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Monitoreo de trayectorias metabólicas con metabolómica nutricional

Descifrando las respuestas metabólicas inducidas por alimentosEn la actualidad la metabolómica (o metabonómica) es considerada un acercamiento a sistemas bien establecido para caracterizar el fenotipo metabólico de un individuo, el cual resulta de una respuesta fisiológica coordinada a varios parámetros intrínsecos y extrínsecos incluyendo ambiente, medicamentos, dieta, estilo de vida, genética y microbioma. Los análisis metabonómicos se refieren al perfilado metabólico global de compuestos de bajo peso molecular (< 1,500 Da) en biofluidos (plasma, suero y orina) y extractos o biopsias de tejido. Dichas huellas bioquímicas complejas de cientos, o aún miles de metabolitos reflejan el estado metabólico general de un individuo, su metaboloma, como resultado de cambios metabólicos altamente complejos dentro y/o entre diversos compartimientos biológicos.

Dado que los metabolitos son los productos finales de múltiples interacciones entre procesos biológicos, las aplicaciones de la metabolómica a las ciencias de la nutrición proporcionan una oportunidad exploratoria única para representar los mecanismos moleculares involucrados en las respuestas individuales a las modulaciones dietarias. Con el fin general del mantenimiento de la salud, estos retos científicos están dirigidos al entendimiento de los desórdenes metabólicos y la eficacia de los ingredientes activos.

 

Técnicas metabolómicas de perfilado analítico

El campo de la metabolómica emplea 2 principales técnicas analíticas basadas en la espectroscopia por resonancia magnética nuclear de protón –1H- (NMR, por sus siglas en inglés), cromatografía de gases o cromatografía líquida unida a espectrometría de masas (GC/MS y LC/MS, respectivamente, por sus siglas en inglés) y finalmente, la adición de sistemas de cromatografía líquida de ultra alto rendimiento unida a espectrometría de masas (UPLC/MS, por sus siglas en inglés).

La espectroscopia por NMR de alta resolución requiere poca preparación de la muestra, ofrece alta eficacia en el rendimiento de la muestras (10-15 minutos por muestra con una sonda convencional de detección) y alta reproducibilidad.  Adicionalmente, la espectroscopia NMR ofrece, además de elucidar las estructuras moleculares, el prospecto para holística y simultáneamente perfilar metabolitos sin selección a priori. El perfil espectral obtenido refleja las impresiones metabólicas de un individuo, los cuales se ajustan en respuesta a una serie de estímulos patofisiológicos para mantener el equilibrio homeostático. Interesantemente, esta técnica no es solamente utilizada para el perfilado de fluidos biológicos (NMR en estado líquido) sino que es también empleada comúnmente para el estudio de perfilado metabólico de biopsias de tejido intacto, utilizando NMR de alta resolución con giro al ángulo mágico (HR-MAS, por sus siglas en inglés); por lo tanto, HR-MAS presenta la característica única de asegurar la integridad y la compartimentalización de las muestras biológicas.

Sin embargo, la espectroscopia NMR es inherentemente menos sensitiva cuando se compara con la MS. Los métodos MS son comúnmente utilizados para el perfilado global y dirigido, y requiere una preparación bien adaptada de la muestra, con separación de los metabolitos componentes utilizando cromatografía de gases (GC, por sus siglas en inglés) o cromatografía líquida (LC, por sus siglas en inglés), con una tendencia hacia el uso de la más avanzada cromatografía líquida de ultra alto rendimiento (ULPC, por sus siglas en inglés). Cuando está ligada a los métodos cromatográficos, MS puede generar perfiles metabólicos completos de miles de señales dentro de un tiempo de corrida de 15-30 minutos, alargando así la ventana de metabolitos para la identificación de biomarcadores.

Se emplean técnicas estadísticas multivariadas y de bioinformática para el minado de datos de complejos perfiles metabólicos que encapsulan información en genética, factores ambientales, actividad de la microbiota intestinal, estilo de vida y hábitos de alimentación. Al final, esto apoya el complicado proceso de identificar biomarcadores emergentes, indicadores de la respuesta individual a factores fisiológicos específicos y/o intervenciones nutriológicas y para la elaboración de resultados biológicos.

 

Descifrando las respuestas metabólicas inducidas por alimentos

La metabolómica ha mostrado numerosas aplicaciones en el estudio del diagnóstico de enfermedades y en la investigación de cambios fisiológicos por agresiones tóxicas. En años recientes, la metabolómica también ha sido aplicada en el área de la investigación en alimentos, de donde ha surgido el término “nutrimetabolómica” o metabolómica nutricional, que describe el enlace mutuo entre los campos de la investigación metabolómica y nutriológica.

Para explorar la forma en que los cambios en las condiciones ambientales (estilo de vida incluido) influyen en la fisiología humana, se ha conducido un estudio metabolómico a gran escala para investigar las variaciones en el fenotipo metabólico a través y dentro de 4 grupos poblacionales, en más de 4,600 sujetos humanos originarios de China, Japón, Reino Unido y Estados Unidos de América, revelando que los fenotipos metabólicos urinarios eran significativamente diferentes para las muestras de poblaciones del este de Asia y las poblaciones occidentales, con dietas, factores de riesgo importantes relacionados a la dieta y tasas de enfermedad coronaria o infarto contrastantes; adicionalmente, entre otros hallazgos, se encontró que la excreción urinaria de formato está inversamente relacionada con la presión arterial, así como que la dieta y la actividad microbiana intestinal están asociadas también con la presión arterial de los individuos.

La meta principal de los estudios nutrimetabolómicos es por tanto estudiar los efectos de ingredientes y alimentos seleccionados en individuos saludables; las impresiones metabólicas dietarias específicas tanto en el metabolismo basal humano como en la actividad metabólica de la microbiota intestinal han mostrado estar estrechamente relacionadas, a través de perfilado metabólico de orina, con las preferencias dietarias individuales. Adicionalmente, la nutrimetabolómica ha sido también usada para estudiar los beneficios a la salud de la restricción energética en la dieta en primates no humanos, en donde el perfilado por NMR en plasma mostró evidencia de una menor alteración asociada a la edad del metabolismo energético y de lipoproteínas, revelando así parte de los efectos reguladores a largo plazo de la restricción energética en mecanismos clave del metabolismo.

Otros trabajos han demostrado el potencial del perfilado metabólico para examinar el resultado de intervenciones nutricionales para modular y prevenir la desregulación metabólica. Recientemente, la metabolómica ha sido aplicada en combinación con mediciones de biomarcadores inflamatorios en plasma e histopatología de tejidos intestinales para elucidar las bases mecanísticas y eventos bioquímicos detrás de la enfermedad inflamatoria del intestino. Siguiendo el desarrollo gradual de colitis en un modelo  en ratón noqueado para interleucina 10 (IL-10), con inflamación crónica espontánea, el perfilado metabólico holístico de plasma reveló una interrupción gradual de la homeostasis energética, profundo deterioro en el metabolismo de lipoproteínas, fosfolípidos y ácidos grasos poliinsaturados, y un perfil de proteína glucosilada alterado. Adicionalmente, los ratones noqueados IL-10 exhibieron niveles más altos de lactato, piruvato y citrato, y una concentración elevada de aminoácidos libres. En conjunto, estos cambios metabólicos indican un aumento en la oxidación de ácidos grasos y glucólisis, con los niveles elevados de aminoácidos circulantes reflejando atrofia muscular, incremento en la degradación de proteínas y producción de energía por interconversión de aminoácidos.

Mucha atención también se ha dado al uso de suplementos probióticos como medio para promover la salud intestinal, prevenir alergias e incidencias inflamatorias. Los efectos de una intervención terapéutica con probióticos para normalizar los desórdenes metabólicos adquiridos luego de un síndrome de intestino irritable infeccioso, fueron monitoreados utilizando perfilado metabólico sistémico y de tejidos específicos. Estas investigaciones han resaltado discrepancias metabólicas en relación con hipercontractilidad e hipertrofia muscular y alteración microbiana intestinal, las cuales fueron reguladas por la intervención probiótica.

Aunque muchas aplicaciones deben todavía definirse, con programas de nutrición personalizada como uno de los objetivos, la nutrimetabolómica es todavía una ciencia extremadamente compleja. Los cambios metabólicos inducidos por alimentos no son solamente los resultados de muchas interacciones entre muchas moléculas activas, sino también varían extremadamente entre individuos, en donde diferencias en factores endógenos como edad, ambiente, genética, estilo de vida y microbiota influyen en las respuestas individuales. Por esta razón, para maximizar el control sobre estar variables y para excluir interpretaciones ficticias, cuando se analizan los efectos de programas específicos de intervención nutricional, es imperativo utilizar diseños experimentales apropiados; esto está limitado la mayoría del tiempo a rigurosos criterios de inclusión/exclusión y a la recolección precisa de hábitos dietarios individuales.

 

Descifrando la contribución de la microbiota intestinal a los procesos homeostáticos del anfitrión

La contribución de la microbiota intestinal al metabolismo mamífero ha sido investigada a profundidad. Los humanos adultos portan en el intestino miles de millones de organismos microbianos simbióticos que están en estrecha relación con el metabolismo y el sistema inmune de los anfitriones. Es evidente que no solamente hay una fuerte relación entre humanos y sus bacterias intestinales, sino que la microbiota intestinal ejerce un control sobre múltiples rutas metabólicas de la célula anfitrión. Hallazgos recientes resaltan que la microbiota intestinal es una determinante clave en la etiología de muchas enfermedades, incluyendo resistencia a la insulina, obesidad, alergias a alimentos, gastritis y úlceras pépticas, enfermedades cardiovasculares, enfermedad de Crohn, síndrome de intestino irritable y cánceres gastrointestinales.

Resulta innegable que la microbiota intestinal puede ser considerada como una unidad funcional extragenómica que imparte control mecanístico, determinando los metabotipos, sobre la salud nutricional del anfitrión. Hay actualmente un fuerte interés en descifrar estas interacciones a fin de aplicar exitosamente soluciones personalizadas de salud.

Las relaciones simbióticas entre animales y su microbiota intestinal han sido ampliamente estudiadas, describiéndose modelos de los efectos de diferentes microbiomas intestinales en los perfiles metabólicos murinos. Se ha reportado que la inoculación de ratones libres de gérmenes con un modelo simplificado de microbiota infantil humana, modifica la fisiología del anfitrión murino hacia condiciones pre-patológicas. Las investigaciones metabolómicas proporcionaron evidencia de una relación funcional entre la modulación de la poza de ácido biliar, el metabolismo de lípidos deteriorado y la composición microbiana intestinal. En particular, las bacterias derivadas de humanos estaban no adaptadas al organismo murino y fueron incapaces de hidrolizar ácidos biliares tauro-conjugados. Estas alteraciones metabólicas resultaron en una menor capacidad de emulsificación de lípidos dietarios y una mayor absorción intestinal de lípidos, lo que a su vez alteró la recirculación y distribución apropiadas de grasa dentro del organismo.

La amplitud y profundidad de las regulaciones por el microbioma intestinal de la bioquímica del anfitrión en este modelo en ratón fueron exploradas adicionalmente, por modulación de la ecología funcional del intestino con probióticos, prebióticos y sinbióticos. Los microorganismos intestinales realizan múltiples funciones digestivas y metabólicas para el anfitrión y estos estudios revelaron que importantes procesos metabólicos mamíferos están bajo control homeostático simbiótico. Por ejemplo, los efectos de consumir suplementos microbianos vivos (probióticos) en la ecología microbiana así como en el estado nutriológico y de salud del anfitrión han sido estudiados; estos efectos fueron bien identificados por medición de efectos metabólicos transgenómicos de la exposición a los probióticos Lactobacillus paracasei y Lactobacillus rhamnosus en ratones inoculados con un modelo simplificado de microbiota intestinal humana. Los cambios en el procesamiento de carbohidratos y proteínas dietarios por los microorganismos intestinales, con subsecuente influencia en el metabolismo de lípidos y energía en el anfitrión, fueron revelados por el análisis de fluidos sistémicos, hígado, excrementos y contenidos intestinales.

Como alternativa, el uso combinado de prebióticos y probióticos puede ofrecer efectos superiores en el mantenimiento de la  salud a través de regulación de la ecología funcional microbiana. La metabolómica fue capaz de capturar cambios metabólicos en compartimientos biológicos seleccionados, biofluidos e hígado, los cuales estuvieron correlacionados con la modulación en las poblaciones microbianas. A su vez, estos efectos microbianos estuvieron asociados con cambios en varias rutas metabólicas del anfitrión, incluyendo gluconeogénesis y metabolismo de aminoácidos, metilamina y lípidos.

Adicionalmente, en un reporte posterior, los mismos autores analizaron los efectos e prebióticos y probióticos individuales y sus efectos simbióticos en el estado metabólico de ratones libres de gérmenes durante el establecimiento de un modelo simplificado de microbiota humana. Para valorar apropiadamente las modulaciones dietarias de la microbiota intestinal a nivel de sistema, se aplicó un acercamiento de modelado multicompartimiento con impresiones metabólicas de 10 muestras de tejido/fluido. Interesantemente, se reveló que los cambios microbianos inducidos influyeron en el metabolismo anfitrión de lípidos, carbohidratos y aminoácidos en cada compartimiento biológico mamífero importante analizado. Específicamente, se encontró que los galactosil-oligosacáridos reducen fuertemente la lipogénesis, la incorporación de triacilglicerol a las lipoproteínas y la concentración de triglicéridos en el hígado y el riñón. La modulación prebiótica de la microbiota intestinal también alteró las rutas metabólicas de transmetilación en el hígado y el páncreas, con efectos inferidos en el control de metabolismo de glucosa y en la sensibilidad a la insulina. Adicionalmente, además del efecto metabólico de los probióticos en la reducción de los niveles hepáticos de glucógeno y glutamina, estos estudios brindaron evidencia de niveles disminuidos de ascorbato adrenal, con implicaciones plausibles en la homeostasis energética, antioxidación y esteroidogénesis.

Mientras que el descifrar las interacciones entre la microbiota intestinal y el anfitrión permanece como un proceso muy complicado, los avances en la investigación en los años recientes han positivamente identificado procesos metabólicos clave, revelando al menos en parte cómo la microbiota intestinal ejerce control sobre la bioquímica del anfitrión. Conocer a profundidad la dinámica de estas interacciones será imperativo para el desarrollo de programas de manejo nutricional y para la mejora de la salud individual y poblacional.

La investigación nutriológica moderna se enfoca en la promoción de la salud y la prevención de la enfermedad mediante ajustes en la dieta. Se han desarrollado ya algunas soluciones nutriológicas para el manejo de varias condiciones crónicas como obesidad y diabetes mellitus tipo 2. Se espera, por lo tanto, que los estudios actuales y futuros apunten a la optimización de productos alimenticios específicamente modificados para ajustarse a las necesidades específicas del consumidor de promover salud y bienestar.

La metabolómica, en conjunto con las otras ciencias ómicas,  proporcionará los instrumentos requeridos para monitorear el estado metabólico de los consumidores y mantener el balance homeostático. Ajustar la dieta de acuerdo al estado de salud será uno de los beneficios proyectados.

El cambio para adaptar los programas de nutrición personalizada descansará no solamente en las herramientas de diagnóstico, las demandas del consumidor o en la tecnología de medición, sino principalmente en sólidas bases científicas. Dichos procesos ya se han iniciado.

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