Elagitaninos de la dieta como herramienta para estudiar la variabilidad interindividual en el metabolismo de polifenoles

Abstract

Los (poli)fenoles son compuestos presentes en los alimentos de origen vegetal (frutas, hortalizas, etc.) que ejercen efectos sobre la salud humana. Aunque su consumo se ha relacionado con la prevención y mejora de enfermedades (obesidad, enfermedades cardiovasculares (ECVs), cáncer, etc.), esto no ocurre en todos los individuos debido a la alta variabilidad interindividual determinada por la edad, sexo, estilo de vida, estado fisiológico, genética, microbiota intestinal, etc. Esta variabilidad se ha descrito en el metabolismo de los elagitaninos (ETs), polifenoles abundantes en frutas, bayas y frutos secos (granada, fresas, nueces, etc.), que son metabolizados por la microbiota intestinal hasta unos metabolitos bioactivos llamados urolitinas. Según el tipo de urolitina final producida, la población puede estratificarse en tres fenotipos metabólicos (metabotipos): metabotipo A (UM-A), solo produce urolitina A, metabotipo B (UM-B) que produce urolitina B y/o isourolitina A además de urolitina A, y metabotipo 0 (UM-0), que no produce estas urolitinas finales. En esta Tesis, se investigó la contribución de la microbiota intestinal, genotipo, estilo de vida y estado de salud a la variabilidad interindividual en el metabolismo de (poli)fenoles utilizando los ETs como herramienta. Esta asociación multifactorial se consideró según el desarrollo del individuo (infancia, adolescencia y edad adulta), sexo, y estado fisiológico (normopeso, sobrepeso, obesidad, madres durante el puerperio-lactancia y pacientes con síndrome metabólico (SMet)). Además, se investigó la presencia de posibles metabotipos de la microbiota intestinal asociados al metabolismo de otros (poli)fenoles, las proantocianidinas (PAs). Se llevaron a cabo 3 estudios de intervención (voluntarios sanos) y 1 ensayo clínico (pacientes), donde consumieron extracto y zumo de granada, y frutos secos (nueces, almendras y avellanas) como fuentes de ETs y PAs; y se analizaron muestras de orina, heces, leche materna y/o sangre mediante metabolómica (HPLC-DAD-ESI-Q-MS, UPLC-ESI-QTOF-MS y GC-MS), metagenómica del microbioma intestinal (secuenciación del gen ARNr 16S), qPCR, determinación de marcadores metabólico-inflamatorios y de endotoxemia metabólica mediante tecnología Luminex® y ELISA, y genotipado de polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs), entre otras técnicas. Los principales resultados obtenidos han sido: (i) no se pueden establecer metabotipos de la microbiota intestinal asociados con el metabolismo de las PAs, (ii) la edad es el principal factor que determina la distribución de los UMs en la población, (iii) la prevalencia de sobrepeso-obesidad en la infancia-adolescencia aumenta al ser un niño varón UM-B o UM-0, de 9 a 12 años, con baja adherencia a la dieta mediterránea, y poseer determinados SNPs, (iv) la composición y funcionalidad de la microbiota intestinal difiere entre los UMs, identificando al UM-B como posible biomarcador temprano de una microbiota intestinal disbiótica, (v) las madres UM-A poseen una microbiota intestinal más modulable y recuperan su silueta un año después del parto más fácilmente que las madres UM-B, (vi) se desarrolló y validó un método analítico para la detección de urolitinas en leche materna, (vii) la colonización intestinal por la bacteria productora de urolitinas, Gordonibacter, ocurre durante el primer año de vida, independientemente del tipo de parto y alimentación del bebé, (viii) no existe un único perfil taxonómico distintivo de la microbiota intestinal en los pacientes con SMet, (ix) la polimedicación y/o el factor de riesgo de ECV de los pacientes con SMet condiciona el efecto prebiótico del consumo de granada. Esta Tesis ha profundizado en la caracterización de metabotipos asociados al metabolismo de (poli)fenoles por la microbiota intestinal humana. Los metabotipos son potenciales biomarcadores de la microbiota intestinal y predictivos de la respuesta humana a intervenciones nutricionales. La identificación de metabotipos podría disminuir la variabilidad interindividual en el contexto de una nutrición personalizada con el fin de universalizar el efecto en la salud de alimentos funcionales o nutracéuticos ricos en (poli)fenoles.

(Poly)phenols are compounds distributed in plant foods (fruits, vegetables, etc.), potentially affecting human health. Although (poly)phenols consumption is related to the prevention or improvement of different diseases (obesity, cardiovascular diseases (CVDs), cancer, etc.), the health benefits are not observed equally in all the individuals due to the high interindividual variability determined by several factors, including the age, sex, lifestyle, physiological status, genetic makeup, gut microbiota, etc. Interindividual variability has been described in the metabolism of ellagitannins (ETs), polyphenols abundant in fruits, berries, and nuts (pomegranate, strawberries, walnuts, etc.), which are metabolized by the gut microbiota to the bioactive metabolites called urolithins. Differences in urolithin production allow stratifying the population into three metabolic phenotypes (metabotypes), according to the final type of urolithin produced: metabotype A (UM-A), characterized by the production of urolithin A, metabotype B (UM-B) that produces urolithin B and(or) isourolithin A in addition to urolithin-A, and metabotype 0 (UM-0), which does not produce these final urolithins. In this Thesis, we investigated the contribution of various factors (gut microbiota, genetic makeup, lifestyle, and health status) to the interindividual variability in (poly)phenol metabolism using dietary ETs as a tool. This multifactorial association was considered according to the individuals’ development (childhood, adolescence, and adulthood), sex, and physiological status (normoweight, overweight, obesity, mothers during postpartum-lactation and metabolic syndrome (MetS) patients). Besides, the potential existence of gut microbiota metabotypes associated with the metabolism of other (poly)phenols, the proanthocyanidins (PAs), was also investigated. Three intervention studies (healthy volunteers) and 1 clinical trial (patients) were conducted, in which they consumed pomegranate juice and extract, and nuts (walnuts, almonds, and hazelnuts) as sources of ETs and PAs. Urine, feces, breast milk and(or) blood samples were analyzed by metabolomics (HPLC-DAD-ESI-Q-MS, UPLC-ESI-QTOF-MS and GC-MS), metagenomic analysis of the gut microbiome (16S rRNA gene sequencing), qPCR, determination of metabolic-inflammatory and metabolic endotoxemia markers using Luminex® technology and ELISA, and single-nucleotide polymorphisms (SNPs) genotyping, among other techniques. The main results obtained were: (i) there is no distinctive gut microbiota metabotypes associated with the metabolism of PAs, (ii) aging is the main factor that determines the distribution of UMs, (iii) the increase of overweight-obesity prevalence in childhood is related to being a young boy with either UM-B or UM-0, low adherence to the Mediterranean diet, and having certain SNPs, (iv) the composition and functionality of the gut microbiota differ between UMs, (v) UM-A mothers possess a more modifiable gut microbiota and faster restoration capacity of anthropometric values after one year of delivery than UM-B mothers, (vi) an analytical method for detecting urolithins in breast milk was developed and validated, (vii) gut colonization by the urolithin-producing bacterium, Gordonibacter, occurs during the first year of life, regardless of the type of delivery and feeding of the baby, (viii) there is no single distinctive taxonomic profile of the gut microbiota in SMet patients, (ix) polymedication and(or) CVD risk factors of SMet patients determine the prebiotic effects upon consumption of a pomegranate extract. This Thesis has delved into the study of metabotypes associated with the metabolism of polyphenols by the human gut microbiota. Metabotypes are potential biomarkers of the gut microbiota and predictive of human response to nutritional interventions. The identification of metabotypes could reduce interindividual variability in the context of personalized nutrition to universalize the health effects of (poly)phenol-rich functional foods or nutraceuticals.