Estudio metabolómico de biomarcadores nutricionales en estudios de intervención mediante resonancia magnética nuclear. Intervención con alimentos, complementos y patrones alimentarios

Abstract

Entender la influencia de la alimentación en la salud y enfermedades humanas es uno de los mayores objetivos de la nutrición moderna. La nutrimetabolómica se define como la disciplina “ómica” que estudia cómo afecta la dieta al conjunto del metaboloma; siendo propuesta como poderosa herramienta para explorar la relación entre nutrición y salud.

Esta Tesis Doctoral tiene como objetivo principal contribuir en la identificación de biomarcadores nutricionales de consumo (biomarcadores de ingesta) así como su impacto en la salud (biomarcadores de efecto), y la huella metabólica que producen sobre el perfil urinario desde distintas aproximaciones metabolómicas mediante Resonancia Magnética Nuclear. Para la consecución de este objetivo se estudió el metaboloma desde la ingesta de diferentes componentes alimentarios (alimento, complemento alimenticio y patrones alimentarios). En el caso del estudio en un alimento se utilizó vino, vino desalcoholizado y ginebra para evaluar el efecto de la matriz alimentaria de las diferentes fracciones del alimento. El análisis del metaboloma mostró tanto metabolitos provenientes del food metabolome (tartrato, etanol, manitol), endógenos (3-metil-2-oxovalerato), y derivados de la acción de la microbiota intestinal (hipurato y 4-hidroxifenilacetato). En cuanto a la matriz alimentaria, se observó una posible interacción entre el alcohol y los biomarcadores relacionados con los metabolitos de la microbiota intestinal. Seguidamente, se propuso estudiar los biomarcadores de ingesta de un alimento, y para ello se detectaron en un estudio de intervención (vino) y se determinó el poder predictivo mediante la evaluación de su sensibilidad y especificidad. Se evaluaron de forma individual, observando finalmente que la combinación de dos de ellos (tartrato+etilglucurónido) ofrecía un mayor poder predictivo (área bajo la curva [AUC]:90.7%) que individualmente. Se realizó una validación en otra población (estudio observacional), viéndose una reproducibilidad de los resultados (AUC: 92.4%) con una alta sensibilidad (≥84%) y especificidad (>90%) en ambas poblaciones. Para evaluar sobre el fenotipo metabólico el efecto de una intervención con un alimento, se estratificó una población con alto riesgo cardiovascular atendiendo a sus parámetros clínicos. Se evaluó el efecto de la ingesta de polifenoles del vino en los clúster más discriminantes (“obesos y diabéticos” vs. “sanos con riesgo”). Se observó en el metaboloma un comportamiento diferencial para la excreción del 4-hidroxifenilacetato (microbiota intestinal) en el clúster que se clasificó como “obeso y diabético” frente al clúster “sano con riesgo”, exhibiéndose en los primeros una posible alteración de la microbiota intestinal después del consumo de vino.

En la evaluación de los patrones alimentarios, se analizó el perfil metabólico de una población al inicio, 1 año y 3 años de seguimiento de un patrón de Dieta Mediterránea (MD) suplementada con aceite de oliva/nueces frente a una dieta baja en grasa. Se detectaron varios metabolitos endógenos relacionados con el metabolismo energético (glucólisis, ciclo de los ácidos tricarboxílicos, β-oxidación), derivados de la microbiota, así como también del food metabolome. Asimismo, se pudo asociar ciertos metabolitos con patrones de dieta, viéndose asociadas las dos MD a un mayor consumo de vegetales, mientras que la dieta baja en grasa presentaba una mayor asociación al consumo de carne roja.

En la evaluación del impacto en la salud, se administró un complemento alimenticio (probiótico) a mujeres lactantes con mastitis y se observó una mejoría y una reducción del estado inflamatorio (seguimiento médico), lo que provocó una deserción voluntaria de fármacos (ibuprofeno y paracetamol), hecho que se reflejó en el metaboloma urinario. También se vio un aumento en la excreción de creatina y de metabolitos derivados de la microbiota intestinal (hipurato y trimetilamina-N-óxido). Esta Tesis Doctoral presenta diferentes estrategias nutrimetabolómicas para el desarrollo y estudio de biomarcadores nutricionales y su impacto en la salud.

Understanding the link between nutrition and health is one of the major goals of modern nutrition. Nutrimetabolomics is an “omics” science that studies the effect of diet through the metabolome. It is a powerful tool for exploring the relationship between nutrition and health. The aim of this PhD thesis is to contribute to the identification of biomarkers related to food consumption (biomarkers of intake) and their impact on health (biomarkers of effect).

To achieve this goal, the human metabolome was studied by nuclear magnetic resonance (NMR) after the intake of different food components (food, supplements and dietary patterns). Wine, dealcoholized wine and gin were used to evaluate the food matrix effect. Results showed metabolites from the food metabolome, endogenous and gut microbiota, pointing to a potential interaction between alcohol and gut microbiota. To study food exposure biomarkers, the predictive power in the wine interventional study concluded that a model combining two biomarkers (tartrate+ethyl glucuronide) has greater predictive power than the individual markers. Reproducible results also were shown in epidemiological data (AUC>90%). Furthermore, high cardiovascular risk individuals were stratified based on their clinical parameters. The effect of wine polyphenols intake in the metabolic phenotype for the two most discriminant clusters (“obese-diabetics” vs. “healthier”) was evaluated, and different excretion of gut microbiota metabolite 4-hydroxyphenylacetate was observed. Concerning the dietary patterns, the metabolic footprint after 3-years follow-up with Mediterranean diet vs. low-fat pattern was analyzed. Several metabolites (i.e. energy pathway-metabolites), and dietary patterns association with certain metabolites were also observed.

To assess the impact on health, a probiotic supplement was administered to breastfeeding women with mastitis. The reduction of inflammation (medical test) and voluntary desertion of pharmacological drugs was revealed in the urinary metabolome. This Doctoral Thesis presents different nutrimetabolomics strategies to study nutritional biomarkers and improve the understanding of their impact on human health.