Influence of gut-to-brain neuroendocrine pathways and intestinal microbiota on energy homeostasis

Abstract

[ES] La obesidad es un gran reto de salud pública que ha alcanzado proporciones epidémicas. El entorno "occidentalizado" en el que vivimos, caracterizado por la accesibilidad a alimentos hipercalóricos, contribuye al desequilibrio crónico entre energía ingerida y gasto energético que causan la obesidad. Las intervenciones conductuales diseñadas para la pérdida de peso tienen limitada efectividad a largo plazo, por lo que existe una urgente necesidad de desarrollar estrategias más eficaces y seguras para prevenir y tratar la obesidad y sus comorbilidades. El desarrollo de estrategias terapéuticas dirigidas al intestino para mejorar la salud metabólica requiere un conocimiento en profundidad de las vías de señalización neuroendocrina intestinal que regulan el la ingesta y el equilibrio energético. El objetivo de esta tesis ha sido profundizar en las interacciones intestino-cerebro implicadas en el control de la homeostasis energética, incluyendo los componentes endocrinos, neurales y la microbiota intestinal, en el contexto del desarrollo de la obesidad inducida por una dieta hipercalórica. En los Capítulos 1 y 2 hemos explorado nuevas funciones de las neuronas sensoriales aferentes que expresan el canal de sodio Nav1.8 en el control de la homeostasis energética, considerando las diferencias entre sexos. Hemos generado un modelo de ratón carente de las neuronas Nav1.8+ mediante ablación con toxina diftérica. En el Capítulo 1 hemos demostrado que las neuronas Nav1.8+ son indispensables para regular específicamente según el sexo las vías neurales y endocrinas implicadas en la homeostasis energética. En hembras, la ablación de estas neuronas mejora la regulación de la glucosa postprandial potenciando la señalización enteroendocrina de GLP-1 y acelera el tránsito intestinal, mientras que en machos induce resistencia al aumento de peso inducido por una dieta obesogénica. En el Capítulo 2 hemos demostrado que, en machos, la ablación de las neuronas Nav1.8+ altera el control coordinado de la ingesta i las variaciones de peso diarias, además de alterar la señalización enteroendocrina y las oscilaciones diarias de la microbiota intestinal en respuesta al estado nutricional (ayuno/ingesta), y perturbar la homeostasis del sistema inmune intestinal. En el capítulo 3, hemos usado un modelo de ratón con obesidad inducida por dieta para explorar los mecanismos por los cuales Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, una cepa bacteriana intestinal aislada de humanos metabólicamente sanos, previene la obesidad modulando la ingesta. La administración de P. faecium reduce la ingesta calórica gracias a la hipersecreción de la hormona gastrointestinal saciante el PYY. Independientemente de sus efectos anorexigénicos, la bacteria ejerce sus beneficios metabólicos estimulando el tránsito intestinal y reduciendo la absorción intestinal de lípidos, evitando la acumulación de grasa corporal. En conclusión, esta tesis doctoral proporciona evidencia preclínica que contribuye a una comprensión más precisa de las vías neuroendocrinas que comunican el intestino y el cerebro, y del papel que tiene la microbiota intestinal en la regulación de la ingesta y el gasto energético. Destacamos la importancia de las neuronas sensoriales aferentes Nav1.8+ en la detección de estímulos intestinales por quimiorreceptores para regular el balance energético en ambos sexos, lo cual abre una nueva línea de investigación para diseñar herramientas de neuromodulación de las neuronas Nav1.8+ con el fin de prevenir y tratar los trastornos metabólicos inducidos por la dieta, de forma específica para cada sexo. También destacamos que P. faecium es una bacteria candidata como probiótico de nueva generación, ya que modula el sistema enteroendocrino del hospedador y previene la obesidad en un modelo preclínico. En conjunto, estos hallazgos proporcionan una base para el desarrollo de estrategias terapéuticas basadas en el intestino dirigidas a combatir la obesidad y comorbilidades asociadas.

[CA] L'obesitat és un gran repte de salut pública que ha assolit proporcions epidèmiques. L'entorn "occidentalitzat" en el que vivim, caracteritzat per l'accessibilitat a aliments hipercalòrics, contribueix al desequilibri crònic entre energia ingerida i despesa energètica que causen l'obesitat. Les intervencions conductuals dissenyades per a la pèrdua de pes tenen una eficàcia limitada a llarg termini, per la qual cosa hi ha una necessitat urgent de desenvolupar estratègies més eficaces i segures per a prevenir i tractar l'obesitat i les seues comorbiditats. El desenvolupament d'estratègies terapèutiques dirigides a l'intestí per a millorar la salut metabòlica requereix un coneixement en profunditat de les vies de senyalització neuroendocrina intestinal que regulen la ingesta i l'equilibri energètic. L'objectiu d'aquesta tesi ha sigut aprofundir en les interaccions intestí-cervell implicades en el control de l'homeòstasi energètica, incloent els components endocrins, neurals i la microbiota intestinal, en el context del desenvolupament de l'obesitat induïda per una dieta hipercalòrica. En els Capítols 1 i 2 hem explorat noves funcions de les neurones sensorials aferents que expressen el canal de sodi Nav1.8 en el control de l'homeòstasi energètica, considerant les diferències entre sexes. Hem generat un model de ratolí mancat de les neurones Nav1.8+ mitjançant ablació amb toxina diftèrica. En el Capítol 1 hem demostrat que les neurones Nav1.8+ són indispensables per a regular, específicament segons el sexe, les vies neurals i endocrines implicades en l'homeòstasi energètica. En femelles, l'ablació d'aquestes neurones millora la regulació de la glucosa postprandial potenciant la senyalització enteroendocrina de GLP-1 i accelera el trànsit intestinal, mentre que en mascles indueix resistència a l'augment de pes induït per una dieta obesogènica. En el Capítol 2 hem demostrat que, en mascles, l'ablació de les neurones Nav1.8+ altera el control coordinat de la ingesta i les variacions de pes diàries, a més d'alterar la senyalització enteroendocrina i les oscil·lacions diàries de la microbiota intestinal en resposta a l'estat nutricional (dejuni/ingesta), i pertorbar l'homeòstasi del sistema immunitari intestinal. En el capítol 3, hem utilitzat un model de ratolí amb obesitat induïda per dieta per explorar els mecanismes pels quals Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, una soca bacteriana intestinal aïllada d'humans metabòlicament sans, prevé l'obesitat modulant la ingesta. L'administració de P. faecium redueix la ingesta calòrica gràcies a la hipersecreció de l'hormona gastrointestinal saciant PYY. Independentment dels seus efectes anorexigènics, el bacteri exerceix els seus beneficis metabòlics estimulant el trànsit intestinal i reduint l'absorció intestinal de lípids, evitant l'acumulació de greix corporal. En conclusió, aquesta tesi doctoral proporciona evidència preclínica que contribueix a una comprensió més precisa de les vies neuroendocrines que comuniquen l'intestí i el cervell, i del paper que té la microbiota intestinal en la regulació de la ingesta i la despesa energètica. Destaquem la importància de les neurones sensorials aferents Nav1.8+ en la detecció d'estímuls intestinals per quimioreceptors per a regular l'equilibri energètic en ambdós sexes, que obri una nova línia d'investigació per a dissenyar ferramentes de neuromodulació de les neurones Nav1.8+ amb la finalitat de prevenir i tractar els trastorns metabòlics induïts per la dieta, de forma específica per a cada sexe. També destaquem que P. faecium és un bacteri candidat com a probiòtic de nova generació, ja que modula el sistema enteroendocrí de l'hoste i prevé l'obesitat en un model preclínic. En conjunt, aquests troballes proporcionen una base per al desenvolupament d'estratègies terapèutiques basades en l'intestí dirigides a combatre l'obesitat i comorbiditats associades.

[EN] Obesity is a major global public health challenge that has reached epidemic proportions. Besides its profound impact on health and well-being, this metabolic disorder represents a significant economic burden to society. Our westernized environment where high-calorie foods are readily available, represents a major driver of the chronic imbalance between energy intake and energy expenditure that cause obesity. The limited effectiveness of behavioral interventions to manage long-term weight loss highlights the urgent need to develop more effective and minimally invasive approaches to prevent and treat obesity and its comorbidities. The development of gut-targeted therapeutic strategies to improve metabolic health requires a comprehensive understanding of the gut neuroendocrine signaling pathways that, in interaction with the gut microbiota, control feeding behavior to ultimately maintain energy balance. The aim of this thesis has been to gain insight into gut-brain interactions, including those mediated by endocrine, neural and gut microbial components, involved in the control of energy homeostasis, with a focus on obesogenic diet-related dysfunctions that increase susceptibility to develop obesity. In Chapters 1 and 2, we have investigated novel functions of sensory afferent neurons expressing the sodium channel Nav1.8 in the control of energy homeostasis, considering sex-specificities, by generating a mouse model lacking Nav1.8+ neurons through a diphtheria toxin ablation strategy. In Chapter 1, we show that Nav1.8+ neurons are required to control neural and endocrine pathways involved in energy homeostasis in a sex-specific manner. Specifically, ablation of Nav1.8+ neurons in females improves postprandial glucose regulation by enhancing glucagon-like peptide-1 enteroendocrine signaling and accelerating intestinal transit, whereas in males it induces resistance to weight gain in response to an obesogenic diet. To further explore the role of Nav1.8+ neurons in controlling food intake and pre- and post-prandial daily rhythms that influence metabolic phenotype, in Chapter 2 we show in males that ablation of Nav1.8+ sensory neurons impairs the coordinated control of food intake and body weight fluctuations throughout the day. The loss of these neurons also alters the physiological enteroendocrine signaling and daily gut microbiota oscillations in response to the nutritional status (fasting/refeeding cycles) and disrupts intestinal immune homeostasis. In Chapter 3, we used a diet-induced obese mouse model to investigate the mechanisms by which Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, a gut bacterial strain isolated from metabolically healthy humans, prevents obesity by modulating food intake. We show that administration of P. faecium reduces caloric intake by promoting hypersecretion of a satiating gastrointestinal hormone, the peptide YY (PYY). Independently of its anorexigenic effects, the bacterium exerts its metabolic benefits via complementary mechanisms, specifically by stimulating intestinal transit and reducing intestinal lipid absorption, thereby preventing body fat accumulation. In conclusion, this doctoral thesis provides preclinical evidence for a better understanding of gut-to-brain neuroendocrine pathways and the role of gut microbiota in the regulation of food intake and energy expenditure. We highlight the importance of Nav1.8+ sensory afferent neurons in gut chemosensing for maintaining energy balance in both sexes, which prompts novel research lines and opportunities to design of sex-specific neuromodulation tools targeting Nav1.8+ neurons for prevention and treatment of diet-induced metabolic disorders. We also highlight that P. faecium is a promising next-generation probiotic candidate, as it modulates the host enteroendocrine system and prevents obesity in a preclinical model. Overall, our findings contribute to the development of gut-based therapeutic strategies to combat obesity and associated comorbidities.