LABORATORIO DE URGENCIAS

Dieta y Microbiota – Riesgo de Deterioro Cognitivo

                                                                                          Raúl Gonzalez-Dominguez, Pol Castellano-Escuder,
                                                                                          Francisco Carmona, Sophie Lefévre-Arbogast, Dorrain Low,
                                                                                          Silvie Ruigrok, Cristina Andres-Lacueva el al

                                                                               Molecula Nutrition,  October 2021 / https://doi.org/10.1002/mnfr.202100606

 La participación de factores modificables del estilo de vida en la etiología del deterioro cognitivo (DC) relacionado con la edad y la demencia es bien conocida. En particular, la nutrición se ha identificado como un factor clave para mantener una función cerebral adecuada con el avance de la edad. De hecho, muchos componentes de la dieta pueden modular los mecanismos moleculares que se cree que contribuyen al DC, incluyendo el estrés oxidativo, la neuroinflamación y la disfunción vascular.
Varios estudios sugieren un papel protector de ciertos nutrientes   y compuestos alimentarios (p. ej., ácidos grasos omega-3, vitaminas del complejo B, polifenoles, carotenoides), grupos de alimentos (p. ej., frutas y verduras) y patrones dietéticos (p.e:  dieta mediterránea, dieta de Enfoques Dietéticos para la Hipertensión) contra el DC.
La evidencia disponible es observacional y, a menudo, inconsistente y fragmentada. Parte de estas inconsistencias puede deberse a errores de información inherentes a las encuestas de ingesta alimentaria que se emplean comúnmente para la evaluación dietética, mientras que los estudios basados ​​en biomarcadores, menos propensos a errores de medición, se han limitado generalmente a unos pocos biomarcadores candidatos.
Como alternativa, la metabolómica ofrece una evaluación integral del metaboloma alimentario y endógeno, lo que permite investigar el impacto de la dieta en la salud con gran detalle y fiabilidad.La investigación a gran escala de los metabolitos relacionados con los alimentos es crucial para dilucidar realmente el papel de la nutrición a lo largo de la vida en la patogénesis temprana de la EC. Se han publicado varios estudios metabolómicos no centrados en las vías metabólicas y los mecanismos moleculares que subyacen a la EC y la demencia.
En este sentido, recientemente identificamos un conjunto de metabolitos séricos asociados con el desarrollo posterior de la EC durante un seguimiento de 12 años, que comprendía seis metabolitos derivados de la dieta relacionados con el consumo de café, cacao, cítricos y otros alimentos. Sin embargo, aunque la metabolómica no dirigida permite una amplia cobertura del metaboloma, suele dificultar la detección de metabolitos menores, especialmente aquellos provenientes de fuentes externas (p. ej., dieta y otros hábitos de vida), que generalmente se detectan en bajas concentraciones en el organismo.
Como estrategia complementaria, se han utilizado plataformas dirigidas a gran escala, que ofrecen mayor sensibilidad, reproducibilidad y cobertura. En los últimos años, el análisis metabolómico cuantitativo ha demostrado una gran aplicabilidad en la investigación nutrimetabolómica y exposómica.
El objetivo de este estudio fue descifrar el papel de la dieta en la patogénesis de la EC mediante la aplicación de un enfoque metabolómico dirigido a gran escala, que abarca compuestos polifenólicos y otros compuestos de origen alimentario, metabolitos de fase I/II, derivados transformados por la microbiota y otros metabolitos endógenos.
Esta metodología avanzada se aplicó a muestras de suero de una amplia cohorte de sujetos mayores sin demencia en el momento de la extracción de sangre de la cohorte de Tres Ciudades (3C).
Para la validación, investigamos dos conjuntos de muestras prospectivas a largo plazo de diferentes centros de estudio (es decir, Burdeos y Dijon). La plataforma metabolómica nos permitió obtener un conocimiento profundo de la participación de la nutrición en la EC y validar nuestros resultados previos de metabolómica no dirigida en una población separada.

Resultados

I.Características de las poblaciones de estudioCaracterísticas clínicas y demográficas de las poblaciones de estudio. Los participantes fueron emparejados por edad, sexo y nivel educativo en las dos muestras, y estas características fueron similares entre los grupos de descubrimiento (es decir, Bordeaux) y validación (es decir, Dijon). Como era de esperar, se observaron puntuaciones más bajas en las cinco pruebas neuropsicológicas evaluadas en este estudio entre los participantes con EC. La ingesta de medicamentos fue significativamente mayor en los casos que en los controles, así como la prevalencia de diabetes y enfermedades cardiovasculares, y la presencia del alelo APOE-ε4, factores de riesgo bien conocidos para la EC y la demencia.
II. Identificación de metabolitos séricos asociados con el deterioro cognitivo posterior
La matriz de datos metabolómicos de Bordeaux se sometió a una regresión logística condicional penalizada LASSO mejorada con bootstrap para identificar un conjunto de metabolitos asociados con la EC posterior durante los 12 años de seguimiento.
Observamos una asociación inversa entre diversos ácidos fenólicos y derivados y la EC, que puede ingerirse a partir de alimentos vegetales (p. ej., frutas y verduras) o producirse mediante el metabolismo microbiano de los polifenoles vegetales. Sin embargo, algunos otros compuestos fenólicos vinculados al metabolismo de los aminoácidos aromáticos (p. ej., 4-HPAA-G, DOPAC-S) se asociaron con una mayor probabilidad de EC. Cabe destacar que, si bien este segundo conjunto de compuestos fenólicos también podría derivar de polifenoles vegetales, el análisis de correlación de Pearson mostró fuertes asociaciones entre ellos (r > 0,30), pero no con la mayoría de los demás metabolitos fenólicos, lo que apunta a un origen diferente.
Esto refuerza nuestra hipótesis de que estos metabolitos podrían reflejar con precisión alteraciones en el metabolismo de los aminoácidos aromáticos, en lugar de la ingesta de polifenoles dietéticos.
Otros metabolitos identificados mediante regresión LASSO fueron candidatos a biomarcadores de la ingesta alimentaria, según la definición de la Ontología de Biomarcadores Alimentarios.
Por otro lado, los marcadores que reflejan el consumo de cacao (3-metilxantina, OR = 0,75), café (2-furoilglicina, OR = 0,57) y champiñones (ergotioneína, OR = 0,90) se asociaron con un menor riesgo de EC. Por el contrario, los niveles séricos de cafeína (OR = 1,88), edulcorantes artificiales (sacarina, OR = 1,26; acesulfamo K, OR = 1,12), ácido tartárico (OR = 1,36) y prolina betaína (OR = 1,74) fueron más altos en los casos de EC.
Nuestros resultados también proporcionan evidencia de alteraciones significativas en algunas vías metabólicas endógenas, incluyendo la homeostasis del triptófano (indoxil sulfato, OR = 0,75), el metabolismo de los ácidos grasos (ácido mirístico, OR = 2,10; linoleoil-carnitina, OR = 3,67) y otros (betaína, OR = 0,54; DHEAS, OR = 0,68).

Discusión

Se han realizado numerosos esfuerzos para dilucidar el impacto de la nutrición en la EC durante el envejecimiento, pero la evidencia disponible suele ser inconsistente y fragmentada. Para investigar el papel de la dieta en la etiología de la EC desde una perspectiva a  largo plazo, estudiamos dos conjuntos de muestras prospectivas de casos y controles anidados durante un seguimiento de 12 años en sujetos mayores sin demencia al inicio del estudio, de quienes se recogieron muestras séricas basales y se sometieron a un análisis metabolómico a gran escala.
Muchos de los metabolitos identificados en los dos conjuntos de muestras del estudio mediante regresión LASSO, incluyendo derivados de polifenoles (p. ej., ácidos fenólicos, enterolignanos, hidroxifenil-γ-valerolactonas) y metabolitos de aminoácidos aromáticos, sugieren una estrecha interacción entre la dieta, la microbiota intestinal y la EC. Observamos una asociación inversa entre diversos ácidos fenólicos y otros metabolitos relacionados con las plantas con la probabilidad de EC posterior, lo que aporta evidencia adicional del efecto protector del consumo de alimentos ricos en polifenoles en la disfunción neurológica. Cabe destacar que la mayoría de estos metabolitos eran compuestos de origen microbiano (es decir, ácidos fenólicos, enterolignanos) en lugar de las especies de polifenoles progenitoras. En este sentido, la creciente evidencia ha enfatizado que los metabolitos de la microbiota podrían estar involucrados, al menos en parte, en los efectos biológicos que tradicionalmente se atribuyen a los polifenoles, especialmente considerando su baja biodisponibilidad habitual.
De hecho, los ácidos fenólicos derivados de la microbiota se han vinculado a procesos relacionados con la EC, como el estrés oxidativo, la neuroinflamación, la acumulación de placas de β-amiloide y la hiperfosforilación de la proteína tau, especialmente porque estos metabolitos pueden estar presentes en la circulación en concentraciones significativamente más altas durante períodos más prolongados y pueden atravesar fácilmente la barrera hematoencefálica. Por otro lado, también encontramos asociaciones significativas entre los metabolitos de aminoácidos aromáticos derivados de la microbiota y la EC posterior. Diversos metabolitos relacionados con el catabolismo de la fenilalanina y la tirosina se asociaron con una mayor probabilidad de EC en las muestras de Burdeos (es decir, 4-HPAA-G) y Dijon (es decir, 4-HPAA-G, 4-HPLA-S, fenilacetilglutamina, sulfato de p-cresol), lo que concuerda con estudios previos que indican que estos compuestos pueden actuar como toxinas urémicas y causar deterioro cognitivo.
La asociación positiva del sulfato de ácido 3,4-dihidroxifenilacético (Burdeos) y el sulfato de 4-metilcatecol (Dijón), metabolitos derivados de la dopamina, con la EC posterior respalda la implicación de la neurotransmisión monoaminérgica alterada en la aparición temprana de la demencia. En este sentido, otras alteraciones metabólicas que afectan la homeostasis del triptófano corroboraron esta disfunción monoaminérgica en la EC, como se sospechaba a partir de la disminución de los niveles de indoxil sulfato, 5-hidroxitriptófano y serotonina en muestras de suero de sujetos con una mayor tasa de EC durante el seguimiento. Además, esto se acompañó de niveles anormales de tiamina, esencial junto con otras vitaminas del grupo B para regular el metabolismo del triptófano, lo que refuerza aún más este argumento.
Además de las perturbaciones mencionadas en los metabolitos implicados en el eje intestino-cerebro, también encontramos asociaciones con diversos biomarcadores de la ingesta alimentaria, lo que nos permitió investigar el efecto potencialmente protector o perjudicial de diversos productos alimenticios sobre la tasa de EC. En consonancia con nuestro estudio metabolómico previo no dirigido, observamos una asociación negativa entre la 3-metilxantina, un metabolito derivado de la teobromina presente en el cacao, y la EC posterior en los conjuntos de descubrimiento y validación.
En particular, los niveles séricos de 3-metilxantina correlacionaron altamente con la teobromina (r > 0,60) y, aunque no se seleccionó mediante regresión LASSO entre los principales metabolitos con la mayor frecuencia de selección en los bootstraps, la teobromina también se asoció fuerte y negativamente con la EC en ambos conjuntos de muestras (OR = 0,52 y 0,55, respectivamente).
Todo esto refuerza el efecto beneficioso del consumo de cacao contra la EC, lo cual concuerda con otros estudios prospectivos. La 2-furoilglicina, un biomarcador del consumo de café, se asoció con menores probabilidades de EC en el conjunto de descubrimiento. Este metabolito no se validó con éxito en la muestra del estudio externo, pero el análisis univariado complementario mostró niveles séricos reducidos de varios otros metabolitos relacionados con el café (trigonelina, N-metilpiridinio, ciclo(leucil-prolina) entre los casos de EC.
Este papel protector del café sobre la EC se ha reportado repetidamente en otros estudios observacionales, aunque el efecto de la cafeína en sí todavía es objeto de debate. En este sentido, encontramos resultados contradictorios en los conjuntos de muestras de descubrimiento (cafeína, OR = 1,88) y validación (ácido 1,3-dimetilúrico, OR = 0,48) mediante regresión LASSO, lo cual fue corroborado mediante análisis estadístico univariante.
Esta inconsistencia podría deberse en parte a la gran variabilidad individual en el metabolismo y la sensibilidad a la cafeína, por lo que se requieren investigaciones futuras para comprender mejor esta paradoja café-cafeína. Además de los metabolitos relacionados con el cacao y el café, también observamos una disminución del contenido sérico de ergotioneína en casos de EC, un derivado natural de la histidina que se adquiere a través de la dieta, principalmente de los hongos. Estudios previos han reportado que los niveles sanguíneos de ergotioneína tienden a disminuir con la edad en los ancianos, y su administración protege a las neuronas del hipocampo contra el estrés oxidativo. Hasta el momento, no está claro si esta disminución de ergotioneína durante el envejecimiento y la aparición de la EC se debe a deficiencias nutricionales, alteraciones en su absorción o modificaciones oxidativas.
Además de las posibles asociaciones protectoras entre los alimentos ricos en polifenoles, el cacao, el café, los hongos y la EC, nuestros datos metabolómicos también apuntaron a una asociación perjudicial con ciertos componentes dietéticos, como los edulcorantes artificiales y la prolina betaína. La evidencia acumulada con modelos animales sugiere que la ingesta crónica de edulcorantes artificiales no calóricos puede perjudicar el rendimiento cognitivo al causar desregulación del metabolismo energético y estrés oxidativo. Sin embargo, esta es, hasta donde sabemos, la primera vez que esta hipótesis que vincula los edulcorantes artificiales con la EC se corrobora a largo plazo y se valida en dos conjuntos de muestras independientes. La prolina betaína, un biomarcador de la ingesta de cítricos, también se asoció positivamente con la EC en la fase de descubrimiento, en consonancia con nuestro estudio metabolómico previo no dirigido y otros. Además, este metabolito se correlacionó con los niveles séricos de hesperitina 3’-glucurónido (r = 0,44), un flavonoide característico de los cítricos que también se asoció fuertemente con una mayor probabilidad de EC posterior (OR = 2,90, pero no seleccionado por LASSO). En nuestro estudio metabolómico no dirigido, sugerimos que esta observación podría atribuirse al consumo de jugos comerciales en lugar de frutas crudas, considerando que los análisis de correlación entre la metabolómica y los datos de ingesta alimentaria mostraron una fuerte correlación entre la prolina betaína y la ingesta de jugo de cítricos, pero no con la ingesta de cítricos.
Por el contrario, las estadísticas univariadas revelaron una asociación protectora de los marcadores cítricos (es decir, prolina betaína, 4-hidroxiprolina betaína) con la EC en el conjunto de validación de Dijon. Aunque no se corroboró con los datos de ingesta alimentaria (no disponibles para el conjunto de validación), esto concuerda con estudios previos que indican que el consumo total de cítricos se relaciona con un menor riesgo de demencia.
Además de los compuestos relacionados con los alimentos y la microbiota mencionados anteriormente, las firmas metabolómicas que identificamos también incluyeron otros metabolitos endógenos. Un hallazgo destacable en este sentido fue la acumulación de ácidos grasos y acilcarnitinas en sujetos con EC, lo que podría indicar una β-oxidación alterada, como se describe en otros estudios metabolómicos sobre EC y demencia.
Asimismo, los hallazgos relacionados con la betaína, la DHEAS y el ácido cítrico también podrían reflejar la participación de otras vías metabólicas centrales (p. ej., metabolismo de un carbono, ciclo del ácido tricarboxílico) en la patogénesis de la EC, de acuerdo con la literatura previa.
Las principales fortalezas de nuestro estudio incluyen la aplicación de un enfoque metabolómico sólido y el uso de un diseño prospectivo de base poblacional. Desde un punto de vista analítico, nuestro trabajo proporciona la caracterización más completa del metaboloma alimentario humano realizada hasta la fecha en la investigación sobre EC. Esto se debe a la aplicación de una plataforma metabolómica cuantitativa a gran escala que comprende compuestos relacionados con los alimentos, metabolitos de fase I/II, derivados transformados por la microbiota, así como otros metabolitos involucrados en el metabolismo endógeno.
La aplicación de esta metodología a muestras séricas basales de un ensayo prospectivo a largo plazo con un seguimiento de 12 años ha permitido la investigación de factores de riesgo etiológicos en una fase muy temprana, antes de la EC y la aparición de síntomas de demencia. Además, el uso de dos conjuntos de muestras de casos y controles anidados independientes aumentó considerablemente la fiabilidad de las hipótesis generadas. Sin embargo, también cabe mencionar algunas limitaciones. Solo se disponía de muestras séricas basales para el análisis metabolómico, por lo que no pudimos examinar los cambios longitudinales en el metaboloma alimentario durante el desarrollo de la EC. En este sentido, cabe destacar que el almacenamiento durante 12 años de las muestras del Estudio 3C podría haber afectado a los niveles de algunos metabolitos lábiles, aunque numerosos estudios han demostrado que el almacenamiento a largo plazo en ultracongeladores no influye considerablemente en la composición metabólica sanguínea.
Si bien los metabolitos pueden considerarse biomarcadores dietéticos sustitutos, también son propensos a errores (p. ej., falta de especificidad, factores de variabilidad interindividual), por lo que las posibles asociaciones entre los alimentos y la EC presentadas en este estudio deben interpretarse con cautela. La validación del panel multimetabolito descubierto en el conjunto de muestras de Burdeos presentó un rendimiento predictivo deficiente en la muestra externa de Dijon. Sin embargo, esto no fue especialmente sorprendente, ya que muchos autores han reportado repetidamente resultados inconsistentes y una validación insatisfactoria de los biomarcadores basados ​​en la metabolómica.
Cada vez hay más evidencia que indica que uno de los desafíos más importantes para los estudios de validación de biomarcadores en el campo de la metabolómica podría ser la alta variabilidad intra e interindividual del metaboloma humano, la cual puede surgir de factores genéticos (p. ej., género), temporales (p. ej., ritmo circadiano), ambientales (p. ej., hábitos alimentarios) o microbianos (p. ej., eubiosis/disbiosis).
Esta variabilidad puede resultar en respuestas metabólicas diferentes, pero análogas (p. ej., diferentes metabolitos de la misma vía metabólica) a un estímulo fisiológico o patológico determinado. Por esta razón, el objetivo de nuestro estudio fue validar las hipótesis biológicas generadas en la etapa de descubrimiento, no los metabolitos individuales, utilizando el conjunto de validación externa.

Conclusiones

Nuestros datos prospectivos y validados sugieren que los metabolitos relacionados con los alimentos y derivados de la microbiota pueden desempeñar un papel importante en el desarrollo posterior de la EC. Nuestros resultados respaldan una asociación protectora entre los metabolitos que reflejan el consumo de alimentos ricos en polifenoles (p. ej., frutas y verduras), cacao, café, champiñones y vino tinto con la EC, mientras que otros componentes alimentarios relacionados con dietas poco saludables (p. ej., alcohol, edulcorantes artificiales) podrían tener efectos perjudiciales sobre la cognición. En este sentido, las aparentes paradojas en torno a los binomios café-cafeína y vino tinto-alcohol total merecen mayor investigación.
Encontramos evidencia de alteraciones en las vías metabólicas centrales, como el metabolismo de aminoácidos aromáticos modulado por la microbiota, la β-oxidación de ácidos grasos, entre otras.
Finalmente, nuestro estudio destaca el gran impacto de la variación interindividual en la metabolómica y, en consecuencia, en el adecuado rendimiento de los estudios de validación externa. Curiosamente, aunque muchos de los metabolitos identificados fueron diferentes entre las dos muestras del estudio, estos revelaron asociaciones consistentes entre ciertos patrones de ingesta alimentaria y vías metabólicas centrales con la EC. Esto refuerza no sólo el valor añadido de validar vías biológicas/metabólicas globales en lugar de metabolitos individuales, sino que también destaca la necesidad de ir más allá de los biomarcadores hacia mecanismos y vías en la investigación metabolómica.