Análisis dirigidos para estudios metabolómicos en organismos acuáticos

El desarrollo económico y crecimiento económico y social está produciendo cambios sustanciales en los ecosistemas, con consecuencias devastadoras y, por tanto, resulta indispensable conocer cuáles son los principales efectos y cambios que se producen en los perfiles metabólicos de los organismos vivos al estar expuestos a diversos agentes contaminantes.

La metabolómica estudia los cambios que se producen en el perfil metabólico  de un organismo y, por tanto, nos proporciona una visión global de lo que sucede, estudiando las moléculas más pequeñas y la interacción entre ellas. Concretamente, la metabolómica ambiental analiza los cambios que se producen en un organismo, a consecuencia de la exposición a contaminantes ambientales. Los análisis de estos cambios en los niveles de metabolitos se llevan a cabo mediante técnicas analíticas avanzadas, capaces de determinar y caracterizar las moléculas diana con suficiente sensibilidad. Concretamente, la cromatografía de líquidos acoplada a la espectrometría de masas, supone la mejor opción en términos de sensibilidad, especificidad y necesidad de preparativa de la muestra, entre otras.

En este contexto, la Dra. Marina Bellot Pulido defendió recientemente su tesis doctoral, realizada en el Departamento de Química Analítica y Aplicada de IQS. Bajo el título Targeted analysis for metabolomic studies in aquatic organisms, la tesis fue dirigida por el Dr. Cristian Gómez Canela, profesor e investigador del Grupo de Ingeniería y Simulación de Procesos Ambientales – GESPA. La tesis está enmarcada en el desarrollo y optimización de técnicas de extracción y análisis, para evaluar los cambios en el perfil metabólico de dos organismos modelo: un invertebrado, la Daphnia magna, y un vertebrado, el Danio rerio o pez cebra –, después de haber sido expuestos a contaminantes ambientales – pesticidas, fármacos o drogas de abuso –, presentes en sistemas acuáticos y que provocan alteraciones en el sistema nervioso central.

La investigación se llevó a cabo en colaboración con el grupo del Dr. Demetrio Raldua y Dr. Carlos Barata, expertos en toxicología del Instituto de Diagnóstico Ambiental y Estudios del Agua IDAEA – CSIC, y con los Dres. David Wishart y Dra. Rupsari Mandal del The Metabolomics Innovation Centre (TMIC) de la Universidad de Alberta, Canadá.

En su tesis, la Dra. Bellot optimizó, en primer lugar, los procesos de extracción y derivatización de los diferentes metabolitos diana en los diferentes tejidos analizados – organismo completo, cerebro e intestino – en los dos organismos modelos de estudio, con métodos de homogeneización en frío, para evitar la degradación de los metabolitos.

En referencia a las técnicas analíticas, en esta tesis se optimizaron las condiciones cromatográficas y espectrométricas, mediante cromatografía de líquidos acoplada a espectrometría de masas en tándem – UHPLC-MS/MS, para mejorar la separación cromatográfica y la sensibilidad de los análisis, consiguiendo poner a punto una metodología analítica que, posteriormente, se aplicó para evaluar los efectos que los diferentes contaminantes ambientales analizados tienen sobre el comportamiento y el metabolismo de los dos casos de organismos modelos mencionados: la Daphnia magna y el pez cebra, en este último caso utilizando peces adultos y larvas.

En cada caso, se escogieron los metabolitos diana dependiendo de la característica de la matriz y el efecto diana del contaminante. Así, se pudo determinar y evaluar el efecto de contaminantes de carácter neuroactivo sobre tejido cerebral, determinando en estos estudios los cambios producidos en los niveles de neurotransmisores. Por otro lado, en aquellos estudios se han analizado el efecto en el tejido intestinal, los metabolitos diana han sido neurotransmisores, ácidos grasos y lípidos.

En definitiva, la investigación de la Dra. Bellot ha demostrado la posibilidad de evaluar el riesgo potencial que existe en la exposición a contaminantes ambientales, mediante técnicas analíticas de LC-MS.  Y ha podido evaluar la alteración que ocasionan estas exposiciones en los perfiles metabólicos y de comportamiento de las especies estudiadas, una evidencia de la necesidad de controlar y regular la presencia de contaminantes ambientales en los ecosistemas.

Daphnia magna:
M. Bellot et al., (2021), Aqueous stability and degradation of psychiatric and neuroactive compounds and its biological activity in Daphnia magna, The Science of the Total Environment, 798: 149252

M. Bellot et al., (2021), Pharmacological Modulation of Behaviour, Seronotnin and Dopamine Levels in Daphnia magna exposed to the Monoamine Oxidase Inhibitor Deprenyl, Toxics 9(8):187

M. Bellot et al., (2022), Phototactic behaviour and neurotransmitter profiles in two Daphnia magna clones: Vertical and horizontal responses to fish kairomones and psychotropic drugs, Science of Total Enviroment, 830, 154684

M. Bellot et al., (2024), Daphnia magna an emerging environmental model of neuro and cardiotoxicity of illicit drugs, Enviromental Pollution 344:123355

Pez cebra:   
M. Bellot et al., (2021) Differential Modulation of the Central and Peripheral Monoaminergic Neurochemicals by Deprenyl in Zebrafish Larvae, Toxics, 9(6), 116

M. Bellot et al., (2024), Short-term exposure to environmental levels of nicotine and cotinine impairs visual motor response in zebrafish larvae through a similar mode of action: Exploring the potential role of zebrafish α7 nAChR, Science of the Total Environment, 912, 169301.

M. Bellot et al., (2021), A zebrafish Model of Neurotoxicity by Binge-like Methamphetamine Exposure, Front.Pharmacology, 12:770319

M. Bellot et al., (2024), From dysbiosis to neuropathologies toxic effects of glyphosphate in zebrafish, Ecotoxicology and Enviromental Safety, 270, 115888.

Esta tesis se ha realizado dentro del proyecto COGNIRISK (PID2020-113371RA-C22) – COGNICHEM con ayudas del Ministerio de Ciencia e Innovación – Agencia Estatal de Investigación del Gobierno de España.