La ciencia animal es un campo muy amplio que aborda numerosos temas importantes relacionados con las mejores prácticas y el bienestar animal, la detección de enfermedades, la cría de animales, la genómica de los animales destinados al consumo y el descubrimiento de biomarcadores para rasgos muy deseables, entre otros.
La metabolómica es un campo en rápido crecimiento con un amplio abanico de aplicaciones que se utiliza con frecuencia en estudios de investigación con animales para aportar un contexto fenotípico a los procesos fisiológicos y fisiopatológicos. En este artículo, analizamos varios casos en los que la metabolómica ha contribuido a arrojar luz sobre aspectos importantes en estudios de investigación con animales.
Los gatos con enfermedad renal crónica (ERC) tienen dificultades para mantener su peso corporal debido a la atrofia muscular. Se sabe que la betaína protege al riñón de los desequilibrios hídricos y que los prebióticos pueden aumentar la absorción de nutrientes y modular favorablemente la microbiota intestinal. En este estudio, Hall y sus colaboradores evaluaron los efectos combinados de la administración de betaína y prebióticos sobre el peso corporal tanto de gatos con ERC como de gatos sanos1.
Todos los animales del estudio fueron alimentados con la dieta previa al ensayo durante 28 días y, a continuación, se les asignó aleatoriamente la dieta de control o la de ensayo durante 8 semanas. Tras 8 semanas, cada grupo pasó a la dieta alternativa durante otras 8 semanas. Al final de cada periodo de alimentación, se analizaron los biomarcadores de la función renal en muestras de plasma, orina y heces. También se midió el índice de masa corporal total. Los gatos con ERC que consumieron la dieta de ensayo presentaron un peso corporal significativamente mayor que el grupo de la dieta de control. La dieta de ensayo no afectó al índice de masa corporal total de los gatos sanos.
Los compuestos de indol producidos por el metabolismo bacteriano disminuyeron en la orina y aumentaron en las heces de los gatos con ERC alimentados con el pienso de prueba. Las concentraciones plasmáticas se correlacionaron negativamente con el nivel de función renal, lo que indica un posible beneficio derivado del consumo del pienso de prueba. En conjunto, estos resultados sugieren que la betaína y los prebióticos pueden aumentar el índice de masa corporal total de los gatos con ERC al potenciar el metabolismo del carbono.
La insuficiencia pancreática exocrina (IPE) es una enfermedad digestiva en perros causada por una secreción insuficiente de enzimas digestivas por parte del páncreas exocrino. Esta afección se trata con un tratamiento de sustitución oral de enzimas pancreáticas exocrinas, pero los síntomas, especialmente la diarrea, suelen persistir tras el tratamiento. Para comprender mejor las causas subyacentes de este fenómeno, Barko y sus colaboradores evaluaron el metaboloma sérico global de perros con IPE sintomática y de perros sanos2.
En comparación con el grupo de control, los niveles de ácidos grasos y aminoácidos en los perros con EPI eran compatibles con desnutrición y deficiencias de macronutrientes. Las alteraciones de la microbiota intestinal en los perros con EPI indicaban inflamación intestinal. En general, este estudio contribuyó a caracterizar mejor los fundamentos metabólicos de la EPI sintomática, y futuros estudios podrían determinar si las alteraciones metabólicas están asociadas a la fisiopatología de la enfermedad, contribuyen a la persistencia de los síntomas en los animales tratados, o si se trata de una combinación de ambos factores.
La hemólisis inducida por el ejercicio se debe a las contracciones musculares repetidas provocadas por un ejercicio intenso, lo que provoca la compresión de los capilares y el consiguiente daño y rotura de los eritrocitos. La hemólisis es frecuente en las carreras de resistencia equinas, pero son pocos los estudios que han analizado la hemólisis inducida por el ejercicio en caballos mediante la metabolómica.
En un estudio, Pakula y sus colaboradores se propusieron realizar una caracterización detallada de la hemólisis inducida por el ejercicio en caballos de resistencia, con el fin de comprender mejor este proceso y, posiblemente, prevenir sus consecuencias3. Se extrajo plasma de 47 caballos árabes de resistencia antes y después de recorrer distancias de 80, 100 o 120 km, y se analizó para determinar los niveles de hemo, bilirrubina y biliverdina. Cada uno de estos metabolitos presentó un aumento significativo tras la carrera, observándose una asociación entre dichos parámetros, la velocidad media y la distancia recorrida.
Los niveles de marcadores de hemólisis fueron más elevados en los caballos que fueron retirados de la carrera por motivos metabólicos, en comparación con los que la completaron. En general, estos resultados establecen una relación entre la hemólisis y la intensidad del ejercicio en los caballos de resistencia y subrayan la importancia de respetar las limitaciones de los caballos para evitar consecuencias perjudiciales.
La enteropatía crónica felina (CE) es un trastorno gastrointestinal frecuente en los gatos que comprende principalmente la enfermedad inflamatoria intestinal (EII) y el linfoma de células pequeñas (SCL). El diagnóstico y la diferenciación de estas afecciones requieren procedimientos invasivos, incluida la biopsia de tejido intestinal. Los estudios en humanos muestran que la EII va acompañada de cambios metabólicos generales, lo que puede resultar útil para diferenciar los subtipos de EII: la enfermedad de Crohn y la colitis ulcerosa. Dichos estudios no se han realizado en gatos con CE. En este trabajo, Marsilio y sus colaboradores plantearon la hipótesis de que las alteraciones metabólicas en los gatos con EC permiten distinguir la EII del LCC4.
Se incluyeron en el estudio 36 gatos: 14 sanos y 22 con CE (11 con EII y 11 con SCL). Se llevó a cabo un análisis metabolómico no dirigido en muestras fecales recogidas de cada animal del estudio. Las diferencias en la abundancia de metabolitos fecales entre los gatos del grupo de control y los gatos con CE se evaluaron mediante la prueba de Mann-Whitney. Las diferencias entre los subgrupos de EII y SCL se calcularon mediante la prueba de Dunn. Se llevó a cabo un análisis de componentes principales (ACP) y un agrupamiento jerárquico, y se utilizó la regresión de «Random Forest» para evaluar la precisión con la que las diferencias metabólicas clasificaban los subtipos de la enfermedad.
De los 856 metabolitos detectados, 84 presentaban diferencias significativas entre los gatos del grupo de control y los del grupo CE. El análisis de componentes principales (PCA) y el agrupamiento jerárquico indicaron una separación entre los grupos de control y CE, pero no se observó ninguna separación visible entre los gatos con EII y los con SCL (Figura 1A, B). En la comparación entre los gatos del grupo de control y los del grupo CE, la clasificación mediante «bosque aleatorio» reveló una precisión en la predicción de grupos del 80 %, mientras que la precisión en la predicción de grupos entre EII y SCL fue del 53 %. Un gráfico de importancia del bosque aleatorio mostró que 7 metabolitos eran clave para clasificar a los gatos del grupo de control frente a los del grupo CE: esfingomielina (d18:1/14:0, d16:1/16:0), el 3-(3-hidroxifenil)propionato, la beta-criptoxantina, el miristoleato (14:1n5), la N1-metil-4-piridona-3-carboxamida, el 2-oxindol-3-acetato y el 5-hidroxiindolacetato (Figura 1C). En conjunto, estos datos ofrecen una primera visión de las alteraciones metabólicas que se producen en los gatos con CE, las cuales se asemejan a los patrones observados en humanos y otros modelos animales. Los estudios de seguimiento del metaboloma de la mucosa y del suero de los gatos con CE podrían esclarecer aún más el origen de las perturbaciones metabólicas y permitir una mayor comprensión de la patogénesis.
Figura 1. Análisis multivariante del microbioma fecal de gatos sanos y gatos con enteropatía crónica. (a) Mapa de calor que muestra los metabolitos que presentaban diferencias significativas entre gatos sanos y gatos con enfermedad inflamatoria intestinal (EII) y linfoma alimentario de células pequeñas (SCL). Los grupos están representados por las barras de color situadas en la parte superior de la figura: rojo (sanos, n = 14), verde (EII, n = 11) y azul (SCL, n = 11). Se pueden identificar agrupaciones entre los gatos sanos y los gatos con enteropatía crónica (CE), pero no entre los subgrupos de enfermedad EII y SCL. (b) Gráficos de puntuaciones de PCA de los metabolitos en las heces de gatos sanos (verde) y gatos con enteropatía crónica (CE, rojo). (c) Gráfico de importancia de Random Forest.
Una vez que se comprende todo el valor de la metabolómica, la única pregunta que queda es: ¿quién lo hace mejor? Aunque muchos laboratorios cuentan con capacidades para la elaboración de perfiles de metabolitos o de química analítica, las tecnologías de metabolómica integrales son extremadamente escasas.
La identificación precisa e imparcial de los metabolitos en todo el metaboloma plantea retos en cuanto a la relación señal-ruido que muy pocos laboratorios están preparados para afrontar. Además, convertir cantidades ingentes de datos en información útil resulta lento, cuando no imposible, para la mayoría, ya que una interpretación adecuada requiere dos elementos de los que se carece: experiencia y una base de datos exhaustiva.
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1. Hall, J.A., D.E. Jewell y E. Ephraim, «La alimentación de gatos con enfermedad renal crónica con un pienso enriquecido con betaína y prebióticos aumenta la masa corporal total y reduce las toxinas urémicas». PLoS One, 2022. 17(5): p. e0268624.
2. Barko, P.C. y otros, «Análisis no dirigido de los metabolomas séricos en perros con insuficiencia pancreática exocrina». Animals (Basilea), 2023. 13(14).
3. Pakula, P.D., et al., «Caracterización de la hemólisis inducida por el ejercicio en caballos de resistencia». Front Vet Sci, 2023. 10: p. 1115776.
4. Marsilio, S., et al., «Análisis metabolómico no dirigido en gatos con enfermedad inflamatoria intestinal de origen natural y linfoma alimentario de células pequeñas». Sci Rep, 2021. 11(1): p. 9198.