Estudio proteómico y neurofisiológico del estrés psicosocial y metabólico en un modelo porcino

Abstract

El bienestar animal en la industria ganadera es un tema de importancia esencial. Un bienestar animal pobre puede provocar grandes pérdidas económicas debidas a una baja productividad, y a la poca aceptación en el mercado por problemas éticos y de opinión pública. Cuando un animal consigue adaptarse al entorno adverso a expensas de cierto coste biológico se considera que está sujeto a estrés. Este trabajo se compone de tres capítulos centrados en analizar los efectos de los estresores psicosociales, producidos por la interacción con individuos ajenos y la relación humano-animal, y los estresores metabólicos, específicamente el estrés nutricional por sobrealimentación o restricción alimentaria, y por la restricción del crecimiento intrauterino (IUGR). Los efectos se estudiaron mediante la determinación de marcadores de estrés, la determinación de neurotransmisores (NTs) y sus metabolitos y mediante ensayos de proteómicos. Los tejidos estudiados fueron las células mononucleares de sangre periférica (PBMC) y diversas áreas cerebrales. La variación en los niveles de cortisol en pelo y las proteínas de fase aguda sugieren que los cambios durante el periodo experimental se debieron principalmente a la disminución del grado de estrés de los animales al readaptarse después de la mezcla de individuos. Los cambios en el proteoma de las PBMC reflejan las consecuencias de la variación del cortisol endógeno y del grado de estrés de los animales. Los tratamientos de manejo aplicados a los animales no fueron lo bastante contundentes como para observar un cambio claro en la fisiología porcina. Todos los resultados descritos en este estudio evidencian una relación compleja entre el estrés, el manejo de los animales y las células del sistema inmune. Al alimentar a los animales con una dieta High Fat Diet (HFD) se producen cambios en la concentración de neuropéptidos hipotalámicos implicados en la ingesta y la de los NTs en el hipocampo ventral e hipotálamo, principalmente los de la vía dopaminérgica. Mientras que al incluir Bifidobacterium breve y ácidos grasos omega-3 o la combinación de ambos en la dieta HFD se revierten parcialmente los efectos de la dieta HFD sobre los neuropéptidos y los NTs. Reduciendo la dieta materna al 70 % o sobrealimentar a las madres hasta el 130 % de calorías se observan alteraciones en el perfil de los NTs en el hipocampo e hipotálamo de los lechones. Al tratar a estos lechones con metformina se induce una señal anorexigénica en el sistema nervioso central mediante cambios en el perfil de NTs. Además, se inhibe el sistema nervioso simpático reduciendo la respuesta de “lucha y huida” del organismo. Reducir al 50 % la dieta materna en el primer mes de gestación produce un efecto IUGR en la camada de lechones, lo que provoca que algunos individuos nazcan con un peso inferior y un subdesarrollo asimétrico que mantiene un tamaño craneal normal en detrimento del resto del cuerpo. El efecto IUGR altera de igual manera en hembras y machos los NTs de la vía dopaminérgica en el hipocampo. Según los resultados del análisis proteómico el hipocampo de lechones hembra de peso normal muestra evidencias de un mayor desarrollo estructural y neuronal que el de los machos de peso normal. El estrés producido por IUGR atenúa estas diferencias en el desarrollo estructural y neuronal del hipocampo entre hembras y machos. Las neuronas hembra hipocampales afectadas por IUGR muestran evidencias de una mayor resistencia que las neuronas macho ante estresores metabólicos como la falta de nutrientes. Estos estudios revelan algunos de los mecanismos de respuesta ante estresores psicosociales o metabólicos por parte de las células del sistema inmune y el sistema nervioso central, completando el conocimiento existente sobre los mecanismos moleculares subyacentes.

Animal welfare in the livestock industry is an issue of essential importance. Poor animal welfare can cause large economic losses due to low productivity, and low acceptance in the market for ethical issues and public opinion. Therefore, its study is imperative to reliably detect the welfare state of an animal. When an animal manages to adapt to the adverse environment at the expense of a certain biological cost, it is considered to be subject to stress. This work consists of three chapters focused on analyzing the effects of psychosocial stressors produced by the interaction with other individuals and the human-animal relationship, and metabolic stressors, specifically the nutritional stress due to overfeeding or food restriction and by intrauterine growth restriction (IUGR). The effects were studied by determining stress markers, neurotransmitters (NTs) and their metabolites in the brain and by proteomic approaches. The tissues were peripheral blood mononuclear cells (PBMC) and several brain areas. The variation in hair cortisol levels and serum acute phase proteins suggests that these changes during the experimental period were mainly due to the decrease of stress by readaptation of the animals after mixing. Changes in the PBMC proteome reflects the consequences of the variation of endogenous cortisol and the degree of stress. However, handling treatments applied to the animals were not strong enough to provoke clear changes in porcine physiology. All results described in this study show a complex relationship between stress, animals management and immune cells. Animals fed for 10 weeks with a High Fat Diet (HFD) presents changes in the concentration of hypothalamic neuropeptides involved in food intake and NTs in ventral hippocampus and hypothalamus, mainly from the dopaminergic pathway. While adding Bifidobacterium breve, omega-3 fatty acids or the combination of both in the HFD diet partially reverses the effects of the HFD diet on neuropeptides and NTs. Reducing maternal diet to 70 % or overfeeding the mothers up to 130 % caloric intake, provoke alterations in the NTs profile in the hippocampus and hypothalamus of the piglets. On the other hand, treating these piglets with metformin, an anorexigenic signal is induced in the central nervous system (CNS) by changes in the NTs profile. In addition, the sympathetic nervous system is inhibited by reducing organism “fight and flight” response. If maternal diet is reduced to 50 % from the first month of gestation, an IUGR effect occurs in the litter of piglets, which some individuals born with lower weight and asymmetric underdevelopment, which maintains a normal cranial size in detriment of the rest of the body (LBW). The IUGR effect specially alters in females and males the NTs of the dopaminergic pathway in the hippocampus, especially the degradation ratio of dopamine. Hippocampus of normal-weight female (NBW) piglets shows evidences of greater structural and neuronal development and metabolic activity than normal-weight males, according to the results of the proteomic analysis. However, stress produced by IUGR attenuates these differences in hippocampus structural and neuronal development between females and males. In addition, hippocampal female neurons affected by IUGR show evidences of greater resistance than male neurons to metabolic stressors such as lack of nutrients. These studies reveal some of the mechanisms of response to psychosocial or metabolic stressors by immune cells and the central nervous system, increasing the knowledge about the underlying molecular mechanisms.