An emerging approach using blood cells as an in vivo and in vitro tool to assess the impact of food on health

Abstract

[eng] Diet and diet compounds play a dual function determining individual’ health, that is, they have the ability either to increase or decrease the risk to suffer from certain diseases. Therefore, it would be of great interest to have a tool to analyse the dual role of diet on our health. In this way, we would be able to set up prevention strategies before diseases show up. The main objective of this thesis is to define the usefulness of a blood cells subpopulation, the so-called peripheral blood mononuclear cells (PBMC), as a tool to find out early biomarkers to help in the prevention of diet and obesity-related disorders and also to characterise the effectiveness of food bioactive compounds on metabolic health. In particular, we focused on: a) the identification and characterization of early biomarkers of cognitive impairment associated with high-fat diet intake in absence of obesity and to determine the possible protective effect of neonatal leptin supplementation on such disorders; b) the study of the usefulness of PBMC as a tool to analyse metabolic flexibility or impairment and its relation to anthropometric or physiological features in humans; c) the development of an in vitro system of human PBMC to study the effectiveness of food bioactive compounds and their relation with obesity and metabolic syndrome-related features. On one hand, our data show that high-fat diet consumption with no development of obesity (“metabolically obese, normal-weight” phenotype) is related to cognitive impairment in adult male Wistar rats even when this phenotype is established at younger ages. Interestingly, PBMC are able to reflect gene expression patterns comparable to that observed in hippocampus allowing the identification of early biomarkers of cognitive decline. Of note, perinatal leptin supplementation somehow palliates the deleterious effects of high-fat diet intake. On the other hand, PBMC transcriptomic analysis of normoweight and overweight/obese individuals reveal that these blood cells express key homeostatic genes with a particular gene expression pattern in fasting conditions. However, unlike in the case of rodents, we were unable to confirm that body mass index is the sole determinant of metabolic impairment (analysed as a lack of response to fasting) associated with the obese state. Thus, this thesis sets out to deepen on the study of other parameters, such as fat mass distribution, as potential responsible to define metabolic flexibility or impairment in humans. Finally, the in vitro system of human PBMC show that these cells are able to respond and to reflect the effects of food bioactive compounds in a similar way to that described in key metabolic tissues which are difficult to obtain. Besides, this system evidences the insensitivity of nutritional stimuli related not only to obesity but also to metabolic syndrome features. Ultimately, PBMC constitute a suitable biological material for the identification of early biomarkers of cognitive decline associated with unbalanced diets consumptions even in absence of obesity. This fact is of great importance neurodegenerative diseases have no specific treatment, being prevention strategies a key issue to tackle such diseases. Besides, the use of ex vivo systems of PBMC is showing up as an ideal tool to analyse the effects of food bioactive compounds prior oral administration. The need to introduce personalised nutrition strategies becomes evident with this cellular system so that people with altered metabolic profiles can fully profit from positive effects of functional foods.

[spa] La dieta y sus componentes juegan un papel dual definiendo el estado de salud de un individuo, de tal manera que pueden protegernos de o predisponernos a padecer determinadas enfermedades. Sería entonces de gran interés disponer de una herramienta que nos permitiera analizar el doble rol de la dieta sobre nuestra salud para ser capaces de desarrollar estrategias de prevención antes de que la enfermedad se manifieste. El objetivo principal de esta tesis es determinar la utilidad de una fracción de células de la sangre, las células mononucleares de sangre periférica (PBMC), como herramienta en la búsqueda de biomarcadores tempranos para la prevención de desórdenes asociados al consumo de dietas ricas en grasa o a la obesidad y también para caracterizar la eficacia de compuestos bioactivos sobre la salud metabólica. En concreto, nos hemos centrado en: a) identificar y caracterizar biomarcadores tempranos de riesgo cognitivo asociados a la ingesta de dietas ricas en grasa en ausencia de obesidad y determinar el posible efecto protector de la suplementación neonatal con leptina en el desarrollo de tales alteraciones en roedores; b) estudiar la utilidad de las PBMC como herramienta que refleje la flexibilidad o el deterioro metabólico en relación a determinadas características antropométricas/fisiológicas en humanos; y c) desarrollar un sistema in vitro de PBMC humanas para estudiar la eficacia de compuestos bioactivos y su posible relación con la obesidad y otras características asociadas al síndrome metabólico. Los resultados obtenidos muestran, por una parte, como el consumo de dietas ricas en grasa en ausencia de obesidad (fenotipo falso delgado) en ratas adultas se asocia al desarrollo de alteraciones cognitivas aun cuando este fenotipo se establece en edades más tempranas. Además, las PBMC son capaces de reflejar los patrones de expresión génica que se observan en el hipocampo de estos animales, permitiendo así identificar biomarcadores tempranos de este tipo de alteraciones. De manera destacada, parece ser que la suplementación con leptina durante la etapa perinatal es capaz de atenuar tales efectos. Por otra parte, el análisis transcriptómico en PBMC de individuos normopeso y con sobrepeso/obesidad ha permitido observar que estas células expresan genes homeostáticos clave que responden de diferente forma a la situación de ayuno en diferentes individuos. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre en roedores, no hemos podido confirmar que el índice de masa corporal sea el único determinante del deterioro metabólico (analizada como una falta de respuesta al ayuno) asociado a la obesidad. Así pues, en esta tesis se plantea profundizar en el estudio de otras características, como la distribución de grasa corporal, como potenciales responsables de definir la flexibilidad o alteración metabólica en humanos. Finalmente, el sistema in vitro de PBMC humanas desarrollado ha permitido demostrar que las PBMC en cultivo son capaces de responder y reflejar los efectos de compuestos bioactivos tal y como se describen en tejidos metabólicamente importantes y de más difícil obtención. Además, este sistema es capaz de evidenciar la insensibilidad a estímulos nutricionales asociada no solo a la obesidad sino a otras características asociadas al síndrome metabólico. En definitiva, las PBMC constituyen un material idóneo para la obtención de biomarcadores tempranos de alteraciones cognitivas asociadas al consumo de dietas desequilibradas aún en ausencia de obesidad. Este hecho es de suma importancia debido a la falta de tratamientos específicos para enfermedades neurodegenerativas, siendo las estrategias de prevención un punto clave para combatir este tipo de enfermedades. Además, la utilización de sistemas ex vivo de PBMC se presenta como una buena herramienta para analizar el efecto de compuestos bioactivos antes de su administración oral. Los resultados obtenidos con este sistema celular enfatizan la necesidad de desarrollar estrategias nutricionales más personalizadas para que las personas con perfiles metabólicos no adecuados puedan beneficiarse completamente de los efectos positivos de los ingredientes funcionales.

[cat] La dieta i els seus components juguen un paper dual definint l’estat de salut d’un individu, de tal forma que poden protegir-nos de o predisposar-nos a patir determinades malalties. Per això seria de gran interès disposar d’una eina que ens permeti analitzar la doble funció de la dieta sobre la nostra salut per ser capaços de desenvolupar estratègies de prevenció abans de que la malaltia es manifesti. L’objectiu principal d’aquesta tesis és determinar la utilitat d’una fracció de cèl·lules de la sang, les cèl·lules mononuclears de sang perifèrica (PBMC), com a eina per a la cerca de biomarcadors primerencs per a la prevenció de desordres associats al consum de dietes riques en greix o a l’obesitat i també per a caracteritzar l’eficàcia de components bioactius sobre la salut metabòlica. Concretament, hem focalitzat l’atenció en: a) identificar i caracteritzar biomarcadors primerencs de risc cognitiu associats a la ingesta de dietes riques en greix en absència d’obesitat i determinar el possible efecte protector de la suplementació neonatal amb leptina en el desenvolupament d’aquestes alteracions en rosegadors; b) estudiar la utilitat de les PBMC com a eina que reflecteixi la flexibilitat o el deteriorament metabòlic en relació a determinades característiques antropomètriques/fisiològiques en humans; i c) desenvolupar un sistema in vitro de PBMC humanes per a estudiar l’eficàcia de components bioactius i la seva possible relació amb l’obesitat i altres característiques associades al síndrome metabòlic. Els resultats obtinguts mostren, per una banda, com el consum de dietes riques en greix en absència d’obesitat (fenotip fals prim) en rates adultes està associat al desenvolupament d’alteracions cognitives inclús quan aquest fenotip s’estableix en edats més primerenques. A més, les PBMC són capaces de reflectir els patrons d’expressió gènica que s’observen en l’hipocamp d’aquests animals, permetent així identificar biomarcadors primerencs d’aquest tipus d’alteracions. De forma destacable, pareix a ser que la suplementació amb leptina durant l’etapa perinatal és capaç d’atenuar aquests efectes. Per altra banda, l’anàlisi transcriptòmic en PBMC d’individus normopès i amb sobrepès/obesitat ha permès observar que aquestes cèl·lules expressen gens homeostàtics clau que responen de forma diferent a la situació de dejuni en diferents individus. No obstant, a diferència del que ocorre en rosegadors, no hem pogut confirmar que l’índex de massa corporal sigui l’únic determinant del deteriorament metabòlic (analitzada com una falta de resposta al dejuni) associat a l’obesitat. Així doncs, en aquesta tesi es planteja profunditzar en l’estudi d’altres característiques, com la distribució de greix corporal, com a potencials responsables de definir la flexibilitat o alteració metabòlica en humans. Finalment, el sistema in vitro de PBMC humanes desenvolupat ha permès demostrar que les PBMC en cultiu són capaces de respondre i reflectir els efectes de components bioactius tal i com s’ha descrit en teixits metabòlicament importants de més difícil obtenció. A més, aquest sistema és capaç d’evidenciar la insensibilitat a estímuls nutricionals associada no només a l’obesitat sinó a altres característiques associades al síndrome metabòlic. En definitiva, les PBMC constitueixen un material idoni per a l’obtenció de marcadors primerencs d’alteracions cognitives associades al consum de dietes desequilibrades inclús en absència d’obesitat. Aquest fet és de gran importància degut a la falta de tractaments específics per a malalties neurodegeneratives, essent les estratègies de prevenció un punt clau per a combatre aquest tipus de malalties. A més, la utilització de sistemes ex vivo de PBMC se presenta com una bona eina per a analitzar l’efecte de components bioactius abans de la seva administració oral. Els resultats obtinguts amb aquest sistema cel·lular emfatitzen la necessitat de desenvolupar estratègies nutricionals més personalitzades per a que aquelles persones amb perfils metabòlics no adequats puguin beneficiar-se completament dels efectes positius dels ingredients funcionals.