Carga obesogénica total efectiva: nuevo biomarcador de efecto combinado a obesógenos como factor de riesgo en obesidad
- Autores: Iris Reina Pérez
- Directores de la Tesis: Mariana F. Fernández Cabrera (codir. tes.), Vicente Mustieles Miralles (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2023
- Idioma: español
- ISBN: 9788411177825
- Número de páginas: 318
- Tribunal Calificador de la Tesis: Paloma Alonso Magdalena (presid.), Inmaculada Concepción Aguilera García (secret.), German Cano Sancho (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Medicina Clínica y Salud Pública
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
- español
Cada vez es mayor la prevalencia de sobrepeso y obesidad, además de otras enfermedades metabólicas como el síndrome metabólico (MetS), en el mundo. Este incremento continuo no puede ser debido a única causa, sino que todo apunta a que serían múltiples los factores de riesgo implicados.
La hipótesis de los obesógenos ambientales sugiere que la exposición humana a compuestos químicos-disruptores endocrinos (EDCs)- "obesogénicos" puede interferir inadecuadamente en la homeostasis lipídica y el metabolismo y promover la adipogénesis, modificando las vías de señalización hormonal y neuronal, predisponiendo así a las personas expuestas a un aumento de la masa grasa y sobrepeso. Los obesógenos se definen como sustancias químicas capaces de aumentar la cantidad de adipocitos (hiperplasia), promover el almacenamiento de grasa en las células (hipertrofia), afectar a la diferenciación o función de los preadipocitos e iniciar y/o desregular el metabolismo basal y el aumento de peso. Los obesógenos también pueden actuar indirectamente alterando el equilibrio energético alterando las señales de apetito y saciedad, así como los mecanismos centrales que mantienen la respuesta del organismo a los cambios nutricionales diarios. Los EDCs que no solo aumentan la masa de tejido adiposo, sino que también provocan otras disfunciones metabólicas, son conocidos como sustancias químicas disruptoras del metabolismo.
La lista de sustancias químicas con potencial obesogénico no ha dejado de crecer en los últimos años, y los seres humanos están expuestos a esta multitud de compuestos desde diversas fuentes. Los desarrollos actuales en epidemiología ambiental y evaluación de riesgos toxicológicos son inadecuados e insatisfactorios para evaluar la exposición a múltiples EDCs obesogénicos, y para conocer su impacto en el desarrollo y la salud humana. Aunque ha habido algunos intentos de considerar el efecto combinado de varias sustancias químicas pertenecientes a la misma familia química, los métodos disponibles hasta ahora para cuantificar el efecto combinado de la exposición a múltiples residuos siguen siendo escasos, no están totalmente validados ni son concluyentes. Teniendo en cuenta todo lo anterior, la hipótesis de partida de esta Tesis Doctoral Internacional fue que la exposición a mezclas de EDCs constituye un factor de riesgo para la obesidad, y que el desarrollo de metodologías basadas en la medición del efecto combinado de múltiples EDCs obesogénicos almacenados en el tejido adiposo humano, mediante ensayos in vitro, serviría como biomarcador del efecto combinado en enfermedades metabólicas.
Así pues, el objetivo principal de esta Tesis Doctoral Internacional es investigar la exposición humana a varios EDCs, con actividad obesogénica, analizando tanto la presencia de estos contaminantes en en el tejido adiposo humano, como el efecto individual y combinado de estos contaminantes, mediante el desarrollo de biomarcadores in vitro, que pudieran ser utilizados como marcadores de riesgo de obesidad y otras enfermedades metabólicas.
Los objetivos específicos definidos para este fin fueron los siguientes 1. Desarrollar y validar un modelo in vitro de células madre mesenquimales humanas para evaluar el efecto de EDC obesogénicos. Esta herramienta podría servir para comparar la potencia de diferentes obesógenos, así como para identificar nuevos compuestos con actividad obesogénica. 2. Profundizar en el conocimiento de los mecanismos y vías de señalización a través de los cuales los obesógenos-EDCs contribuyen a un fenotipo obesogénico (analizando la expresión génica y proteica de marcadores adipogénicos específicos (PPARγ, C/EBPα, LPL y FABP4).
3. Estudiar mezclas ad hoc de sustancias químicas ambientales sobre el proceso de adipogénesis, investigando la posibilidad de efectos sinérgicos, aditivos o incluso antagónicos de los componentes individuales.
4. Evaluar la exposición a obesógenos en muestras de tejido adiposo de pacientes adultos hospitalizados en el sur de España, con peso normal y obesidad e investigar la relación entre las concentraciones acumuladas en tejido adiposo y el riesgo de diagnóstico clínico de MetS.
5. Evaluar el biomarcador de carga total desarrollado ("O-Screen") en muestras de tejido adiposo de pacientes adultos con peso normal y obesidad e investigar su posible asociación con la obesidad y otros trastornos metabólicos.
Para dar respuesta a los tres primeros objetivos se utilizaron células hASCs (células madre derivadas del tejido adiposo humano) in vitro que se expusieron a diferentes concentraciones de bisfenol-F (BPF) y bisfenol-S (BPS) y bisfenol-A (BPA) (0,01-25 µM), de manera individual y combinada (mezcla equimolar de los tres bisfenoles), durante 7 y 14 días de diferenciación adipocitaria. Se investigó el efecto de la exposición sobre la acumulación lipídica y la adipogénesis (tinción Oil Red O, ORO), además de la expresión génica (mRNA) y proteica (western blot, WB) de los marcadores lipogénicos PPARγ, C/EBPα, LPL y FABP4.
En el estudio epidemiológico se investigó la exposición real de la población a EDCs persistentes empleando para ello la matriz biológica por la que tienen más apetencia, el tejido adiposo; de forma particular se seleccionó el tejido adiposo visceral, por ser éste el tejido asociado con un mayor riesgo de enfermedades metabólicas. Se evaluó también las posibles asociaciones entre los contaminantes y el diagnóstico clínico de MetS, utilizando tanto la información de biomarcadores de exposición como de los biomarcadores de efecto clínicos disponibles para la población de estudio.
Los principales resultados de esta tesis doctoral son los siguientes: Artículo #1 (Reina-Pérez et al., 2021): La exposición de células hASCs a BPF y BPS promueve la adipogénesis como se comprueba al alterar la programación del desarrollo de los adipocitos y aumentar la acumulación de lípidos intracelulares. De forma particular, la exposición celular con BPF, a concentraciones de 10 o 25M durante 7 o 14 días, potencia la diferenciación de las células madre en adipocitos de manera dosis-dependiente, lo que se confirma al comprobar un incremento de la expresión de los genes adipogénicos seleccionados (PPARγ, C/EBPα, LPL y FABP4), así como de sus proteínas correspondientes. Se muestra por primera vez el potencial obesogénico de BPF sobre la diferenciación de adipocitos humanos, corroborando datos previos obtenidos en preadipocitos murinos.
Artículo #2 (Reina-Pérez et al., 2022): La mezcla ternaria equimolar de los tres bisfenoles (BPF, BPS y BPA), interfiere en la programación de las células hASCs, aumentando su capacidad para diferenciarse en adipocitos. No obstante, el efecto obesogénico de la mezcla difirió del de los compuestos individuales, mostrando niveles de expresión génica mayores que los obtenidos para los componentes individuales de la misma. La exposición de las células resultó en un efecto dosis-dependiente en la acumulación lipídica, mientras que la expresión de los genes mostró una respuesta no monotónica, adoptando forma de U. Este trabajo es uno de pocos estudios in vitro que han investigado la actividad obesogénica combinada de mezclas de EDCs-obesógenos sobre la diferenciación adipogénica, la acumulación de lípidos, la expresión génica y la síntesis proteica, en un intento de emular situaciones de exposición real en población humana.
Artículo #3 (Reina-Pérez et al., 2023): La población adulta española sigue expuesta a contaminantes ambientales persistentes (POPs), con niveles de plaguicidas organoclorados (OCPs) y bifenilos policlorados (PCBs) significativamente mayores en el grupo de pacientes estudiados con MetS (MetS+) respecto a los individuos sin este síndrome (MetS-). Se encontraron asociaciones positivas entre ciertos POPs y el diagnóstico clínico de MetS o de algunos de sus componentes. Concretamente, niveles más altos de HCB y γ-HCH se relacionan con niveles más altos de glucosa en ayunas, con una presión arterial más elevada y con un mayor riesgo de MetS, tanto en los modelos de regresión lineal como en los modelos logísticos ajustados por edad y sexo. La exposición de la mezcla de los 7 POPs encontrada en el tejido adiposo se asocia también de manera positiva y significativa con el riesgo de MetS.
La creciente prevalencia del MetS en el mundo, hace necesaria la identificación de factores de riesgo prevenibles, así como el establecimiento de medidas de intervención para detener y revertir la progresión de este síndrome. Dentro de este contexto se enmarca la exposición a contaminantes ambientales-obesogénicos, que una vez identificados y entendido su papel en la génesis de la enfermedad, deberían ser regulados en sus usos y aplicaciones de forma más estricta. La participación de los profesionales clínicos en esta área de investigación será fundamental para acometer los desafíos de salud ambiental a los que hacemos y haremos frente con medidas preventivas.
- English
The prevalence of overweight and obesity, as well as other metabolic diseases such as metabolic syndrome (MetS), is increasing worldwide. This continuous increase cannot be due to a single cause, but everything suggests that multiple risk factors are involved.
The environmental obesogens hypothesis suggests that human exposure to "obesogenic" EDCs may inappropriately interfere with lipid homeostasis and metabolism and promote adipogenesis, modifying both hormonal and neuronal signalling pathways, thereby predisposing exposed individuals to increased fat mass and excess weight. EDCs that not only increase adipose tissue mass but also result in other metabolic dysfunctions which are also referred to as metabolism disrupting chemicals (MDCs). Environmental obesogens are defined as chemicals capable of increasing the quantity of adipocytes (hyperplasia), promoting the fat storage in cells (hypertrophy), affecting preadipocyte differentiation or function, and initiating and/or deregulating basal metabolism and weight gain. Obesogens might also act indirectly by disrupting energy balance (promoting calorie storage), and altering appetite and satiety signals, besides the central mechanisms that keep the body's response to daily nutritional changes.
The list of chemicals with obesogenic potential has been growing steadily in recent years, with humans being exposed to this multitude of EDCs from a variety of sources. To date, current developments in environmental epidemiology and toxicological risk assessment are inadequate and unsatisfactory for evaluating the exposure to multiple obesogenic EDCs, and for knowing their impact on human development and health. Although there have been some attempts to consider the combined effect of several chemicals or compounds which belong to the same chemical family, the methods available so far to quantify the combined effect of exposure to multiple residues are still scarce and not fully validated and conclusive. Taking into account all of the above, the starting hypothesis of this International Doctoral Thesis was that exposure to mixtures of EDCs constitutes a risk factor for obesity, and that the development of methodologies based on the measurement of the combined effect of multiple obesogenic EDCs known to occur in human adipose tissue, through in vitro assays, would serve as biomarker of combined effect in metabolic diseases.
Therefore, the main objective of this International Doctoral Thesis was to investigate human exposure to specific endocrine disrupting chemicals (EDCs), specifically to those with obesogenic activities, by analysing both the presence of these contaminants in the human population and the individual and combined effect of residues (EDCs) present in human adipose tissue, through the development of in vitro biomarkers, which could be used as risk markers for obesity and other metabolic diseases.
The specific objectives defined for this purpose were the following: 1. To develop and validate an in vitro human mesenchymal stem cell model to assess the effect of obesogenic EDCs. This tool could serve as a way to compare the potency of different obesogens, as well as to identify new compounds with obesogenic activity. 2. To study ad hoc mixtures of environmental chemicals on the process of adipogenesis, investigating the possibility of synergistic, additive or even antagonistic effects of the individual components.
3. To deepen into the knowledge on mechanisms and signaling pathways through which obesogen-EDCs contribute to an obesogenic phenotype (analyzing gene and protein expression of specific adipogenic markers - PPARγ, C/EBPα, LPL and FABP4).
4. To evaluate the exposure to obesogens in adipose tissue samples from adult hospitalized patients in Southern Spain, with normal weight and obesity and to investigate the relationship between the accumulated concentrations in adipose tissue and the risk of clinical diagnosis of MetS.
5. To evaluate the developed total load biomarker ("O-Screen") in adipose tissue samples from adult patients with normal weight and obesity, and to investigate its possible association with obesity and other metabolic disorders.
To answer the first three objectives, hASCs (human adipose-derived stem cells) in vitro were exposed to different concentrations of bisphenol-F (BPF), bisphenol-S (BPS) and bisphenol-A (BPA) (0.01-25 µM), individually and in combination (equimolar mixture of the three bisphenols), during 7 and 14 days of adipocyte differentiation. The effect of exposure on lipid accumulation and adipogenesis (Oil Red O), in addition to gene (mRNA) and protein (WB, western blot) expression of the lipogenic markers PPARγ, C/EBPα, LPL and FABP4 were investigated.
The epidemiological study investigated the real exposure of the population to persistent EDCs using the biological matrix for which they have the greatest appetite, that is, adipose tissue; in particular, visceral adipose tissue was selected, as it is the tissue associated with the greatest risk of metabolic diseases. The possible associations between pollutants and clinical diagnosis of MetS were also evaluated, using both exposure biomarker information and clinical effect biomarkers available for the study population.
The main results of this doctoral thesis are as follows: Article #1 (Reina-Pérez et al., 2021): Exposure of hASCs to BPF and BPS promotes adipogenesis by altering adipocyte developmental programming and increasing intracellular lipid accumulation. In particular, cell exposure with BPF, at concentrations of 10 or 25 M for 7 or 14 days, potentiates stem cell differentiation into adipocytes in a dose-dependent manner, which is confirmed by verifying an increase in the expression of selected adipogenic genes (PPARγ, C/EBPα, LPL and FABP4), as well as their corresponding proteins. Our results show for the first time the obesogenic potential of BPF on human adipocyte differentiation, and it corroborates the previous data obtained in murine preadipocytes.
Article #2 (Reina-Pérez et al., 2022): The equimolar ternary mixture of the three bisphenols (BPF, BPS and BPA), interferes with the programming of hASCs by increasing their ability to differentiate into adipocytes. However, the obesogenic effect of the mixture differed from that of the individual compounds by showing higher gene expression levels than those obtained for the individual components of the mixture. Exposure of the cells resulted in a dose-dependent effect on lipid accumulation, while gene expression showed a non-monotonic response, adopting a U-shape. This work is one of the few in vitro studies that have investigated the combined obesogenic activity of EDCs-obesogen mixtures on adipogenic differentiation, lipid accumulation, gene expression and protein synthesis, in an attempt to emulate real exposure situations in human population.
Article #3 (Reina-Pérez et al., 2023): The Spanish adult population continues to be exposed to persistent environmental pollutants (persistent organic pollutants, POPs), with significantly higher levels of organochlorine pesticides (OCPs) and polychlorinated biphenyls (PCBs) in the group of patients studied with MetS compared to individuals without this syndrome. Positive associations were found between certain POPs and the clinical diagnosis of MetS or some of its components. Specifically, higher levels of HCB and γ-HCH were associated with higher fasting glucose levels, higher blood pressure, and increased risk of MetS, both in linear regression models and in logistic models adjusted for age and sex. Exposure to the mixture of the 7 POPs found in adipose tissue is also positively and significantly associated with MetS risk.
The increasing prevalence of MetS in the world makes necessary the identification of preventable risk factors, besides stablishing intervention measures to stop and reverse the progression of this syndrome. Within this context, once the role of exposure to environmental-obesogenic pollutants in metabolic disease has been identified, more strictly regulations in their uses and applications should be implemented. The participation of clinical professionals in this area of research will be essential to deal with the environmental health challenges that we are facing and will face through precautionary measures.
- español
