Metabolic programming associated to gestational mild calorie restriction in rats and its potential reversibility by leptin

Abstract

[eng] The prevalence of obesity is increasing globally and emerging in developing countries. The etiology of obesity is multifactorial, involving complex interactions among the genetic background and social and environmental factors, such as lifestyle and dietary habits. In addition, conditions during the first periods of life, particularly gestation and the immediate postnatal period, may program the development of tissues and organs and cause lifelong effects on metabolic and physiological functions, influencing the state of health. Considering the interest in obesity prevention, the study of metabolic programming effects in early stages of life and its potential reversion are important research objectives. Our research group has previously described that supplementation with physiological doses of oral leptin throughout the suckling period in rats have significant short- and long-term metabolic health benefits, such as a greater protection against diet-induced obesity and its metabolic-related disorders. In this line, more recent studies showed that leptin supplementation during lactation is able to revert the malprogrammed effects on hypothalamic and white adipose tissue structure and function observed at a juvenile age in the offspring of mild calorie-restricted dams during gestation. However, whether the beneficial effects of leptin are long-lasting, protecting against the acquired risk to obesity-related metabolic alterations in adulthood was still unknown. In the present PhD thesis, we aimed to study in rats whether the metabolic alterations and obesogenic risk in adulthood associated to a mild (20%) calorie restriction during gestation may be prevented by leptin supplementation throughout the suckling period. Moreover, we also aimed to use this animal model to identify potential transcriptbased biomarkers in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) in adulthood indicative of a higher risk to obesity-related metabolic alterations and sensitive to early nutritional intervention. The results shown in this doctoral thesis describe that leptin supplementation at physiological doses throughout lactation in rat pups prevents the dysmetabolic phenotype in adulthood associated to mild calorie restriction during pregnancy and improves metabolic adaptations to an obesogenic diet. The adult offspring of calorie restricted dams during gestation (CR) presented increased adiposity, along with higher feed efficiency, lower energy expenditure and a reduction in locomotive activity compared to control animals, suggesting an imbalance in energy homeostasis. Moreover, adult CR animals displayed higher HOMA-IR index and greater plasma leptin levels than controls. These alterations were mostly normalized in CR animals supplemented with oral leptin during the suckling period (CR-Leptin). CR animals also exhibited more severe signs of hepatic steatosis under western diet than CR-Leptin animals, indicative of an impaired adaptation to the hypercaloric diet and related to the reduced insulin sensitivity. Moreover, CR animals, but not CR-Leptin animals, showed indicators of lower white adipose tissue expansion capacity, together with a decreased lipogenesis and lipolytic capacity, also in accordance with the diminished insulin sensitivity and leptin signaling. Leptin supplementation during lactation also reversed the decreased sympathetic drive to the stomach that suffered CR animals, particularly at a juvenile age, and also restored the diminished circulating ghrelin levels present in CR animals. This may account for the normalization of the leptin/ghrelin ratio, which is regarded as a clinical non-invasive marker of obesity-related metabolic alterations. The above mentioned animal models (i.e. rats exposed to certain undernutrition during gestation and rats treated with leptin during lactation) have been used to identify a set of transcript-based biomarkers in PBMCs in adulthood as potential indicators of predisposition to alterations related to the metabolic syndrome and sensitive to its reversal by nutritional intervention in early life. Notably, among the genes identified, two of them are related to feeding control (Agrp and Pomc), and others with lipid metabolism, and with connections to insulin homeostasis, hepatic steatosis, and cardiovascular health (Pcyt2, Rxrb, Insig1, Npc1, Slc27a4, Apoo, Pla2g2a and Sort1). All in all, results obtained in this thesis bring additional evidence supporting the relevance of the intake of appropriate amounts of leptin throughout lactation to reverse postnatal sequelae induced by deficient fetal nutrition, and hence could be worth being considered in the search of strategies designed to treat and/or prevent the programmed trend to obesity.

[spa] La prevalencia de la obesidad está incrementándose a nivel mundial y está emergiendo en los países en vías de desarrollo. La etiología de la obesidad es multifactorial, con interacciones complejas entre la base genética y factores sociales y ambientales, como el estilo de vida y los hábitos alimentarios. Además, las condiciones durante los primeros períodos de vida, particularmente la gestación y el período postnatal temprano, pueden programar el desarrollo de tejidos y órganos y causar efectos de por vida sobre las funciones metabólicas y fisiológicas, influyendo en el estado de salud. Considerando el interés en la prevención de la obesidad, el estudio de los efectos de la programación metabólica en las primeras etapas de la vida y su posible reversión son objetivos importantes de investigación. Nuestro grupo de investigación ha descrito anteriormente que la suplementación oral con dosis fisiológicas de leptina durante el período de lactancia en ratas tiene beneficios a corto y largo plazo sobre la salud metabólica, tales como una mayor protección contra la obesidad inducida por la dieta y sus trastornos metabólicos. En esta línea, estudios más recientes han demostrado que la suplementación con leptina durante la lactancia es capaz de revertir los efectos de la malprogramación sobre la estructura y función del hipotálamo y del tejido adiposo blanco observados a una edad juvenil en la descendencia de ratas sometidas a restricción calórica leve durante la gestación. Sin embargo, no se conocía todavía si los efectos beneficiosos de la leptina son duraderos y protegen frente al riesgo de alteraciones metabólicas relacionadas con la obesidad en la edad adulta. En la presente tesis doctoral nos propusimos estudiar en ratas si las alteraciones metabólicas y el riesgo obesogénico en la edad adulta asociados a una restricción calórica leve (20%) durante la gestación pueden evitarse mediante la suplementación con leptina durante la lactancia. Por otra parte, también pretendimos utilizar este modelo animal para identificar posibles biomarcadores basados en transcritos en las células mononucleares de sangre periférica (PBMCs) en edad adulta, indicativos de un mayor riesgo de alteraciones metabólicas relacionados con la obesidad y sensibles a una intervención nutricional temprana. Los resultados de esta tesis doctoral muestran que la suplementación con dosis fisiológicas de leptina durante la lactancia previene el fenotipo dismetabólico en edad adulta asociado a una restricción calórica leve durante el embarazo y mejora las adaptaciones metabólicas a una dieta obesogénica. En edad adulta, la descendencia de ratas sometidas a una restricción calórica durante la gestación (CR) presentó una mayor adiposidad, junto con una mayor eficiencia energética, un menor gasto energético y una reducción de la actividad locomotora en comparación con los animales control, lo que sugiere un desequilibrio en la homeostasis energética. Además, los animales CR en edad adulta presentaron un índice HOMA-IR más elevado y unos niveles plasmáticos de leptina superiores que los controles. La mayoría de estas alteraciones se normalizaron en animales CR suplementados con leptina oral durante el período de lactancia (CR-Leptina). Los animales CR también mostraron signos más severos de esteatosis hepática bajo una dieta occidental (Western diet) que los animales CRLeptina, indicativos de una adaptación deteriorada a la dieta hipercalórica, y relacionados con la menor sensibilidad a la insulina. Por otra parte, los animales CR, pero no los CR-leptina, mostraron indicios de una menor capacidad de expansión del tejido adiposo blanco, junto con una capacidad lipogénica y lipolítica disminuida, también de acuerdo con la menor sensibilidad a la insulina y señalización de la leptina. La suplementación con leptina durante la lactancia también revirtió la disminución de la inervación simpática en el estómago sufrida por los animales CR, particularmente en edad juvenil, y restauró los niveles circulantes de grelina, que estaban disminuidos en los animales CR. Esto puede explicar la normalización de la relación leptina/grelina, considerado como un posible marcador clínico no invasivo de alteraciones metabólicas relacionadas con la obesidad. Los modelos animales mencionados anteriormente (es decir, las ratas expuestas a una cierta desnutrición durante la gestación y las ratas tratadas con leptina durante la lactancia) se han utilizado además para identificar un conjunto de biomarcadores basados en transcritos en las PBMCs en edad adulta como posibles indicadores de predisposición a alteraciones relacionadas con el síndrome metabólico y sensibles a su reversión por una intervención nutricional en edad temprana. Entre los genes identificados, dos de ellos están relacionados con el control de la ingesta (Agrp y Pomc) y otros con el metabolismo lipídico, y con conexiones con la homeostasis de la insulina, esteatosis hepática y salud cardiovascular (Pcyt2, Rxrb, Insig1, Npc1, Slc27a4, Apoo, Pla2g2a y Sort1). En conjunto, los resultados obtenidos en esta tesis aportan evidencias adicionales que apoyan la relevancia de la ingesta de cantidades apropiadas de leptina durante la lactancia para revertir las secuelas postnatales inducidas por una nutrición fetal deficiente, y por lo tanto podría ser considerada en la búsqueda de estrategias diseñadas para tratar y / o prevenir una tendencia programada a la obesidad.

[cat] La prevalença de l'obesitat està augmentant a tot el món i és emergent en els països en vies de desenvolupament. L'etiologia de l'obesitat és multifactorial, implicant interaccions complexes entre la base genètica i els factors socials i ambientals, com l'estil de vida i els hàbits alimentaris. A més, les condicions durant els primers períodes de la vida, sobretot la gestació i el període postnatal primerenc, poden programar el desenvolupament dels teixits i òrgans i causar efectes de per vida sobre les funcions metabòliques i fisiològiques, influint així en l'estat de salut. Tenint en compte l'interès en la prevenció de l'obesitat, l’estudi dels efectes de la programació metabòlica en etapes primerenques de la vida i la seva possible reversió, són objectius importants d’investigació. El nostre grup de recerca ha descrit prèviament que la suplementació amb dosis fisiològiques de leptina per via oral durant tot el període de lactància en rates té beneficis per a la salut metabòlica a curt i llarg terminis, tals com una major protecció contra l'obesitat induïda per la dieta i els seus trastorns metabòlics relacionats. En aquesta línia, estudis més recents han demostrat que la suplementació amb leptina durant la lactància és capaç de revertir els efectes d’una malprogramació sobre l’estructura i funció de l’hipotàlem i el teixit adipós blanc observats en edat juvenil a la descendència de rates sotmeses a una restricció lleu durant la gestació. No obstant això, no es coneixia encara si els efectes beneficiosos de la leptina eren de llarga durada, protegint enfront del risc d’alteracions metabòliques relacionades amb l’obesitat a l'edat adulta. En la present tesi doctoral, ens vam proposar estudiar en rates si les alteracions metabòliques i el risc obesogènic a l'edat adulta associats a una restricció calòrica lleu (20%) durant la gestació es poden prevenir mitjançant l’administració de leptina durant el període d'alletament. D'altra banda, també vam pretendre utilitzar aquest model animal per identificar potencials biomarcadors basats en transcrits en cèl·lules mononuclears de sang perifèrica (PBMCs) a en l'edat adulta indicatius d’un major risc d'alteracions metabòliques relacionades amb l'obesitat i sensibles a la intervenció nutricional primerenca. Els resultats d’aquesta tesi doctoral mostren que la suplementació amb dosis fisiològiques de leptina durant la lactància evita el fenotip dismetabòlic a l'edat adulta associat a una restricció calòrica lleu durant l'embaràs i millora les adaptacions metabòliques a una dieta obesogènica. A l'edat adulta, la descendència de rates sotmeses a una restricció calòrica durant la gestació (CR) va presentar un augment de l'adipositat, juntament amb una major eficiència energètica, una menor despesa energètica, i una reducció de l'activitat locomotora en comparació amb els animals control, la qual cosa suggereix un desequilibri en la homeòstasi energètica. D'altra banda, els animals CR adults mostraren un major índex HOMA-IR i uns nivells de leptina en plasma més elevats que els controls. La majoria d'aquestes alteracions es van normalitzar en els animals CR suplementats amb leptina per via oral durant el període d'alletament (CRleptina). Els animals CR també van mostrar signes més greus d’esteatosi hepàtica sota una dieta occidental (Western diet) que els animals CR-leptina, indicatius d'una mala adaptació a la dieta hipercalòrica i relacionats amb la menor sensibilitat a la insulina. A més, els animals CR, però no els animals CR-leptina, van mostrar indicadors d’una menor capacitat d'expansió del teixit adipós blanc, juntament amb una menor capacitat lipogènica i lipolítica, també d'acord amb la menor sensibilitat a la insulina i senyalització de la leptina. També es mostra que la suplementació amb leptina durant la lactància reverteix la menor innervació simpàtica a l'estómac que pateixen els animals CR, especialment a una edat juvenil, i també restaura els nivells de grelina circulants, que estaven disminuïts en els animals CR. Això pot explicar la normalització de la relació leptina/grelina, que es considera com un posible marcador clínic no invasiu d'alteracions metabòliques relacionades amb l'obesitat. Els models animals esmentats anteriorment (és a dir, les rates exposades a una certa desnutrició durant la gestació i rates tractades amb leptina durant la lactància) s'han utilitzat per identificar un conjunt de biomarcadors basats en transcrits en PBMCs a l'edat adulta com a indicadors potencials de predisposició a alteracions relacionades amb la síndrome metabòlica i sensibles a la seva reversió per una intervenció nutricional en edats primerenques. Cal destacar que entre els gens identificats, dos d'ells estan relacionats amb el control de la ingesta (Agrp i Pomc), i altres amb el metabolisme lipídic, i amb connexions a l'homeòstasi de la insulina, l'esteatosi hepàtica, i la salut cardiovascular (Pcyt2, Rxrb, Insig1, Npc1, Slc27a4, Apoo, Pla2g2a i Sort1). En conjunt, els resultats obtinguts en aquesta tesi aporten proves addicionals que recolzen la rellevància de la ingesta de quantitats apropiades de leptina durant la lactància per revertir les seqüeles post-natals induïdes per una nutrició fetal deficient, i que per tant podria ser considerada en la recerca d'estratègies dissenyades per tractar i / o prevenir una tendència programada a l'obesitat.