Estudio de perfiles metabolómicos asociados al consumo de Legumbres y Café. Aplicación de una Aproximación Metabolómica por Resonancia Magnética Nuclear en Estudios de Intervención Nutricional y Observacionales

Abstract

Los biomarcadores nutricionales proporcionan una medida precisa y objetiva de la exposición dietética (biomarcadores de ingesta) y de su impacto en el individuo (biomarcadores de efecto), que unidos a las medidas tradicionales de consumo de alimentos pueden mejorar la medida de la exposición dietética y permitir la formulación de nuevas hipótesis sobre el impacto de la dieta en la salud. Esta Tesis Doctoral se enmarca dentro del consorcio “Food Biomarker Alliance” (FOODBALL), el cual propone llevar a cabo el estudio profundo de biomarcadores nutricionales. La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo principal contribuir en el descubrimiento de biomarcadores nutricionales a través del análisis del perfil metabolómico asociado al consumo de legumbres y de café en muestras de orina y/o suero/plasma mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN), en estudios nutricionales con diferentes diseños. Para la evaluación del metaboloma asociado a la ingesta de legumbres (concretamente lentejas, garbanzos y alubias) se realizaron dos estudios: uno de intervención y uno observacional. En el estudio de intervención con individuos sanos, el perfil metabolómico urinario se caracterizó por estar asociado a metabolitos provenientes del “food metabolome” (trigonelina, dimetilglicina, 3-metilhistidina, trimetilamina, y lisina); y a metabolitos endógenos (mayores niveles de aminoácidos ramificados, glutamina, y ácido xanturénico; y menores niveles de glucosa). El análisis del metaboloma sérico reveló una menor cantidad de metabolitos significativos, mayormente endógenos (asparagina, histidina, dimetilglicina, lisina, 3-hidroxiisovalerato, 2-hidroxibutirato y glucosa). Los principales candidatos a biomarcadores urinarios fueron adicionalmente explorados a través de muestras biológicas recogidas hasta 48 h tras la ingesta de los alimentos. Para el estudio observacional de la huella metabolómica urinaria asociada con el consumo de legumbres, se estratificaron los sujetos según el consumo reportado mediante un cuestionario de frecuencia de consumo de alimentos. La exposición a legumbres se asoció con metabolitos provenientes del metabolismo de la colina, de compuestos relacionados con el metabolismo de los aminoácidos, y con el metabolismo energético. Con el objetivo de mejorar la capacidad predictiva del consumo de legumbres, se diseñó un modelo combinado de exposición que incluyó glutamina, dimetilamina y 3-metilhistidina. El modelo fue evaluado por una curva característica de funcionamiento del receptor (ROC) exhibiendo mayor área bajo la curva (>90%) en comparación con los modelos individuales (<90% en todos los casos). Los metabolitos provenientes del estudio de intervención replicados en el estudio observacional fueron dimetilglicina, 3-metilhistidina y trimetilamina como precursor de trimetilamina-N-óxido (metabolitos del “food metabolome”); y glutamina, aminoácidos ramificados, y una menor glucosa como metabolitos endógenos. Por lo tanto, estos metabolitos podrían ser los candidatos más robustos a biomarcadores nutricionales de legumbres. En el caso del estudio de café, el análisis del metaboloma urinario tras el consumo agudo un café con alto contenido en compuestos bioactivos indicó una alta excreción de 2-furoilglicina; y compuestos endógenos tales como ácidos succínico, cítrico, 3-metil-2-oxovalérico y isobutírico. El consumo sostenido del café exhibió un aumento de compuestos derivados de la acción microbiana como los ácidos hipúrico, 3-(3-hidroxifenil)-3-hidroxipropiónico y 3-hidroxihipúrico. Así mismo, la trigonelina se encontró en la orina tras el consumo tanto agudo como sostenido del café. En ambos estudios de intervención (con legumbres y café) se estudió el perfil metabolómico de los propios alimentos. En el caso de las legumbres se observaron trigonelina, histidina, lisina, y aminas cuaternarias, que posteriormente fueron excretados. Asimismo, en el caso del café se identificaron compuestos furanos y trigonelina que dieron como resultado la 2-furoilglicina y la trigonelina propiamente. Esta Tesis Doctoral presenta diferentes aproximaciones a través de estudios de intervención nutricional y observacionales para el descubrimiento de biomarcadores nutricionales asociados al consumo de legumbres y café mediante la aplicación de una estrategia metabolómica no dirigida usando la RMN.

Nutritional biomarkers provide a more accurate and objective measure of dietary exposure (biomarkers of intake) and their impact on the metabolism (biomarkers of effect) than traditional measures of food consumption. The main aim of this PhD is to contribute to the discovery of nutritional biomarkers by analyzing the metabolomic fingerprint associated with the consumption of pulses and coffee using Nuclear Magnetic Resonance (NMR) through nutritional studies with different designs. To investigate the metabolomic fingerprint associated with the dietary pulses intake (specifically lentils, chickpeas and beans), an intervention study was carried out in healthy individuals. The main candidates for urinary biomarkers (trigonelline, dimethylglycine, 3-methylhistidine, trimethylamine, and lysine) were further explored up to 48 h after food intake. In an observational study, a free-living population was stratified according to the reported consumption of pulses by a food frequency questionnaire. The exposure to pulses was associated with metabolites derived from the metabolism of choline and amino acids, as well as with energy metabolism. A multi-metabolite biomarker model was designed including glutamine, dimethylamine and 3-methylhistidine and positively evaluated by a receiver operating characteristic curve (ROC). The metabolites from the intervention study replicated in the observational study were dimethylglycine, 3-methylhistidine and trimethylamine as a precursor of trimethylamine-N-oxide (food metabolome); and glutamine, branched-chain amino acids, and lower glucose (endogenous metabolites). Therefore, these metabolites could be good candidates for nutritional biomarkers of pulses. Concerning the metabolomic study after the intake of a coffee with high content of bioactive compounds, the acute consumption indicated a higher urinary excretion of 2-furoylglycine and compounds of Krebs cycle. Sustained consumption of coffee exhibited an increase in compounds derived from microbial activity such as hippuric, 3-(3-hydroxyphenyl)-3-hydroxypropionic and 3-hydroxyhippuric acids. Trigonelline was found in the urine after both acute and sustained consumption of coffee. In both intervention studies (with legumes and coffee) the metabolic profile of the food was studied indicating certain precursors of compounds from the food metabolome. This Thesis presents different approaches through intervention and observational studies for the discovery of nutritional biomarkers of pulses and coffee through an untargeted metabolomic strategy using NMR.