Effects of moderate maternal energy restriction on the offspring metabolic health, in terms of obesity and related diseases, and identification of determinant factors and early biomarkers

Abstract

Introduction A growing body of evidence, from epidemiological studies in humans and animal models, indicate that maternal health and nutritional status during gestation and lactation can program the propensity to develop obesity in their offspring. Huge efforts are now being directed toward understanding the molecular mechanisms underlying this developmental programming. Identification of these mechanisms could give some clues about potential strategies to prevent or revert programmed propensity to develop obesity, and may help in the identification of early biomarkers. Therefore, the main aim of this PhD-Thesis has been: To characterize in rats the programming effects of moderate maternal energy restriction during pregnancy or lactation on the metabolic health of their offspring in terms of obesity and related metabolic alterations, as well as to identify new preventing strategies against programmed obesity and early biomarkers of metabolic health. Investigation content We have characterized an animal model previously described to exhibit higher propensity to develop obesity and related metabolic alterations ― the offspring of rat dams exposed to moderate food restriction during gestation (CRG) ― to find out some of the potential mechanisms underlying their negative outcomes. Expression levels of key energy homeostasis-related genes in the hypothalamus and adipose tissue, and the measurement of some circulating parameters, showed that these animals were programmed, already from early ages, for a lower capacity to respond to insulin and to central leptin action. This could explain the hyperphagia observed in these animals and the greater propensity for obesity, manifested particularly in males. Some of these programmed disturbances, such as the impaired insulin and leptin sensitivity, and the increased systolic blood pressure, characteristic of CRG-animals, were reverted by enhancing hepatic fatty acid oxidation at early ages, through adeno-associated virus-mediated gene transference of the cDNA of Cpt1am (encoding for a permanently active form of CPT1A insensitive to its physiological inhibitor malonyl-CoA). Unlike calorie restriction during gestation, we show here that moderate calorie restriction in rat dams during lactation protects their offspring (CRL) against diet-induced obesity and related metabolic alterations, such as dyslipidemia, insulin resistance and hyperleptinemia. This condition during lactation determines early changes at gene expression level in WAT and liver, affecting lipogenic and oxidative capacity and increasing their sensitivity to the peripheral effects of leptin and insulin. Some of these adaptations were partially maintained in adulthood. Adult CRL-animals showed gender-dependent changes at gene expression level in adipose tissue and hypothalamus, suggesting that males were more protected against high-fat diet induced peripheral insulin resistance and they also showed improved capacity to respond centrally to leptin, while CRL-females were programmed for a better sensitivity to the peripheral actions of leptin and to the central action of insulin. We used this animal model to identify early transcriptome-based biomarkers of improved metabolic health by whole-genome microarray analysis in peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). Concerning the factors potentially involved in the benefits of maternal calorie restriction during lactation on their offspring, the diminished content of markers of protein damage by oxidation and glycation found in breast milk from CRL-dams, in comparison to milk from controls, could be relevant. Conclusion Maternal nutrition during the perinatal period may be an important determinant of insulin and leptin sensitivity in their offspring. While calorie restriction during pregnancy programs their offspring for a lower capacity to respond to insulin and to central leptin action, the offspring of calorie restricted lactating dams show enhanced sensitivity to these hormones. Expression levels in blood cells of a set of genes are proposed as potential early biomarkers of metabolic health, and hence may provide a valid biological readout for the study of metabolic processes in humans.

Introducción Numerosas evidencias, procedentes de estudios epidemiológicos en humanos y de modelos animales, indican que la salud materna y su estado nutricional durante la gestación y la lactancia pueden programar la propensión a desarrollar obesidad en la descendencia. Se están llevando a cabo grandes esfuerzos para entender los mecanismos moleculares responsables de dicha programación metabólica. La identificación de los mecanismos responsables podría dar ciertas pistas para el desarrollo de estrategias que permitan prevenir o revertir dicha propensión a desarrollar obesidad, y también podría ayudarnos en la identificación de biomarcadores tempranos de salud metabólica. Por consiguiente, el principal objetivo de esta tesis doctoral ha sido: Caracterizar en ratas los efectos de una restricción energética materna moderada durante la gestación o la lactancia sobre la salud metabólica de la descendencia, en relación a la obesidad y las alteraciones metabólicas asociadas, así como también identificar nuevas estrategias de prevención frente la programación de la obesidad y nuevos biomarcadores tempranos de salud metabólica. Contenido de la investigación Hemos caracterizado un modelo animal, que previamente se había descrito que presentaba una mayor propensión a desarrollar obesidad y alteraciones metabólicas asociadas – las crías de ratas sometidas a una restricción calórica moderada durante la gestación (CRG) – para identificar algunos de los mecanismos potencialmente responsables de sus efectos negativos. Los niveles de expresión de genes claves relacionados con la homeostasia energética en el hipotálamo y el tejido adiposo, y el análisis de ciertos parámetros circulantes, revelaron que estos animales estaban programados, ya desde edades tempranas, para una menor respuesta a la insulina y a la acción central de la leptina. Esto podría explicar la hiperfagia observada en estos animales y la mayor propensión a la obesidad, que presentan particularmente los machos. Algunas de estas alteraciones programadas, tales como la alteración de la sensibilidad a la insulina y a leptina, y la elevada presión sistólica, característica de los animales CRG, se vieron revertidas al favorecer el incremento de la oxidación hepática de ácidos grasos, en edades tempranas, a través de la transferencia génica, mediada por vectores virales adeno-asociados, del ADNc de la Cpt1am (que codifica para una forma permanentemente activa de la CPT1A, insensible a su inhibidor fisiológico malonil-CoA). A diferencia de la restricción calórica durante la gestación, observamos que la restricción calórica moderada en ratas madre durante la lactancia protege a su descendencia (CRL) frente al desarrollo de obesidad inducida por la dieta y frente al desarrollo de alteraciones metabólicas asociadas, tales como la dislipidemia, la resistencia a la insulina y la hiperleptinemia. Esta condición durante la lactancia determina cambios tempranos a nivel de expresión génica en el tejido adiposo y el hígado, afectando la capacidad lipogénica y oxidativa, e incrementando la sensibilidad a la acción periférica de la insulina y la leptina. Algunas de estas adaptaciones se mantuvieron parcialmente en edad adulta. Los animales CRL adultos mostraron cambios a nivel de expresión génica en el tejido adiposo y en el hipotálamo que fueron dependientes del sexo, sugiriendo que los machos estaban más protegidos frente a la resistencia periférica a la insulina inducida por una dieta hiperlipídica, así como también mostraron una capacidad mejorada para responder a la leptina a nivel central; en cambio, las hembras CRL estaban programadas para una mejor sensibilidad a la acción periférica de la leptina y a la acción central de la insulina. Utilizamos este modelo animal para identificar marcadores tempranos de transcripción indicadores de salud metabólica mejorada mediante el análisis por microarray de células mononucleares de sangre periférica (PBMCs). Con respecto a los factores que podrían estar potencialmente implicados en los efectos beneficiosos de la restricción calórica durante la lactancia sobre las crías, el menor contenido de marcadores de daño proteico por oxidación y glicación hallado en la leche de madres CRL, en comparación con la leche de madres control, podría ser relevante. Conclusión La nutrición materna durante el periodo perinatal puede ser un determinante importante de la sensibilidad a la insulina y la leptina de sus crías. Mientras que la restricción calórica durante la gestación programa a las crías para una menor capacidad de respuesta a la inulina y a la acción central de la leptina, las crías de madres expuestas a una restricción calórica moderada durante la lactancia muestran una sensibilidad mejorada a estas hormonas. Se han identificado un grupo de genes cuyos niveles de expresión en células sanguíneas podrían considerarse como potenciales marcadores tempranos de salud metabólica, pudiendo proporcionar una herramienta biológica válida para el estudio de procesos metabólicos en humanos.

Introducció Nombroses evidències, procedents d’estudis epidemiològics en humans i de models animals, indiquen que la salut materna i el seu estatus nutricional durant la gestació i la lactància poden programar la propensió de la descendència a desenvolupar obesitat. S’estan duent a terme grans esforços per entendre els mecanismes moleculars responsables d’aquesta programació metabòlica. La identificació d’aquests mecanismes podria donar-nos certes pistes per al desenvolupament d’estratègies que permetin prevenir o revertir la propensió programada a desenvolupar obesitat, i també podria ajudar-nos en la identificació de biomarcadors primerencs de salut metabòlica. Per això, el principal objectiu d’aquesta tesis doctoral ha estat: Caracteritzar en rates els efectes d’una restricció energètica moderada a les mares durant la gestació o la lactància sobre la salut metabòlica de la descendència, en relació a l’obesitat i les alteracions metabòliques associades, així com també identificar noves estratègies de prevenció enfront a la programació de l’obesitat i nous biomarcadors primerencs de salut metabòlica. Contingut de la investigació Hem caracteritzat un model animal, que prèviament se va veure que exhibia una major propensió a desenvolupar obesitat i alteracions metabòliques associades – les cries de rates sotmeses a una restricció calòrica moderada durant la gestació (CRG) – per identificar alguns dels mecanismes potencialment responsables dels seus efectes negatius. Els nivells d’expressió de gens clau relacionats amb la homeòstasi energètica a l’hipotàlem i al teixit adipós, i l’anàlisi de certs paràmetres circulants, varen mostrar que aquests animals estaven programats, ja des d’etapes primerenques de la vida, per una menor resposta a la insulina i a la acció central de la leptina. Això podria explicar la hiperfàgia observada en aquests animals i la major propensió a l’obesitat, que presenten particularment els mascles. Algunes d’aquestes alteracions programades, com ara l’alteració de la sensibilitat a la insulina i a la leptina, i l’elevada pressió sistòlica, característica dels animals CRG, es van veure revertides en afavorir l’increment de la oxidació hepàtica dels àcids grassos, a edats primerenques, a través de la transferència gènica, mitjançant vectors virals adeno-associats, de l’ADNc de la Cpt1am (que codifica per una forma permanentment activa de la CPT1A, insensible al seu inhibidor fisiològic, el malonil-CoA). A diferència de la restricció calòrica durant la gestació, observarem que la restricció calòrica moderada en rates mare durant la lactància, protegeix a la seva descendència (CRL) enfront del desenvolupament d’obesitat induïda per la dieta i el desenvolupament d’alteracions metabòliques associades a l’adultesa, com ara la dislipèmia, la resistència a la insulina i la hiperleptinèmia. Aquesta condició durant la lactància determina canvis primerencs a nivell d’expressió gènica en el teixit adipós i en el fetge, afectant la capacitat lipogènica i oxidativa, i incrementant la sensibilitat a la acció perifèrica de la insulina i la leptina. Algunes d’aquestes adaptacions se varen mantenir parcialment en edat adulta. Els animals adults CRL varen mostrar canvis en els nivells d’expressió gènica en el teixit adipós i a l’hipotàlem, que varen ser dependents del sexe, suggerint que els mascles estaven més protegits enfront a la resistència perifèrica a la insulina induïda per una dieta hiperlipídica, i també mostraren una capacitat millorada per respondre a la leptina a nivell central; en canvi, les femelles CRL estaven programades per a una millor sensibilitat a l’acció perifèrica de la leptina i a la acció central de la insulina. Utilitzarem aquest model animal per a la identificació de biomarcadors primerencs de transcripció, indicadors de salut metabòlica millorada, mitjançant l’anàlisi per microarray en cèl•lules mononuclears de sang perifèrica (PBMCs). Pel que fa als factors que podrien estar potencialment implicats en els efectes beneficiosos de la restricció calòrica materna durant la lactància sobre la descendència, el menor contingut de marcadors de dany proteic per glicació i d’oxidació trobat a la llet de mares CRL, en comparació amb la llet de mares control, podria ser rellevant. Conclusió La nutrició materna durant el període perinatal pot ser un determinant important de la sensibilitat a la insulina i a la leptina de les seves cries. La restricció calòrica durant la gestació programa a les cries per a una menor resposta a la insulina i a la acció central de la leptina; en canvi, les cries de mares exposades a una restricció calòrica moderada durant la lactància mostren una major sensibilitat a aquestes hormones. S’han identificat un grup de gens, els nivells de expressió dels quals en cèl•lules sanguínies se poden considerar com a potencials marcadors primerencs de salut metabòlica, podent proporcionar una eina biològica vàlida per a l’estudi dels processos metabòlics en humans.