Avaliação do estresse oxidativo em modelos de plasticidade ontogenética: papel do resveratrol

A obesidade, cuja origem é multifatorial e a prevalência é crescente em diferentes regiões no mundo, está geralmente associada à produção desregulada de adipocinas, ao aumento do estresse oxidativo e à ocorrência de distúrbios metabólicos como dislipidemia, intolerância à glicose e hipertensão. A Programação Metabólica ou Plasticidade Ontogenética tem sido proposta como um importante fator na etiologia da obesidade. Este fenômeno sugere que alterações nutricionais, hormonais e ambientais durante períodos críticos do desenvolvimento, tais como gestação e lactação, podem alterar a fisiologia e o metabolismo de um organismo provocando o desenvolvimento de distúrbios metabólicos na vida adulta. Neste trabalho foram estudados dois modelos de plasticidade ontogenética que programam ratos Wistar para obesidade na vida adulta: a supernutrição na lactação e o desmame precoce. A supernutrição na lactação provocada pela redução da ninhada causou obesidade, hiperfagia, aumento do estresse oxidativo, resistência hepática à ação da insulina e esteatose nas proles na idade adulta. A desnutrição, provocada pelo desmame precoce, também se associou na idade adulta com obesidade visceral, aumento do estresse oxidativo e esteatose, assim como dislipidemia, resistência à insulina, hipertensão arterial e resistência central à leptina. No modelo de programação pelo desmame precoce, os animais adultos foram tratados com resveratrol (30mg/kg/MC), um polifenol encontrado nas uvas e conhecido por seus efeitos antioxidante e hipoglicemiante, por 30 dias. Os animais programados pelo desmame precoce que receberam resveratrol tiveram massa corporal, gordura visceral e morfologia hepática semelhantes aos animais controles. Ainda, o resveratrol normalizou a pressão arterial, a dislipidemia, a glicemia e as concentrações de adiponectina e leptina. A normalização da leptinemia esteve associada à correção da resistência central à leptina nestes animais, uma vez que o resveratrol normalizou além da ingestão, o conteúdo hipotalâmico de JAK2, pSTAT3 e NPY. Portanto, os animais programados pela supernutrição na lactação ou pelo desmame precoce apresentaram aumento do estresse oxidativo associado à obesidade e alterações metabólicas como esteatose. O tratamento com resveratrol nos animais programados pelo desmame precoce preveniu o aumento de estresse oxidativo, obesidade visceral, resistência à insulina, dislipidemia e esteatose. Além disso, o resveratrol causou normalização da leptinemia nestes animais, assim como da ação deste hormônio no hipotálamo, controlando a hiperfagia característica deste modelo.

Alterações no tecido esplênico de camundongos esquistossomóticos com desnutrição calórica e protéica induzida no período de lactação

Apesar de significativos avanços obtidos no estudo da esquistossomose mansônica, as relações existentes entre esquistossomose e má-nutrição ainda não se acham completamente esclarecidas. Sendo a fase de lactação um período de vida de extrema importância para o indivíduo, alterações metabólicas na gestante podem afetar diretamente o desenvolvimento do feto sugerindo uma programação (imprinting) no metabolismo deste indivíduo em resposta adaptativa aos fatores ambientais encontrados em períodos iniciais de desenvolvimento. Este trabalho teve como objetivo avaliar as características do baço na fase aguda da infecção esquistossomótica de camundongos programados metabolicamente por restrição calórica e restrição protéica. Os baços dos animais eutanasiados na 9 semana de infecção foram submetidos a cortes histológicos (5m) e corados com hematoxilina-eosina. Foi realizada avaliação histopatológica, análise morfométrica e estereologia. A análise estatística foi realizada utilizando-se o programa Graph Pad Instat. Foi observada desorganização estrutural da polpa branca e da polpa vermelha nos grupos programados, independente da presença de infecção. Animais infectados apresentaram hiperplasia e hipertrofia da polpa branca e maior quantidade de pigmentos dispersos no tecido esplênico, bem como a presença de eosinófilos no interior de estruturas vasculares. A polpa branca dos grupos infectados tanto de restrição calórica quanto de restrição protéica apresentaram medidas morfométricas maiores quando comparados aos grupos não infectados. Os resultados estereológicos mostraram que o grupo de restrição calórica infectado apresentou menor densidade de volume de polpa vermelha, enquanto não houve diferenças significativas na densidade de volume de polpa branca. Megacariócitos foram vistos em maior quantidade nos grupos infectados, com ênfase no grupo de restrição protéica. Estes dados sugerem que a programação pela desnutrição materna na lactação e a infecção esquistossomótica provocam desorganização do tecido esplênico.

Efeito da restrição alimentar materna durante a lactação sobre a função ovariana da prole fêmea na puberdade e vida adulta

α.O objetivo deste estudo foi avaliar se a restrição alimentar materna durante a lactação altera a função ovariana da prole na puberdade e na vida adulta. No dia do nascimento da ninhada, as ratas foram separadas aleatoriamente nos seguintes grupos: (C) controle = dieta com 23% de proteína; (PER) restrição protéica calórica = dieta com 8% de proteína. Após o desmame, as proles tiveram livre acesso a dieta com 23% proteína e apenas os animais na fase diestro foram sacrificados com uma dose letal de pentobarbital aos 40 e 90 dias de idade. O sangue foi retirado por punção cardíaca e o soro armazendo para posterior dosagem dos níveis hormonais por radioimunoensaio. O ovário direito foi excisado, pesado e armazenado a 80C para subseqüente avaliação do receptor de androgênio (AR), das isoformas dos receptores de estrogênio (ERα, ERβ1 e ERβ2), do receptor do hormônio folículo estimulante (FSHR), do receptor do hormonio luteinizante (LHR), das isoformas dos receptores de leptina (Ob-R, Ob-Ra and Ob-Rb), e da enzima aromatase pela técnica de RT-PCR. O ovário esquerdo foi incluido em parafina, seccionado em cortes de 5 μm de espessura e processado por análise histológica de rotina, para classificação dos foliculos ovarianos. Na puberdade, o grupo PER apresentou um aumento significativo (p<0,05) no número dos folículos pré-antrais e antrais, enquanto o número de folículos primordiais, folículos de Graaf e corpo lúteo foram reduzidos significativamente (p<0,05). As concentrações sericas de estradiol (pg/ml) foram significativamente aumentadas (p<0,05). Houve aumento significativo na expressão do RNAm dos FSHR (p<0.05) e LHR (p<0.05), e diminuição significativa na expressão do RNAm dos AR (p<0.05), ERα (p<0.05), ERβ1 (p<0.05) e ERβ2 (p<0.05). Na vida adulta, a restrição alimentar causou uma diminuição no número total de folículos ovarianos, entretanto esta redução só foi significativa no número dos folículos primordiais, primários e de Graaf (p<0.05). Houve redução significativa da expressão da enzima aromatase (p<0.01), do FSHR (p<0.05), LHR (p<0.05), Ob-R (p<0.05) e Ob-Rb (p<0.05). Podemos concluir que a restrição alimentar materna durante a lactação causa uma programação metabólica no ovário da prole, alterando a foliculogênese, expressão das diferentes isoformas dos receptores de estrogênio, leptina, androgênio e gonadotropinas e da enzima aromatase. Essa programação, possivelmente decorrente dos baixos níveis de leptina nos primeiros dias de vida, pode contribuir para uma senescência precoce e redução da fertilidade já descrita na literatura.

Análise comportamental de ratos Wistar machos em diferentes idades em um modelo de programação metabólica pela restrição protéica materna durante a lactação

A desnutrição neonatal em ratos resulta em alterações metabólicas e endócrinas nas proles a curto e a longo prazo. Sabe-se que algumas destas alterações, como o conteúdo aumentado de catecolaminas adrenais e a hipercorticosteronemia nos animais adultos estão associadas a alterações comportamentais. Não se sabe, no entanto, se as alterações comportamentais observadas estão presentes desde o insulto original, a desnutrição, ou se estas se desenvolvem ao longo do tempo. Neste sentido, avaliamos em ratos Wistar os efeitos da programação pela restrição protéica materna durante a lactação sobre os parâmetros comportamentais relacionados à ansiedade, à atividade locomotora e à memória/aprendizado em diferentes idades ao longo do desenvolvimento. Ao nascimento das suas proles as progenitoras foram separadas em: Grupo restrição protéica (RP) - que recebeu ração hipoprotéica (8% de proteína) do nascimento ao desmame [dia pós-natal (P) 21], e Grupo CONT (controle) - que recebeu ração normoprotéica neste período. Os seguintes testes comportamentais foram realizados com a prole (21 animais / grupo / idade) em P21, P45, P90 e P180: 1) labirinto em cruz elevado (LCE) - avalia comportamentos associados à ansiedade; 2) campo aberto (CA) - avalia atividade locomotora; 3) labirinto aquático radial de oito braços (LAROB) - avalia memória e aprendizado. Após os testes comportamentais, os animais foram sacrificados por decapitação, o sangue foi coletado para dosagem da corticosterona sérica e a glândula adrenal para quantificação das catecolaminas adrenais. No LCE, os animais RP apresentaram aumentos significativos nas variáveis associadas à ansiedade quando comparado ao grupo CONT somente em P21. No CA foi observada uma redução significativa no número de retângulos percorridos pelo grupo RP somente na idade de P90. No LAROB não identificamos diferenças significativas entre os grupos durante os quatro primeiros dias de teste, independente da idade. No quinto dia de testes (probe trial), o grupo RP mostrou uma diminuição na latência para encontrar a plataforma, em P21 e P180. Quanto à função adrenal, o grupo RP apresentou uma diminuição nos valores de corticosterona sérica em P90, e um aumento no conteúdo de catecolaminas adrenais quando comparado ao grupo CONT em P21 e P180. Nas demais idades analisadas não foram encontradas diferenças significativas entre os grupos. Nossos dados indicam que os animais do grupo RP apresentam: 1) redução do comportamento associado à ansiedade no final do período de lactação; 2) redução da atividade locomotora em adultos jovens; 3) melhora do desempenho de memória e aprendizado no final da lactação e na idade adulta (P180). Adicionalmente, os dados indicam que há uma associação entre alterações nos parâmetros comportamentais e da função adrenal. Podemos concluir que a restrição protéica durante o período de lactação em ratos afeta o comportamento apresentado ao longo da vida e que o padrão temporal dos efeitos varia em função do comportamento estudado.

Impact of neonatal total parenteral nutrition and early glucose-enriched diet on glucose metabolism and physical phenotypes in Guinea Pig

Les oxydants infusés avec la nutrition parentéral (NP) néonatale induisent une modification du métabolisme des lipides et du glucose, donnant lieu à l’âge adulte à un phénotype de carence énergétique (faible poids, baisse de l’activité physique). L’hypothèse qu’une diète précoce riche en glucose prévient ces symptômes plus tard dans la vie, fut évalué chez le cobaye par un ANOVA en plan factoriel complet à deux facteurs (p < 0:05) : NP du jour 3 à 7, suivit d’une nourriture régulière (chow) (NP+) vs. chow à partir du 3ième jour (NP-), combiné avec une eau de consommation enrichie en glucose (G+) ou non (G-) à partir de la 3ième semaine. Les paramètres suivant ont été mesurés à l’âge de 9 semaine: taux de croissance, activité physique, activité de phosphofructokinase-1 et glucokinase (GK), niveau hépatique de glucose-6-phosphate (G6P), glycogène, pyruvate et potentiel redox du glutathion, poids du foie, glycémie, tolérance au glucose, concentrations hépatiques et plasmatiques en triacylglycérides (TG) et cholestérol. Le groupe G+ (vs. G-) avait un taux de croissance plus bas, une activité de GK et une concentration en G6P plus élevée, et un potentiel redox plus bas (moins oxydé). Le niveau plasmatique de TG était moins élevé dans le groupe NP+ (vs. NP-). Les traitements n’eurent aucun effet sur les autres paramètres. Ces résultats suggèrent qu’indépendamment de la NP, une alimentation riche en glucose stimule la glycolyse et déplace l’état redox vers un statut plus réduit, mais ne surmonte pas les effets de la NP sur le phénotype physique de carence énergétique.

Maternal Melatonin Programs the Daily Pattern of Energy Metabolism in Adult Offspring

Background: Shift work was recently described as a factor that increases the risk of Type 2 diabetes mellitus. In addition, rats born to mothers subjected to a phase shift throughout pregnancy are glucose intolerant. However, the mechanism by which a phase shift transmits metabolic information to the offspring has not been determined. Among several endocrine secretions, phase shifts in the light/dark cycle were described as altering the circadian profile of melatonin production by the pineal gland. The present study addresses the importance of maternal melatonin for the metabolic programming of the offspring. Methodology/Principal Findings: Female Wistar rats were submitted to SHAM surgery or pinealectomy (PINX). The PINX rats were divided into two groups and received either melatonin (PM) or vehicle. The SHAM, the PINX vehicle and the PM females were housed with male Wistar rats. Rats were allowed to mate and after weaning, the male and female offspring were subjected to a glucose tolerance test (GTT), a pyruvate tolerance test (PTT) and an insulin tolerance test (ITT). Pancreatic islets were isolated for insulin secretion, and insulin signaling was assessed in the liver and in the skeletal muscle by western blots. We found that male and female rats born to PINX mothers display glucose intolerance at the end of the light phase of the light/dark cycle, but not at the beginning. We further demonstrate that impaired glucose-stimulated insulin secretion and hepatic insulin resistance are mechanisms that may contribute to glucose intolerance in the offspring of PINX mothers. The metabolic programming described here occurs due to an absence of maternal melatonin because the offspring born to PINX mothers treated with melatonin were not glucose intolerant. Conclusions/Significance: The present results support the novel concept that maternal melatonin is responsible for the programming of the daily pattern of energy metabolism in their offspring.

Fetal growth restriction results in remodeled and less efficient hearts in children

Background— Fetal growth restriction (FGR) affects 5% to 10% of newborns and is associated with increased cardiovascular mortality in adulthood. The most commonly accepted hypothesis is that fetal metabolic programming leads secondarily to diseases associated with cardiovascular disease, such as obesity, diabetes mellitus, and hypertension. Our main objective was to evaluate the alternative hypothesis that FGR induces primary cardiac changes that persist into childhood. Methods and Results— Within a cohort of fetuses with growth restriction identified in fetal life and followed up into childhood, we randomly selected 80 subjects with FGR and compared them with 120 normally grown fetuses, matched for gender, birth date, and gestational age at birth. Cardiovascular assessment was performed in childhood (mean age of 5 years). Compared with control subjects, children with FGR had a different cardiac shape, with increased transversal diameters and more globular cardiac ventricles. Although left ejection fraction was similar among the study groups, stroke volume was reduced significantly, which was compensated for by an increased heart rate to maintain output in severe FGR. This was associated with subclinical longitudinal systolic dysfunction (decreased myocardial peak velocities) and diastolic changes (increased E/E' ratio and E deceleration time). Children with FGR also had higher blood pressure and increased intima-media thickness. For all parameters evaluated, there was a linear increase with the severity of growth restriction. Conclusions— These findings suggest that FGR induces primary cardiac and vascular changes that could explain the increased predisposition to cardiovascular disease in adult life. If these results are confirmed, the impact of strategies with beneficial effects on cardiac remodeling should be explored in children with FGR.

Early nutritional programming in fish: tailoring the metabolic use of dietary carbohydrates

Tese de doutoramento, Ciências da Vida, do Mar, da Terra e do Ambiente (Nutrição), Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

On the use of qualitative reasoning to simulate and identify metabolic pathways

King, R.D., Garrett, S.M., Coghill, G.M. (2005). On the use of qualitative reasoning to simulate and identify metabolic pathways. Bioinformatics 21(9):2017-2026 RAE2008

Cardiovascular and metabolic abnormalities in the offspring of diabetic pregnancy

Aims/hypothesis. Maternal fuel metabolism is known to exert long range effects on the later development of children of diabetic mothers. Recently cardiovascular disease in adult life has been linked retrospectively with foetal malnutrition. The aim of this study was to identify whether markers for fuel-related cardiovascular programming exist for the offspring of diabetic pregnancy.

Developmental programming: Deficits in reproductive hormone dynamics and ovulatory outcomes in prenatal, testosterone-treated sheep

Prenatal testosterone excess leads to neuroendocrine, ovarian, and metabolic disruptions, culminating in reproductive phenotypes mimicking that of women with polycystic ovary syndrome (PCOS). The objective of this study was to determine the consequences of prenatal testosterone treatment on periovulatory hormonal dynamics and ovulatory outcomes. To generate prenatal testosterone-treated females, pregnant sheep were injected intramuscularly (days 30-90 of gestation, term = 147 days) with 100 mg of testosterone-propionate in cottonseed oil semi-weekly. Female offspring born to untreated control females and prenatal testosterone-treated females were then studied during their first two breeding seasons. Sheep were given two injections of prostaglandin F-2alpha 11 days apart, and blood samples were collected at 2-h intervals for 120 h, 10-min intervals for 8 h during the luteal phase (first breeding season only), and daily for an additional 15 days to characterize changes in reproductive hormonal dynamics. During the first breeding season, prenatal testosterone-treated females manifested disruptions in the timing and magnitude of primary gonadotropin surges, luteal defects, and reduced responsiveness to progesterone negative feedback. Disruptions in the periovulatory sequence of events during the second breeding season included: 1) delayed but increased preovulatory estradiol rise, 2) delayed and severely reduced primary gonadotropin surge in prenatal testosterone-treated females having an LH surge, 3) tendency for an amplified secondary FSH surge and a shift in the relative balance of FSH regulatory proteins, and 4) luteal responses that ranged from normal to anovulatory. These outcomes are likely to be of relevance to developmental origin of infertility disorders and suggest that differences in fetal exposure or fetal susceptibility to testosterone may account for the variability in reproductive phenotypes.

Porcine models for the metabolic syndrome, digestive and bone disorders: a general overview

The aim of this review article is to provide an overview of the role of pigs as a biomedical model for humans. The usefulness and limitations of porcine models have been discussed in terms of metabolic, cardiovascular, digestive and bone diseases in humans. Domestic pigs and minipigs are the main categories of pigs used as biomedical models. One drawback of minipigs is that they are in short supply and expensive compared with domestic pigs, which in contrast cost more to house, feed and medicate. Different porcine breeds show different responses to the induction of specific diseases. For example, ossabaw minipigs provide a better model than Yucatan for the metabolic syndrome as they exhibit obesity, insulin resistance and hypertension, all of which are absent in the Yucatan. Similar metabolic/physiological differences exist between domestic breeds (e.g. Meishan v. Pietrain). The modern commercial (e.g. Large White) domestic pig has been the preferred model for developmental programming due to the 2- to 3-fold variation in body weight among littermates providing a natural form of foetal growth retardation not observed in ancient (e.g. Meishan) domestic breeds. Pigs have been increasingly used to study chronic ischaemia, therapeutic angiogenesis, hypertrophic cardiomyopathy and abdominal aortic aneurysm as their coronary anatomy and physiology are similar to humans. Type 1 and II diabetes can be induced in swine using dietary regimes and/or administration of streptozotocin. Pigs are a good and extensively used model for specific nutritional studies as their protein and lipid metabolism is comparable with humans, although pigs are not as sensitive to protein restriction as rodents. Neonatal and weanling pigs have been used to examine the pathophysiology and prevention/treatment of microbial-associated diseases and immune system disorders. A porcine model mimicking various degrees of prematurity in infants receiving total parenteral nutrition has been established to investigate gut development, amino acid metabolism and non-alcoholic fatty liver disease. Endoscopic therapeutic methods for upper gastrointestinal tract bleeding are being developed. Bone remodelling cycle in pigs is histologically more similar to humans than that of rats or mice, and is used to examine the relationship between menopause and osteoporosis. Work has also been conducted on dental implants in pigs to consider loading; however with caution as porcine bone remodels slightly faster than human bone. We conclude that pigs are a valuable translational model to bridge the gap between classical rodent models and humans in developing new therapies to aid human health.

Identification of potential drug targets in Salmonella Typhimurium using metabolic modelling and experimental validation

almonella enterica serovar Typhimurium is an established model organism for Gram-negative, intracellular pathogens. Owing to the rapid spread of resistance to antibiotics among this group of pathogens, new approaches to identify suitable target proteins are required. Based on the genome sequence of Salmonella Typhimurium and associated databases, a genome-scale metabolic model was constructed. Output was based on an experimental determination of the biomass of Salmonella when growing in glucose minimal medium. Linear programming was used to simulate variations in energy demand, while growing in glucose minimal medium. By grouping reactions with similar flux responses, a sub-network of 34 reactions responding to this variation was identified (the catabolic core). This network was used to identify sets of one and two reactions, that when removed from the genome-scale model interfered with energy and biomass generation. 11 such sets were found to be essential for the production of biomass precursors. Experimental investigation of 7 of these showed that knock-outs of the associated genes resulted in attenuated growth for 4 pairs of reactions, while 3 single reactions were shown to be essential for growth.

Endurance training in early life results in long-term programming of heart mass in rats

Being born small for gestational age increases the risk of developing adult cardiovascular and metabolic diseases. This study aimed to examine if early-life exercise could increase heart mass in the adult hearts from growth restricted rats. Bilateral uterine vessel ligation to induce uteroplacental insufficiency and fetal growth restriction in the offspring (Restricted) or sham surgery (Control) was performed on day 18 of gestation in WKY rats. A separate group of sham litters had litter size reduced to five pups at birth (Reduced litter), which restricted postnatal growth. Male offspring remained sedentary or underwent treadmill running from 5 to 9 weeks (early exercise) or 20 to 24 weeks of age (later exercise). Remarkably, in Control, Restricted, and Reduced litter groups, early exercise increased (P < 0.05) absolute and relative (to body mass) heart mass in adulthood. This was despite the animals being sedentary for ~4 months after exercise. Later exercise also increased adult absolute and relative heart mass (P < 0.05). Blood pressure was not significantly altered between groups or by early or later exercise. Phosphorylation of Akt Ser(473) in adulthood was increased in the early exercise groups but not the later exercise groups. Microarray gene analysis and validation by real-time PCR did not reveal any long-term effects of early exercise on the expression of any individual genes. In summary, early exercise programs the heart for increased mass into adulthood, perhaps by an upregulation of protein synthesis based on greater phosphorylation of Akt Ser(473).