Advances in the identification and development of biomarkers for health and welfare assessment: a One- Health perspective
- Autores: Lorena Franco Martinez
- Directores de la Tesis: Silvia Martínez Subiela (dir. tes.), Asta Tvarijonaviciute (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Murcia ( España ) en 2021
- Idioma: inglés
- Títulos paralelos:
- Avances en la identificación y desarrollo de biomarcadores de salud y bienestar desde una perspectiva One Health
- Tribunal Calificador de la Tesis: Josep Pastor Milán (presid.), Carlos Martínez-Carrasco Pleite (secret.), Cristina di Silvestre (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Veterinarias por la Universidad de Murcia
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGITUM
- Resumen
- español
El objetivo principal de esta tesis doctoral fue aumentar el conocimiento sobre la identificación, medición y validación de nuevos biomarcadores de salud y bienestar que pueden usarse en diferentes contextos dentro del concepto de One Health (OH). Además, se priorizó el uso de muestras no invasivas como la saliva siempre que fue posible. Bajo esta premisa se utilizaron diferentes especies: humanos; perros ya que en ocasiones son empleados como modelos de enfermedades humanas; vacas que son propensas a sufrir mastitis, que es una enfermedad de gran importancia dentro del concepto OH; y peces y mejillones que aunque son especies filogénicamente alejadas de las anteriores se usan habitualmente en los programas de biomonitorización ambiental y por ello son de gran interés dentro del concepto OH. Los objetivos específicos de la tesis doctoral fueron: (1) Realizar una revisión del estado del arte sobre la búsqueda y validación de nuevos biomarcadores en diferentes especies y tipos de muestra, bajo las aplicaciones del concepto OH. (2) Realizar estudios proteómicos y bioquímicos en diferentes situaciones clínicas o experimentales para el descubrimiento de nuevos biomarcadores. Los estudios en humanos y mejillones se centraron en situaciones de daño muscular, mientras que los estudios en perros y vacas se hicieron en relación con diferentes enfermedades interesantes dentro del concepto de OH por su prevalencia o importancia clínica. Además, el modelo de evaluación medioambiental se realizó en peces y mejillones, ya que estás especies se emplean comúnmente como centinelas de la calidad medioambiental. (3) Identificar un biomarcador común mediante la aplicación del concepto de OH y desarrollar un sistema rápido para su medición. Para la consecución del objetivo 1 se realizaron dos revisiones de la literatura, describiendo las potenciales ventajas de la adopción del concepto OH desde el punto de vista de un laboratorio de análisis clínicos, así como las principales técnicas analíticas usadas en el estudio de saliva tanto en humanos como en animales. Además, se evaluó el nivel de conocimiento sobre OH en alumnos de 2º de Veterinaria de la Universidad de Murcia antes y después de la realización de un módulo sobre OH basado en el aula invertida y se describen los cambios que se producen en algunos biomarcadores tras la filtración de partículas y la depleción de la proteína alfa amilasa. Para el abordaje del objetivo 2 se realizaron estudios bioquímicos y proteómicos en suero y saliva de diversas especies con el fin de detectar biomarcadores de utilidad en diversas situaciones. El modelo de daño muscular se basó en el estudio de un modelo de daño inducido en mejillón para determinar si podría utilizarse como modelo animal y en el posible daño muscular producido por el ejercicio en personas. Se identificaron cambios en la expresión de diversas proteínas tanto mediante proteómica como mediante análisis bioquímico en ambos casos. El modelo de enfermedades comprende leishmaniosis, parvovirosis, piometra, tumores mamarios y diabetes mellitus en perros, así como mastitis en vacas. Estos estudios permitieron la identificación de más de 6700 proteínas, observando diferencias estadísticamente significativas en más de 400 proteínas en relación a su grupo control. En el tercer modelo centrado en biomonitorización ambiental, los estudios en mejillones se centraron en validar 9 métodos automáticos para la medición de biomarcadores y observar si éstos podían ser de utilidad para detectar los efectos provocados por contaminantes o hipoxia. En peces, se validaron cortisol, actividad esterase (EA), capacidad oxidante total (TOS) y capacidad antioxidante total (TAC) y se utilizaron para analizar los efectos de contaminantes derivados de la industria farmacéútica. Para la consecución del objetivo 3 de esta Tesis doctoral se consiguió identificar y purificar CRP en mejillones por primera vez y se validó analíticamente el uso de un método comercial para la medición de CRP humana en muestras de mejillón, mostrando su potencial aplicabilidad en el campo de la biomonitorización ambiental. Una batería de anticuerpos monoclonales para la detección de CRP, con el objetivo posterior de desarrollar un sistema rápido de detección de inflamación, fue también desarrollada. De la discusión de los resultados obtenidos en esta Tesis doctoral se pueden derivar seis conclusiones. 1. El concepto One Health puede ser aplicado a las condiciones de laboratorio mediante el uso de un mismo biomarcador en diferentes especies, tipos de muestra y enfermedades. 2. Las muestras no invasivas como la saliva y el moco cutáneo son biofluidos de gran valor analítico ya que son capaces de mostrar cambios en su composición tras condiciones de daño muscular, enfermedades o hipoxia. 3. Los estudios relacionados con el daño muscular permitieron la identificación de un potencial panel de biomarcadores para su diagnóstico en muestras de saliva de humanos y en hemolinfa de mejillón, incluyendo lactato, actina, tropomiosina y cistatina-B. 4. Los estudios proteómicos realizados en perros y vacas mostraron que tanto el suero como la saliva pueden proporcionar una valiosa información clínica en diversas enfermedades como parvovirosis, leishmaniosis, piometra, diabetes mellitus, tumores de mama y mastitis. Más de 6700 proteínas fueron identificadas en estos estudios y más de 400 fueron diferencialmente moduladas en estas situaciones, proporcionando una gran batería de posibles biomarcadores para estas enfermedades. 5. Ciertos biomarcadores empleados en medicina humana para la evaluación del estrés oxidativo pueden aplicarse en otras especies como peces y mejillones para la biomonitorización de los efectos fisiológicos asociados a contaminación ambiental. Las características de estos biomarcadores (rápidos, económicos, sensibles, accesibles, automáticos y requieren poco volumen de muestra) los hacen viables para su uso en programas de biomonitorización ambiental relacionados con contaminación o hipoxia. 6. La proteína C-reactiva ha sido identificada y descrita en mejillones por primera vez en esta Tesis doctoral. Además, se han producido una serie de anticuerpos monoclonales con afinidad con la proteína C-reactiva canina, que podrían dar pie a la creación de un sistema rápido y portátil de medición de CRP en distintas especies para la detección de inflamación.
- English
The main objective of the present PhD Thesis was to increase the knowledge about the identification, assessment, and validation of novel biomarkers of health and wellness that can be used under the One-Health (OH) context. Besides, the use of non-invasive samples such as saliva was employed whenever it was possible. Under this premise, different species were employed: humans; dogs since they are often used as animal models to humans’ diseases; cows that are prone to suffer from mastitis, and condition with high importance in the OH concept; and fish and mussels that, although they are phylogenetically very different, they are commonly used in environmental biomonitoring programs and thus are of high interest for OH. The specific objectives of this doctoral thesis were to: (1) Revise the state-of-the-art about the search and validation of novel biomarkers in different species and sample types, under the applications of the OH concept. (2) Perform proteomic and biochemical studies in various clinical or experimental situations for the identification of novel biomarkers. Studies in humans and mussels were focused on muscular damage, while studies in dogs and cows were related to diseases of interest from the OH point of view due to their prevalence or clinical relevance. An environmental evaluation model was also performed using fish and mussels since these species are commonly employed as sentinels of environmental quality. (3) Identify a common biomarker through the OH application and to develop a rapid-test for its measurement. For the consecution of objective 1, two literature reviews were performed describing the potential benefits from the adoption of the OH concept from a clinical analysis’ laboratory point of view, as well as the main analytical techniques used in saliva in both humans and animals. Besides, the OH level of knowledge of the University of Murcia’s second-year veterinary students before and after a flipped-classroom OH module was evaluated, and the changes in salivary biomarkers after filtration and alpha-amylase depletion were assessed. For the consecution of objective 2, biochemical and proteomic studies were performed in serum and saliva to identify biomarkers of different situations. The muscular damage model was based on a damage-induced mussels model to determine if this species could be used as an animal model and the possible muscular damage that occurred by exercise in humans. Changes in the expression of different proteins were detected by proteomics and biochemical analyses in both cases. The disease model included canine leishmaniosis, parvovirosis, pyometra, mammary tumors and diabetes mellitus in dogs, and mastitis in cows. These studies allowed the identification of more than 6700 proteins, revealing differences of statistical relevance in more than 400 proteins compared to their healthy control group. In the third model, focused on environmental biomonitoring, the studies were centered on validating nine automated methods for the detection of biomarkers and evaluate if they could be useful in detecting the effects caused by pollutants or hypoxia. In fish, cortisol, esterase activity (EA), total oxidant status (TOS), and total antioxidant capacity (TAC) were validated, and they were employed to detect the effects of pollutants derived from the pharmaceutical industry. For the consecution of objective 3 of the present PhD Thesis, CRP protein was identified and purified in mussels for the first time, a commercial assay for the measurement of human CRP was analytically validated, and its usefulness was proven for environmental biomonitoring. A battery of monoclonal antibodies against CRP was produced with the aim of developing a rapid system for detecting inflammation. From the discussion of results obtained in this PhD doctoral Thesis, six conclusions can be derived. 1. The One-Health concept can be applied to laboratories’ conditions by using the same biomarker in different species, sample types, and diseases. 2. The non-invasive samples such as saliva and skin mucus are biofluids of high analytical value since they can show changes in their composition after muscular damage, diseases, or hypoxia. 3. The studies related to muscular damage allowed identifying a potential panel of biomarkers for its diagnosis in human saliva and mussel hemolymph, including lactate, actin, tropomyosin, and cystatin-B. 4. The proteomic studies performed in dogs and cows showed that serum and saliva could provide valuable clinical information in different diseases such as parvovirosis, leishmaniosis, pyometra, diabetes mellitus, mammary tumors, and mastitis. More than 6700 proteins were identified in these studies, and more than 400 were differentially modulated in these diseases. 5. Certain biomarkers employed in human medicine to evaluate oxidative stress can be applied in other species, including fish and mussels, for the biomonitoring of the physiological effects associated with pollution. The characteristics of these biomarkers (fast, economical, sensitive, accessible, automated, and required low sample volume) make them suitable for their use in biomonitoring programs related to pollution or hypoxia. 6. The C-reactive protein has been identified and described in mussels for the first time in this PhD Thesis. Besides, a series of monoclonal antibodies with affinity to CRP were produced, which could be an initial step for creating a rapid and portable system for CRP measurement in different species for the detection of inflammation.
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