[en] Arsenic is a toxic metalloid widely distributed in the environment. Its inorganic form [As(III) and As(V)] is the most toxic form found in water and food. Human exposure to inorganic arsenic, described in numerous areas of the planet and that currently affects approximately 200 million people, increases the incidence of certain types of cancer and other non-cancer pathologies. Taking into account that the main route of the arsenic exposure is oral, the gastrointestinal tract is considered the entry of this contaminant into the organism; however, studies to determine the toxic effects of inorganic arsenic at the intestinal level are scarce. This thesis aims to evaluate the toxicity of inorganic arsenic in the intestinal epithelium in different types of exposure in vitro and in vivo, as well as the search for dietary components that can counteract this toxic effect. For this purpose, human cellular models of colon (Caco-2, cells from an adenocarcinoma and NCM460, a non-transformed cell line) and BALB/c mice were used. Strains of lactic acid bacteria and dietary supplements have been tested as possible strategies to reduce the toxic effect of the metalloid. In vitro studies show that acute exposures to inorganic arsenic (2-24 h) generates an increase in the release of the pro-inflammatory cytokine IL-8 and in the generation of reactive oxygen species and/or nitrogen in Caco-2 and NCM460 cells. This pro-inflammatory response may be responsible for the structural modifications that occur with changes in the distribution patterns of zonula occludens 1 and in the expression of claudin 1, proteins of the intercellular junctions involved in the maintenance of the structure of the epithelium. In addition to these effects, a loss of the barrier function of the intestinal monolayers is evidenced. In the subchronic exposures in vitro (7-21 days), a pro-inflammatory response is also observed, and it is maintained throughout the treatment. This response is accompanied by modifications in the cell proliferation and differentiation program, which leads to an impairment of the cell repair process. Subchronic exposure also affects the epithelial structure, causing loss of microvilli, and the barrier function of the intestinal epithelium. These data show that acute and subchronic exposure to inorganic arsenic can alter intestinal homeostasis, affecting the mucosal layer, which performs the most important functions of the intestinal wall. Additionally, it has been demonstrated in vitro that chronic exposures (6 months) stimulate the acquisition of tumorigenic characteristics in NCM460 cells, possibly due to the maintenance of the pro-inflammatory response. In cells chronically exposed, an increase in CD133 expression, a downregulation of CDX1 and CDX2 expression, an increase of the matrix metalloproteinase MMP-2 secretion, modifications in the histone H3 acetylation profile, an increase in the hyperproliferation and the formation of free-floating spheres were observed. In general, these data suggest that chronic exposure of human colon epithelial cells to As(III) causes the acquisition of transformed cell characteristics. The results obtained in subchronic exposure in vivo confirm the data obtained in vitro. This exposure generates oxidative stress and a pro-inflammatory response, evidenced by a higher gene and protein expression of the cytokines IL­1β, IL-2 and IL-6, in the large intestine of animals treated with As(III). In addition, a modification on the epithelium morphology is observed, with hyperplasia of the crypts. Arsenic treatments also reduce the expression of mucin 2 and possibly the formation of mucus. These toxic effects may be the cause of the increased permeability observed in animals treated with arsenic. This is the first study that demonstrates the loss of the intestinal epithelial barrier function in vivo due to exposure to inorganic arsenic. Finally, in vitro assays to evaluate the protective role of dietary components show that certain strains of Lactobacillus and certain dietary supplements modulate the toxicity exerted by the inorganic arsenic on the intestinal epithelium. The recovery of the barrier function and/or the capacity of cell regeneration after treatments indicate that these strategies, whose food safety has been proven, could be used to reduce the toxic effects exerted by inorganic arsenic at intestinal level and possibly at systemic level in affected populations.

[es] El arsénico es un metaloide tóxico ampliamente distribuido en el medioambiente. Su forma inorgánica [As(III) y As(V)] es la más tóxica encontrada en agua y alimentos. La exposición a arsénico inorgánico, descrita en numerosas zonas del planeta y que en la actualidad se estima que afecta a 200 millones de personas, aumenta la incidencia de determinados tipos de cáncer y otras patologías no cancerígenas. Teniendo en cuenta que la principal vía de exposición es la oral, el tracto gastrointestinal se considera la puerta de entrada de este tóxico al organismo; sin embargo, los estudios para determinar los efectos tóxicos del arsénico inorgánico a nivel intestinal son escasos. Esta tesis doctoral tiene como objetivo evaluar la toxicidad del arsénico inorgánico sobre el epitelio intestinal en diferentes tipos de exposición in vitro e in vivo, así como la búsqueda de componentes de la dieta que puedan contrarrestar este efecto tóxico. Para tal fin se han empleado modelos celulares de colon (Caco-2, células procedentes de un adenocarcinoma y NCM460, línea celular no transformada) y ratones BALB/c. Como posibles estrategias de reducción de la toxicidad intestinal de este metaloide se han ensayado cepas de bacterias lácticas y suplementos dietéticos. Los estudios in vitro ponen de manifiesto que las exposiciones de corta duración a arsénico inorgánico (2-24 h) generan un aumento de la liberación de la citoquina pro-inflamatoria IL-8 y de la generación de especies reactivas de oxígeno y/o nitrógeno en células Caco-2 y NCM460. Esta respuesta pro­inflamatoria puede ser la responsable de las modificaciones estructurales que cursan con cambios en los patrones de distribución de la zonula occludens 1 y de expresión de la claudina 1, proteínas de las uniones intercelulares que interviene en el mantenimiento de la estructura del epitelio. Paralelamente a estos efectos se evidencia una pérdida de la función barrera de las monocapas intestinales. En las exposiciones subcrónicas in vitro (7-21 días), también se pone de manifiesto una respuesta pro-inflamatoria que se mantiene durante todo el tratamiento. Esta respuesta viene acompañada de cambios en el programa de proliferación celular y diferenciación, lo que conduce a un detrimento del proceso de reparación celular. Además, la exposición subcrónica afecta igualmente a la estructura epitelial, causando la pérdida de microvellosidades, y a la función de barrera del epitelio intestinal. Estos datos evidencian que la exposición aguda y subcrónica a arsénico inorgánico puede alterar la homeostasis intestinal, afectando la capa de la mucosa, que realiza las funciones más importantes de la pared intestinal. Adicionalmente se ha evidenciado in vitro que exposiciones más prolongadas (6 meses) favorecen la adquisición de características tumorogénicas en células NCM460, en parte debido al mantenimiento de la respuesta pro-inflamatoria. En las células expuestas crónicamente se observa un aumento de la expresión de CD133, disminución de la expresión de CDX1 y CDX2, mayor secreción de la metaloproteínasa de matrix MMP-2, modificaciones en el perfil de acetilación de la histona H3, aumento de la hiperproliferación y la formación de esferas flotantes. En general, estos datos sugieren que la exposición de células epiteliales de colon humano a As(III) provoca la adquisición de características de células transformadas. Los resultados obtenidos en la exposición subcrónica in vivo confirman los datos obtenidos in vitro. Esta exposición genera estrés oxidativo y una respuesta pro-inflamatoria, evidenciada por una mayor expresión génica y proteica de las citoquinas IL-1β, IL-2 e IL-6 en el intestino grueso de animales tratados con As(III). Asimismo, se observa un efecto sobre la morfología del epitelio, con evidencias de hiperplasia en las criptas. Los tratamientos con arsénico también reducen la expresión de la mucina 2 y posiblemente la formación de mucus. Estos efectos tóxicos pueden ser los causantes del aumento de permeabilidad observado en los animales tratados con arsénico. Este es el primer estudio que evidencia la pérdida de la función barrera del epitelio intestinal in vivo debido a una exposición a arsénico inorgánico. Finalmente, los ensayos in vitro para evaluar el papel protector de componentes de la dieta ponen de manifiesto que determinadas cepas de Lactobacillus y ciertos suplementos dietéticos modulan la toxicidad que el arsénico inorgánico ejerce sobre el epitelio intestinal. La recuperación de la función barrera y/o de la capacidad de regeneración celular tras los tratamientos indica que estas estrategias, cuya seguridad alimentaria está probada, podrían emplearse para aminorar los efectos que ejerce el arsénico inorgánico a nivel intestinal, y posiblemente a nivel sistémico, en poblaciones afectadas.