Effect and Mechanisms of Action of Intestinal Bacteria and Bioactive Compounds on the Immune System and Metabolism in Obesity Models

Abstract

[ES] La obesidad representa un importante reto para la salud pública debido a su elevada prevalencia y a las comorbilidades asociadas. Las dietas hipercalóricas activan el sistema inmunitario intestinal y alteran la microbiota intestinal causando daños metabólicos en el organismo. De hecho, la pérdida de homeostasis inmunológica intestinal se considera un evento que precede a la aparición de la inflamación sistémica de bajo grado asociada a la obesidad. Dado que la microbiota intestinal es un factor modificable, su modulación puede convertirse en una oportunidad para reducir el impacto de la obesidad. Por ello la identificación de los factores que participan en la respuesta inflamatoria a las dietas obesogénicas y la búsqueda de alternativas terapéuticas basadas en la microbiota constituyen una vía de investigación prometedora para combatir la obesidad. Esta Tesis Doctoral evalúa el potencial de nuevos probióticos y estrategias dietéticas para combatir la obesidad basadas en sus propiedades inmunomoduladoras.

En el Primer Capítulo investigamos el potencial anti-obesogénico del propil propano tiosulfinato (PTS), un compuesto organosulfurado derivado de la especie Allium, en dos dosis diferentes (0,1 o 1 mg/kg/día) utilizando un modelo murino de obesidad inducida por la dieta (DIO). Nuestros hallazgos demostraron los efectos protectores de PTS frente a la obesidad, ya que su administración redujo el peso corporal y mejoró la homeostasis de glucosa. En el tejido adiposo y el hígado, PTS redujo la inflamación y el metabolismo lipídico aberrante causado por la dieta obesogénica. Además, PTS incrementó la actividad termogénica en el tejido adiposo marrón y reforzó la función barrera intestinal. En vista de los modestos cambios en el ecosistema microbiano intestinal, concluimos que estos efectos no eran mediados por la microbiota.

En el Segundo Capítulo evaluamos el potencial anti-obesogénico y el mecanismo de acción de una nueva bacteria llamada Phascolarctobacterium faecium DSM 32890. Para ello, realizamos diferentes experimentos in vitro e in vivo usando diferentes cultivos celulares (macrófagos derivados de médula ósea y células linfoides innatas intestinales del grupo 1 (LC1s)) y modelos murinos DIO (ratones C57BL/6J y Rag1-/-). El tratamiento de ratones alimentados con una dieta hipercalórica con P. faecium incrementó la proporción de los macrófagos M2 en el intestino, lo que contrarrestó el aumento de ILC1s y, en última instancia, mitigó la intolerancia a la glucosa y el aumento de peso corporal, independientemente de la viabilidad de la bacteria. Además, P. faecium reforzó la función barrera intestinal y evitó la inflamación sistémica causada por la dieta hipercalórica. Estos beneficios metabólicos se mantuvieron en ausencia de inmunidad adaptativa, pero se perdieron cuando la bacteria se coadministró con un inhibidor (GW2580) de la polarización de macrófagos M2. Por último, realizamos un amplio estudio con datos metagenómicos de 6.361 personas que mostró una relación inversa entre P. faecium y la obesidad, independientemente de la nacionalidad, el sexo o la edad, lo que sugiere la asociación de esta bacteria con la salud metabólica.

En el Tercer Capítulo, investigamos la implicación de las ILC1s intestinales en la progresión de la obesidad y las alteraciones metabólicas asociadas. Para ello, evaluamos longitudinalmente la respuesta de las ILC1s y las consecuencias su depleción de ILC1s en un modelo murino DIO. En el intestino, el bloqueo de ILC1s evitó el aumento de macrófagos M1 e ILC2s y promovió la activación de la vía ILC3-IL22, aumentando la producción de mucina, la expresión de péptidos antimicrobianos y el número de células neuroendocrinas. Además, el bloqueo de ILC1s restableció el perfil microbiano y el metaboloma, acercándose al perfil asociado con la salud metabólica. En última instancia, estas mejoras se asociaron con una mayor secreción de hormonas intestinales, y una reducción de la insulinemia y la adiposidad.

[CA] L'obesitat és un repte per a la salut pública degut a la elevada prevalença i les comorbiditats. Les dietes hipercalòriques activen el sistema immunitari intestinal i alteren la microbiota intestinal causant danys metabòlics en l'organisme. De fet, la pèrdua d'homeòstasi immunològica a escala intestinal es considera un esdeveniment primerenc que precedeix l'aparició de la inflamació sistèmica de baix grau associada a l'obesitat. Atés que la microbiota intestinal és un factor modificable, la seua modulació pot convertir-se en una oportunitat per a reduir l'impacte de l'obesitat. Per això, la identificació dels factors que participen en la resposta inflamatòria a les dietes obesogèniques i la recerca d'alternatives terapèutiques basades en la microbiota son una via d'investigació prometedora per a combatre l'obesitat. Aquesta Tesi Doctoral avalua el potencial de nous probiòtics i estratègies dietètiques per a combatre l'obesitat basada en propietats immunomoduladores.

En el Primer Capítol investiguem el potencial anti-obesogènic del propil propà tiosulfat (PTS), un compost organosulfurat derivat de l'espècie Allium, en dues dosis diferents (0,1 o 1 mg/kg/dia) utilitzant un model murí d'obesitat induïda per la dieta. Els resultats demostren els efectes protectors de PTS enfront a l'obesitat, ja que la seua administració va reduir el pes corporal i va millorar l'homeòstasi de glucosa. En el teixit adipós i el fetge, PTS va prevenir l'augment de la resposta inflamatòria i les alteracions del metabolisme lipídic causades per la dieta hipercalòrica. A més, PTS va incrementar l'activitat termogènica en el teixit adipós marró i millorà la funció barrera intestinal alterats per la dieta. Observàrem canvis modestos en la microbiota intestinal, concloent que els efectes no estan mediats de manera significativa per la microbiota.

En el Segon Capítol avaluem el potencial anti-obesogènic i el mecanisme d'acció d'un nou bacteri Phascolarctobacterium faecium DSM 32890. Hem realitzat experiments in vitro i in vivo utilitzant diferents cultius cel·lulars (macròfags derivats de medul·la òssia i de cèl·lules limfoides innates intestinals del grup 1 (LC1s) i models murins d'obesitat induïda per la dieta (ratolins C57BL/6J, i Rag1-/- ). El tractament de ratolins alimentats amb una dieta hipercalòrica amb P. faecium incrementà la proporció dels macròfags M2 a l'intestí, contrarestant l'augment d'ILC1s i en última instància, mitigà la intolerància a la glucosa i l'augment del pes corporal, independentment de la viabilitat del bacteri. A més, P. faecium reforçà la funció bacterial intestinal i evità la inflamació sistèmica causada per la dieta hipercalòrica. Aquests beneficis metabòlics es mantenien en absència d'immunitat adaptativa, però es perderen quan el bacteri es coadministrà amb un inhibidor (GW2580) de la polarització de macròfags M2. Finalment, realitzàrem un ampli estudi amb dades metagenòmiques de 6.361 persones que mostrà una relació inversa entre P. faecium i l'obesitat, independentment de la nacionalitat, el sexe o l'edat, suggerint l'associació d'aquest bacteri amb la salut metabòlica.

En el Tercer Capítol, investiguem la implicació de les ILC1s residents en l'intestí en la progressió de l'obesitat i les alteracions metabòliques associades. Evaluàrem longitudinalment la resposta de les ILC1s i les conseqüències de la depleció de ILC1s en un model murí d'obesitat. A l'intestí, el bloqueig de ILC1s va evitar l'augment de macròfags M1 i ILC2s, i va promoure l'activació de la via ILC3-IL22, augmentant la producció de mucina, l'expressió de pèptids antimicrobians i el nombre de cèl·lules neuroendocrines. El bloqueig de ILC1s va restablir la microbiota i el seu metaboloma, similar a l'estat saludable. Aquestes millores es van associar amb una major secreció d'hormones intestinals, i una reducció de la insulinèmia i l'adipositat.

[EN] Obesity is a major public health challenge due to its high prevalence, and association with metabolic comorbidities. Hypercaloric diets are known to overactivate the intestinal immune system and disrupt the microbiome, ultimately causing detrimental metabolic effects. The loss of intestinal immune homeostasis is considered an early step preceding the development of systemic low-grade inflammation associated with obesity and metabolic complications. In this regard, extensive evidence supports that the gut microbiome may be modified favorable and, thus, help to ameliorate these conditions. Hence, identifying factors triggering the low-grade inflammation and microbiome-base solutions to reduce the obesity burden represent promising avenues of research.

This Doctoral Thesis aims to advance the knowledge and provide novel probiotics and dietary strategies to combat the burden of obesity based on their immunomodulatory properties to shape the metabolic response to the diet.

In the First Chapter, we have investigated the anti-obesogenic potential of propyl propane thiosulfinate (PTS), an organo-sulfur compound derived from Allium species, at two different doses (0.1 or 1 mg/kg/day) using a murine model of diet-induced obesity (DIO). Our preclinical findings showed the protective effects of PTS against obesity, reducing body weight gain and maintaining glucose homeostasis, thus suggesting its potential to ameliorate the impact of the HFHSD. In the adipose tissue and the liver, PTS reduced inflammation and the aberrant lipid metabolism caused by the obesogenic diet. Additionally, PTS promoted thermogenic activity in the brown adipose tissue and enhance intestinal gut barrier defense. In view of the modest changes in the microbial ecosystem, we concluded that the effects of PTS were not mediated by the gut microbiota.

In the Second Chapter, we have evaluated the anti-obesogenic potential and the mechanism of action of the new intestinal strain, Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, isolated in our laboratory from a healthy volunteer. To that aim, we have performed different in vitro and in vivo experiments, including the use of different types of cell cultures (bone marrow-derived macrophages and group 1 of innate lymphoid cells (ILC1s)) and DIO murine models (wild-type C57BL/6J and Rag1-/- mice). Treatment of HFHSD-fed mice with P. faecium, regardless of its viability, shifted the macrophage phenotype towards an M2-type, which counteracted the obesity-induced increase in gut-resident ILC1s and ultimately mitigated glucose intolerance and body weight gain. Moreover, P. faecium treatment prevented systemic inflammation, boosted secretory immunoglobulin A production and induced antimicrobial peptide and interleukin 22 expression. These metabolic benefits were maintained in the absence of an adaptive immune system but were lost when the bacterium was co-administered with an inhibitor (GW2580) of M2 macrophage polarization. We confirmed that P. faecium was more prevalent in the gut metagenomes of non-obese adults regardless of nationality, sex or age, suggesting that it might contribute to safeguard metabolic health in humans.

In the Third Chapter, we have investigated the involvement of gut-resident ILC1s in obesity progression and metabolic disruption. To address this goal, we evaluated longitudinally, in a DIO murine model, the ILC1s response to an obesogenic diet and the consequences of the ILC1s depletion. In the intestine, ILC1s depletion blunted the increases in M1 macrophages and ILC2s. Additionally, ILC1s depletion promoted the ILC3-IL22 pathway, increasing mucin production, the expression of antimicrobial gut peptides, and the number of neuroendocrine cells. Moreover, ILC1s depletion restored microbial and metabolomic profiles, resembling those associated with a healthy symbiotic state. The improvements in gut homeostasis were linked to a higher gut hormone secretion, and reduced insulinemia and adiposity.