[en] Cardiometabolic disease (CMD) is a clustering of cardiometabolic risk factors including obesity, hypertension, fatty liver disease, type 2 diabetes, and cardiovascular disease. Recent studies show a role for host-microbiota co-metabolism and Western diets in the onset and development of this disease. High-fat and high-sugar dietary habits are among the main causes of CMD mortality with fast increment nowadays. The study of the metabolic pathways involved and the identification of specific biomarkers for early detection of CMD seems essential in patient management. This thesis aims to improve our understanding of the progression of CMD, to discover the firsts alterations in the development of the disease, as well as to identify potential sub-clinical CMD biomarkers through the analysis of changes in serum, urine, and fecal metabolism. Design and methods: Male and female Wistar rats, 16 weeks old, were fed with a high-fat and sucrose diet (HFD) for 12 weeks to induce CMD, both in conventional and specific-pathogen-free (SPF) housing conditions. Moreover, male and female Wistar rats, 3 weeks old, were fed with a high-fructose diet (HFR) for 16 weeks to induce CMD. Serum, urine, and fecal samples and microbiota diversity were analyzed by Nuclear magnetic resonance (1H NMR) and Denaturant gradient gel electrophoresis (DGGE) or Sequencing, respectively. The effect of fecal microbiota transplantation (FMT) and probiotics were tested on the microbiota modulation. Results: HFD and HFR induced metabolic and clinical alterations related to CMD in young and adult rats. The metabolomic profile of serum, urine,and fecal samples demonstrated differences in the metabolism of HFD and HFR groups in different metabolic pathways and cores. These differences in the rats metabolome are sex specific with different alterations in male and female rats. Moreover, host-microbiota co-metabolites were also altered after HFD and HFR diets. Microbiome sequencing and fecal DNA DGGE revealed changes in the microbiota composition that suggest lower microbiota diversity in the HFD and HFR groups. Interestingly, HFD induces strong whereas HFR only moderate microbiota composition changes. The longitudinal metabolomic profiling of HFD rats suggest that microbiota composition changes precede alterations in host metabolism in the development of CMD in rats. Additionally, our results suggest that diet has stronger effects in microbiota composition than restricted exposure to bacterial communities. Finally, modulation of microbiota with probiotics, but not with fecal microbiota transplantation, ameliorates CMD in a sex specific manner. Overall our work demonstrates that the association between host-microbiota co-metabolism and cardiometabolic disease is highly dependent on dietary patterns, sex, environmental exposure to bacterial communities and age. These dependences and the metabolic effect of these multiple factors can be detected by NMR metabolomics. Metabolomics profiling may be an effective way for improving cardiometabolic disease clinical management and patient risk stratification.

[es] La enfermedad cardiometabólica incluye un conjunto de factores de riesgo cardiometabólicos como son obesidad, hipertensión, enfermedad del hígado graso, diabetes tipo 2 y enfermedad cardiovascular. Estudios recientes muestran un papel del co-metabolismo de la microbiota huésped y las dietas occidentales en la aparición y desarrollo de esta enfermedad. Los hábitos alimentarios con dietas ricas en grasas y azúcares se encuentran entre las principales causas de mortalidad por problemas cardiometabólicos, experimentando un veloz incremento en la actualidad. El estudio de las vías metabólicas implicadas y la identificación de biomarcadores específicos para la detección precoz de la enfermedad cardiometabólica parece fundamental en el manejo de pacientes. Esta tesis tiene como objetivo mejorar nuestra comprensión de la progresión de la enfermedad cardiometabólica, descubrir las primeras alteraciones en el desarrollo de la enfermedad, así como identificar posibles biomarcadores subclínicos asociados, a través del análisis de cambios en el metabolismo sérico, urinario y fecal. Diseño y métodos: Se alimentaron ratas Wistar macho y hembra, de 16 semanas de edad, con una dieta alta en grasas y sucrosa durante 12 semanas para inducir alteraciones cardiometabólicas, tanto en condiciones de estabulación convencionales como libres de patógenos específicos. Además, ratas Wistar macho y hembra, de 3 semanas de edad, fueron alimentadas con una dieta alta en fructosa durante 16 semanas para inducir también alteraciones cardiometabólicas. Las muestras de suero, orina y heces y la diversidad de la microbiota se analizaron mediante resonancia magnética nuclear (1H NMR) y electroforesis en gel en gradiente desnaturalizante o secuenciación,respectivamente. Además, se analizó el efecto del trasplante de microbiota fecal y de los probióticos en la modulación de la microbiota. Resultados: Las dietas altas en grasa y azúcares (sucrosa y fructosa) indujeron alteraciones metabólicas y clínicas relacionadas con la enfermedad cardiometabólica en ratas jóvenes y adultas. El perfil metabolómico de las muestras de suero, orina y heces demostró diferencias en el metabolismo de los grupos con dietas altas en grasas y azúcares en diferentes vías metabólicas. Estas diferencias en el metaboloma de las ratas mostraron diferentes alteraciones en ratas macho y hembra. Además, los co-metabolitos de la microbiota del huésped también se vieron alterados por estas dietas. La secuenciación del microbioma y la DGGE de ADN fecal revelaron cambios en la composición de la microbiota que sugieren una menor diversidad de la microbiota en los grupos con dietas altas en grasas y azúcares. Curiosamente, la dieta alta en grasa induce fuertes cambios en la composición de la microbiota mientras que la dieta alta en fructosa parece que solo los modera. El perfil metabolómico longitudinal de ratas con dieta rica en grasas sugiere que los cambios en la composición de la microbiota preceden a las alteraciones en el metabolismo del hospedador en el desarrollo de la enferemedad en ratas. Además, nuestros resultados sugieren que la dieta tiene efectos más fuertes en la composición de la microbiota que una exposición restringida a ciertas comunidades bacterianas. Finalmente, la modulación de la microbiota con probióticos, pero no con el trasplante de microbiota fecal, mejora el desarrollo de la enfermedad cardiometabólica, aunque de manera diferente en machos y hembras. En conclusión, nuestro trabajo demuestra que la asociación entre el co-metabolismo de la microbiota del huésped y la enfermedad cardiometabólica dependen en gran medida de los patrones dietéticos, el sexo, la exposición ambiental a las comunidades bacterianas y la edad. Estas dependencias y el efecto metabólico de estos múltiples factores pueden detectarse mediante metabolómica por RMN. El perfil metabolómico puede ser una forma eficaz de mejorar el tratamiento clínico de la enfermedad cardiometabólica y la estratificación del riesgo del paciente.