Tesis por compendio / [ES] La obesidad representa un importante reto para la salud pública debido a su elevada prevalencia y a las comorbilidades asociadas. Las dietas hipercalóricas activan el sistema inmunitario intestinal y alteran la microbiota intestinal causando daños metabólicos en el organismo. De hecho, la pérdida de homeostasis inmunológica intestinal se considera un evento que precede a la aparición de la inflamación sistémica de bajo grado asociada a la obesidad. Dado que la microbiota intestinal es un factor modificable, su modulación puede convertirse en una oportunidad para reducir el impacto de la obesidad. Por ello la identificación de los factores que participan en la respuesta inflamatoria a las dietas obesogénicas y la búsqueda de alternativas terapéuticas basadas en la microbiota constituyen una vía de investigación prometedora para combatir la obesidad. Esta Tesis Doctoral evalúa el potencial de nuevos probióticos y estrategias dietéticas para combatir la obesidad basadas en sus propiedades inmunomoduladoras. En el Primer Capítulo investigamos el potencial anti-obesogénico del propil propano tiosulfinato (PTS), un compuesto organosulfurado derivado de la especie Allium, en dos dosis diferentes (0,1 o 1 mg/kg/día) utilizando un modelo murino de obesidad inducida por la dieta (DIO). Nuestros hallazgos demostraron los efectos protectores de PTS frente a la obesidad, ya que su administración redujo el peso corporal y mejoró la homeostasis de glucosa. En el tejido adiposo y el hígado, PTS redujo la inflamación y el metabolismo lipídico aberrante causado por la dieta obesogénica. Además, PTS incrementó la actividad termogénica en el tejido adiposo marrón y reforzó la función barrera intestinal. En vista de los modestos cambios en el ecosistema microbiano intestinal, concluimos que estos efectos no eran mediados por la microbiota. En el Segundo Capítulo evaluamos el potencial anti-obesogénico y el mecanismo de acción de una nueva bacteria llamada Phascolarctobacterium faecium DSM 32890. Para ello, realizamos diferentes experimentos in vitro e in vivo usando diferentes cultivos celulares (macrófagos derivados de médula ósea y células linfoides innatas intestinales del grupo 1 (LC1s)) y modelos murinos DIO (ratones C57BL/6J y Rag1-/-). El tratamiento de ratones alimentados con una dieta hipercalórica con P. faecium incrementó la proporción de los macrófagos M2 en el intestino, lo que contrarrestó el aumento de ILC1s y, en última instancia, mitigó la intolerancia a la glucosa y el aumento de peso corporal, independientemente de la viabilidad de la bacteria. Además, P. faecium reforzó la función barrera intestinal y evitó la inflamación sistémica causada por la dieta hipercalórica. Estos beneficios metabólicos se mantuvieron en ausencia de inmunidad adaptativa, pero se perdieron cuando la bacteria se coadministró con un inhibidor (GW2580) de la polarización de macrófagos M2. Por último, realizamos un amplio estudio con datos metagenómicos de 6.361 personas que mostró una relación inversa entre P. faecium y la obesidad, independientemente de la nacionalidad, el sexo o la edad, lo que sugiere la asociación de esta bacteria con la salud metabólica. En el Tercer Capítulo, investigamos la implicación de las ILC1s intestinales en la progresión de la obesidad y las alteraciones metabólicas asociadas. Para ello, evaluamos longitudinalmente la respuesta de las ILC1s y las consecuencias su depleción de ILC1s en un modelo murino DIO. En el intestino, el bloqueo de ILC1s evitó el aumento de macrófagos M1 e ILC2s y promovió la activación de la vía ILC3-IL22, aumentando la producción de mucina, la expresión de péptidos antimicrobianos y el número de células neuroendocrinas. Además, el bloqueo de ILC1s restableció el perfil microbiano y el metaboloma, acercándose al perfil asociado con la salud metabólica. En última instancia, estas mejoras se asociaron con una mayor secreción de hormonas intestinales, y una reducción de la insulinemia y la adiposidad. / [CA] L'obesitat és un repte per a la salut pública degut a la elevada prevalença i les comorbiditats. Les dietes hipercalòriques activen el sistema immunitari intestinal i alteren la microbiota intestinal causant danys metabòlics en l'organisme. De fet, la pèrdua d'homeòstasi immunològica a escala intestinal es considera un esdeveniment primerenc que precedeix l'aparició de la inflamació sistèmica de baix grau associada a l'obesitat. Atés que la microbiota intestinal és un factor modificable, la seua modulació pot convertir-se en una oportunitat per a reduir l'impacte de l'obesitat. Per això, la identificació dels factors que participen en la resposta inflamatòria a les dietes obesogèniques i la recerca d'alternatives terapèutiques basades en la microbiota son una via d'investigació prometedora per a combatre l'obesitat. Aquesta Tesi Doctoral avalua el potencial de nous probiòtics i estratègies dietètiques per a combatre l'obesitat basada en propietats immunomoduladores. En el Primer Capítol investiguem el potencial anti-obesogènic del propil propà tiosulfat (PTS), un compost organosulfurat derivat de l'espècie Allium, en dues dosis diferents (0,1 o 1 mg/kg/dia) utilitzant un model murí d'obesitat induïda per la dieta. Els resultats demostren els efectes protectors de PTS enfront a l'obesitat, ja que la seua administració va reduir el pes corporal i va millorar l'homeòstasi de glucosa. En el teixit adipós i el fetge, PTS va prevenir l'augment de la resposta inflamatòria i les alteracions del metabolisme lipídic causades per la dieta hipercalòrica. A més, PTS va incrementar l'activitat termogènica en el teixit adipós marró i millorà la funció barrera intestinal alterats per la dieta. Observàrem canvis modestos en la microbiota intestinal, concloent que els efectes no estan mediats de manera significativa per la microbiota. En el Segon Capítol avaluem el potencial anti-obesogènic i el mecanisme d'acció d'un nou bacteri Phascolarctobacterium faecium DSM 32890. Hem realitzat experiments in vitro i in vivo utilitzant diferents cultius cel·lulars (macròfags derivats de medul·la òssia i de cèl·lules limfoides innates intestinals del grup 1 (LC1s) i models murins d'obesitat induïda per la dieta (ratolins C57BL/6J, i Rag1-/- ). El tractament de ratolins alimentats amb una dieta hipercalòrica amb P. faecium incrementà la proporció dels macròfags M2 a l'intestí, contrarestant l'augment d'ILC1s i en última instància, mitigà la intolerància a la glucosa i l'augment del pes corporal, independentment de la viabilitat del bacteri. A més, P. faecium reforçà la funció bacterial intestinal i evità la inflamació sistèmica causada per la dieta hipercalòrica. Aquests beneficis metabòlics es mantenien en absència d'immunitat adaptativa, però es perderen quan el bacteri es coadministrà amb un inhibidor (GW2580) de la polarització de macròfags M2. Finalment, realitzàrem un ampli estudi amb dades metagenòmiques de 6.361 persones que mostrà una relació inversa entre P. faecium i l'obesitat, independentment de la nacionalitat, el sexe o l'edat, suggerint l'associació d'aquest bacteri amb la salut metabòlica. En el Tercer Capítol, investiguem la implicació de les ILC1s residents en l'intestí en la progressió de l'obesitat i les alteracions metabòliques associades. Evaluàrem longitudinalment la resposta de les ILC1s i les conseqüències de la depleció de ILC1s en un model murí d'obesitat. A l'intestí, el bloqueig de ILC1s va evitar l'augment de macròfags M1 i ILC2s, i va promoure l'activació de la via ILC3-IL22, augmentant la producció de mucina, l'expressió de pèptids antimicrobians i el nombre de cèl·lules neuroendocrines. El bloqueig de ILC1s va restablir la microbiota i el seu metaboloma, similar a l'estat saludable. Aquestes millores es van associar amb una major secreció d'hormones intestinals, i una reducció de la insulinèmia i l'adipositat. / [EN] Obesity is a major public health challenge due to its high prevalence, and association with metabolic comorbidities. Hypercaloric diets are known to overactivate the intestinal immune system and disrupt the microbiome, ultimately causing detrimental metabolic effects. The loss of intestinal immune homeostasis is considered an early step preceding the development of systemic low-grade inflammation associated with obesity and metabolic complications. In this regard, extensive evidence supports that the gut microbiome may be modified favorable and, thus, help to ameliorate these conditions. Hence, identifying factors triggering the low-grade inflammation and microbiome-base solutions to reduce the obesity burden represent promising avenues of research. This Doctoral Thesis aims to advance the knowledge and provide novel probiotics and dietary strategies to combat the burden of obesity based on their immunomodulatory properties to shape the metabolic response to the diet. In the First Chapter, we have investigated the anti-obesogenic potential of propyl propane thiosulfinate (PTS), an organo-sulfur compound derived from Allium species, at two different doses (0.1 or 1 mg/kg/day) using a murine model of diet-induced obesity (DIO). Our preclinical findings showed the protective effects of PTS against obesity, reducing body weight gain and maintaining glucose homeostasis, thus suggesting its potential to ameliorate the impact of the HFHSD. In the adipose tissue and the liver, PTS reduced inflammation and the aberrant lipid metabolism caused by the obesogenic diet. Additionally, PTS promoted thermogenic activity in the brown adipose tissue and enhance intestinal gut barrier defense. In view of the modest changes in the microbial ecosystem, we concluded that the effects of PTS were not mediated by the gut microbiota. In the Second Chapter, we have evaluated the anti-obesogenic potential and the mechanism of action of the new intestinal strain, Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, isolated in our laboratory from a healthy volunteer. To that aim, we have performed different in vitro and in vivo experiments, including the use of different types of cell cultures (bone marrow-derived macrophages and group 1 of innate lymphoid cells (ILC1s)) and DIO murine models (wild-type C57BL/6J and Rag1-/- mice). Treatment of HFHSD-fed mice with P. faecium, regardless of its viability, shifted the macrophage phenotype towards an M2-type, which counteracted the obesity-induced increase in gut-resident ILC1s and ultimately mitigated glucose intolerance and body weight gain. Moreover, P. faecium treatment prevented systemic inflammation, boosted secretory immunoglobulin A production and induced antimicrobial peptide and interleukin 22 expression. These metabolic benefits were maintained in the absence of an adaptive immune system but were lost when the bacterium was co-administered with an inhibitor (GW2580) of M2 macrophage polarization. We confirmed that P. faecium was more prevalent in the gut metagenomes of non-obese adults regardless of nationality, sex or age, suggesting that it might contribute to safeguard metabolic health in humans. In the Third Chapter, we have investigated the involvement of gut-resident ILC1s in obesity progression and metabolic disruption. To address this goal, we evaluated longitudinally, in a DIO murine model, the ILC1s response to an obesogenic diet and the consequences of the ILC1s depletion. In the intestine, ILC1s depletion blunted the increases in M1 macrophages and ILC2s. Additionally, ILC1s depletion promoted the ILC3-IL22 pathway, increasing mucin production, the expression of antimicrobial gut peptides, and the number of neuroendocrine cells. Moreover, ILC1s depletion restored microbial and metabolomic profiles, resembling those associated with a healthy symbiotic state. The improvements in gut homeostasis were linked to a higher gut hormone secretion, and reduced insulinemia and adiposity. / Rebeca Liébana García has been beneficiary of an FPU contract (FPU 18/02026) and a mobility grant (EST22/00430) from Spanish Ministry of Universities. The experimental work conduced in this Doctoral Thesis has been funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation (MICINN AGL2017-88801-P, PID2020-119536RB-I00), the Centre for the Development of Industrial Technology (CDTI, Ref 20170847), and the EU H2020 Marie Sklodowska Curie Actions (MSCA-IF “MicroILCs, GA: 8905454). / Liébana García, R. (2023). Effect and Mechanisms of Action of Intestinal Bacteria and Bioactive Compounds on the Immune System and Metabolism in Obesity Models [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/201910 / Compendio

[ES] La obesidad es uno de los principales problemas de salud pública debido a su elevada prevalencia y a las comorbilidades asociadas, lo que se traduce en una reducción considerable de la calidad y esperanza de vida, además de un enorme gasto económico. Su origen es multifactorial y el desarrollo de terapias efectivas para combatirla resulta complejo. La microbiota intestinal ejerce un papel relevante en el mantenimiento del balance energético y salud metabólica. Por ello, las estrategias basadas en la modificación de la microbiota intestinal son consideradas potenciales alternativas para el manejo clínico de la obesidad. No obstante, se requiere un mayor conocimiento sobre cuáles son las especies bacterianas clave en el mantenimiento de la homeostasis energética del hospedador y su modo de acción. El objetivo general de la tesis ha sido identificar nuevas estrategias basadas en la manipulación de la composición y funciones de la microbiota intestinal eficaces contra la obesidad, así como sus mecanismos de interacción con el hospedador. El capítulo primero de la tesis se centra en estudiar los mecanismos de acción por los que Bacteroides uniformis CECT 7771 ejerce efectos protectores frente al desarrollo de la obesidad, tal y como nuestro grupo ha descrito en trabajos previos. A través de un estudio en ratones con obesidad inducida por la dieta hemos demostrado que esta cepa reduce la disfunción metabólica a través de la modulación de la microbiota intestinal y las alteraciones inmunológicas en el intestino y el tejido adiposo asociados a la obesidad. Todos los efectos sobre el eje intestino-tejido adiposo parecen estar mediados por la activación de TLR5. Además, hemos desarrollado una estrategia similar a un simbiótico con el fin de incrementar la eficacia de esta bacteria administrándola a dosis menores. La formulación simbiótica se diseñó en base a la preferencia de B. uniformis CECT 7771 por el salvado de trigo (WBE) como fuente de carbono en cultivos in vitro. La administración conjunta de la bacteria y WBE mostró beneficios inmuno-metabólicos al reducir el aumento de peso corporal y la adiposidad, al tiempo que mejoraron las rutas del metabolismo energético moduladas por insulina y la homeostasis inmunológica intestinal. Además, reforzó la primera línea de defensa inmunológica al aumentar los niveles de butirato y restaurar los niveles de IEL inducidos y las ILC3. En el segundo capítulo hemos llevado a cabo dos estudios preclínicos que describen los efectos de dos nuevas bacterias autóctonas del tracto gastrointestinal humano como potenciales probióticos para el tratamiento de la obesidad identificadas por el grupo. El primer estudio, la administración de Holdemanella biformis CECT 9752 a ratones con obesidad inducida por la dieta redujo los niveles de glucosa en ayuno y mejoró la tolerancia oral a la glucosa de forma independiente a la insulina. A nivel del contenido luminal del intestino grueso, la bacteria incrementó los niveles de ácidos grasos insaturados, potenciales secretagogos lipídicos de GLP-1. A nivel del intestino delgado, incrementó la sensibilidad a GLP-1 de las neuronas vagales aferentes, mecanismo implicado en la producción endógena de glucosa. A nivel hepático, la suplementación con la bacteria redujo la gluconeogénesis y mejoró la sensibilidad a insulina. En el segundo estudio hemos evaluado los efectos inmuno-metabólicos de Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, consumidora de succinato y productora de propionato en un modelo animal de obesidad. La administración redujo el aumento de peso corporal y la ingesta de alimentos y mejoró la tolerancia oral a la glucosa. Estos beneficios se asociaron a un aumento sostenido de la hormona intestinal anorexigénica PYY en plasma y una prevención de la hipersecreción de GIP inducida por la dieta rica en grasa. Además, la bacteria normalizó la inmunidad intestinal alterada en la obesidad, y mejoró / [CA] L'obesitat és un dels principals problemas de salut pública a causa de la seua elevada prevalença i a les comorbilitats associades, la qual cosa es tradueix en una reducció considerable de la qualitat i de l'esperança de vida, a més d'una enorme despesa econòmica. El seu origen es multifactorial i el desenvolupament de teràpies efectives per combatre-les resulta complex. La microbiota intestinal exerceix un paper rellevant en el manteniment del balanç energètic i salut metabòlica. Per això, les estrategias basades en la modificació de la microbiota intestinal son considerades hui en dia potencials alternatives per al maneig clínic de l'obesitat. No obstant això, es requereix d'un major coneixement sobre quines son les espècies bacterianes claus al manteniment de l'homeòstasi energètica de l'hoste i la seua manera d'acció. L'objectiu general de la tesi ha sigut identificar noves estratègies basades en la manipulació de la composició i funcions de la microbiota intestinal eficaces contra l'obesitat, així com els seus mecanismes d'interacció amb l'hoste. El capítol primer de la tesi es centra en estudiar els mecanismes d'acció pels quals Bacteroides uniformis CECT 7771 exerceix efectes protectors enfront del desenvolupament de l'obesitat, tal com el nostre grup ha descrit previament. A través d'un estudi en ratolins amb obesitat induïda per la dieta hem demostrat que aquesta soca redueix la disfunció metabòlica a través de la modulació de la microbiota intestinal i les alteracions immunològiques en l'intestí i al teixit adipos epididimal associats a l'obesitat. Tots els efectes sobre l'eix intestí-teixit adipós semblen estar mediades per l'activació de TLR5. A més, hem desenvolupat una estrategia similar a un simbiòtic amb la finalitat d'incrementar l'eficàcia d'aquest bacteri administrant-la a dosis menors. La fomulació simbiòtica es va dissenyar basant-se en la preferència de B. uniformis CECT 7771 pel segó del blat (WBE) com a font de carboni en cultius in vitro. L'administració conjunta de la bacteria i WBE va mostrar beneficis immuno-metabòlics al reduir l'augment de pes corporal i l'adipositat, al mateix temps que van millorar les rutes del metabolisme energètic modulades per insulina i la homeòstasi immunològica intestinal. A més, va reforçar la primera línia de defensa immunològica augmentant els nivells de butirat i restaurant els nivells de IEL induïts i de ILC3. Al segon capítol de la tesi hem dut a terme dos estudis preclínics que descriuen els efectes de dos nous bacteris autòctones del tracte gastrointestinal humà com a potencials probiòtics per al tractament de l'obesitat identificades amb posterioritat pel grup. El primer estudi, l'administració de Holdemanella biformis CECT 9752 a un model animal d'obesitat va reduir els nivells de glucosa en dejú i va millorar la tolerància oral a la glucosa de manera independent a la insulina. A nivell del contingut luminal de l'intestí gros, el bacteri va incrementar els nivells d'àcids grassos insaturats, potencials secretagogos lipídics de GLP-1. A nivell de l'intestí prim, va incrementar la sensibilitat a GLP-1 de les neurones vagals aferents, mecanisme implicat en la producció endògena de glucosa. A nivell hepàtic, la suplementació amb el bacteri va reduir la gluconeogènesi i va millorar la sensibilitat a insulina. En el segon estudi hem avaluat els efectes immuno-metabòlics de Phascolarctobacterium faecium DSM 32890, consumidora de succinat i productora de propionat a un model animal d'obesitat. L'administració va reduir l'augment de pes corporal i l'ingesta d'aliments i va millorar la tolerància oral a la glucosa. Aquests beneficis es van associar a un augment sostingut de l'hormona intestinal anorexigénica PYY en plasma i la prevenció de la hipersecreció de GIP induïda per la dieta rica en greix. A més, el bacteri va normalitzar la immunitat intestinal alterada en l'obesitat i va millorar / [EN] Obesity is one of the main public health problems due to its high prevalence and associated comorbidities, which results in a considerable reduction of the health-related quality of life and life expectancy, as well as in an overwhelming cost to global health economies. It has a multifactorial origin and the development of effective therapies is complex and has become one of the main challenges for society. The gut microbiota plays an important role in the maintenance of energy balance and metabolic health. Therefore, strategies based on gut microbiota modification to beneficially modulate energy metabolism are nowadays considered potential alternatives for the clinical management of obesity. However, the effective implementation of these strategies requires the identification of key bacterial species for the maintenance of host energy homeostasis as well as the better understanding of which mechanisms are behind of their effects. The general objective of this doctoral thesis has been to identify new and effective strategies against obesity based on the manipulation of the gut microbiota composition and function, as well as their mechanisms of interaction with the host. The first chapter of the thesis focuses on studying the mechanisms of action by which Bacteroides uniformis CECT 7771 induces protective effects against the onset of obesity, based on previous studies of our group. An intervention conducted in diet-induced obese mice, we have demonstrated that this strain reduces metabolic dysfunction through the modulation of the intestinal microbiota and immune players obesity associated in both intestine and epididymal white adipose tissue. All the effects on the gut-adipose tissue axis appear to be mediated by TLR5 activation. Moreover, we have developed a symbiotic strategy with the aim of increasing the B. uniformis anti-obesity efficacy at lower doses. The symbiotic formulation was designed based on the preference of B. uniformis CECT 7771 for wheat bran (WBE) as a carbon source in in vitro cultures. The co-administration of the bacteria and WBE showed immuno-metabolic benefits reducing body weight gain and adiposity, along with improving insulin-modulated energy metabolism pathways and intestinal immune homeostasis. In addition, It strengthened the first line of immune defence by increasing butyrate levels and restoring levels of induced IEL and ILC3. In the second chapter of the thesis we have carried out two pre-clinical studies describing the effects of two new autochthonous bacteria of the human gastrointestinal tract as potential probiotics for the treatment of obesity identified later by the group. The first study, the administration of Holdemanella biformis CECT 9752 in an animal model obesity reduced fasting glucose levels and improved oral glucose tolerance in an insulin-independent manner. In the luminal content of the large intestine, the bacteria increased the abundance of unsaturated fatty acids, potential GLP-1 secretagogues. In the small intestine, it could directly increase the GLP-1 sensitivity of vagal afferent neurons, a mechanism involved in hepatic endogenous glucose production. At the hepatic level, the supplementation with the bacteria reduced gluconeogenesis and improved insulin sensitivity. In the second study we have evaluated the immuno-metabolic effects of Phascolarctobacterium faecium DSM 32890 succinate consumer and propionate producer in an animal model of diet-induced obesity. The bacteria reduced body weight gain and food intake and improved oral glucose tolerance. These benefits were associated with a sustained increase in plasma of the anorexigenic gut hormone PYY and a prevention of high-fat diet-induced GIP hypersecretion. In addition, the bacteria normalized the impaired intestinal immunity in obesity and improved intestinal barrier integrity. / This study received funding from the European Union Horizon 2020 research and innovation program under the Marie Sklodowska-Curie grant agreement No. 797297 (M.R-P) and from the European Union 7th Framework program under the grant agreement no 613979 (MyNewGut) and grant AGL2017-88801-P from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MCIU, Spain). The Santiago Grisolía scholarship (GRISOLIAP/2014/110) to E.F from Generalitat Valenciana and the FPI scholarship (BES-2015-073930) of I López-Almela and the PTA contract (PTA2013-8836-I) of I. Campillo from MCIU are fully acknowledged. / López Almela, I. (2021). Descifrando las funciones de la microbiota intestinal en la obesidad [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/174897