Influence of maternal nutritional conditions and milk bioactive compounds on metabolic programming of the offspring

Abstract

[eng] Lactation represents a critical programming window during which breastfeeding, compared to infant formula feeding, protects the offspring from developing obesity later in life. This developmental stage results of interest in the identification of measures for obesity prevention. Breast milk provides a source of bioactive compounds with potential programming effects that could be responsible, at least in part, for such protective role. However, milk composition can be influenced by maternal metabolic status and/or diet during the perinatal period and, consequently, affect offspring health. A better understanding of both the role of milk-derived bioactive compounds on infant health and the impact of maternal nutrition on milk composition is of interest to make dietary recommendations that promote optimal growth and development from early stages of life. The first objective of this Thesis has been to identify milk bioactive compounds with potential programming effects in the offspring, and to assess their effects when administered orally to suckling rats at physiological doses on later metabolic health. We have described important changes in the milk metabolite profile of 20% calorie-restricted lactating rats, which is a model associated with a healthier phenotype in adult offspring. Among them, and considering its biological function, increased levels of myo-inositol in milk of calorie-restricted lactating rats have been highlighted as of potential interest in relation to the beneficial effects of this maternal dietary condition in offspring. In this sense, we have shown that myo-inositol supplementation at physiological doses during suckling improves metabolic health and prevents the development of insulin resistance and hypertriglyceridemia programmed in male rats by mild/moderate gestational calorie restriction, particularly when coping with an obesogenic environment in adulthood. These effects of myo-inositol during suckling in mild/moderate gestational calorie-restricted rats could be explained by the reversal of early alterations in hypothalamic structure and function, partially comparable to leptin effects. The second objective of the Thesis has focused on assessing the impact of maternal Western diet consumption throughout the perinatal period on offspring health, as well as the potential effects of improving maternal diet during lactation. We have shown that the offspring of diet-induced obese rats displays rapid postnatal growth-up, along with hyperleptinemia and higher circulating glucose levels at weaning, and alterations in the plasma lipidome and metabolome at late lactation. In adulthood, especially when exposed to an obesogenic environment after weaning, these animals show higher body weight, increased fasting triglycerides, leptin, and insulin levels, and greater HOMA-IR than their controls. These alterations have been attributed, at least partly, to alterations in the macronutrient content, metabolic hormone levels, and lipidomic and metabolomic profiles in milk of Western diet-induced obese dams. Of note, we have also evidenced that the improvement of maternal diet during lactation, despite these animals maintained excess body fat, prevents large part of the aforementioned alterations associated to the exposure to an obesogenic environment during the perinatal period, both in milk and plasma of the offspring. In addition, we have described that alterations in the expression levels of specific miRNAs and of anti- and pro-inflammatory factors in mammary gland of Western diet-induced obese rats may also be preventable by dietary improvement during lactation. Altogether, these results highlight the importance of maternal diet during lactation, rather than obesity per se, on mammary gland function and milk composition, and, consequently on the metabolic health programming in the offspring. Moreover, our results show that maternal Western diet consumption throughout the perinatal period, coupled with subsequent obesogenic diet after weaning, weakens the beneficial effects of leptin ingested during suckling. In contrast, maternal diet improvement during lactation is capable to offset such attenuation of leptin effects, particularly in males. This reinforces the relevance of a balanced maternal diet during lactation. In this sense, we have identified a set of potential biomarkers whose levels may be indicative of maternal obesogenic diet throughout the perinatal period, particularly stachydrine, N-acetylornithine and trimethylamine N-oxide in maternal milk, and stachydrine, ergothioneine and acylcarnitine C12:1 in plasma of the offspring at late lactation. In conclusion, the present doctoral Thesis provides new evidences on the impact of maternal nutritional conditions and milk bioactive compounds on metabolic programming. These findings, if extrapolated to humans, may be of interest for their potential application into improved infant formula and to make specific recommendations to improve breast milk quality, which, in turn, may help preventing adverse programming effects on offspring, particularly in women with overweight or obesity.

[spa] La lactancia representa una ventana de programación crítica durante la cual la lactancia materna, en comparación con la alimentación con leche de fórmula, protege a la descendencia frente al desarrollo de obesidad en etapas posteriores de la vida. Esta etapa del desarrollo resulta de interés en la identificación de medidas para la prevención de la obesidad. La leche materna proporciona una fuente de compuestos bioactivos con potenciales efectos de programación que podrían ser responsables, al menos en parte, de dicho papel protector. Sin embargo, la composición de la leche puede verse influenciada por el estado metabólico materno y/o la dieta durante el período perinatal y, en consecuencia, afectar a la salud de la descendencia. Una mejor comprensión tanto del papel de los compuestos bioactivos derivados de la leche en la salud infantil como del impacto de la nutrición materna en la composición de la leche es de interés para hacer recomendaciones dietéticas que promuevan un crecimiento y desarrollo óptimos desde las primeras etapas de la vida. El primer objetivo de esta Tesis ha sido identificar compuestos bioactivos de la leche con potenciales efectos de programación en la descendencia, y evaluar sus efectos cuando se administran por vía oral y a dosis fisiológicas en ratas lactantes sobre la salud metabólica posterior. Hemos descrito cambios importantes en el perfil de metabolitos de la leche de ratas sometidas a una restricción calórica del 20% durante la lactancia, que es un modelo asociado con un fenotipo más saludable en la descendencia adulta. Entre ellos, y considerando su función biológica, el aumento de los niveles de mioinositol en la leche de ratas lactantes sometidas a restricción calórica se ha destacado como de potencial interés en relación a los efectos beneficiosos de esta condición dietética materna sobre la descendencia. En este sentido, hemos demostrado que la suplementación con mioinositol a dosis fisiológicas durante la lactancia mejora la salud metabólica y previene el desarrollo de resistencia a la insulina e hipertrigliceridemia programadas en ratas macho por una restricción calórica gestacional leve/moderada, particularmente cuando se exponen a un entorno obesogénico en edad adulta. Estos efectos del mioinositol durante la lactancia en ratas expuestas a una restricción calórica gestacional leve/moderada podrían explicarse por la reversión de alteraciones tempranas en la estructura y función hipotalámica, de forma parcialmente comparable a los efectos de la leptina. El segundo objetivo de la Tesis se ha centrado en evaluar el impacto del consumo de una dieta occidental (del inglés, Western diet) materna durante todo el período perinatal sobre la salud de las crías, así como los efectos potenciales de la mejora de la dieta materna durante la lactancia. Hemos demostrado que la descendencia de ratas con obesidad inducida por esta dieta muestra un rápido crecimiento posnatal, junto con hiperleptinemia y niveles más altos de glucosa circulante al destete, y alteraciones en el lipidoma y el metaboloma plasmáticos al final de la lactancia. En edad adulta, especialmente cuando se exponen a un ambiente obesogénico después del destete, estos animales muestran un mayor peso corporal, niveles más elevados de triglicéridos, leptina e insulina en ayunas, y un índice HOMA mayor que sus controles. Estas alteraciones se han atribuido, al menos en parte, a alteraciones en el contenido de macronutrientes, los niveles de hormonas metabólicas y el perfil lipidómico y metabolómico en la leche de madres con obesidad inducida por la dieta occidental. Cabe destacar que también hemos evidenciado que la mejora de la dieta materna durante la lactancia, a pesar de que estos animales mantuvieran un exceso de grasa corporal, previene gran parte de las alteraciones mencionadas asociadas a la exposición a un ambiente obesogénico durante el período perinatal, tanto en la leche como en el plasma de la descendencia. Además, hemos descrito que las alteraciones en los niveles de expresión de miARN específicos y de factores anti y proinflamatorios en la glándula mamaria de ratas con obesidad inducida por la dieta también pueden prevenirse mediante la mejora de ésta durante la lactancia. En conjunto, estos resultados destacan la importancia de la dieta materna durante la lactancia, más alla de la obesidad per se, en la función de la glándula mamaria y la composición de la leche y, en consecuencia, en la programación de salud metabólica en la descendencia. Además, nuestros resultados muestran que el consumo materno de dieta occidental durante el período perinatal, junto a una dieta obesogénica tras del destete, debilita los efectos beneficiosos de la leptina ingerida durante la lactancia. Por el contrario, la mejora de la dieta materna durante la lactancia es capaz de compensar dicha atenuación de los efectos de la leptina, particularmente en los machos. Esto refuerza la relevancia de una dieta materna equilibrada durante este periodo. En este sentido, hemos identificado un conjunto de potenciales biomarcadores cuyos niveles pueden ser indicativos del consumo de dieta obesogénica materna a lo largo del período perinatal, en particular estaquidrina, N-acetilornitina y N-óxido de trimetilamina en leche materna, y estaquidrina, ergotioneina y la acilcarnitina C12:1 en el plasma de las crías al final de la lactancia. En conclusión, la presente Tesis Doctoral aporta nuevas evidencias sobre el impacto de condiciones nutricionales maternas y compuestos bioactivos de la leche sobre la programación metabólica. Estos hallazgos, si se extrapolan a humanos, pueden ser de interés por su posible aplicación en fórmulas infantiles mejoradas y para hacer recomendaciones específicas para mejorar la calidad de la leche materna, lo que, a su vez, puede ayudar a prevenir los efectos adversos de programación en la descendencia, particularmente en mujeres con sobrepeso u obesidad.

[cat] La lactància representa una finestra de programació crítica durant la qual la lactància materna, en comparació amb l'alimentació amb llet de fórmula, protegeix la descendència davant del desenvolupament d'obesitat en etapes posteriors de la vida. Aquesta etapa del desenvolupament resulta interessant en la identificació de mesures per a la prevenció de l'obesitat. La llet materna proporciona una font de compostos bioactius amb potencials efectes de programació que podrien ser responsables, almenys en part, d'aquest paper protector. Tot i això, la composició de la llet es pot veure influenciada per l'estat metabòlic matern i/o la dieta durant el període perinatal i, en conseqüència, afectar a la salut de la descendència. Una millor comprensió tant del paper dels compostos bioactius derivats de la llet a la salut infantil com de l'impacte de la nutrició materna en la composició de la llet és d'interès per fer recomanacions dietètiques que promoguin un creixement i desenvolupament òptims des de les primeres etapes de la vida. El primer objectiu d'aquesta Tesi ha estat identificar compostos bioactius de la llet amb efectes potencials de programació en la descendència, i avaluar-ne els efectes quan s'administren per via oral i a dosis fisiològiques en rates lactants sobre la salut metabòlica posterior. Hem descrit canvis importants en el perfil de metabòlits de la llet de rates lactants sotmeses a una restricció calòrica del 20%, que és un model associat amb un fenotip més saludable a la descendència adulta. Entre ells, i considerant la seva funció biològica, l'augment dels nivells de mioinositol a la llet de rates lactants sotmeses a restricció calòrica s'ha destacat com a potencial interès en relació amb els efectes beneficiosos d'aquesta condició dietètica materna sobre la descendència. En aquest sentit, hem demostrat que la suplementació amb mioinositol a dosis fisiològiques durant la lactància millora la salut metabòlica i prevé el desenvolupament de resistència a la insulina i hipertrigliceridèmia programades en rates mascle per una restricció calòrica gestacional lleu/moderada, particularment quan s'exposen a un entorn obesogènic en edat adulta. Aquests efectes del mioinositol durant la lactància en rates exposades a una restricció calòrica gestacional lleu/moderada podrien explicar-se per la reversió d'alteracions primerenques en l'estructura i la funció hipotalàmica, de manera parcialment comparable als efectes de la leptina. El segon objectiu de la Tesi s´ha centrat a avaluar l´impacte del consum d´una dieta occidental (de l´anglès, Western diet) materna durant tot el període perinatal sobre la salut de les cries, així com els efectes potencials de millorar la dieta materna durant la lactància. Hem demostrat que la descendència de rates amb obesitat induïda per aquesta dieta mostra un ràpid creixement postnatal, juntament amb hiperleptinèmia i nivells més alts de glucosa circulant al deslletament, i alteracions al lipidoma i metaboloma plasmàtics al final de la lactància. En edat adulta, especialment quan s'exposen a un ambient obesogènic després del deslletament, aquests animals mostren més pes corporal, nivells elevats de triglicèrids, leptina i insulina en dejú, i un índex HOMA més elevat que els seus controls. Aquestes alteracions s'han atribuït, almenys en part, a alteracions en el contingut de macronutrients, els nivells d'hormones metabòliques i el perfil lipidòmic i metabolòmic a la llet de mares amb obesitat induïda per la dieta occidental. Cal destacar que també hem evidenciat que la millora de la dieta materna durant la lactància, tot i que aquests animals mantinguessin un excés de greix corporal, prevé gran part de les alteracions esmentades associades a l'exposició a un ambient obesogènic durant el període perinatal, tant a la llet com al plasma de la descendència A més, hem descrit que les alteracions en els nivells d'expressió de miARN específics i de factors anti i proinflamatoris a la glàndula mamària de rates amb obesitat induïda per la dieta també es poden prevenir mitjançant la millora d’aquesta durant la lactància. En conjunt, aquests resultats destaquen la importància de la dieta materna durant la lactància, més enllà de l'obesitat per se, en la funció de la glàndula mamària i la composició de la llet i, en conseqüència, en la programació de salut metabòlica en la descendència. A més, els nostres resultats mostren que el consum matern de dieta occidental durant el període perinatal, juntament amb una dieta obesogènica després del deslletament, debilita els efectes beneficiosos de la leptina ingerida durant la lactància. Per contra, la millora de la dieta materna durant la lactància és capaç de compensar aquesta atenuació dels efectes de la leptina, particularment en els mascles. Això reforça la rellevància d’una dieta materna equilibrada durant aquest període. En aquest sentit, hem identificat un conjunt de potencials biomarcadors els nivells dels quals poden ser indicatius del consum de dieta obesogènica materna al llarg del període perinatal, en particular estaquidrina, N-acetilornitina i N-òxid de trimetilamina en llet materna, i estaquidrina, ergotioneina i l'acilcarnitina C12:1 al plasma de les cries al final de la lactància. En conclusió, aquesta Tesi Doctoral aporta noves evidències sobre l'impacte de les condicions nutricionals maternes i els compostos bioactius de la llet a la programació metabòlica. Aquestes troballes, si s'extrapolen a humans, poden ser d'interès per la seva possible aplicació en fórmules infantils millorades i per fer recomanacions específiques per millorar la qualitat de la llet materna, cosa que, alhora, pot ajudar a prevenir els efectes adversos de programació a la descendència, particularment en dones amb sobrepès o obesitat.