterada en l'obesitat i va millorar

[EN] Obesity is one of the main public health problems due to its high prevalence and associated comorbidities, which results in a considerable reduction of the health-related quality of life and life expectancy, as well as in an overwhelming cost to global health economies. It has a multifactorial origin and the development of effective therapies is complex and has become one of the main challenges for society. The gut microbiota plays an important role in the maintenance of energy balance and metabolic health. Therefore, strategies based on gut microbiota modification to beneficially modulate energy metabolism are nowadays considered potential alternatives for the clinical management of obesity. However, the effective implementation of these strategies requires the identification of key bacterial species for the maintenance of host energy homeostasis as well as the better understanding of which mechanisms are behind of their effects. The general objective of this doctoral thesis has been to identify new and effective strategies against obesity based on the manipulation of the gut microbiota composition and function, as well as their mechanisms of interaction with the host. The first chapter of the thesis focuses on studying the mechanisms of action by which Bacteroides uniformis CECT 7771 induces protective effects against the onset of obesity, based on previous studies of our group. An intervention conducted in diet-induced obese mice, we have demonstrated that this strain reduces metabolic dysfunction through the modulation of the intestinal microbiota and immune players obesity associated in both intestine and epididymal white adipose tissue. All the effects on the gut-adipose tissue axis appear to be mediated by TLR5 activation.

Moreover, we have developed a symbiotic strategy with the aim of increasing the B. uniformis anti-obesity efficacy at lower doses. The symbiotic formulation was designed based on the preference of B. uniformis CECT 7771 for wheat bran (WBE) as a carbon source in in vitro cultures. The co-administration of the bacteria and WBE showed immuno-metabolic benefits reducing body weight gain and adiposity, along with improving insulin-modulated energy metabolism pathways and intestinal immune homeostasis. In addition, It strengthened the first line of immune defence by increasing butyrate levels and restoring levels of induced IEL and ILC3.

In the second chapter of the thesis we have carried out two pre-clinical studies describing the effects of two new autochthonous bacteria of the human gastrointestinal tract as potential probiotics for the treatment of obesity identified later by the group. The first study, the administration of Holdemanella biformis CECT 9752 in an animal model obesity reduced fasting glucose levels and improved oral glucose tolerance in an insulin-independent manner. In the luminal content of the large intestine, the bacteria increased the abundance of unsaturated fatty acids, potential GLP-1 secretagogues. In the small intestine, it could directly increase the GLP-1 sensitivity of vagal afferent neurons, a mechanism involved in hepatic endogenous glucose production. At the hepatic level, the supplementation with the bacteria reduced gluconeogenesis and improved insulin sensitivity. In the second study we have evaluated the immuno-metabolic effects of Phascolarctobacterium faecium DSM 32890 succinate consumer and propionate producer in an animal model of diet-induced obesity. The bacteria reduced body weight gain and food intake and improved oral glucose tolerance. These benefits were associated with a sustained increase in plasma of the anorexigenic gut hormone PYY and a prevention of high-fat diet-induced GIP hypersecretion. In addition, the bacteria normalized the impaired intestinal immunity in obesity and improved intestinal barrier integrity.