EFFETTI DELL'INVECCHIAMENTO E DELL'OBESITA' SUL SISTEMA GASTROINTESTINALE E CENTRALE: IL RUOLO DELL'INFLAMMASOMA NLRP3

Natural aging is defined as a continuous and uninterrupted process, which occurs in the human body causing a progressive degeneration of biological functions and physiological integrity, increasing the vulnerability to illness and death. Currently, obesity represents a worldwide phenomenon and one of the major factors that contributes to increase disability during aging. Moreover, obese condition leads to reduced lifespan and body health consequences similar to those found in advanced aging. Thus, obesity may be linked not only to several age‐related disorders, but also to aging itself, probably it is able to accelerate it. Furthmore, both aging and obesity are associated with a chronic low-grade sterile inflammatory status, where NLRP3 inflammasome is considered as a master regulator. Based on the above background, the present research project is aimed to determine (i) whether obesity accelerates or exacerbates the physiological aging process, evaluating the consequences of diet-induced obesity on age-dependent systemic, peripheral and central changes; (ii) whether the loss of NLRP3 inflammasome counteracts the effects caused by aging and hyperlipidic diet intake. For this reason, 4-week old C57BL/6J and NLRP3-/- female mice were fed with high-fat diet (HFD) or standard diet (SD) for 8, 20 and 36 weeks. After this period, body weight, food intake, metabolic parameters, as well as systemic inflammation were evaluated in all groups of animals. Alterations in intestinal and blood brain barrier permeability were analyzed at both functional and molecular level. Changes in intestinal motility were assessed by stool frequency and gastrointestinal transit of the fluorescent-labelled marker 70 kDa FITC-dextran. Alterations in number of myenteric neurons were assessed by immunofluorescence in longitudinal muscle-myenteric plexus whole mount preparations of ileum. Local inflammation and oxidative stress were investigated in ileum and hippocampus tissues. Spatial working memory of mice was evaluated using the spontaneous alternation T-maze test, and changes in hippocampus expression of neurodegenerative and neuroprotective markers were examined. Our results showed that exposure to HFD anticipates and aggravates the age-dependent metabolic alterations, increases the levels of systemic inflammatory cytokines leading to a low-grade inflammation at early time compared to SD animals. Moreover, obesity superimposed with aging leads to a more severe intestinal and blood brain barriers disruption linked to a major gut and central inflammation, inflammasome activation and oxidative stress. Additionally, HFD intake worsens age-dependent gastrointestinal changes delaying gut transit, decreasing gastric emptying, pellet frequency and stool water content with an increased risk of constipation. Then, hyperlipidic diet aggravates and accelerates cognitive impairment associated with aging, increasing microglia activation and hippocampus expression of neurodegenerative markers and decreasing the levels of neuroprotective factors. Importantly, this study provided convincing evidence supporting a key role of NLRP3 inflammasome in inflammatory process associated with aging and obesity, taking a relevant part in the modulation of metabolic consequences and in gastrointestinal and central effects related to both conditions. The loss of NLRP3 reduced weight gain, ameliorated metabolic profile, gastrointestinal functions and cognitive deficit, decreasing systemic and local inflammation, oxidative stress and microglia activation and improving intestinal and blood brain barrier integrity. In conclusion, this research project demonstrated that obesity accelerates the physiological process of aging and that NLRP3 offers a promising molecular target for the prevention of an accelerated aging and obesity-related consequences.

L'invecchiamento fisiologico è un processo continuo e ininterrotto, che provoca una progressiva degenerazione dell'integrità fisiologica dell’organismo contribuendo all'insorgenza di molteplici patologie. Attualmente l'obesità rappresenta un fenomeno mondiale ed uno dei maggiori fattori che contribuisce alla disabilità durante l'invecchiamento. Considerando che l’obesità porta a conseguenze sulla salute simili a quelle riscontrate nelle fasi più avanzate dell’invecchiamento, l'obesità non solo può contribuire all’insorgenza dei diversi disturbi legati all'età, ma è in grado probabilmente di accelerare e peggiorare il processo fisiologico di invecchiamento. Inoltre, sia l'invecchiamento che l'obesità sono correlati ad uno stato infiammatorio sterile cronico di basso grado, di cui l'inflammasoma NLRP3 è considerato un principale regolatore. Sulla base di queste evidenze, il presente progetto di ricerca ha investigato (i) se l'obesità accelera o esacerba il processo di invecchiamento fisiologico, valutando le conseguenze dell'obesità indotta da dieta sui cambiamenti sistemici, periferici e centrali età-dipendenti; (ii) se la mancanza dell'inflammasoma può contrastare gli effetti causati da invecchiamento e dall’esposizione a dieta iperlipidica. Per questo motivo, topi femmina C57BL/6J e NLRP3-/- di 4 settimane di età sono stati nutriti con dieta ricca di grassi (HFD) o dieta standard (SD) per 8, 20 o 36 settimane. Al termine di tale periodo, il peso corporeo, l'assunzione di cibo, i parametri metabolici e l'infiammazione sistemica sono stati valutati. Sono state analizzate le alterazioni funzionali e molecolari della barriera intestinale ed ematoencefalica. I cambiamenti della motilità intestinale sono stati ottenuti valutando la frequenza di espulsione delle feci e il transito gastrointestinale del marcatore fluorescente FITC-destrano 70 kDa. Alterazioni nel numero di neuroni mienterici sono state valutate mediante tecnica di immunofluorescenza nei preparati whole mount della muscolatura longitudinale del plesso mienterico dei segmenti di ileo. Nei tessuti di ileo e nell’ippocampo sono stati analizzati l'infiammazione locale e lo stress ossidativo. Il comportamento esplorativo spontaneo e la memoria spaziale degli animali sono stati valutati tramite test della performance dell’alternanza spontanea (T-maze) ed infine nell’ippocampo sono stati esaminati cambiamenti nell'espressione di marcatori di neuro-degenerazione e neuro-protezione. I risultati hanno mostrato che l'esposizione alla dieta grassa anticipa e aggrava le alterazioni metaboliche età-dipendenti e l'infiammazione cronica di basso grado. Inoltre, l'obesità esacerba i danni alla barriera intestinale ed ematoencefalica associati all’invecchiamento con conseguente aumento dell’infiammazione intestinale e centrale, attivazione dell'inflammasoma e stress ossidativo. L' assunzione di dieta iperlipidica peggiora le alterazioni età-dipendenti delle funzioni gastrointestinali. Infine è emerso che la dieta iperlipidica aggrava e accelera il deterioramento cognitivo associato all'invecchiamento. Questo studio ha fornito prove a sostegno dell’importante ruolo svolto dall'inflammasoma NLRP3 nel processo infiammatorio associato ad invecchiamento e obesità, con conseguenze evidenti sul profilo metabolico, sulle funzioni gastrointestinali e centrali. Infatti, la mancanza dell’inflammasoma NLRP3 ha ridotto l'aumento di peso indotto da dieta grassa, ha migliorato i parametri metabolici, le funzioni gastrointestinali e il deficit cognitivo, diminuendo l'infiammazione sistemica e locale, lo stress ossidativo e l'attivazione della microglia. In conclusione, questo progetto di ricerca ha dimostrato innanzitutto che l'obesità accelera il processo fisiologico di invecchiamento e che l’inflammasoma NLRP3 offre un promettente bersaglio molecolare per ritardare e contrastare alcuni effetti derivanti dall'invecchiamento e legati all'obesità.