Early programmingEfecto de la suplementación con prebióticos de la dieta materna durante la gestación y lactancia sobre el metabolismo óseo de la madre y de su descendencia

Resumen

Introducción El sistema esquelético es uno de los órganos más grandes del organismo, representa cerca del 20% del peso corporal total. Es un tejido metabólicamente activo y se encuentra en constante remodelación. Su homeostasis se encuentra regulada por mecanismos que controlan la formación y resorción del tejido óseo, procesos que se ven influenciados por factores genéticos, endocrinos y ambientales, entre los que se destaca la nutrición y el ejercicio, y que pueden dar lugar a composiciones anormales y a patologías óseas. La nutrición afecta a la salud del hueso de dos maneras diferentes. Por un lado las células óseas responsables del mantenimiento, reparación y del depósito del tejido óseo son tan dependientes de la nutrición como las de cualquier otro tejido. Por otro lado, el esqueleto sirve como reserva de nutrientes, en especial de minerales como el calcio y el fósforo, dependiendo en parte del balance diario entre su ingesta y su excreción1. La dependencia del hueso con la nutrición se hace más patente en situaciones donde se requiere un mayor aporte de nutrientes como son el periodo de crecimiento o en la gestación y la lactancia. Los recién nacidos a término acumulan la mayoría del calcio (25-30g) durante el tercer trimestre de la gestación. Posteriormente, durante la lactancia, la demanda de calcio procedente de la madre sigue siendo alta, ya que se pierden en torno a 250 mg de calcio al día debido a la producción de leche materna2. Es por esto que durante la gestación y la lactancia se producen cambios muy significativos en el metabolismo materno del calcio, principalmente para poder satisfacer la alta demanda de este mineral que se genera durante estos periodos. También el remodelado óseo se ve afectado por el embarazo. Así, tanto los marcadores de formación, como, por ejemplo, la fosfatasa alcalina específica de hueso, como los marcadores de resorción, como la fosfatasa ácida tartrato resistente y la deoxipiridinolina, se ven aumentados indicando un incremento en el metabolismo óseo3. Estudios en animales, en condiciones no deficientes, relacionan este incremento con una mayor densidad de masa ósea (DMO), indicando una mayor deposición de calcio en los huesos durante la gestación4. Este incremento en la DMO de la madre podría servir para proteger al esqueleto materno de una excesiva desmineralización y fragilidad que se produce posteriormente durante la lactancia. Sin embargo, los estudios en humanos muestran resultados contradictorios, seguramente debido a que, al evaluar la DMO antes y después del parto, los resultados pueden depender del tiempo transcurrido entre mediciones. En general los estudios así realizados indican una pérdida en las zonas trabeculares y una ganancia en las corticales, sobre todo en mujeres con ingestas no deficientes5. Durante la gestación, una ingesta deficiente de calcio está asociada con un incremento en la tasa de remodelado óseo materno, lo cual produciría un efecto negativo sobre el esqueleto materno. Es en estas condiciones, el uso de un suplemento de calcio sería beneficioso para evitar la pérdida de masa ósea del esqueleto materno, disminuyendo los marcadores de remodelado6 y protegiendo el hueso de la descalcificación7. Durante la lactación también se produce una adaptación del metabolismo del calcio que se traduce en un incremento del metabolismo óseo y mineral en la madre que le permite adaptarse a las necesidades de dicho mineral para la producción de la leche materna8. Otra estrategia nutricional para incrementar la absorción de calcio puede ser a través de la administración de prebióticos. De entre los prebióticos, los más estudiados son los derivados de la achicoria: la inulina y los fructooligosacáridos (FOS)9. Estudios recientes indican un posible efecto beneficioso de los prebióticos sobre la disponibilidad de los minerales y de algunos oligoelementos incluidos en los alimentos, influyendo tanto en su absorción, su retención como su uso por el organismo10 11. Además, la nutrición materna no sólo afecta a la madre, también ejerce un efecto sobre el desarrollo fetal y en el neonato durante la lactancia, donde la madre es la fuente más importante de nutrientes. En este periodo, donde se produce una ganancia muy rápida de minerales por el crecimiento fetal y neonatal, y donde existe una gran plasticidad del esqueleto en formación, se producen intensas interacciones entre el genoma y la nutrición12, que afectan al desarrollo y mantenimiento del hueso durante toda la vida postnatal13 (efecto early programming). Actualmente existen un abanico de nutrientes y alimentos funcionales que están siendo estudiados por su efecto beneficioso en el hueso. Entre estos nutrientes podemos destacar los prebióticos, que han demostrado tener un efecto beneficioso sobre el hueso en el crecimiento o frente a la osteoporosis que se produce tras la menopausia9 14. Sin embargo, hasta la fecha no se ha estudiado su efecto durante la gestación y la lactancia en el esqueleto materno ni tampoco su efecto “programming” en el hueso de la descendencia. Así, partiendo de la premisa planteada, se plantea el objetivo de esta tesis doctoral: Estudiar el efecto de la suplementación de la dieta materna con el prebiótico, inulina enriquecida con oligofructosa, durante la gestación y la lactancia puede generar efectos beneficiosos no sólo en la salud ósea de la madre sino también en la formación y desarrollo del esqueleto de la cría a lo largo de su vida. Material y métodos Animales El presente estudio se ha realizado con 30 ratas hembras gestantes de la raza Sprague-Dawley de 15 semanas de edad, que se encontraban en el día 11 de gestación. Las ratas fueron suministradas por los Laboratorios Charles Rives (Orleans Cedex, Francia). Todos los procesos experimentales fueron aprobados por el Comité de Ética del Instituto en Formación de Nutrición Animal, IFNA (Estación Experimental del Zaidín, CSIC) y se llevaron a cabo siguiendo las directrices éticas y la legislación para la utilización de animales de experimentación establecidas en el Real Decreto 1201/2005. Diseño del estudio Tras la recepción, los animales fueron pesados y se dividieron aleatoriamente en los 3 grupos de estudio (n=10). Se alojaron individualmente en jaulas adecuadas para la cría en una habitación termostatizada a 22ºC, con una humedad relativa del 50% y dotada de sistemas de iluminación y ventilación automáticos. La iluminación artificial permitía generar un ciclo de 12h de luz/12h de oscuridad. Los grupos experimentales se definieron teniendo en cuenta la dieta suministrada, cuya composición cumple con las normas internacionales de composición del American Institute of Nutrition15. • Grupo Control (grupo CC), alimentado durante el experimento con dieta estándar adecuada para el periodo perinatal (AIN93G)15. • Grupo fortificado en calcio (Grupo Ca) alimentado durante la gestación y lactancia con dieta AIN93G fortificada con 0.5% de carbonato cálcico, lo que resulta en una concentración final de ión Ca2+ de 1g por 100 g de producto. • Grupo enriquecido con prebiótico (Grupo Pre) alimentado durante la gestación y lactancia con dieta AIN93G con un 7.5% de los carbohidratos totales como inulina enriquecida con fructooligosacáridos (FOS) (Synergy-1®, Orafti, Belgium). Este prebiótico es una mezcla 1:1 de fructooligosacáridos con un grado medio de polimerización de 4, y una inulina de alto rendimiento con un grado medio de polimerización de 25. Durante la gestación y la lactancia, las ratas tuvieron libre acceso a la comida y al agua desionizada (MilliQ) que se suministraron ad libitum. Durante estos periodos se realizaron controles de peso y de ingesta al menos durante dos veces por semana. Tras el parto, las camadas fueron pesadas individualmente. Para estandarizar y minimizar las variaciones en la nutrición de las crías durante el periodo de lactancia y evitar efectos de interacción madre-cría, las crías pertenecientes a un mismo grupo de alimentación se mezclaron y se asignaron aleatoriamente a las madres del grupo. Finalmente, las nuevas camadas se formaron con un total de 8 animales, 5 hembras y 3 machos. La intervención nutricional en las madres terminó con el destete de las crías que se produjo a los 22± 1 días tras el nacimiento. Una vez destetadas, las crías hembras se alojaron en grupos de 4 animales por jaula y fueron alimentadas ad libitum con dieta estándar adecuada para el crecimiento, AIN93G (dieta control), hasta los 43 días de edad. Pasado este periodo, las ratas se individualizaron y pasaron a ser alimentadas con dieta estándar de mantenimiento, AIN93M, hasta el final del periodo de adolescencia, 90 días de edad Para el sacrificio, los animales fueron anestesiados vía intraperitoneal con pentobarbital sódico, 30mg/kg de peso (Abbott Laboratories, North Chicago, IL, EEUU). Una vez anestesiados, se les realizó una incisión abdominal y se le extrajo sangre por punción cardiaca. También se extrajo el fémur, la tibia y las vértebras lumbares para su medida densitométrica y por micro CT. Se ha determinado el efecto de las diferentes dietas tanto en la “macro-estructura” del hueso por densitometría ósea (DEXA), como en la micro-estructura a través del análisis de µCT en los huesos de las madres y de las crías en tres etapas: nacimiento, destete y final de la adolescencia. También se han determinado parámetros bioquímicos de formación ósea, osteocalcina y fosfatasa alcalina, y de resorción ósea, PTH (Hormona Paratiroidea), DPD (deoxipiridinolina) y PYD (Pididinolina) en el suero de las madres y de las crías al final de la adolescencia. Además, para evaluar el efecto del prebiótico se determinó el pH del contenido del ciego en las madres. Resultados En términos de valores absolutos, en los tres huesos medidos, el fémur, la tibia y la vértebra, los valores de CMO y DMO son más bajos en las ratas madres que recibieron la dieta fortificada con calcio frente a los de las ratas madres de los grupos CC y Pre. Además, las madres alimentadas con la dieta suplementada con el prebiótico (inulina enriquecida con FOS) presentan los mayores valores absolutos en CMO y DMO de entre los tres grupos aunque la estadística sólo muestra diferencias significativas en la tibia. Las madres del grupo Pre también tienen mayor anchura trabecular (Tb.Th, +9%), mayor BV/TV, +35%, y menor BS/BV, -12%, en la tibia comparado con el grupo CC. El pH del contenido cecal procedente de las madres del grupo Pre es significativamente inferior al de los otros dos grupos. En las crías al final de la adolescencia, el grupo Pre muestran un incremento en la DMO de la vértebra comparada con la DMO de las crías de los otros dos grupos. Además, las crías adolescentes del grupo Pre tienen un aumento en los parámetros estructurales tanto del hueso esponjoso como del hueso cortical comparadas con las crías del grupo CC. Por ejemplo, presentan un aumento en la anchura trabecular de un 13% y una disminución del 10% en el ratio BS/BV en el hueso esponjoso y un incremento de la DMO cortical del 13%. Estos resultados indican un beneficio en el hueso de las crías al inicio de la madurez debido a la suplementación con prebióticos, inulina enriquecida con FOS, de la dieta materna durante la gestación y la lactancia. Discusión El esqueleto materno juega un papel fundamental en el desarrollo del hueso de la descendencia. Durante el desarrollo fetal, el esqueleto materno provee el calcio requerido por el feto, principalmente durante el tercer trimestre. Más tarde, en el parto y durante la lactancia, provee del calcio necesario para la producción de la leche. Por esto, los depósitos maternos de calcio se reducen conforme avanza la edad gestacional, ya que el feto acumula de 25 a 30g de calcio durante éste periodo, y posteriormente, durante la lactancia, cuando se transfieren unos 250 mg de calcio por día para la producción de la leche materna16-18. En este estudio, el esqueleto de las ratas madres alimentadas con una dieta no deficiente suplementada con inulina enriquecida con fructooligosacáridos presenta una mayor protección frente a la osteopenia transitoria que se produce durante la gestación y la lactancia. Sin embargo, la fortificación con calcio de la dieta materna durante estos mismos periodos no produce ningún efecto protector en el esqueleto de las madres no deficientes nutricionalmente. Estos efectos se hacen significativos en la tibia de las madres, donde se muestra una protección por la suplementación con prebióticos a nivel macro y microestructural. Estos resultados concuerdan con otros estudios realizados en madres lactantes es el hueso trabecular el que se ve más afectado durante la lactancia, mostrando una caída en la CMO trabecular de las mujeres de entre el 3 y el 10% tras un periodo de 2 a 6 meses de lactancia19. De igual modo, Zeni et al.20 encontraron que la contribución del esqueleto de la rata durante el periodo de lactación era mayor en las áreas con mayor contenido trabecular. En este estudio, la tibia proximal de las ratas madres al destete era la zona y el hueso más afectados por la desmineralización producida durante la lactación, llegando a tener una disminución de la DMO del 20% al compararlas con la misma zona de ratas no-preñadas usadas como control. Sin embargo no encontraron pérdidas significativas en las áreas donde predomina el hueso cortical, como son la zona distal y media de la tibia. El efecto beneficioso de la suplementación de la dieta materna con inulina enriquecida con FOS se transmite al hueso de la descendencia, y así, se encuentra una mejor estructura ósea en las crías de este grupo al final de la adolescencia, indicando una mayor acreción ósea durante el periodo de crecimiento y que da lugar a un mayor pico de masa ósea. Uno de los posibles mecanismos de acción a través de los cuales los prebióticos pueden ejercer un efecto protector sobre el esqueleto materno es a través de la producción de los ácidos grasos de cadena corta (AGCC). Los AGCC son generados por la fermentación bacteriana en el lumen intestinal y los principales son el ácido butírico, el propiónico y el acético. Estos AGCC han demostrado tener influencia sobre la salud ósea a través de diferentes mecanismos. Uno de estos mecanismos es generar una disminución en el pH del ciego, lo que favorece la disolución de las sales insolubles de calcio y magnesio acelerando la difusión pasiva y su absorción junto con la de los propios AGCC21-23. Así, nuestros resultados muestran una disminución significativa en el pH del contenido cecal de las madres alimentadas con la dieta suplementada con el prebiótico, inulina enriquecida con fructooligosacáridos, comparado con el pH de los otros dos grupos experimentales (CC y Ca). En resumen, en este estudio se demuestra por primera vez que la suplementación con prebiótico, en nuestro caso la inulina enriquecida con FOS, durante la gestación y la lactancia en ratas ejerce un efecto protector en el hueso materno frente a la pérdida de masa ósea que ocurre durante estos periodos. Este efecto es especialmente destacable en la tibia. Tanto la suplementación con prebiótico como la fortificación con Ca de la dieta materna produce un incremento en la micro-estructura trabecular y cortical en las vértebras de las crías al final de la adolescencia. Sólo la suplementación con el prebiótico muestra un efecto significativo en el hueso a nivel macro-estructural, aumentando la DMO de las vértebras de las crías al final de la adolescencia Conclusión Los resultados presentados en esta memoria de tesis nos permiten indicar que una suplementación con prebiótico, en nuestro estudio la inulina enriquecida con FOS, en condiciones no deficientes nutricionalmente durante la gestación y la lactancia, puede ser considerada como una estrategia nutricional, incluso mejor que la suplementación con Ca, para proteger el hueso materno frente a la pérdida de hueso transitoria que ocurre durante estos periodos. Esta protección ayudaría a la madre a tener una mayor densidad de masa ósea y reserva de mineral para enfrentarse a la pérdida de masa ósea (osteoporosis) generada por la edad y factores hormonales en la peri-menopausia. Además, la suplementación de la dieta con prebiótico genera un efecto “programming” en la cría, aumentando su pico de masa ósea durante el crecimiento. Este aumento está relacionado con un retraso en la pérdida de hueso durante la madurez y una protección frente al riesgo de sufrir osteoporosis en la edad adulta. Referencias 1. Zanchetta JR, Talbot JR. Osteoporosis: fisiopatología, diagnóstico, prevención y tratamiento: Ed. Médica Panamericana, 2001. 2. Kovacs CS. Calcium and bone metabolism in pregnancy and lactation. J Clin Endocrinol Metab 2001; 86(6):2344-8. 3. Cross NA, Hillman LS, Allen SH, Krause GF, Vieira NE. Calcium homeostasis and bone metabolism during pregnancy, lactation, and postweaning: a longitudinal study. Am J Clin Nutr 1995; 61(3):514-23. 4. 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