In recent years a growing increase in individuals affected by metabolic syndrome (MetS) has been highlighted. MetS is a complex cluster of metabolic dysregulations including, among others, insulin resistance and atherogenic dyslipidemia. The dysbiosis of the gut microbiota is one of the most important pathogenic factors in MetS, due to the ability of microbiota to convert a vast number of substrates introduced through diet. Therefore, these microorganisms produce molecules that could affect biological processes in our organism. In recent years, there has been a growing interest in these bioactive compounds and their effect on the organism which could be either positive or negative. Trimethylamine N-oxide (TMAO) and indole-3-propionic acid (IPA) are two of these bioactive compounds, and they have received special attention for their role in the physiopathology of different compartments of our organism. TMAO is synthesized from its precursors, primarily choline, L-carnitine, and ergothioneine, which are found in foodstuff, thanks to the metabolism of the colon flora. Its role as an osmolyte is known (especially in sea animals) as well as the one of macromolecular stabilizers. At the same time, in the last years, it has emerged that high plasma levels of TMAO are a risk index for cardiovascular disease, diabetes, and kidney failure. However, its direct contribution to the development of such dysfunctions is still controversial. IPA is synthesized from tryptophan metabolism thanks to gut flora, and, in this case, too there are controversial studies on its relationship with cardiovascular diseases, while the beneficial anti-inflammatory and antioxidant effects that it can exert on other compartments are well known, especially in the central nervous system. The aim of my work is to assess the role of these two molecules in the variation of ROS (reactive oxygen species) production in C2C12 murine myoblasts cells, which can differentiate into myotubes, and the role of TMAO in the glucose uptake of these cells. Cell viability, oxidative stress, and glucose uptake indicators were monitored after prolonged treatment (24 hours). Neither of the two molecules was cytotoxic, and no case of different IPA concentrations showed either oxidant or antioxidant activity, both in the cases of cells treated with menadione (that induces oxidative stress) and in basal conditions. On the other hand, the lower concentrations of TMAO reduced the ROS concentration in the cells treated with menadione. Moreover, , TMAO showed a stimulating effect on glucose uptake of C2C12 cells. These results represent a starting point for understanding the TMAO effects, especially for its antioxidant and protective role against insulin-resistance. Finally, the study of this thesis provides new knowledge on the role of metabolites produced by intestinal microbiota in modulating host metabolism, confirming the interest of biomedical research in the relationship between diet, microbiota, and physiopathological mechanisms.
Negli ultimi anni è stato evidenziato un crescente aumento del numero di individui affetti da sindrome metabolica, definita da un complesso quadro patologico caratterizzato da un insieme di fattori di rischio, tra cui insulino-resistenza e aterosclerosi. Un importante contributo per lo sviluppo della sindrome metabolica è dato dalla disbiosi intestinale, condizione caratterizzata da un alterato equilibrio dei microrganismi che compongono il microbiota intestinale; questi microrganismi hanno la capacità di metabolizzare diversi substrati introdotti con la dieta e quindi produrre molecole che possono avere un effetto biologico sull’organismo. Negli ultimi tempi è aumentato l’interesse nei confronti di queste molecole, biologicamente attive, e dei loro potenziali effetti positivi o negativi sull’organismo. Tra le molecole derivate dal microbiota intestinale, hanno ricevuto particolare attenzione l’ossido di trimetilammina (TMAO) e l’acido-3-indol propionico (IPA), per il loro ruolo nella fisiopatologia di diversi apparati. TMAO viene prodotto a partire da cibi contenenti L-carnitina, colina o ergotioneina grazie al metabolismo di diversi batteri presenti nel colon; è noto il suo ruolo come osmolita (soprattutto negli organismi marini) e come stabilizzatore di macromolecole, mentre, negli ultimi anni, è stato osservato il collegamento tra la molecola presente a elevate concentrazioni nel plasma e l’aumento del rischio cardiovascolare, diabete e insufficienza renale, anche se il suo contributo diretto nello sviluppo di tali disfunzioni è ancora controverso. IPA viene prodotto dai batteri intestinali a partire dal triptofano introdotto con la dieta: anche in questo caso sono presenti studi controversi sulla sua relazione con le patologie cardiovascolari, mentre sono noti gli effetti benefici antinfiammatori e antiossidanti che può esercitare su altri apparati, in particolare a livello del sistema nervoso centrale. Lo scopo del mio lavoro è stato quello di verificare il ruolo delle due molecole nella variazione della produzione di ROS (specie reattive dell’ossigeno) nelle cellule di mioblasti murini C2C12 differenziate in miotubi e il ruolo di TMAO nell’assorbimento di glucosio in queste cellule. La vitalità cellulare e lo stress ossidativo sono stati monitorati dopo un trattamento prolungato di 24 ore, così come il ruolo di TMAO sull’assorbimento del glucosio. Nessuna delle due molecole è risultata tossica per le cellule C2C12; nessuna concentrazione di IPA ha avuto effetti sulla variazione della produzione dei ROS né nelle cellule trattate con menadione (molecola che induce stress ossidativo), né nella condizione basale; per contro, le concentrazioni più basse di TMAO (10 nM, 100 nM, 1µM) hanno ridotto la concentrazione di ROS nelle cellule pretrattate con menadione. Inoltre TMAO mostra avere un effetto stimolatorio sull’assorbimento del glucosio da parte dei miotubi C2C12. Questi risultati preliminari potrebbero aprire nuovi scenari nella comprensione degli effetti di TMAO, in particolare rispetto ad un suo potenziale ruolo antiossidante e protettivo nei confronti della condizione di insulino-resistenza. Inoltre lo studio condotto in questa tesi fornisce nuove conoscenze sul ruolo di metaboliti prodotti dal microbiota intestinale nella modulazione del metabolismo dell’ospite, confermando l’interesse della ricerca biomedica nella relazione tra la dieta, il microbiota e i meccanismi fisiopatologici.
Ruolo fisiopatologico dell'ossido di trimetilammina e dell'acido indol-3-propionico, due molecole derivate tra l'interazione tra la dieta e il microbiota intestinale: studio in vitro sui mioblasti
FABBROCINO, ELENA
2023/2024
Abstract
Negli ultimi anni è stato evidenziato un crescente aumento del numero di individui affetti da sindrome metabolica, definita da un complesso quadro patologico caratterizzato da un insieme di fattori di rischio, tra cui insulino-resistenza e aterosclerosi. Un importante contributo per lo sviluppo della sindrome metabolica è dato dalla disbiosi intestinale, condizione caratterizzata da un alterato equilibrio dei microrganismi che compongono il microbiota intestinale; questi microrganismi hanno la capacità di metabolizzare diversi substrati introdotti con la dieta e quindi produrre molecole che possono avere un effetto biologico sull’organismo. Negli ultimi tempi è aumentato l’interesse nei confronti di queste molecole, biologicamente attive, e dei loro potenziali effetti positivi o negativi sull’organismo. Tra le molecole derivate dal microbiota intestinale, hanno ricevuto particolare attenzione l’ossido di trimetilammina (TMAO) e l’acido-3-indol propionico (IPA), per il loro ruolo nella fisiopatologia di diversi apparati. TMAO viene prodotto a partire da cibi contenenti L-carnitina, colina o ergotioneina grazie al metabolismo di diversi batteri presenti nel colon; è noto il suo ruolo come osmolita (soprattutto negli organismi marini) e come stabilizzatore di macromolecole, mentre, negli ultimi anni, è stato osservato il collegamento tra la molecola presente a elevate concentrazioni nel plasma e l’aumento del rischio cardiovascolare, diabete e insufficienza renale, anche se il suo contributo diretto nello sviluppo di tali disfunzioni è ancora controverso. IPA viene prodotto dai batteri intestinali a partire dal triptofano introdotto con la dieta: anche in questo caso sono presenti studi controversi sulla sua relazione con le patologie cardiovascolari, mentre sono noti gli effetti benefici antinfiammatori e antiossidanti che può esercitare su altri apparati, in particolare a livello del sistema nervoso centrale. Lo scopo del mio lavoro è stato quello di verificare il ruolo delle due molecole nella variazione della produzione di ROS (specie reattive dell’ossigeno) nelle cellule di mioblasti murini C2C12 differenziate in miotubi e il ruolo di TMAO nell’assorbimento di glucosio in queste cellule. La vitalità cellulare e lo stress ossidativo sono stati monitorati dopo un trattamento prolungato di 24 ore, così come il ruolo di TMAO sull’assorbimento del glucosio. Nessuna delle due molecole è risultata tossica per le cellule C2C12; nessuna concentrazione di IPA ha avuto effetti sulla variazione della produzione dei ROS né nelle cellule trattate con menadione (molecola che induce stress ossidativo), né nella condizione basale; per contro, le concentrazioni più basse di TMAO (10 nM, 100 nM, 1µM) hanno ridotto la concentrazione di ROS nelle cellule pretrattate con menadione. Inoltre TMAO mostra avere un effetto stimolatorio sull’assorbimento del glucosio da parte dei miotubi C2C12. Questi risultati preliminari potrebbero aprire nuovi scenari nella comprensione degli effetti di TMAO, in particolare rispetto ad un suo potenziale ruolo antiossidante e protettivo nei confronti della condizione di insulino-resistenza. Inoltre lo studio condotto in questa tesi fornisce nuove conoscenze sul ruolo di metaboliti prodotti dal microbiota intestinale nella modulazione del metabolismo dell’ospite, confermando l’interesse della ricerca biomedica nella relazione tra la dieta, il microbiota e i meccanismi fisiopatologici.| File | Dimensione | Formato | |
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