The Effects of High Fat Feeding on the Metabolomics of Heart, Kidney and Skeletal Muscle in C57BL6J Mice as Analysed by 1H NMR

Abstract

A doença do fígado gordo não alcoólico (NAFLD) é uma manifestação hepática associada à síndrome metabólica, com uma prevalência mundial documentada de 25% em 2020 e com tendência para um aumento da sua incidência no futuro. A NAFLD adquiriu um interesse e preocupação global devido ao rápido crescimento da sua prevalência ao longo dos últimos anos, enquanto os métodos de diagnóstico e tratamento atuais continuam incomparáveis à dimensão do problema. Atualmente nenhuma despistagem de rotina está disponível, sendo as técnicas de diagnóstico caras, invasivas e com alto risco associado. Tirando intervenções básicas, como mudanças no estilo de vida e perda de peso, não há nenhum tratamento farmacológico atualmente aprovado para a NAFLD.Dietas ricas em gorduras são conhecidas por induzir a patologia de NAFLD em murganhos C57BL6J, juntamente com aumento de peso e desenvolvimento de resistência à insulina. Estes modelos mimetizam a ingestão calórica das sociedades ocidentais, que é considerados o principal motor na evolução da NAFLD. A maioria dos estudos metabólicos têm-se focado no fígado ou em bio-fluídos, mas tecidos como o coração, rim e músculo esquelético têm sido largamente desconsiderados e podem fornecer informação metabólica crucial no efeito da doença nos restantes órgãos. A metabolómica por Ressonância Magnética Nuclear (RMN) pode oferecer uma visão global de sistemas complexos, com capacidade de identificar e quantificar metabolitos de uma variedade de amostras, potenciando a descoberta de biomarcadores ou interações relevantes. Dois grupo de 16murganhos C57BL6J foram alimentados com uma dieta com alto teor de gordura ou com uma dieta controlo durante 18 semanas e as frações aquosas do músculo cardíaco, rim e músculo esquelético foram analisadas por análise multivariada de 1H RMN. O peso dos murganhos do grupo de dieta de alta gordura variou significativamente desde a quarta semana. Os extratos da fase aquosa revelaram que a cinética do ciclo de Randle estava desregulada nos três tecidos, particularmente no coração, com um aumento no piruvato, alanina e succinato e diminuição no malonato, enquanto os rins e o músculo tinham um perfil menos marcado. Variações nos níveis das acilcarnitinas também foram encontradas, sugerindo alterações no metabolismo lipídico. A microbiota intestinal também apresentou indícios de alteração nas suas dinâmicas, com diminuição em 6 aminoácidos e subprodutos da dieta nos três tecidos, nomeadamente na treonina, glicina, metionina, fumarato, dimetilamina e trimetilamina. Este último, trimetilamina, mostrou uma significativa redução em todos os tecidos e foi destacada por todos os modelos da análise multivariada em sugerindo uma possível importância deste metabolito como um biomarcador.Globalmente, estes resultados sugerem uma alteração metabólica da degradação da glucose para a oxidação dos ácidos gordos, acompanhado de stress oxidativo e isquémico, assim como um impacto na flora microbiana intestinal. Apesar dos modelos da análise multivariada terem pouco poder preditivo, estes resultados oferecem um entendimento aprofundado nos diferentes tecidos dos mecanismos envolvidos em modelos de NAFLD induzida pela alimentação

Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is a hepatic manifestation associated to the metabolic syndrome, with reports showing a worldwide prevalence of 25% in 2020 and suggesting an increased incidence in the future. NAFLD has gained global interest and concern due to a rapid growth in prevalence over recent years, while current diagnostic and treatment protocols are lagging behind. Currently no routine screening is available, with diagnosis tools being costly, invasive and risky. Aside from basic interventions such as lifestyle alterations and weight loss programs, there is currently no pharmacological treatment approved for NAFLD.High-fat diets are known to induce the NAFLD pathology in C57BL6J mice, alongside weight increase and development of insulin resistance. These models mimic the caloric intake of a Western diet, which is considered a major driver of NAFLD. Most metabolic studies have been focused on the liver or bio fluids but tissues such as the heart, kidney or skeletal muscle have been largely disregarded and can provide some crucial metabolic cues on the impact of the disease in extrahepatic organs. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) metabolomics can provide a global overview of complex systems, with the ability to identify and quantify metabolites from a variety of samples, possibly uncovering biomarkers or relevant interactions.Two groups of 12 C57BL6J mice were fed with high-fat chow or standard chow for 18 weeks and the aqueous extracts of heart, kidney and skeletal muscle were analysed by 1H NMR multivariate analysis. Mice weight of the high fat-diet group significantly increased since 4th week. Aqueous extracts revealed dysregulated Randle cycle kinetics in all three tissues, particularly in the heart tissue, with increased pyruvate, alanine and succinate, and decreased malonate, while the kidney and skeletal muscle had a less pronounced profile. Variations in the acylcarnitines levels in the cardiac and renal extracts were also found, suggesting alterations in the lipid metabolism. There were cues for gut microbiota altered dynamics, as six amino acids and dietary by-products, such as threonine, glycine, methionine, fumarate, dimethylamine and trimethylamine were shown to be depleted across all three tissues. Trimethylamine had significantly decreased levels in all tissues and was highlighted by all multivariate analysis models, suggesting the possible relevance of this metabolite as a biomarker.Overall, the results suggest a metabolic switch from glucose degradation into fatty acid oxidation, accompanied by oxidative and ischemic stress markers, as well as an impact to the gut microbiota flora. Although the multivariate models lacked predictive power, these results provided an integrated multi-tissue insight in the systemic mechanisms involved in a diet-induced NAFLD model.