Respuestas biológicas de ratones a contaminantes ambientales. Modulación por microbiota intestinal y suplementos nutricionales

Abstract

La contaminación ambiental conlleva la exposición simultánea a múltiples contaminantes, incluidos metales pesados como arsénico (As), cadmio (Cd) y mercurio (Hg), junto con xenobióticos farmacéuticos como diclofenaco (DCF) y flumequina (FLQ) que genera efectos sinérgicos que comprometen la homeostasis celular y sistémica. En este contexto, el selenio (Se) se presenta como un micronutriente esencial con propiedades protectoras, actuando mediante mecanismos moleculares complejos que incluyen la síntesis de selenoproteínas, la regulación del balance redox y la preservación de la integridad tisular. El objetivo global de esta tesis fue caracterizar los mecanismos moleculares de la toxicidad inducida por una mezcla de contaminantes ambientales, así como del potencial papel protector del Se, utilizando un enfoque multiómico a nivel celular, tisular y sistémico. Los objetivos específicos incluyeron: (i) análisis proteómico de alteraciones hepáticas inducidas por los contaminantes; (ii) caracterización transcripcional y bioquímica en hígado; (iii) identificación de cambios metabolómicos en cerebro y (iv) estudio del papel del Se y las selenoproteínas en la prevención de estos efectos, considerando la participación de la microbiota intestinal (MI) y estableciendo biomarcadores aplicables en toxicología preventiva. El diseño experimental empleó ratones Mus musculus BALB/c machos, expuestos a una mezcla de contaminantes a dosis ambientalmente relevantes. Se establecieron grupos control, grupos expuestos, grupos suplementados con selenito sódico y grupos con microbiota deprimida mediante antibióticos. La metodología integró proteómica shotgun (LC-MS/MS, Orbitrap Fusion, MaxQuant, Perseus), análisis transcripcional por qRT-PCR absoluta, caracterización taxonómica de la MI mediante secuenciación 16S rRNA y determinaciones bioquímicas (SOD, CAT, GPX, G6PDH, MDA, NADPH, colesterol total y ácidos biliares). Uno de los hallazgos más relevantes fue la identificación del estrés reductivo como nuevo paradigma toxicológico. Se demostró que la exposición crónica a la mezcla de contaminantes activa de forma sostenida el factor NRF2, generando un exceso de equivalentes reductores (NADPH), lo que altera el equilibrio redox y activa la autofagia temprana, inhibiendo la vía RICTOR. Este mecanismo redefine el concepto tradicional centrado en el estrés oxidativo. Además, se observó una desregulación del metabolismo lipídico hepático por sobreactivación de SREBP-1 y SREBP-2, con incrementos significativos en la expresión de genes lipogénicos (Srebf1, FasN, Lpin1). El estudio del eje intestino-hígado-cerebro reveló biomarcadores de exposición (IL-1β, IL-6, TNFα, ratio ALT/ALP, BA plasmáticos, urea) y de protección (expresión de selenoproteínas, genes antioxidantes regulados por NRF2, ratio Firmicutes/Bacteroidetes, enzimas de síntesis de BA). La suplementación dietética con Se (0,65 mg/kg, equivalente a tres veces la dosis estándar) mostró una acción protectora multimodal: a nivel celular, promovió la síntesis de selenoproteínas (GPX, TRXR, SELENOP), manteniendo el equilibrio redox y previniendo estrés oxidativo y reductivo; a nivel tisular, normalizó el metabolismo hepático y restauró la homeostasis lipídica; a nivel sistémico, preservó la comunicación del eje intestino-hígado-cerebro mediante la modulación de metabolitos microbianos y neurotransmisores. Además, el Se actuó como prebiótico selectivo, restaurando poblaciones bacterianas clave y la producción de SCFA tras la disbiosis inducida por antibióticos. Este trabajo redefine la toxicología moderna al integrar nutrición, microbiología y toxicología molecular, estableciendo un nuevo paradigma donde el Se no solo actúa como antioxidante, sino como modulador sistémico del eje intestino-hígado-cerebro. Los resultados proporcionan herramientas diagnósticas y metodológicas para futuras políticas de salud pública en poblaciones expuestas a contaminación ambiental y el desarrollo de estrategias personalizadas de nutrición preventiva.

Environmental pollution leads to simultaneous exposure to multiple pollutants, including heavy metals such as arsenic (As), cadmium (Cd), and mercury (Hg), along with pharmaceutical xenobiotics such as diclofenac (DCF) and flumequine (FLQ), which generate synergistic effects that compromise cellular and systemic homeostasis. In this context, selenium (Se) is an essential micronutrient with protective properties, acting through complex molecular mechanisms that include selenoprotein synthesis, redox balance regulation, and tissue integrity preservation. The overall objective of this thesis was to characterize the molecular mechanisms of toxicity induced by a mixture of environmental pollutants, as well as the potential protective role of Se, using a multi-omic approach at the cellular, tissue, and systemic levels. Specific objectives included: (i) proteomic analysis of liver alterations induced by pollutants; (ii) transcriptional and biochemical characterization in the liver; (iii) identification of metabolomic changes in the brain; and (iv) study of the role of Se and selenoproteins in preventing these effects, considering the participation of the gut microbiota (GM) and establishing applicable biomarkers in preventive toxicology. The experimental design used male Mus musculus BALB/c mice exposed to environmentally relevant doses of a contaminant mixture. Control groups, exposed groups, groups supplemented with sodium selenite, and groups with microbiota suppressed by antibiotics were established. The methodology integrated shotgun proteomics (LC-MS/MS, Orbitrap Fusion, MaxQuant, Perseus), transcriptional analysis by absolute qRT-PCR, taxonomic characterization of the IM by 16S rRNA sequencing, and biochemical determinations (SOD, CAT, GPX, G6PDH, MDA, NADPH, total cholesterol, and bile acids). One of the most relevant findings was the identification of reductive stress as a new toxicological paradigm. Chronic exposure to the pollutant mixture was shown to sustainably activate the NRF2 factor, generating an excess of reducing equivalents (NADPH), which alters the redox balance and activates early autophagy, inhibiting the RICTOR pathway. This mechanism redefines the traditional concept centered on oxidative stress. In addition, a dysregulation of hepatic lipid metabolism was observed due to overactivation of SREBP-1 and SREBP-2, with significant increases in the expression of lipogenic genes (Srebf1, FasN, Lpin1). The study of the gut-liver-brain axis revealed biomarkers of exposure (IL-1β, IL-6, TNFα, ALT/ALP ratio, plasma BA, urea) and protection (expression of selenoproteins, antioxidant genes regulated by NRF2, Firmicutes/Bacteroidetes ratio, BA synthesis enzymes). Dietary supplementation with Se (0.65 mg/kg, equivalent to three times the standard dose) showed a multimodal protective action: at the cellular level, it promoted selenoprotein synthesis (GPX, TRXR, SELENOP), maintaining redox balance and preventing oxidative and reductive stress; at the tissue level, it normalized hepatic metabolism and restored lipid homeostasis; at the systemic level, it preserved gut-liver-brain axis communication by modulating microbial metabolites and neurotransmitters. In addition, Se acted as a selective prebiotic, restoring key bacterial populations and SCFA production following antibiotic-induced dysbiosis. This work redefines modern toxicology by integrating nutrition, microbiology, and molecular toxicology, establishing a new paradigm where Se acts not only as an antioxidant but also as a systemic modulator of the gut-liver-brain axis. The results provide diagnostic and methodological tools for future public health policies in populations exposed to environmental pollution and the development of personalized preventive nutrition strategies.