Unveiling implications of fecal microbiota on human's cardiometabolic health: role of physical activity and fitness

Abstract

The microorganisms that colonize the gastrointestinal tract are known as gut microbiota, being bacteria the microorganisms that are found in higher abundance. Bacteria communities regulate host metabolism by producing metabolites that interact with specific receptors on different tissues modulating the host's health. In fact, the alteration of these bacteria communities within the intestine has been observed in individuals with cardiometabolic disease. Thus, strategies aiming to modify the relative abundance of these gut bacteria have been suggested as novel therapies for the prevention and treatment of cardiometabolic diseases. One of the most promising strategies for modulating gut microbiota is increasing levels of physical activity and fitness, yet the scientific evidence is limited. The present International Doctoral Thesis aims to determine the relationship of novel cardiometabolic risk markers (i.e., endocannabinoids and brown adipose tissue) with fecal microbiota diversity and composition and to study the association of physical activity and fitness levels with fecal microbiota diversity and composition in humans. To unravel these aims, we conducted four cross-sectional studies (Studies I, II, III and V) and one case-control study (Study IV) in humans. The results show that plasma levels of endocannabinoids and their analogues positively correlate with the relative abundance of bacteria belonging to Firmicutes and Verrucomicrobia phyla which are involved in the regulation of gut barrier integrity (Study I). Interestingly, these bacteria communities negatively correlate with brown adipose tissue volume and activity (Study II). Higher physical activity levels, especially of vigorous intensity, are associated with higher fecal diversity and relative abundance of certain fecal bacteria (Study III). Particularly, we found differences in fecal microbiota composition between resistance and endurance athletes as well as with sedentary individuals (Study IV). Lastly, higher physical fitness levels are associated with a higher relative abundance of certain fecal bacteria in both young and older adults (Study V). The present International Doctoral Thesis provides new insights into the understanding of human gut microbiota, and show that endocannabinoids may improve the gut barrier integrity through certain fecal bacteria. Interestingly, these bacteria communities may be involved in the regulation of human brown fat metabolism. Moreover, the observed association of physical activity and fitness with fecal microbiota diversity and composition provide hope for future intervention strategies aiming to potentially modify gut microbiota in humans.

Los microorganismos que colonizan el tracto gastrointestinal se conocen como microbiota intestinal, siendo las bacterias los microorganismos que se encuentran en mayor abundancia. Las comunidades bacterianas regulan el metabolismo del huésped al producir metabolitos que interactúan con receptores específicos en diferentes tejidos modulando así la salud del huésped. De hecho, se ha observado una alteración de estas comunidades bacterianas dentro del intestino en individuos con enfermedades cardiometabólicas. Por lo tanto, se han sugerido estrategias destinadas a modificar la abundancia relativa de estas bacterias intestinales como nuevas terapias para la prevención y el tratamiento de las enfermedades cardiometabólicas. Una de las estrategias más prometedoras para modular la microbiota intestinal es incrementar los niveles de actividad física y condición física, sin embargo la evidencia al respecto es escasa. La presente Tesis Doctoral Internacional tiene como objetivos determinar la relación de nuevos marcadores de riesgo cardiometabólico (es decir, endocannabinoides y tejido adiposo pardo) con la diversidad y composición de la microbiota fecal y estudiar la asociación de los niveles de actividad física y condición física con la diversidad y composición de la microbiota fecal en humanos. Para dar respuesta a estos objetivos, llevamos a cabo cuatro estudios transversales (Estudios I, II, III y V) y un estudio de casos y controles (Estudio IV). Los resultados muestran que los niveles plasmáticos de los endocannabinoides y sus análogos se correlacionan positivamente con la abundancia relativa de bacterias pertenecientes a los filos Firmicutes y Verrucomicrobia involucradas en la regulación de la integridad de la barrera intestinal (Estudio I). Curiosamente, estas comunidades de bacterias se correlacionan negativamente con el volumen y la actividad del tejido adiposo pardo (Estudio II). Mayores niveles de actividad física, especialmente de intensidad vigorosa, están asociados con una mayor diversidad fecal y abundancia relativa de ciertas bacterias fecales (Estudio III). De hecho, los datos muestran diferencias en la composición de la microbiota fecal entre los atletas de fuerza y resistencia, así como entre los individuos sedentarios (Estudio IV). Por último, mayores niveles de condición física están asociados con una mayor abundancia relativa de ciertas bacterias fecales tanto en adultos jóvenes como mayores (Estudio V). La presente Tesis Doctoral Internacional proporciona nuevos conocimientos sobre la comprensión de la microbiota intestinal humana y muestra que los endocannabinoides parecen mejorar la integridad de la barrera intestinal a través de ciertas bacterias fecales. Curiosamente, estas comunidades de bacterias pueden estar involucradas en la regulación del metabolismo de la grasa parda en humanos. Además, la asociación observada de la actividad física y la condición física con la diversidad y composición de la microbiota fecal aporta esperanza para futuras estrategias de intervención que apunten a modificar potencialmente la microbiota intestinal humana.