Canine models to investigate dietary strategies targeting gastrointestinal health and oxidative stress

Abstract

Aquesta tesi investiga models canins per avaluar estratègies nutricionals dirigides a (1) salut intestinal i (2) estrès oxidatiu. Es van realitzar 3 estudis. Els estudis 1 i 2 es centraren en induir experimentalment una alteració gastrointestinal mitjançant un canvi abrupte de dieta i en analitzar els efectes a curt i mig termini d’aquesta intervenció. Un cop caracteritzats, aquests models poden servir per avaluar estratègies nutricionals que podrien modificar la resposta, idealment promovent la resiliència de la microbiota. En ambdós estudis participaren 24 Beagles adults. Durant 4 setmanes consumiren una primera dieta, seguida d’un canvi abrupte a una segona dieta durant 4 setmanes més. El contingut de proteïna, greix, midó i fibra dietètica total (% en matèria seca) de les dietes fou, respectivament: 26,3/11,9/32,4/14,5 i 43,3/29,3/3,4/10,8 (estudi 1); 22,1/10,9/44,8/13,1 i 34,0/11,4/19,8/30,2 (estudi 2). A l’estudi 1, les dietes també diferiren en el procés de fabricació (extrusionada vs. humida). Es recolliren mostres de femtes a l’inici, al voltant del canvi i al final. L’estudi 2 inclogué un mostreig addicional 2 setmanes després del canvi. Les mètriques inclogueren qualitat fecal, digestibilitat, composició i activitat fermentativa de la microbiota, i immunitat. En ambdós estudis, la intervenció dietètica generà canvis ràpids en la qualitat fecal i la microbiota. A l’estudi 1, l’índex de disbiosi empitjorà transitòriament, algunes poblacions bacterianes productores de SCFA van disminuir, i altres, de tipus proteolític, augmentaren, reflectint l’increment de proteïna i la reducció en carbohidrats. Conseqüentment, s’observaren disminucions en SCFA però també en alguns metabòlits proteics. A l’estudi 2, els canvis de la microbiota foren menors però l’activitat fermentativa ràpidament virà cap a un perfil més acetogènic i la majoria d’amines biògenes van disminuir, atribuïble a l’increment en fibra dietètica, especialment insoluble. En ambdós estudis certs paràmetres evolucionaren gradualment, reflectint l’adaptació de la microbiota. L’estudi 3 es focalitzà en l’efecte d’incloure una font d’antioxidants naturals a una dieta humida sobre la preferència, digestibilitat i estrès oxidatiu induït per l’exercici. Dotze gossos participaren. Comparacions entre una dieta control (CON) i la mateixa dieta incloent alga Fucus en pols (1,5%), clau en pols (0,45%) o nabius sencers (3%) (BLU) mostraren una preferència per aquesta última. La digestibilitat entre les dietes CON i BLU fou similar, excepte per la cel·lulosa. Per avaluar l’impacte de la dieta BLU en l’estrès oxidatiu, els gossos consumiren la dieta CON durant 4 setmanes abans que 8 d’ells realitzessin un primer exercici submàxim en cinta. Després, 6 continuaren amb CON i 6 canviaren a BLU durant 4 setmanes més abans de repetir l’exercici. Es van prendre mostres de sang abans, immediatament després i 24 hores després dels exercicis per avaluar biomarcadors musculars (creatina quinasa), metabolisme proteic (urea), inflamació (proteïna reactiva C) i estrès oxidatiu (malondialdehid, estat antioxidant total i glutatió peroxidasa). El protocol es repetí a l’estiu i a l’hivern amb grups invertits. L’exercici incrementà els nivells de creatina quinasa, urea i malondialdehid, i reduí la glutatió peroxidasa. Alguns efectes foren més pronunciats a l’estiu, suggerint la influència de la temperatura ambiental. La dieta BLU no atenuà els efectes de l’exercici però el grup BLU mostrà menors valors de creatina quinasa abans de l’exercici a l’estiu, suggerint un possible efecte protector davant l’estrès tèrmic. En conclusió, aquests models canins permeten avaluar estratègies nutricionals dirigides a millorar la salut canina des de diferents angles. A més, els models de canvi dietari poden contribuir al coneixement de la resiliència i adaptació de la microbiota enfront d’estressors i nous substrats. Similarment, els models d’exercici ajuden a entendre la fisiologia de l’estrès oxidatiu i la influència de factors com estratègies dietètiques o entrenament.

Esta tesis investiga modelos caninos para evaluar estrategias nutricionales dirigidas a (1) salud intestinal y (2) estrés oxidativo. Se llevaron a cabo tres estudios. Los estudios 1 y 2 se centraron en inducir experimentalmente una alteración gastrointestinal mediante un cambio abrupto de dieta y analizar los efectos a corto y medio plazo de esta intervención. Una vez caracterizados, estos modelos pueden servir para evaluar estrategias nutricionales que podrían modificar la respuesta, idealmente promoviendo la resiliencia de la microbiota. En ambos estudios participaron 24 Beagles adultos. Durante 4 semanas consumieron una primera dieta, seguida de un cambio brusco a una segunda durante 4 semanas más. El contenido de proteína, grasa, almidón y fibra total dietética (% en materia seca) de las dietas fue: 26,3/11,9/32,4/14,5 y 43,3/29,3/3,4/10,8 (estudio 1); 22,1/10,9/44,8/13,1 y 34,0/11,4/19,8/30,2 (estudio 2). En el estudio 1, las dietas diferían en proceso de fabricación (extrusionada vs. húmeda). Se recogieron muestras de heces al comienzo, alrededor del cambio y al final. El estudio 2 incluyó un muestreo adicional 2 semanas después del cambio. Las métricas incluyeron calidad fecal, digestibilidad, composición y actividad fermentativa de la microbiota, e inmunidad. En ambos estudios la intervención dietética generó cambios rápidos en la calidad fecal y la microbiota. En el estudio 1, el índice de disbiosis empeoró transitoriamente, algunas poblaciones bacterianas productoras de SCFA disminuyeron y otras proteolíticas aumentaron, reflejando el aumento de proteína y la disminución de carbohidratos. Se observaron reducciones en SCFA y en algunos metabolitos proteicos. En el estudio 2, los cambios de la microbiota fueron menores pero la actividad fermentativa rápidamente viró hacia un perfil más acetogénico y la mayoría de aminas biógenas disminuyeron, atribuible al incremento de fibra dietética, especialmente insoluble. En ambos estudios ciertos parámetros evolucionaron gradualmente, reflejando la adaptación de la microbiota. El estudio 3 se centró en el efecto de incluir una fuente antioxidante natural en una dieta húmeda sobre la preferencia, digestibilidad y el estrés oxidativo inducido por ejercicio. Participaron 12 perros. Comparaciones entre una dieta control (CON) y la misma dieta incluyendo alga Fucus en polvo (1,5%), clavo en polvo (0,45%) o arándanos enteros (3%) (BLU) mostraron una preferencia por esta última. La digestibilidad entre las dietas CON y BLU fue similar, excepto para la celulosa. Para evaluar el impacto de la dieta BLU en el estrés oxidativo, los perros consumieron la dieta CON durante 4 semanas antes de que 8 de ellos realizaran un primer ejercicio submáximo en cinta. Luego, 6 continuaron con CON y 6 cambiaron a BLU durante 4 semanas más antes de repetir el ejercicio. Se tomaron muestras de sangre antes, inmediatamente después y 24 horas después de los ejercicios para evaluar biomarcadores musculares (creatina quinasa), metabolismo proteico (urea), inflamación (proteína reactiva C) y estrés oxidativo (malondialdehído, estado antioxidante total y glutatión peroxidasa). El protocolo se repitió en verano e invierno con grupos invertidos. El ejercicio incrementó los niveles de creatina quinasa, urea y malondialdehído, y redujo la glutatión peroxidasa. Algunos efectos fueron más pronunciados en verano, sugiriendo la influencia de la temperatura ambiental. La dieta BLU no atenuó los efectos del ejercicio pero el grupo BLU mostró menores valores de creatina quinasa antes del ejercicio en verano, sugiriendo un posible efecto protector frente al estrés térmico. En conclusión, estos modelos caninos permiten evaluar estrategias nutricionales dirigidas a mejorar la salud canina desde diferentes ángulos. Además, los modelos de cambio dietario pueden contribuir al conocimiento de la resiliencia y adaptación de la microbiota frente a estresores y nuevos sustratos. Similarmente, los modelos de ejercicio ayudan a entender la fisiología del estrés oxidativo y la influencia de factores como estrategias dietéticas o entrenamiento.

This thesis investigates canine models for evaluating nutritional strategies targeting (1) gut health and (2) oxidative stress. Three studies were conducted. Studies 1 and 2 focused on gastrointestinal (GI) health and aimed to experimentally induce a GI disturbance through an abrupt dietary change. The goal was to explore the short- (immediate) and medium-term (weeks) effects. Once characterized, these models may serve to evaluate nutritional strategies that would modify the response, ideally enhancing microbiota resilience. In both studies, 24 adult Beagles were fed one diet for 4 weeks, then switched abruptly to the second diet for 4 weeks more. Contents of protein, fat, starch, and total dietary fiber (% on a dry matter basis) in the diets were 26.3/11.9/32.4/14.5 and 43.3/29.3/3.4/10.8 (study 1) and 22.1/10.9/44.8/13.1 and 34.0/11.4/19.8/30.2 (study 2). In study 1, the processing method also varied (extruded vs. canned). Fecal samples were collected at the start, around the switch, and at the end of the study. Study 2 included an additional sampling 2 weeks post-switch. Metrics used to evaluate the impact included GI health indicators (i.e., fecal quality, nutrient digestibility, fecal microbiota composition and fermentative activity) and immune biomarkers (i.e., fecal/plasma IgA, plasma C-reactive protein). In both studies, the dietary intervention resulted in rapid changes in fecal quality and microbiota composition and fermentative activity. In study 1, dysbiosis index transitorily worsened, some SCFA-producing bacteria declined, and other proteolytic populations increased, reflecting the greater protein and lower carbohydrate content of the canned diet. Consequently, decreases in SCFA were observed, but some protein metabolites also declined. In study 2, changes in microbiota were milder, but fermentation rapidly shifted toward a more acetogenic profile, and most biogenic amines decreased, likely driven by an increase in fiber, especially insoluble. In both studies, certain parameters showed gradual evolution, indicating microbiota adaptation over time. Study 3 focused on the impact of the addition of a natural antioxidant source to a wet diet on preference, digestibility, and exercise-induced oxidative stress in dogs. Twelve dogs participated. First, comparisons between a control diet (CON) and the same diet including powdered Fucus algae (1.5%), powdered clove (0.45%), or whole blueberries (3%) (BLU) showed a preference for the BLU diet. Digestibility was similar between CON and BLU diets, except for cellulose. To evaluate the impact of BLU on oxidative stress, dogs started consuming the CON diet for 4 weeks. Then, 8 of the dogs performed a first submaximal treadmill exercise. Next, dogs split into two groups where 6 continued with the CON diet and 6 changed to BLU for another 4 weeks. Afterwards, dogs performed a second identical exercise. Blood samples were collected before, immediately after, and 24 h post-exercises to evaluate biomarkers of muscle activity (creatine kinase), protein metabolism (urea), inflammation (C-reactive protein), and oxidative stress (malondialdehyde, total antioxidant status, and glutathione peroxidase). The protocol was repeated in both summer and winter, with diet groups reversed. Exercise elevated creatine kinase, urea, and malondialdehyde, and reduced glutathione peroxidase. Some effects were more pronounced in summer, suggesting an influence of ambient temperature. The BLU diet did not ameliorate the exercise-induced changes, although lower pre-exercise creatine kinase levels were observed in summer for the BLU group, suggesting a potential protective effect against heat stress. In conclusion, these canine models can serve as valuable tools to evaluate the efficacy of nutritional strategies aimed at improving canine health from different approaches. Beyond product testing, abrupt dietary change models including longitudinal sampling offer insight into both microbiota resilience when faced with stressors and adaptation processes to new substrates. Similarly, exercise models can advance understanding of oxidative stress physiology and its modulation through conditioning and dietary strategies.