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Authors
Abstract(s)
According to the World Health Organization's latest data, overweight and obesity prevalence is increasing mostly in urban settings. Diet, particularly the rise of the Western diet, characterized by high-sugar and high-saturated fat consumption, has been pointed out as one important contributor to this trend. Western diet has been shown to detrimentally affect brain function by inducing chronic low-grade inflammation. This neuroinflammation is in part mediated by microglia, so the first part of this study intended to determine how different bioactive fatty acids, namely omega-3 and conjugated fatty acids isomers (conjugated linoleic (CLA) and linolenic acid (CLNA) isomers) modulate microglia activity and if they can suppress the negative effect of obesogenic nutrients (palmitic acid and fructose), intended to mimic in this study the Western diet main ingredients. Importantly, short-time exposure to omega-3, CLA, and CLNA was demonstrated, for the first time, to be sufficient to abolish NF-κB pathway activation, reactive oxygen species production, and the activation of LynSrc in a human microglia cell line, suggesting a potential for neuroprotection. Interestingly, the NF-κB pathway activation was demonstrated for the first time for CLA and CLNA, to be mediated by the GPR120 receptor. Nevertheless, despite this promising potential one of the most straightforward routes of administration is through oral supplementation and the use of enriched oils has been used as a strategy to achieve therapeutical doses of the mentioned bioactive fatty acids. So, to explore the antiobesity potential of omega-3 and conjugated fatty acids, through oral supplementation, bioaccessibility and bioavailability are important parameters to consider. So, in the second stage of this work, the bioaccessibility of these fatty acids in different matrixes was determined using the INFOGEST static in vitro protocol of gastrointestinal tract simulation. After digestion the recovery index for most of the major bioactive fatty acids – punicic acid, the omega-3 EPA, DPA, and DHA fatty acids, and the CLA isomers, rumenic acid, and C18:2 t10c12 - was very low between 1.90-17.03%, demonstrating the negative effect of gastrointestinal digestion upon these fatty acids in this type of matrix. Besides, using a Caco-2/HT29-MTX co-culture it was demonstrated that a significative percentage of these fatty acids is incorporated in the intestinal cells (8.44-26.71%), which may affect their permeability performance and explain the null apparent permeability values obtained. Moreover, due to this observation, it was demonstrated that in fact, most of them remain in the non-bioaccessible/ colon-available fraction. Despite the drawbacks of this observation in terms of brain bioavailability, the potential of gut microbiota modulation was considered. Western diet has been considered one important player in the gut microbiota alterations in industrialized societies and a causal role between gut microbiota changes and obesity has been demonstrated. So, the third stage of this work intended to assess the effects of omega-3, CLA, and punicic acid on human gut microbiota modulation using in vitro fecal fermentations. Indeed, all the samples demonstrated a positive impact, demonstrated by positive relative difference indexes concerning the negative control (RD>0), in the growth of key bacteria that have been associated with a positive effect on obesity treatment namely Akkermansia spp., Bifidobacterium spp., and Roseburia spp. In addition, most samples (Fish oil, Omega-3, CLA, and CLNA capsules content) were able to increase butyrate concentration, a known anti-inflammatory short-chain fatty acid. Moreover, demonstrating the potential of gut-brain axis modulation and its importance in brain function restoration, the sources of omega-3 (Fish oil and Omega-3 capsules content) were able to increase the concentration of GABA and several amino acids that are known precursors of neurotransmitters. Importantly, this first gut microbiota study demonstrated the potential role of these fatty acids in gut microbiota modulation and a possible prediction of their preventive and therapeutical role in obesity. So, a second study intended to assess if the selected oils enriched in omega-3 (Fish oil) and punicic acid (Pomegranate oil) could restore the gut microbiota changes associated with the Western diet that are frequently linked to conditions like obesity and other metabolic diseases, such as type 2 diabetes mellitus. So, Fish oil (as the selected source of omega-3), Pomegranate oil (as a source of punicic acid), and a mixture of both oils (1:1 w/w) were subjected to in vitro fermentations using cecal samples from rats subjected either to a control standard chow diet or to a western diet (high-fat and high-sugar diet). Fish oil+Pomegranate oil was able to increase α-diversity, the relative abundance of the Firmicutes and Bacteroidetes phylum as well as Akkermansia and Blautia, which were affected by the western diet consumption. All samples were able to increase butyrate and acetate concentration in the western diet group. Once again, demonstrating the great potential of these samples to modulate the gut-brain axis, especially in a metabolic syndrome context, tyrosine, a precursor for dopamine and norepinephrine, and GABA concentrations increase in the Fish oil+Pomegranate oil sample from the western diet group. Finally, to tentatively uncover some of the molecular mechanisms behind these bioactive fatty acids' effects on gut permeability and adipogenesis, the role of CB1 in both these processes and GPR120 in adipogenesis was studied. Interestingly, it was demonstrated that CB1 may have a role in intestinal permeability and different bioactive polyunsaturated fatty acids may respond differently to this receptor. Moreover, there seems to be an important role of both GPR120 and CB1 (studied separately) in Fish and Pomegranate oil inhibitory adipogenesis effects in the studied cell model (3T3-L1 adipocytes). In this thesis, it was demonstrated, for the first time, the great potential of using bioactive fatty acids, namely omega-3 and punicic acid to promote a systemic effect in obesity prevention and therapy. Moreover, it was demonstrated a synergistic effect of these bioactive fatty acids, by using a mixture of Fish and Pomegranate oil, to restore the gut microbiota changes associated with western diet consumption. Despite these promising results, further studies using as a first approach animal models (such as rodent models) and afterward a clinical trial using human patients, are required to fully elucidate the bioavailability of such bioactive fatty acids in a dietary context and consequently, their possible beneficial role in brain inflammatory processes either directly or via gut-brain axis modulation.
De acordo com os últimos dados da Organização Mundial de Saúde, a prevalência do excesso de peso e da obesidade está a aumentar sobretudo nos meios urbanos. A dieta, em particular a dieta ocidental, caracterizada por um consumo elevado de açúcar e de gordura saturada, tem sido apontada como um importante fator que contribui para esta tendência. Foi demonstrado que a dieta ocidental afeta negativamente a função cerebral ao induzir uma inflamação crónica. Esta neuro inflamação é, em parte, mediada pela microglia. Assim, a primeira parte deste estudo pretende determinar de que forma diferentes ácidos gordos bioativos, nomeadamente ómega-3 e isómeros de ácidos gordos conjugados (isómeros de ácido linoleico conjugado (CLA) e ácido linolénico conjugado (CLNA)) modulam a atividade da microglia e podem suprimir o efeito negativo de nutrientes obesogénicos (ácido palmítico e frutose) destinados a representar neste estudo os principais ingredientes da dieta ocidental. É importante notar que, pela primeira vez, foi demonstrado que a exposição de curta duração a ómega-3, CLA e CLNA, na linha celular da microglia em estudo, é suficiente para abolir a ativação da via do NF-κB, a produção de espécies reativas de oxigénio e a ativação de LynSrc, sugerindo um potencial de neuroprotecção. Neste estudo, a ativação da via do NF-κB foi demonstrada para o CLA e o CLNA, tendo esta sido demonstrada pela primeira vez como sendo mediada pelo recetor GPR120. Considerando este potencial promissor, uma das vias de administração mais simples destes ácidos gordos é a suplementação oral. Assim, o uso de óleos enriquecidos tem sido utilizado como estratégia para obter doses terapêuticas dos referidos ácidos gordos bioativos. De forma a explorar o potencial anti-obesidade do ómega-3 e dos ácidos gordos conjugados, através da suplementação oral, a bioacessibilidade e a biodisponibilidade são parâmetros importantes a considerar. Deste modo, na segunda fase deste trabalho, foi determinada a bioacessibilidade destes ácidos gordos em diferentes matrizes, recorrendo para tal ao protocolo estático e in vitro INFOGEST, que visa simular o trato gastrointestinal. Após a digestão, o índice de recuperação para a maioria dos principais ácidos gordos bioativos é muito baixo, entre 1,90- 17,03%, demonstrando o efeito negativo da digestão gastrointestinal nestes ácidos gordos quando incorporados neste tipo de matriz. Além disso, utilizando uma co-cultura Caco-2/HT29- MTX, foi demonstrado que existe uma incorporação significativa destes ácidos gordos nas células intestinais (8,44-26,71%), o que pode afetar o seu desempenho em termos de permeabilidade. Além disso, devido a esta observação, foi demonstrado que, de facto, a maioria deles permanece na fração não bioacessível/disponível no cólon. Apesar dos inconvenientes desta observação visando o sistema nervoso central como o alvo terapêutico, foi considerado o potencial destes ácidos gordos na modulação da microbiota intestinal. A dieta ocidental tem sido considerada um fator importante nas alterações da microbiota intestinal nas sociedades industrializadas e nos últimos anos tem sido demonstrado um papel causal entre as alterações da microbiota intestinal e a obesidade. Assim, a terceira fase deste trabalho pretendeu avaliar os efeitos do ómega-3, do CLA e do ácido punícico na modulação da microbiota intestinal humana recorrendo para tal, a fermentações fecais in vitro. Todas as amostras demonstraram um impacto positivo no crescimento de bactérias-chave, demonstrado por um valor positivo de diferença relativa, calculada em relação ao controlo negativo. Estas bactérias, nomeadamente Akkermansia spp., Bifidobacterium spp. e Roseburia spp., têm sido associadas a um efeito positivo no tratamento da obesidade. Além disso, a maioria das amostras (Óleo de peixe e o conteúdo das cápsulas de ómega-3, CLA e CLNA) foi capaz de aumentar a concentração de butirato, um ácido gordo de cadeia curta com um potencial anti-inflamatório descrito. Além disso, demonstrando o potencial de modulação do eixo intestino-cérebro e a sua importância na recuperação da função cerebral, que se encontra comprometida na obesidade, as fontes de ómega-3 foram capazes de aumentar a concentração de GABA e de vários aminoácidos que são conhecidos precursores de neurotransmissores. É importante salientar que este primeiro estudo da microbiota intestinal demonstrou o papel potencial destes ácidos gordos na modulação da microbiota intestinal e uma possível previsão do seu papel preventivo e terapêutico na obesidade. Assim, um estudo subsequente pretendeu avaliar se os óleos enriquecidos em ómega-3 e ácido punícico, os ácidos gordos bioativos selecionados tendo em conta os resultados anteriores, poderiam restaurar as alterações da microbiota intestinal que são induzidas pelo consumo de uma dieta ocidental. Estas alterações estão frequentemente associadas à obesidade e a outras doenças metabólicas, como a diabetes mellitus tipo 2. Assim, o Óleo de peixe (como fonte selecionada de ómega-3), o Óleo de romã (como fonte de ácido punícico) e uma mistura de ambos os óleos (1:1 m/m) foram submetidos a fermentações in vitro utilizando amostras do ceco de ratos submetidos a uma dieta padrão de controlo e a uma dieta ocidental (dieta rica em gordura e açúcar). A combinação do Óleo de peixe e Óleo de romã foi capaz de aumentar a α-diversidade, a abundância relativa dos filos Firmicutes e Bacteroidetes, bem como de Akkermansia e Blautia, que tinham sido afetados pelo consumo da dieta ocidental. Todas as amostras foram capazes de aumentar a concentração de butirato e acetato no grupo da dieta ocidental. Mais uma vez, demonstrando o grande potencial destas amostras para modular o eixo intestino-cérebro, especialmente num contexto de síndrome metabólica, as concentrações de tirosina, um precursor da dopamina e da norepinefrina, e de GABA aumentaram na amostra de Óleo de peixe+Óleo de romã do grupo de dieta ocidental. Finalmente, de forma a elucidar alguns dos mecanismos moleculares envolvidos nos efeitos destes ácidos gordos na permeabilidade intestinal e na adipogénese, foi estudado o papel do CB1 em ambos os processos e do GPR120 no último. Curiosamente, foi demonstrado que o CB1 pode ter um papel importante na modulação da permeabilidade intestinal e ainda, que diferentes ácidos gordos polinsaturados podem responder de forma diferente a este receptor. Além disso, parece haver um papel importante tanto do GPR120 como do CB1 (estudados separadamente) nos efeitos inibitórios exibidos pelo Óleo de peixe e de Romã na adipogénese do modelo celular em estudo (adipócitos 3T3-L1). Nesta tese foi demonstrado, pela primeira vez, o grande potencial da utilização de ácidos gordos bioativos, nomeadamente ómega-3 e ácido punícico, para promover um efeito sistémico na prevenção e tratamento da obesidade. Além disso, foi demonstrado um efeito sinérgico destes ácidos gordos bioativos, utilizando uma mistura de óleo de peixe e de romã, para restaurar as alterações da microbiota intestinal associadas ao consumo da dieta ocidental. Apesar destes resultados promissores são necessários mais estudos utilizando como primeira abordagem modelos animais (tais como roedores) e posteriormente um ensaio clínico, para elucidar completamente a biodisponibilidade de tais ácidos gordos bioativos num contexto de uma dieta e, consequentemente, o seu possível papel benéfico nos processos inflamatórios cerebrais, seja diretamente ou indiretamente através da modulação do eixo intestino-cérebro.
De acordo com os últimos dados da Organização Mundial de Saúde, a prevalência do excesso de peso e da obesidade está a aumentar sobretudo nos meios urbanos. A dieta, em particular a dieta ocidental, caracterizada por um consumo elevado de açúcar e de gordura saturada, tem sido apontada como um importante fator que contribui para esta tendência. Foi demonstrado que a dieta ocidental afeta negativamente a função cerebral ao induzir uma inflamação crónica. Esta neuro inflamação é, em parte, mediada pela microglia. Assim, a primeira parte deste estudo pretende determinar de que forma diferentes ácidos gordos bioativos, nomeadamente ómega-3 e isómeros de ácidos gordos conjugados (isómeros de ácido linoleico conjugado (CLA) e ácido linolénico conjugado (CLNA)) modulam a atividade da microglia e podem suprimir o efeito negativo de nutrientes obesogénicos (ácido palmítico e frutose) destinados a representar neste estudo os principais ingredientes da dieta ocidental. É importante notar que, pela primeira vez, foi demonstrado que a exposição de curta duração a ómega-3, CLA e CLNA, na linha celular da microglia em estudo, é suficiente para abolir a ativação da via do NF-κB, a produção de espécies reativas de oxigénio e a ativação de LynSrc, sugerindo um potencial de neuroprotecção. Neste estudo, a ativação da via do NF-κB foi demonstrada para o CLA e o CLNA, tendo esta sido demonstrada pela primeira vez como sendo mediada pelo recetor GPR120. Considerando este potencial promissor, uma das vias de administração mais simples destes ácidos gordos é a suplementação oral. Assim, o uso de óleos enriquecidos tem sido utilizado como estratégia para obter doses terapêuticas dos referidos ácidos gordos bioativos. De forma a explorar o potencial anti-obesidade do ómega-3 e dos ácidos gordos conjugados, através da suplementação oral, a bioacessibilidade e a biodisponibilidade são parâmetros importantes a considerar. Deste modo, na segunda fase deste trabalho, foi determinada a bioacessibilidade destes ácidos gordos em diferentes matrizes, recorrendo para tal ao protocolo estático e in vitro INFOGEST, que visa simular o trato gastrointestinal. Após a digestão, o índice de recuperação para a maioria dos principais ácidos gordos bioativos é muito baixo, entre 1,90- 17,03%, demonstrando o efeito negativo da digestão gastrointestinal nestes ácidos gordos quando incorporados neste tipo de matriz. Além disso, utilizando uma co-cultura Caco-2/HT29- MTX, foi demonstrado que existe uma incorporação significativa destes ácidos gordos nas células intestinais (8,44-26,71%), o que pode afetar o seu desempenho em termos de permeabilidade. Além disso, devido a esta observação, foi demonstrado que, de facto, a maioria deles permanece na fração não bioacessível/disponível no cólon. Apesar dos inconvenientes desta observação visando o sistema nervoso central como o alvo terapêutico, foi considerado o potencial destes ácidos gordos na modulação da microbiota intestinal. A dieta ocidental tem sido considerada um fator importante nas alterações da microbiota intestinal nas sociedades industrializadas e nos últimos anos tem sido demonstrado um papel causal entre as alterações da microbiota intestinal e a obesidade. Assim, a terceira fase deste trabalho pretendeu avaliar os efeitos do ómega-3, do CLA e do ácido punícico na modulação da microbiota intestinal humana recorrendo para tal, a fermentações fecais in vitro. Todas as amostras demonstraram um impacto positivo no crescimento de bactérias-chave, demonstrado por um valor positivo de diferença relativa, calculada em relação ao controlo negativo. Estas bactérias, nomeadamente Akkermansia spp., Bifidobacterium spp. e Roseburia spp., têm sido associadas a um efeito positivo no tratamento da obesidade. Além disso, a maioria das amostras (Óleo de peixe e o conteúdo das cápsulas de ómega-3, CLA e CLNA) foi capaz de aumentar a concentração de butirato, um ácido gordo de cadeia curta com um potencial anti-inflamatório descrito. Além disso, demonstrando o potencial de modulação do eixo intestino-cérebro e a sua importância na recuperação da função cerebral, que se encontra comprometida na obesidade, as fontes de ómega-3 foram capazes de aumentar a concentração de GABA e de vários aminoácidos que são conhecidos precursores de neurotransmissores. É importante salientar que este primeiro estudo da microbiota intestinal demonstrou o papel potencial destes ácidos gordos na modulação da microbiota intestinal e uma possível previsão do seu papel preventivo e terapêutico na obesidade. Assim, um estudo subsequente pretendeu avaliar se os óleos enriquecidos em ómega-3 e ácido punícico, os ácidos gordos bioativos selecionados tendo em conta os resultados anteriores, poderiam restaurar as alterações da microbiota intestinal que são induzidas pelo consumo de uma dieta ocidental. Estas alterações estão frequentemente associadas à obesidade e a outras doenças metabólicas, como a diabetes mellitus tipo 2. Assim, o Óleo de peixe (como fonte selecionada de ómega-3), o Óleo de romã (como fonte de ácido punícico) e uma mistura de ambos os óleos (1:1 m/m) foram submetidos a fermentações in vitro utilizando amostras do ceco de ratos submetidos a uma dieta padrão de controlo e a uma dieta ocidental (dieta rica em gordura e açúcar). A combinação do Óleo de peixe e Óleo de romã foi capaz de aumentar a α-diversidade, a abundância relativa dos filos Firmicutes e Bacteroidetes, bem como de Akkermansia e Blautia, que tinham sido afetados pelo consumo da dieta ocidental. Todas as amostras foram capazes de aumentar a concentração de butirato e acetato no grupo da dieta ocidental. Mais uma vez, demonstrando o grande potencial destas amostras para modular o eixo intestino-cérebro, especialmente num contexto de síndrome metabólica, as concentrações de tirosina, um precursor da dopamina e da norepinefrina, e de GABA aumentaram na amostra de Óleo de peixe+Óleo de romã do grupo de dieta ocidental. Finalmente, de forma a elucidar alguns dos mecanismos moleculares envolvidos nos efeitos destes ácidos gordos na permeabilidade intestinal e na adipogénese, foi estudado o papel do CB1 em ambos os processos e do GPR120 no último. Curiosamente, foi demonstrado que o CB1 pode ter um papel importante na modulação da permeabilidade intestinal e ainda, que diferentes ácidos gordos polinsaturados podem responder de forma diferente a este receptor. Além disso, parece haver um papel importante tanto do GPR120 como do CB1 (estudados separadamente) nos efeitos inibitórios exibidos pelo Óleo de peixe e de Romã na adipogénese do modelo celular em estudo (adipócitos 3T3-L1). Nesta tese foi demonstrado, pela primeira vez, o grande potencial da utilização de ácidos gordos bioativos, nomeadamente ómega-3 e ácido punícico, para promover um efeito sistémico na prevenção e tratamento da obesidade. Além disso, foi demonstrado um efeito sinérgico destes ácidos gordos bioativos, utilizando uma mistura de óleo de peixe e de romã, para restaurar as alterações da microbiota intestinal associadas ao consumo da dieta ocidental. Apesar destes resultados promissores são necessários mais estudos utilizando como primeira abordagem modelos animais (tais como roedores) e posteriormente um ensaio clínico, para elucidar completamente a biodisponibilidade de tais ácidos gordos bioativos num contexto de uma dieta e, consequentemente, o seu possível papel benéfico nos processos inflamatórios cerebrais, seja diretamente ou indiretamente através da modulação do eixo intestino-cérebro.
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