Nutrition and Immunity: Molecular Approaches

Abstract

La nutrició exerceix un paper important en la modulació de la immunitat de les espècies ramaderes. L'objectiu d'aquesta tesi és avaluar els efectes de diferents molècules dietètiques sobre la immunitat de mamífers i ocells. Es van implementar anàlisis funcionals in vitro, i proteòmica i miRNAómica per a una caracterització integral de l'impacte de les molècules en la resposta immune dels animals. Específicament es va avaluar l'impacte in vitro de l'àcid linoleic conjugat (CLA) n-6, la pectina cítrica (CP) i els exosomas de llet porcina i els àcids grassos poliinsaturats (PUFA) n-3 sobre la resposta immune de les cèl·lules mononuclears bovines, de pollastre i porcines, respectivament. Primer, es va avaluar l'activitat in vitro del CLA sobre l'apoptosi, quimiotaxis, fagocitosi, capacitat de matar i producció d'espècies reactives d'oxigen (ROS) extracelul·lars dels monòcits bovins. Es van observar efectes anti-apoptóticos i un augment de la producció extracelul·lar de ROS durant condicions pro-inflamatòries experimentals, només quan es va utilitzar la mescla dels dos isòmers principals de CLA en proporcions iguals (50:50). Els resultats van demostrar que el CLA té efectes immunomoduladors sobre algunes funcions dels monòcits bovins in vitro i que la mescla de CLA (50:50) és més eficaç que els isòmers de CLA per separat. L'anàlisi proteómico realitzat en cèl·lules mononuclears de sang perifèrica bovina (PBMC) va revelar que la mescla de CLA (50:50) modula el proteoma de les PBMC bovines, recolzant els efectes anti-apoptóticos i immunomoduladors observats en l'estudi in vitro anterior en monòcits bovins, i proposant un potencial paper cito protector de la mescla de CLA (50:50) contra l'estrès oxidatiu. Segon, es va avaluar l'activitat in vitro de CP sobre la viabilitat, apoptosi, quimiotaxis i fagocitosi dels monòcits de pollastre. L'estudi va demostrar que CP inhibeix la quimiotaxis i fagocitosi dels monòcits in vitro, suggerint una potencial activitat anti-inflamatòria. L'anàlisi proteómico en PBMC de pollastre va proporcionar un rerefons proteómico a l'activitat anti-inflamatòria de CP, demostrant que la reducció in vitro de la fagocitosi i quimiotaxis està associada a canvis en les proteïnes relacionades amb el citoesquelet d'actina. Tercer, es va avaluar l'activitat in vitro dels exosomas de llet porcina sobre la viabilitat, apoptosi, quimiotaxis, fagocitosi, capacitat de matar i producció extracelul·lar de ROS dels monòcits porcins. Aquest estudi va demostrar que els exosomas de llet porcina poden ser internalitzats per monòcits porcins in vitro i que poden modular la resposta immune de la cèl·lula, disminuint la seva quimiotaxis i fagocitosi; i augmentant la seva producció de ROS en condicions de repòs i pro-inflamatòries. L'anàlisi proteómico de les PBMC porcines va demostrar que els exosomas de llet porcina poden modular el proteoma de les PBMC porcines in vitro, enriquint els processos biològics relacionats amb la immunitat innata i els processos de captació de exosomas, recolzant els efectes immunomoduladors i la internalització de exosomas observats en l'estudi in vitro anterior. Quart, es va avaluar l'activitat in vitro dels PUFA n-3, l'àcid docosahexaenoic (DHA) i àcid eicosapentaenoico (EPA), sobre la viabilitat, apoptosi, quimiotaxis, fagocitosi i producció de ROS dels monòcits porcins. Els resultats de l'estudi van mostrar que DHA i EPA poden exercir efectes immunomoduladors diferencials in vitro en porcs, en disminuir la quimiotaxis dels monòcits i potenciar la seva explosió oxidativa intracel·lular, respectivament. Finalment, es presenta un primer cop d'ull als resultats de les anàlisis bioinformàtiques de les dades de la miRNAómica de la resta dels estudis. En conclusió, en aquesta tesi es va proporcionar una caracterització fenotípica i molecular de l'impacte in vitro d'aquestes molècules dietètiques en les respostes immunitàries de bovins, porcins i pollastres.

La nutrición desempeña un papel importante en la modulación de la inmunidad de las especies ganaderas. El objetivo de esta tesis es evaluar los efectos de diferentes moléculas dietéticas sobre la inmunidad de mamíferos y aves. Se implementaron análisis funcionales in vitro, y proteómica y miRNAómica para una caracterización integral del impacto de las moléculas en la respuesta inmune de los animales. Específicamente se evaluó el impacto in vitro del ácido linoleico conjugado (CLA) n-6, la pectina cítrica (CP) y los exosomas de leche porcina y los ácidos grasos poliinsaturados (PUFA) n-3 sobre la respuesta inmune de las células mononucleares bovinas, de pollo y porcinas, respectivamente. Primero, se evaluó la actividad in vitro del CLA sobre la apoptosis, quimiotaxis, fagocitosis, capacidad de matar y producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) extracelulares de los monocitos bovinos. Se observaron efectos anti-apoptóticos y un aumento de la producción extracelular de ROS durante condiciones pro-inflamatorias experimentales, sólo cuando se utilizó la mezcla de los dos isómeros principales de CLA en proporciones iguales (50:50). Los resultados demostraron que el CLA tiene efectos inmunomoduladores sobre algunas funciones de los monocitos bovinos in vitro y que la mezcla de CLA (50:50) es más eficaz que los isómeros de CLA por separado. El análisis proteómico realizado en células mononucleares de sangre periférica bovina (PBMC) reveló que la mezcla de CLA (50:50) modula el proteoma de las PBMC bovinas, respaldando los efectos anti-apoptóticos e inmunomoduladores observados en el estudio in vitro anterior en monocitos bovinos, y proponiendo un potencial papel cito protector de la mezcla de CLA (50:50) contra el estrés oxidativo. Segundo, se evaluó la actividad in vitro de CP sobre la viabilidad, apoptosis, quimiotaxis y fagocitosis de los monocitos de pollo. El estudio demostró que CP inhibe la quimiotaxis y fagocitosis de los monocitos in vitro, sugiriendo una potencial actividad anti-inflamatoria. El análisis proteómico en PBMC de pollo proporcionó un trasfondo proteómico a la actividad anti-inflamatoria de CP, demostrando que la reducción in vitro de la fagocitosis y quimiotaxis está asociada a cambios en las proteínas relacionadas con el citoesqueleto de actina. Tercero, se evaluó la actividad in vitro de los exosomas de leche porcina sobre la viabilidad, apoptosis, quimiotaxis, fagocitosis, capacidad de matar y producción extracelular de ROS de los monocitos porcinos. Este estudio demostró que los exosomas de leche porcina pueden ser internalizados por monocitos porcinos in vitro y que pueden modular la respuesta inmune de la célula, disminuyendo su quimiotaxis y fagocitosis; y aumentando su producción de ROS en condiciones de reposo y pro-inflamatorias. El análisis proteómico de las PBMC porcinas demostró que los exosomas de leche porcina pueden modular el proteoma de las PBMC porcinas in vitro, enriqueciendo los procesos biológicos relacionados con la inmunidad innata y los procesos de captación de exosomas, respaldando los efectos inmunomoduladores y la internalización de exosomas observados en el estudio in vitro anterior. Cuarto, se evaluó la actividad in vitro de los PUFA n-3, el ácido docosahexaenoico (DHA) y ácido eicosapentaenoico (EPA), sobre la viabilidad, apoptosis, quimiotaxis, fagocitosis y producción de ROS de los monocitos porcinos. Los resultados del estudio mostraron que DHA y EPA pueden ejercer efectos inmunomoduladores diferenciales in vitro en cerdos, al disminuir la quimiotaxis de los monocitos y potenciar su explosión oxidativa intracelular, respectivamente. Por último, se presenta un primer vistazo a los resultados de los análisis bioinformáticos de los datos de la miRNAómica del resto de los estudios. En conclusión, en esta tesis se proporcionó una caracterización fenotípica y molecular del impacto in vitro de estas moléculas dietéticas en las respuestas inmunitarias de bovinos, porcinos y pollos.

Nutrition plays an important role in modulating livestock species immunity. This thesis aimed at evaluating the effects of different dietary molecules on mammalian and avian immunity. In vitro functional analyses, and proteomics and miRNAomics were implemented for an integral characterization of the molecules' impact on the animals' immune response. In this thesis the in vitro impact of the n-6 conjugated linoleic acid (CLA), citrus pectin (CP), and porcine milk exosomes and n-3 polyunsaturated fatty acids (PUFA) on bovine, chicken and porcine mononuclear cells immune response was evaluated, respectively. In the first study, the in vitro activity of CLA on bovine monocytes apoptosis and immune activities, including chemotaxis, phagocytosis, killing capability, and extracellular reactive oxygen species (ROS) production was assessed. Anti-apoptotic effects and an increase in extracellular ROS production during experimental pro-inflammatory conditions were observed, only when using the mixture of the two main isomers of CLA in equal proportions (50:50). The results demonstrated for the first time that CLA does have immunomodulatory effects on some functions of bovine monocytes in vitro and that the CLA (50:50) mixture is more effective than the CLA isomers individually. The proteomics analysis performed on bovine peripheral blood mononuclear cells (PBMC) revealed that CLA (50:50) mixture does modulate bovine PBMC proteome, supporting the antiapoptotic and immunomodulatory effects observed in the previous in vitro study on bovine monocytes, and propose a potential cytoprotective role of CLA (50:50) mixture against oxidative stress. In the second study, the in vitro activity of CP on chicken monocytes viability, apoptosis, chemotaxis and phagocytosis was assessed. The study demonstrated for the first time that CP inhibits monocytes' chemotaxis and phagocytosis in vitro, suggesting a potential anti-inflammatory activity. The proteomics analysis on chicken PBMC provided a proteomics background to the anti-inflammatory activity of CP, demonstrating that the in vitro reduction of phagocytosis and chemotaxis is associated with changes in proteins related to the actin cytoskeleton. In the third study, the in vitro activity of porcine milk exosomes on porcine monocytes viability, apoptosis, chemotaxis, phagocytosis, killing capability and extracellular ROS production was assessed. Milk exosomes were purified from sows' milk and characterized using their size, concentration, morphology, and exosome protein markers. This study reported for the first time that porcine milk exosomes can be internalized by porcine monocytes in vitro and that they can modulate the cell's immune response, by decreasing their chemotaxis and phagocytosis; and increasing their ROS production under resting and pro-inflammatory conditions. The proteomics analysis on porcine PBMC demonstrated for the first time that porcine milk exosomes can modulate porcine PBMC proteome in vitro. Moreover, the gene ontology functional analyses revealed that porcine milk exosomes enrich biological processes related to innate immune-related processes and exosome uptake processes, supporting the immunomodulatory effects and the exosome internalization observed in the previous in vitro study. Lastly, the in vitro activity of the n-3 PUFA, docosahexaenoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA), on porcine monocytes viability, apoptosis, chemotaxis, phagocytosis, and ROS production was assessed. The results of the study showed that DHA and EPA at the highest concentration decreased porcine monocytes' viability. It was also reported for the first time that DHA and EPA can exert differential in vitro immunomodulatory effects in pigs, by dampening monocytes' chemotaxis and potentiating their intracellular oxidative burst, respectively. The proteomics and miRNAomics analyses were not performed for this study. Instead, a first glance on the results from the bioinformatic analyses of the miRNAomics data of all the rest of the studies is presented. In conclusion, a phenotypical and molecular characterization of the in vitro impact of these dietary molecules on bovine, porcine and chicken immune responses was provided.