Functional effects and related mechanisms of pectin supplementation in the prevention of obesity and associated metabolic alterations

Abstract

[eng] Obesity and its associated metabolic disorders have become highly prevalent worldwide and are associated with reduced health span. In recent years, the search of new strategies for primary prevention and treatment has been promoted. Moreover, in spite of the growing incidence in obesity and other chronic diseases, the expectancy of life has also been increased and this also encourages the search of strategies suitable to expand health span. In this sense, especially in relation to the recent recognition of gut microbiota as an important factor in the control of body weight, prebiotics have raised as an important field of study in order to combat obesity and other chronic diseases. Along these lines, the main topic addressed in this Thesis focus on the prevention, or even the possible treatment, of overweight and obesity by dietary supplementation with a common compound in food industry and naturally present in certain fruits with prebiotic properties: high esterified pectin. Nevertheless, they are still poorly studied in relation with its possible health promoting effects in relation with the control of body weight and energy metabolism. High esterified pectin (from now on as simply referred to as “pectin”) has the capacity to form gels in the gut and thus it reaches almost intact the colon, where it can be metabolized by the resident bacteria, which produce certain metabolites, such as short chain fatty acids (SCFA) that can be absorbed and reach peripheral blood in a different degree depending on the specific SCFA. Moreover, it is proven that pectin supplementation has health benefits, concretely it can help to reduce post-prandial glycemic responses and to maintain normal blood cholesterol concentrations. Therefore, the main objective of the present Doctoral Thesis was to characterize the possible role of pectin, moderately supplemented in diet, as well as its derived metabolic products, SCFA, in the prevention of age and overweight related disorders, as well as trying to decipher, at least in part, the main mechanisms involved. We used two in vivo models and one in vitro model. The in vivo models were: A) moderate (10% w/w) pectin supplementation, for 1 month, in diet in adult/old rats, and B) chronic (from weaning until 6 months of age) 10% pectin supplementation in CR rats (progeny of moderately calorie restricted dams during the first half of pregnancy, which is a model of obesity propensity but also a model of metabolic malprogramming). The in vitro model was used to study the effects of the main SCFA produced in the gut, acetate, propionate and butyrate, chronically given (since the beginning of the differentiation process) to brown adipose and inguinal white adipose tissue primary cultured cells (BAT and iWAT). The main results in the first model showed that pectin supplementation for one month in adult rats decreases body-fat content and ameliorates age-related insulin and leptin resistance more intensely than what could be attributed to the decrease in energy intake, overall contributing to better metabolic health. In the second model the results generally agreed with the idea that chronic pectin supplementation is able to counteract metabolic malprogramming in CR rats, associated with the selection of specific gut microbiota and increased acetate peripheral levels, and may even be protective towards obesity and its associated complications. This effect may be mediated by an improved adipokine profile and an activation of energy expenditure, which could be directly related to a higher thermogenic capacity in BAT and browning in WAT. Even more, pectin supplementation was able to restore, and even improve, the basal control conditions associated to cardiovascular risk in terms of blood pressure, heart frequency and heart gene expression including natriuretic peptides. Taking advantage of this experimental design, we also describe a possible new cardiac health early biomarker: Nppa mRNA levels in peripheral blood mononuclear cells. The in vitro experiments helped us to suggest that in the possible mechanism involved in the beneficial effects observed in vivo, acetate action on both BAT and iWAT cells may be important. Finally, we also described propionate and butyrate effects in the in vitro model suggesting that they (although propionate in a higher degree) may help adipocytes to avoid excess of fat deposition and to promote insulin sensitivity. In summary, the results obtained in the present Doctoral Thesis provide evidence of a healthy protecting role of moderate pectin supplementation against obesity and metabolic disorders associated to both obesity and aging. Along these lines, pectin emerges as a bioactive compound whose supplementation or intake may have prominent health protecting effects and might supose a sound strategy to prevent or combat obesity and other related chronic disorders

[spa] La prevalencia de la obesidad y las complicaciones de salud que lleva asociadas se ha incrementado mucho en todo el mundo, y está además asociada con una reducción de la duración del lapso de tiempo de salud en la vida. En años recientes, se ha comenzado a promocionar la búsqueda de nueva estrategias para la prevención primaria y el tratamiento de la obesidad. Además, a pesar de que la incidencia de la obesidad y otras enfermedades crónicas sea creciente, la esperanza de vida también se ha incrementado, lo que también anima a la búsqueda de estrategias apropiadas para expandir el lapso de salud en la vida. En este sentido, y en especial en relación al reconocimiento reciente de la microbiota intestinal como un factor importante en el control del peso corporal, los prebióticos han emergido como un importante campo de estudio con la finalidad de combatir la obesidad y otras enfermedades crónicas. De acuerdo con esto, el principal tema estudiado en la presente Tesis se centra en la prevención, o incluso el posible tratamiento, del sobrepeso y la obesidad mediante suplementación en la dieta con un compuesto común en la industria alimentaria y presente de forma natural en determinadas frutas, con propiedades prebióticas: las pectinas altamente esterificadas. No obstante, han sido poco estudiadas en relación con su posible papel promoviendo efectos saludables en relación con el control del peso corporal y el metabolismo energético. Las pectinas altamente esterificadas (a las que nos referiremos a partir de ahora simplemente como “pectinas”) tienen la capacidad de formar geles en el intestino y por lo tanto alanzan el colon casi intactas, donde pueden ser metabolizadas por las bacterias residentes, que producen determinados metabolitos, como los ácidos grasos de cadena corta (SCFA), los cuales pueden ser absorbidos, pudiendo alcanzar así la sangre periférica en diferente grado dependiendo de cada SCFA. Además, se ha probado que la suplementación con pectinas tiene efectos saludables, en concreto puede ayudar a reducir las respuestas glucémicas post-prandiales y a mantener las concentraciones normales de colesterol en sangre. Por lo tanto, el principal objetivo de la presente Tesis Doctoral fue caracterizar el posible papel de las pectinas, mediante suplementación moderada en la dieta, así como de sus metabolitos, los SCFA, en la prevención de los problemas de salud asociados a la edad y el sobrepeso, así como intentar descifrar, al menos en parte, los principales mecanismos involucrados. Utilizamos dos modelos in vivo y uno in vitro. Los modelos in vivo fueron: A) suplementación moderada (10% p/p) con pectinas, durante 1 mes, en ratas adultas/viejas y B) suplementación (10%) crónica (desde el destete hasta los 6 meses de edad) en ratas CR (progenie de madres que fueron sometidas a una restricción calórica moderada durante la primera mitad del embarazo, que supone un modelo de propensión a la obesidad pero también un modelo de malprogramación metabólica). El modelo in vitro se utilizó para el estudio de los efectos de los principales SCFA producidos en el intestino, acetato, propionato y butirato, dados de forma crónica (desde el principio del proceso de diferenciación) a células en cultivo primario de tejido adiposo marrón y de tejido adiposo blanco inguinal (BAT e iWAT). Los principales resultados del primer modelo mostraron que la suplementación con pectinas durante un mes en ratas adultas disminuye la grasa corporal y atenúa la resistencia a la leptina y a la insulina asociada a la edad, de forma más marcada que lo que podría atribuirse a un mero descenso en la ingesta calórica, contribuyendo así en global a una salud metabólica mejorada. En el segundo modelo, los resultados en general estuvieron de acuerdo con la idea de que la suplementación crónica con pectinas es capaz de contrarrestar la malprogramación metabólica en las ratas CR, asociado con una selección de microbiota intestinal específica y con niveles periféricos de acetato incrementados; incluso podría considerarse que dicha suplementación proteja frente a la obesidad y sus complicaciones de salud. Este efecto puede ser mediado por un perfil mejorado de adipoquinas y por una activación del gasto energético, que podría estar directamente relacionado con una mayor capacidad termogénica en el BAT y con marronización en el WAT. Es más aún, la suplementación con pectinas fue capaz de restaurar, e incluso mejorar, las condiciones basales (control) asociadas al riesgo cardiovascular en términos de presión arterial, frecuencia cardíaca y expresión génica en el corazón, incluyendo los péptidos natriuréticos. Aprovechando este diseño experimental, también describimos un posible nuevo biomarcador temprano de salud cardíaca: los niveles de Nppa (mRNA) en células mononucleadas de sangre periférica. Los experimentos in vitro nos ayudaron a sugerir que, en el posible mecanismo implicado en los efectos beneficiosos observados in vivo, la acción del acetato sobre las células del BAT i del iWAT podría ser importante. Finalmente, también describimos los efectos del propionato y el butirato en el modelo in vitro sugiriendo que éstos (aunque con mayor intensidad el propionato) podrían ayudar a los adipocitos a evitar un exceso de deposición de grasa y a promover una mayor sensibilidad a la insulina. En resumen, los resultados obtenidos en la presente Tesis Doctoral aportan evidencias del papel protector sobre la salud de la suplementación moderada con pectinas, contra la obesidad y las complicaciones de salud asociadas tanto a la obesidad como al envejecimiento. En este sentido, las pectinas emergen como un compuesto bioactivo cuya suplementación o ingesta podría tener efectos prominentes en la protección de la salud y podría suponer una estrategia realista para prevenir o combatir la obesidad y sus complicaciones de salud asociadas

[cat] La prevalença de l’obesitat i les complicacions de salut que duu associades s’ha incrementat en tot el món, i a més a més estan associades amb una reducció de la duració del lapse de temps de salut de la vida. En anys recents, s’ha començat a promocionar la recerca de noves estratègies per a la prevenció primària i el tractament de l’obesitat. A més a més, malgrat que la incidència de l’obesitat i altres malalties cròniques sigui creixent, l’esperança de vida també s’ha incrementat, el que també anima a la cerca d’estratègies apropiades per a expandir el lapse de salut de la vida. En aquest sentit, i en especial amb relació al reconeixement creixent de la microbiota intestinal com a un factor important en el control del pes corporal, els prebiòtics han emergit com un important camp d’estudi amb la finalitat de combatre l’obesitat i altres malalties cròniques. D’acord amb això, el principal tema estudiat a la present Tesis es centra en la prevenció, i inclús el possible tractament, del sobrepès i l’obesitat mitjançant la suplementació a la dieta amb un compost comú a la indústria alimentària i present de forma natural en determinades fruites, amb propietats prebiòtiques: les pectines altament esterificades. No obstant això, han estat poc estudiades en relació amb el seu possible rol promovent efectes saludables en relació amb el control del pes corporal i el metabolisme energètic. Les pectines altament esterificades (a les que ens referirem d’ara endavant simplement com a “pectines”) tenen la capacitat de formar gels a l’intestí i per tant arriben al colon quasi intactes, on poden ser metabolitzades pels bacteris residents, que produeixen determinats metabòlits, com ara els àcids grassos de cadena curta (SCFA), els quals poden ser absorbits, podent-hi arribar a sang perifèrica en diferent grau depenent de cada SCFA. A més, s’ha provat que la suplementació amb pectines té efectes saludables, en concret pot ajudar a reduir les respostes glucèmiques post-prandials i a mantenir les concentracions normals de colesterol a la sang. Per tant, el principal objectiu de la present Tesis Doctoral va ser caracteritzar el possible rol de les pectines, mitjançant suplementació moderada a la dieta, així com dels seus metabòlits, els SCFA, en la prevenció dels problemes de salut associats a la edat i al sobrepès, així com intentar desxifrar, al menys en part, els principals mecanismes involucrats. Vàrem utilitzar dos models in vivo i un in vitro. Els models in vivo varen ser: A) suplementació moderada (10% p/p) amb pectines, durant 1 mes, en rates adultes/velles i B) suplementació (10%) crònica (des del deslletament fins als 6 mesos de vida) en rates CR (progènie de mares que varen esser sotmeses a una restricció calòrica moderada durant la primera meitat de l’embaràs, que suposa un model de propensió a la obesitat però també un model de malprogramació metabòlica). El model in vitro es va utilitzar per a l’estudi dels efectes dels principals SCFA produïts a l’intestí, acetat, propionat i butirat, donats de forma crònica (des del principi del procés de diferenciació) a cèl·lules en cultiu primari de teixit adipós marró i de teixit adipós blanc inguinal (BAT i iWAT). Els principals resultats del primer model varen mostrar que la suplementació amb pectines durant un mes en rates adultes disminueix el greix corporal i atenua la resistència a la leptina i a la insulina associada a l’edat, de forma més marcada que el que es podria atribuir a un ximple descens en la ingesta calòrica, contribuint així en global a una salut metabòlica millorada. En el segon model, els resultats en general varen estar d’acord amb la idea de que la suplementació crònica amb pectines és capaç de restaurar, sinó millorar, les condicions basals (control) associades al risc cardiovascular en termes de pressió arterial, freqüència cardíaca i expressió gènica en el cor, incloent-hi els pèptids natriurètics. Aprofitant aquest disseny experimental, també descrivim un nou possible biomarcador primerenc de salut cardíaca: els nivells de Nppa (mRNA) en cèl·lules mononucleades de sang perifèrica. Els experiments in vitro ens varen ajudar a suggerir que, en el possible mecanisme implicat en els efectes beneficiosos observats in vivo, l’acció de l’acetat sobre les cèl·lules del BAT i de l’iWAT podria ser important. Finalment, també descrivim els efectes del propionat i el butirat en el model in vitro suggerint que aquests (encara que amb major intensitat el propionat) podrien ajudar als adipòcits a evitar un excés de deposició de greix i a promoure una major sensibilitat a la insulina. En resum, els resultats obtinguts a la present Tesis Doctoral aporten evidències del rol protector de la salut de la suplementació moderada amb pectines, contra l’obesitat i les complicacions associades tant a l’obesitat com a l’envelliment. En aquest sentit, les pectines emergeixen com un compost bioactiu la suplementació o ingesta del qual podria tenir efectes prominents en la protecció de la salut i podria suposar una estratègia realista per a prevenir o combatre l’obesitat i les complicacions associades.