AF y Nutrigenomica_2014.pdf

Alimentos funcionales y nutrigenómica
Nuevas tendencias en alimentos, nutrición y salud
1
La visión
desde los mercados y la industria
Demandas existentes y relevadas
2
Segmentación de mercados
Estado de
ánimo
TGI/distres
BB/Niños
Salud GI
Adultos
mayores
Manejo peso
corporal
Stress
Energía
Energía-alto
rendimiento
Salud CV
3ra edad
Adultos
mayores
Mayores
de los
mayores
3
La visión
desde los ámbitos científico-académicos
Demandas futuras
4
Los “nuevos términos”
Hormesis
Nutricinética
Nutridinámica
Nutritargeting
Nutrigenómica
5
Saludable
Enfermedad crónica
6
Intensidad de respuesta
*
cantidad y frecuencia del consumo
7
Genómica nutricional: Nutrigenómica y Nutrigenética
Interacción dieta – genoma humano
Interacción SNPs – requerimientos / enfermedades
8
Secuencia genoma humano
Transcriptoma, Proteoma, metaboloma
Desde las variaciones genéticas humanas
Predicción de riesgos y
respuestas a químicos dietarios y medio ambiente
9
Susceptibilidad
Severidad
Factores genéticos
Progresión
Resistencia
10
Eslabones en la cadena de estudio
 Variaciones genéticas humanas
 Asociaciones gen/variantes - enfermedad
 Interacciones gen – nutrientes y respuesta a enfermedad
 Alimentos diseñados / perfil genético
11
 Variaciones genéticas humanas
1000 Genomes
A Deep Catalog of Human Genetic Variation
http://www.1000genomes.org/
- NGS platforms = reducción sensible de costos de secuenciación
- Secuenciación del genoma de muchas personas (2500) para proveer una fuente a
gran escala de las variaciones genéticas humanas
-Objetivo: encontrar la mayor cantidad de variaciones genéticas con frecuencias de
por lo menos 1% en la población estudiada.
In genome-wide association (GWA) studies, researchers aim to discover regions of the
genome that are associated with particular diseases or traits
The Project plans to publish global analyses of the sequence data and quality, SNPs and structural
variants, haplotypes and LD patterns, population genetic phenomena such as population comparisons,
mutation rates, and signals of selection, and functional annotations, as well as analyses of regions of
general interest such as HLA
12
1000 Genomes
A Deep Catalog of Human Genetic Variation
• A map of human genome variation from population-scale sequencing,
Nature 2010: SNPs. 15 mill SNPs
55%
• Diversity of human copy number variation and multicopy genes, Science
2010: variación en el número de copias
• Cada individuo difiere del genoma de referencia por:
~3 million SNPs although individuals vary
10,000 to 11,000 nonsynonymous sites (i.e., changes protein coding)
10,000 to 12,000 synonymous sites (changes in base but not a change in
protein coding)
190 – 210 in-frame indels (insertion or deletions in a sequence)
80 – 100 premature stop codons
40 – 50 splice site destroying variants.
220 – 250 deletions that result in frame shift.
Between 50 to 100 variants in the Human Gene Mutation Database
(http://www.hgmd.cf.ac.uk/ac/index.php)
13
1000 Genomes
A Deep Catalog of Human Genetic Variation
FASE 1
1167 muestras de 13 poblaciones (secuenciación en 2010 y ppios 2011)
An integrated map of genetic variation from 1,092 human genomes
Nature: 491, 56–65 (November 2012)
FASE 2:
633 muestras de 7 poblaciones (secuenciación 2011)
FASE 3
700 muestras (secuenciación fines 2011)
14
Enero 2014
15
16
Eslabones en la cadena de estudio
 Variaciones genéticas humanas
 Asociaciones gen/variantes - enfermedad
 Interacciones gen – nutrientes y respuesta a enfermedad
 Alimentos diseñados / perfil genético
17
 Variaciones genéticas humanas
 Asociaciones gen/variantes - enfermedad
http://www.humanvariomeproject.org/
sharing data · reducing disease
Human Variome Project International Limited es una compañia pública
australiana sin fines de lucro. Fue fundada en 2010 (Profesor Richard
Cotton). Universidad de Melbourne, Australia (Genomic Disorders Research
Centre)
Estudio de las variaciones genéticas humanas y sus implicancias sobre la
salud. Organización de la información en forma comprensible (571 bases de
datos)
18
 Variaciones genéticas humanas
 Asociaciones gen/variantes - enfermedad
http://www.humanvariomeproject.org/
sharing data · reducing disease
-HVP: worldwide collection and sharing of all genetic variations effecting
human disease.
The Human Variome Project Consortium envisions a world where the
availability of and access to genetic variation information is not an
impediment to diagnosis and treatment; where the burden of genetic disease
on the human population is significantly decreased; and where the sharing of
genetic variation information is standard clinical practice.
19
sharing data · reducing disease
• Cartera de proyectos a 10 años, 5000 genes involucrados en
enfermedades humanas (Mapa de ruta 2012-2016 y 2016-2020)
•China invirtió U$S300 millones
•40 paises compartiendo la información en las bases de datos
•Programas de entrenamiento e iniciativas para compartir conocimiento
diseñadas para construir capacidades en genética médica y genómica en
paises de ingresos medios y bajos
20
Eslabones en la cadena de estudio
 Variaciones genéticas humanas
 Asociaciones gen/variantes - enfermedad
 Interacciones gen – nutrientes y respuesta a enfermedad
 Alimentos diseñados / perfil genético
21
 Interacciones gen – nutrientes y respuesta a enfermedad
Etiología multifactorial
CVD
DBT
SM
Genes – enfermedad
Genes – Nutrientes
ML
CR
OP
OB
*
Otras
22
Mecanismos
epigenéticos
Estilo de vida

Medio ambiente
*
23
Origen genético de ECM
2 teorías
Variante común / enfermedad común
Frecuencia > 1% en la población (común)
Multilocus / Multialelos
Frecuencia < 1% en la población (raros)
Genome Biology; (http://genomebiology.com/2001/2/8/comment/2007.1)
24
Eslabones en la cadena de estudio
 Variaciones genéticas humanas
 Asociaciones gen/variantes - enfermedad
 Interacciones gen – nutrientes y respuesta a enfermedad
 Alimentos diseñados / perfil genético
25
 Alimentos diseñados / perfil genético
Optimizar la dieta
Optimizar la salud
Identificar y corregir
desequilibrios nutricionales
Diseño de alimentos –
compuestos bioactivos
Compuestos bioactivos
Actividad biológica sobre alguna/s vía metabólica
Reducción del riesgo de enfermedades crónicas
Mejora de la calidad de vida
26
 Alimentos diseñados / perfil genético
Alimentos Funcionales
“adecuados para todos”
Alimentos diseñados para sub-grupos poblacionales
“óptimos para sub-grupos poblacionales con
necesidades nutricionales particulares”
27
28
Alimentos diseñados
Actividad biológica
Complejidad
Desafío
Variable
Parámetros diversos
Vehiculización
Interacción entre
compuestos
Proporciones entre
compuestos
Tecnología de
procesamiento
Biodisponibilidad y
metabolización
Interacción con la
matriz
Cantidad y frecuencia de
consumo
29
Alimentos-nutrición-salud
Aspectos de intersección
Trabajo multidisciplinario
30
Biología de plantas
Biotecnología
*Genómica funcional
*Técnicas post-genómicas
-Generación de conocimiento
-Aplicación mediata
“Genetics & Chemistry, sharing a language of discovery”
Chemistry or Biology: which come first after the genome is sequence?
Biología de mamíferos
Genética - Química
-Fluídos
-Tejidos
*Genómica funcional
*Técnicas post-genómicas
*Búsqueda orientada de biomarcadores
Mejoramiento vegetal /
Ingeniería metabólica
Regulación de vías
Materias primas requeridas
Nutrición
Procesos biológicos:
Interpretación en términos fenotípicos y moleculares
31
Decades of research on metabolism, and more recently genome-based reconstructions,
have produced detailed metabolic maps, which - for many organisms - include several
hundreds of different intermediates and connecting enzymatic reactions. Despite this
detailed knowledge on network topology, our capacity to predict metabolic responses to
environmental stimuli or genetic perturbations is still very limited. The major burden is the
lack of direct data on in vivo network operation to infer the regulatory mechanisms
governing metabolic activity.
To overcome this informational gap, our lab researches novel concepts and tools that
monitors state and activity of metabolic networks. In particular, we strive to develop
generally applicable, data-driven approaches that can cope with the complexity of higher
cells or dynamic systems. The primary technologies used in the lab are mass spectrometry
and fluorescent microscopy. In addition, we code novel software for data processing and
mining.
32
¿Cómo abordamos el objeto de estudio?
33
Enfoque experimental
Convergencia
Reduccionista
Holístico
Biología de Sistemas
modelización matemática de
los procesos en estudio
34
Cell Symposia
Genetics and Chemistry: Sharing a Language of Discovery
May 23 - 25, 2012
Boston Marriott Cambridge, Cambridge, MA, USA
These days, genome sequencing is becoming cheaper and more accessible by the hour. This
wealth of human DNA sequence data offers insight into genomic structure and organization as
well as clues to how disease states like cancer alter and are altered by DNA.
This meeting will look at interpreting this information, appreciating its implications for basic
cellular mechanisms and using this resource to inform therapies to promote human health. Two
fields are uniquely positioned to foster this process - human genetics and chemical biology,
and this meeting will highlight the growing intersections between the fields.
Speakers from diverse disciplines will present recent advances in human genome analysis with
an emphasis on disease states, look at how genetics informs basic cell biology and how it is
transforming medicine. They will highlight recent progress in using chemical approaches to
develop small molecule tools and drug discovery leads that will aid in translating the language
of genetics into the language of pharmacology and medicine. The meeting aims to encourage
collaboration between the fields and form a community, speaking a shared language that can
drive discovery.
35
36
Epigenetics of Royalty
Chittka A, Chittka L (2010). PLoS Biol 8(11):
e1000532. doi:10.1371/journal.pbio.1000532
37
38
Nutrición
Procesos biológicos:
Interpretación en términos fenotípicos
Reduccionista
39
Algunos resultados experimentales
40
Estudios de actividad biológica en modelo animal
•Compuestos aislados
•Combinados
•Distintas dosis
• Incluidos en la matriz completa de un alimento
Polifenoles
FOS
Cebolla
Vitamina E
Tomate
41
Polifenoles
Grupo complejo de moléculas presentes en el Reino Vegetal
Función en las plantas
Defensa frente a patógenos
Protección frente a la radiación UV y el estrés oxidativo
Defensa frente a depredadores
Moléculas de señalización
Función estructural
Factores que regulan actividad hormonal (crecimiento y reproducción)
42
Polifenoles
Efectos beneficiosos para la salud
Anti-trombóticos
Antioxidantes
Efectos inmunológicos
Anti-carcinogénicos
Anti-aterogénicos
Anti-microbianos
Vasodilatadores, analgésicos, otras.
43
Fructo-oligosacáridos
Carbohidratos
Oligosacáridos de fructosa (3 a 10 u)
Función en las plantas
Carbohidratos de reserva en algunas especies vegetales
Reguladores osmóticos
Protección frente a bajas temperaturas
44
FOS
Efectos beneficiosos para la salud
Fibra dietaria soluble
Prebióticos
Metabolismo lipídico
Efectos inmunológicos
Regulación de la glucemia
Absorción de calcio
Disminución riesgo cáncer colónico
45
Allium cepa L.
Compuestos polifenólicos
Fructo-oligosacáridos
46
Estudio de actividad biológica en modelo animal
Actividad sobre sistema inmune de mucosa intestinal
47
Sistema inmune de mucosas
Epitelios mucosos: sitios 1rios de entrada de ag
Inmunidad
Innata
Adaptativa
LT
LB
Reconocimiento y respuesta
antigénica específica
Tipos celulares
funcionalmente diferentes
Patrón secretor de citoquinas
definido
Cada célula programada para
anticuerpo-antígeno
específico
48
Mucosa
intestinal - LP
49
Producción de IgA
Protección inmune sin compromiso de la barrera epitelial
Sin inflamación
50
Tolerancia oral, alergia, IgE
Falta de respuesta inmunitaria a Ag de mucosa = Tolerancia oral
Células Dendríticas tolerogénicas (TGFb1 y Ácido Retinoico)
Inducción de Treg (CD4+CD25+FoxP3+)
IgE = Trastornos alérgicos
Interacción con receptores de alta afinidad sobre mastocitos y
basófilos
Potente inductor de inflamación
51
Animales: ratas cepa Wistar
Ensayos: 2
Modelo: inmunodeficiencia secundaria a malnutrición proteica
Órganos, tejidos y fluidos
Intestino
Ganglios mesentéricos
Fluido intestinal
Estudios inmunológicos
Ganglios mesentéricos: extendido de células fijadas; IFI
Tejido intestinal: cortes histológicos, técnica de Saint-Marie; IFI
Fluido intestinal: ELISA
52
Evaluar comparativamente el estado inmunológico en el GALT,
luego del consumo de Quercetina y una cantidad equivalente de
la misma pero incluido en la matriz completa de un alimento
(Allium cepa L.)
53
Ensayo 1: Quercetina y cebolla
Dieta stock-Pellet
Agua
(13-17 días); 37 días
Dieta LP
H/pérdida 25% peso corporal
(13-17 días); 37 días
Dieta stock-Pellet
(43 – 45 días); 80 días
Dieta caseína 20%
(43 – 45 días); 80 días
Agua + Q
Agua + C
Agua
Agua + Q
Agua + C
Renutrición
Experimentales-MN
Controles- BN
Desnutrición
Al destete; 21-23 días. Bien nutridas
Cantidad de cebolla: 100g (equivalente al consumo de ♂adulto de 70 kg)
Cantidad de Quercetina: equivalente a la consumida con la cebolla 54
Ensayo 1: Linfocitos B IgA+ e IgE+
Ganglio Mesentérico
Tratamiento
IgA+
LP
C
R
6±2 c
57 ± 2 a
36 ± 2 b
IgE+
54 ± 7
28 ± 2
42 ± 2
a
c
b
%LB en GM. Valores: Media ± ES
Tejido intestinal
Tratamiento
IgA+
LP
C
R
63 ± 3 c
273 ± 19 a
182 ± 20 b
IgE+
74 ± 7
62 ± 7
165 ± 7
Nº de LB en vellosidad intestinal. Valores: Media ± ES
55
Ensayo 1
Ganglio Mesentérico
80
60
50
40
30
20
10
LB IgA+
0
LP
C
CQ
CC
R
RQ
RC
350
Tejido intestinal
300
Nº de células IgA+
% de células IgA+
70
250
200
150
100
50
0
LP
C
CQ
CC
R
RQ
RC
56
Ensayo 1
Ganglio Mesentérico
70
50
40
30
20
LB IgE+
10
0
LP
C
CQ
CC
R
Tejido intestinal
Nº de células IgE+
% de células IgE+
60
RQ
RC
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
LP
C
CQ
CC
R
RQ
RC
57
Ensayo 1
40
30
25
Ganglio Mesentérico
20
15
10
LB IgE+
5
0
Sin suplem ento
Quercetina
Cebolla
Efecto del consumo de suplemento
140
120
Tejido intestinal
Nº de células IgE+
% de células IgE+
35
100
80
60
40
20
0
Sin suplem ento
Quercetina
Cebolla
58
Ensayo 2
Tratamiento
LP
C
R
CD5+
16 ± 3
57 ± 3
49 ± 3
b
a
a
Ganglio Mesentérico
Población celular T
Tejido intestinal
Tratamiento
CD5+
LP
C
R
58 ± 5
220 ± 18
200 ± 19
59
Conclusiones I
Quercetina: efectiva para disminuir los niveles de IgE en los
animales renutridos
Cebolla: también efectiva para disminuir los niveles de IgE en
los animales renutridos
El consumo tanto de Quercetina como de jugo de cebolla tuvo
efecto diferencial para los animales bien nutridos respecto de los
renutridos en cuanto a LB IgA+ e IgE+
60
Evaluar comparativamente el estado inmunológico en el GALT,
luego del consumo de Quercetina y FOS, solos o en combinación
61
Ensayo 2: Quercetina, FOS y combinados
Agua
Experimentales - MN
Dieta stock-Pellet
(13-17 días); 37 días
Dieta LP
H/pérdida 25% peso corporal
(13-17 días); 37 días
Dieta stock-Pellet
(43 – 45 días); 80 días
Dieta caseína 20%
(43 – 45 días); 80 días
A+Q
A+FOS A+Q+FOS
Agua
A+Q
Renutrición
Controles - BN
Desnutrición
Al destete; 21-23 días. Bien nutridas
A+FOS A+Q+FOS
Cantidad de Quercetina: doble del Ensayo 2
Cantidad de FOS: dieta al 2,5%
62
Ensayo 1: Linfocitos B IgA+ e IgE+
Ganglio Mesentérico
Tratamiento
IgA+
LP
C
R
6±2 c
57 ± 2 a
36 ± 2 b
IgE+
54 ± 7
28 ± 2
42 ± 2
a
c
b
%LB en GM. Valores: Media ± ES
Tejido intestinal
Tratamiento
IgA+
LP
C
R
63 ± 3 c
273 ± 19 a
182 ± 20 b
IgE+
74 ± 7
62 ± 7
165 ± 7
Nº de LB en vellosidad intestinal. Valores: Media ± ES
63
Ensayo 2
LB IgA+
Tejido intestinal
450
Nº de células IgA+
400
350
300
250
200
150
100
50
0
LP
C
CQ
CFOS
CQFOS
R
RQ
RFOS
RQFOS
64
Ensayo 2
LB IgE+
Tejido intestinal
200
Nº de células IgE+
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
LP
C
CQ
CFOS
CQFOS
R
RQ
RFOS
RQFOS
65
Ensayo 2
Citoquinas en fluido intestinal
IL-4
Grupo
IL-4
C
R
99 ± 4 B
114 ± 4 A
Grupo
IL-4
Sin suplemento
FOS
Quercetina
Quercetina+FOS
97 ± 4
114 ± 5
73 ± 5
96 ± 4 b
66
Ensayo 2
Citoquinas en fluido intestinal
TNFa
Grupo
TNFa
R
RQ
RFOS
201 ± 17
171 ± 26
343 ± 29
b
b
a
RQFOS
223 ± 19
b
67
Conclusiones II
FOS: efectivos para aumentar la población celular IgA tanto en
animales bien nutridos como renutridos
Quercetina: efectiva para disminuir la población celular IgE en los
animales renutridos
Quercetina+FOS: menor eficiencia para aumentar la población
celular IgA
Quercetina+FOS: menor eficiencia notoria para disminuir la
población celular IgE
IL-4 reafirmó el estado alérgico de los R y TNFa mostró estado
inflamatorio en los animales que consumieron FOS
68
Conclusiones generales
Los FOS lograron aumentar la vigilancia inmunológica de mucosas
aún en animales bien nutridos. En los renutridos permitió alcanzar y
superar IgA respecto del control normal
Quercetina: eficaz como antialérgico
Quercetina+FOS: resulta antagónico. Disminución de eficacia antialérgica
Cebolla: eficaz para disminuir alergia
Quercetina y TH1/TH2: revierte polarización hacia TH2 del estado
alérgico
Los marcadores inmunológicos mostraron efecto diferencial luego
del consumo de suplementos según el estado nutricional de base y en
relación al sitio inductor o efector de la respuesta inmune
69
Probablemente los efectos observados sean debidos a cambios
en la permeabilidad intestinal, es decir en la función de barrera
PERMEABILIDAD INTESTINAL A LA MICROBIOTA
Quercetina
disminuye
FOS
aumenta
IL4
aumenta
70
Reflexiones finales
Importancia de adecuar la ingesta de compuestos bioactivos: acción
biológica dependiente de la cantidad ingerida y el estado nutricional de
base
Compuestos activos presentes en las plantas = propiedades beneficiosas
para la salud
Interés nutricional = Biología de plantas
Valor de combinación de enfoques
71