Metabolomic Profiling in Children with Celiac Disease: Comparison
Please note this is a comparison between Version 3 by María Jiménez-Muñoz and Version 2 by María Jiménez-Muñoz.

LCelia enfermedad celíaca (EC) sec disease (CD) is incluye en el grupo de enfermedadesded in the group of complejas ox or multifactoriales, es decir, aqu diseases, i.e., thosellas

causaedas por la by the interacción de factores genéticos y ambientales. A pesar de una comprensión cadation of genetic and environmental factors. Despite a growing understanding

of vthez mayor de los mecanismos fisiopatológicos de la pathophysiological mechanisms of the disease, diagnosis is still often delayed and there

are nfermedad, elo effective biomarkers for early diagnóstico a menudo se rosis. The only current treatment, a gluten-free dietr

(GFD), can asllevia y no existen biomarcadorte symptoms and restore intestinal villi, but its cellular effects remain poorly

unders eficaces para el diagnóstictood. To gain a comprehensive understanding of CD’s progression, it is crucial to advance

knowledge precoz. Los estudios de macross various scientific disciplines and explore what transpires after disease onset.

Metabolóomica tienen una importancias studies hold particular para desentrañar las significance in unravelling the complejidades de los trastornos xities of multifactoriales y and

multisiystémicos, donde losemic disorders, where environmental factores ambientales juegs play a significant role in disease manifestation

and un papel importante en la manifestación y progresión dprogression. By analyzing metabolites, we can gain insights into the reasons behind CD’s

occurrence, la enfermedad. Al analizaras well as better comprehend the impact of treatment initiation on patients. In this review,

we lopres metabolitos, los investigadoreent a collection of articles that showcase the latest breakthroughs in the field of metabolomics

in pueden obtener información sobre las iatric CD, with the aim of trying to identify CD biomarkers for both early diagnosis and

treazones detrás de la aparitment monitoring. These advancements shed light on the potential of metabolomic analysis in

enhanción de la EC, así como cg our understanding of the disease and improving diagnostic and therapeutic strategies.

Momprender mejor el impacto del inicio del tr studies need to be designed to cover metabolic profiles in subjects at risk of developing the

diseatse, amiento en los pacientess well as those analyzing biomarkers for follow-up treatment with a GFD. 

  • celiac disease
  • gluten-free diet
  • metabolomics
  • children
  • immune
  • intestinal

1. Introducctióon.

La enfermedad celíaca (EC) se incluye en el grupo de enfermedades complejas o multifactoriales, es decir, aquellas causadas por la interacción de factores genéticos y ambientales [ 1 ]. Es una enfermedad crónica cuya gravedad y síntomas digestivos y/o sistémicos presentan una gran variabilidad entre los pacientes. Sin embargo, la característica común a todos ellos es una respuesta inmune exacerbada al gluten y proteínas relacionadas, por lo que este trastorno sistémico se considera una enfermedad inmunomediada. De hecho, los pacientes se caracterizan por la presencia de títulos elevados de anticuerpos específicos y la gran mayoría son portadores de los haplotipos DQ2 y/o DQ8 del complejo mayor de histocompatibilidad (Antígeno Leucocitario Humano, HLA clase II), responsable de la presentación del antígeno por parte del sistema inmunitario [ 2 , 3 ,4 ]. Además de la ingesta de gluten y la presencia de alelos de riesgo en HLA, la aparición de síntomas intestinales y extraintestinales en la EC requiere la activación de ambos tipos de respuesta inmunitaria, innata y adaptativa, y esta sobreactivación del sistema inmunitario se observa a nivel nivel intestinal, así como a nivel periférico y sistémico [ 4 ].

Celiac disease (CD) is included in the group of complex or multifactorial diseases, i.e.,

those caused by the interaction of genetic and environmental factors [1]. It is a chronic

disease whose severity and digestive and/or systemic symptoms show great variability

among patients. However, the common characteristic to all of them is an exacerbated

immune response to gluten and related proteins, so this systemic disorder is considered

an immune-mediated disease. In fact, patients are characterized by the presence of high

titers of specific antibodies and the vast majority are carriers of the DQ2 and/or DQ8

haplotypes of the major histocompatibility complex (Human Leukocyte Antigen, HLA

class II), responsible for antigen presentation by the immune system [2–4]. In addition

to gluten intake and the presence of risk alleles in HLA, the occurrence of intestinal and

extra-intestinal symptoms in CD requires the activation of both types of immune response,

La principal brecha en el conocimiento de la patogenia de la EC es una explicación de por qué el 25-35% de la población sana del mundo tiene estos haplotipos, pero solo alrededor del 1-3% desarrollará CD [5 , 6 ] . Es posible que otros factores ambientales y genéticos influyan en la capacidad de un individuo para inducir y controlar la respuesta innata y la susceptibilidad de un individuo al gluten.

innate and adaptive, and this overactivation of the immune system is observed at the

intestinal level as well as at the peripheral and systemic levels [4].

The main gap in the knowledge of the pathogenesis of CD is an explanation of why

25–35% of the world’s healthy population has these haplotypes, but only about 1–3% will

develop CD [5,6]. It is possible that other environmental and genetic factors influence

an individual’s ability to induce and control the innate response and an individual’s

susceptibility to gluten.

Even though CD is actually one of the most frequent genetic diseases, affecting 1–3%

of the world’s population, and to a greater extent women and children [7], it is clearly

underestimated and underdiagnosed. Despite advances in knowledge and the development

of serological tests, CD continues to be difficult and costly to diagnose, largely due to the

systemic nature of CD, the lack of specificity of its clinical manifestations and the existence

of silent or latent forms [8,9]. The problem is that untreated celiacs or those whose diagnosis

has been delayed, despite having no symptoms, may have an exacerbated and chronic

activation of the immune system, which is uncontrolled for a longer time, leading to a

worse prognosis, an accentuation of symptoms and the appearance of other autoimmune

diseases such as type 1 diabetes or gluten-dependent hepatitis, which are frequent in CD

patients [10,11]. Also, they may be affected by a variety of adverse consequences, some

serious such as the development of malignant tumors [12]. Therefore, at the present time,

the main challenge, like for other genetic-based diseases (such as some types of cancer

and diabetes, among others), is to study in genetically predisposed individuals, on the one

hand, which factors are involved in the development or not of CD and, on the other, to

find biomarkers for its early diagnosis and follow-up. The idea is to avoid the side effects

when the disease has already made its debut and even prevent its appearance, something

relevant since it is currently incurable.

The only current treatment for CD is a lifelong strict gluten-free diet (GFD) that

achieves a remission of symptoms within a few days or weeks and a restoration of intestinal

villi and immune homeostasis within a few months. We ourselves have found that, after

18 months of a strict GFD follow-up, the celiac has most of the parameters equivalent to

those of a healthy child [13–15]. This is an important finding, but, even so, the usual delay

in diagnosis (because of its difficulty), in combination with the time it takes to stabilize

the disease, is too long, and in this period they may develop complications that will result

in sequelae that range from minor (e.g., permanent short stature, dental enamel failure

and psychiatric problems) to serious, such as tumors, in the long term. The fact is that the

GFD seems to play an important role in the pathogenesis of tumor development, since

some studies have described a greater development of tumors the later the diagnosis is

made and in patients who have not followed the GFD [16]. Thus, untreated CD is associated

above all with T-cell lymphoma (EATL) [12] and small bowel adenocarcinoma [17],

although a higher incidence of non-Hodgkin’s lymphoma and colorectal cancer has also

been described [18,19].

As CD is a systemic and complex disease, it is necessary to look at it from different

perspectives. Personalized or precision medicine refers to the application of biotechnology,

genetic profiling, “omics” sciences and the incorporation of clinical and environmental

factors to evaluate individual risks and design strategies for the prevention, diagnosis,

treatment or follow-up of the disease at the right time and in the right patient, with the

minimum toxicity and maximum possible efficacy. One of the sciences that has been

booming in recent years is metabolomics, which deals with the study of chemical processes

in which small molecules, called metabolites, which can be both endogenous and xenobiotic,

are measured. These molecules give information about a metabolic process that has taken

place in the organism, and metabolomics can be considered, from this perspective, as an

approach to cellular metabolism that other “omics” sciences cannot provide [20,21]. In this

sense, metabolomics is presented as a fast and non-invasive tool that could represent a step

forward in the knowledge of many diseases through the study of the metabolic profile by

Aunque la EC es en realidad una de las enfermedades genéticas más frecuentes, que afecta al 1-3% de la población mundial, y en mayor medida a mujeres y niños [ 7 ], está claramente subestimada e infradiagnosticada. A pesar de los avances en el conocimiento y el desarrollo de pruebas serológicas, la EC continúa siendo difícil y costosa de diagnosticar, en gran parte debido a la naturaleza sistémica de la EC, la falta de especificidad de sus manifestaciones clínicas y la existencia de formas silenciosas o latentes [8, 9 ] .]. El problema es que los celíacos no tratados o cuyo diagnóstico se ha retrasado, a pesar de no tener síntomas, pueden tener una activación exacerbada y crónica del sistema inmunológico, que se descontrola durante más tiempo, lo que conlleva un peor pronóstico, una acentuación de los síntomas y la aparición de otras enfermedades autoinmunes como la diabetes tipo 1 o la hepatitis dependiente del gluten, frecuentes en pacientes con EC [ 10 , 11 ]. Además, pueden verse afectados por una variedad de consecuencias adversas, algunas graves como el desarrollo de tumores malignos [ 12]. Por tanto, en la actualidad, el principal reto, al igual que para otras enfermedades de base genética (como algunos tipos de cáncer y diabetes, entre otras), es estudiar en individuos genéticamente predispuestos, por un lado, qué factores intervienen en la el desarrollo o no de EC y, por otro, encontrar biomarcadores para su diagnóstico precoz y seguimiento. La idea es evitar los efectos secundarios cuando la enfermedad ya ha debutado e incluso prevenir su aparición, algo relevante ya que actualmente es incurable.

obtaining what are known as “metabolomic fingerprints or signatures” resulting from the

interaction of the genome, epigenome, transcriptome, proteome and the environment.

Metabolomics studies are especially relevant in those multifactorial and multisystemic

pathological situations where the environmental factor plays a relevant role in the

appearance and development of the disease. Technologies such as metabolomics could

define the alterations that occur in the genetically predisposed individual, as well as after

certain changes, such as the GFD, helping to better understand these complex interactions,

and thus may be useful for the diagnosis and monitoring of CD [22]. In this review, we

cover several articles highlighting the latest advancements in the field of metabolomics in

pediatric CD. Specifically, we explore studies that examine plasma and urine samples, with

a special focus on the role of the GFD.

Al ser la EC una enfermedad sistémica y compleja, es necesario mirarla desde diferentes perspectivas. La medicina personalizada o de precisión se refiere a la aplicación de la biotecnología, el perfil genético, las ciencias “ómicas” y la incorporación de factores clínicos y ambientales para evaluar los riesgos individuales y diseñar estrategias de prevención, diagnóstico, tratamiento o seguimiento de la enfermedad a la derecha. tiempo y en el paciente adecuado, con la mínima toxicidad y la máxima eficacia posible. Una de las ciencias que ha estado en auge en los últimos años es la metabolómica, que se ocupa del estudio de los procesos químicos en los que se miden pequeñas moléculas, denominadas metabolitos, que pueden ser tanto endógenas como xenobióticas. Estas moléculas dan información sobre un proceso metabólico que ha tenido lugar en el organismo, y se puede considerar la metabolómica,20 , 21 ]. En este sentido, la metabolómica se presenta como una herramienta rápida y no invasiva que podría suponer un paso adelante en el conocimiento de muchas enfermedades a través del estudio del perfil metabólico mediante la obtención de las denominadas “huellas o firmas metabolómicas” resultantes de la interacción del genoma, epigenoma, transcriptoma, proteoma y medio ambiente.
Los estudios de metabolómica son especialmente relevantes en aquellas situaciones patológicas multifactoriales y multisistémicas donde el factor ambiental juega un papel relevante en la aparición y desarrollo de la enfermedad. Tecnologías como la metabolómica podrían definir las alteraciones que ocurren en el individuo genéticamente predispuesto, así como después de ciertos cambios, como la DLG, ayudando a comprender mejor estas complejas interacciones, y por lo tanto pueden ser útiles para el diagnóstico y seguimiento de la EC [ 22 ]. 

2. Perfil masma Metabolómico del plasma

2.1. Huella inherente de CD y papel de la GFD

Se han propuesto varias moléculas como posibles biomarcadores de EC. Al respecto, Auricchio et al., 2019 [ 102] encontraron que el perfil de fosfolípidos séricos es diferente en niños que desarrollan EC en comparación con niños sanos con perfiles genéticos similares (HLA DQ2 o DQ8 humano específico celíaco), incluso antes de la introducción del gluten en la dieta a los 4 meses de edad. Siguieron una cohorte de niños de familias con caso de EC desde el nacimiento hasta los 8 años, con muestreo a los 4 y 12 meses de edad (y al diagnóstico de EC en casos >24 meses de edad), encontrando en análisis lipidómico basado en CL junto con MS y monitoreo de reacciones múltiples (MRM) que el perfil de lípidos es bastante constante en cada individuo, en ambos grupos, lo que sugiere que podría ser constitutivo. En el análisis por grupos de edad, encontraron que los niños que desarrollaron EC habían aumentado los niveles séricos de liso y fosfatidilcolina (PC) (PC 40:4 mostró la mayor diferencia entre los dos grupos), así como alquilacilfosfatidilcolina (PC-O). En concreto, dos alquilacilfosfatidilcolípidos (PC O-42:0 y PC O-38:3), junto con la lactancia materna y una fosfatidilcolina (PC 34:1), se definieron como predictores de desarrollo de EC. Encontraron que las fosfatidiletanolaminas (PE) PE 34:1 y PE 36:1 estaban disminuidas en pacientes celíacos. El grupo de trabajo de Sen et al., 2019 [ 103] también aplicó la lipidómica en el estudio de una cohorte de niños finlandeses en el contexto del estudio Predicción y prevención de la diabetes tipo 1. Con base en la EM y la comparación de muestras de plasma de niños que desarrollaron CD con muestras de plasma de controles sanos, emparejados por riesgo HLA, sexo y edad, encontraron que los progresores de CD (niños que desarrollaron CD) tenían un aumento de triacilgliceroles (TG) de bajo número de carbono, niveles plasmáticos de recuento de doble enlace y niveles reducidos de fosfatidilcolinas y ésteres de colesterol a los 3 meses de edad en comparación con los controles. Estas diferencias no fueron aparentes al nacer (sangre de cordón) y se exacerbaron con la edad. Se propone que el aumento de los TG de bajo número de carbonos y doble enlace se debe a la lipogénesis de novo que compensa la malabsorción de lípidos, lo cual ocurriría a una edad muy temprana; este aumento de TG se ha relacionado en adultos con un aumento de la grasa hepática en la enfermedad del hígado graso no alcohólico [104 ]. Además, encontraron una disminución de los niveles de TG esenciales totales en el plasma de los progresores de EC después de la ingesta de gluten, revirtiendo esta tendencia, pero no significativamente, después del inicio de la DLG, y hubo una relación inversa con el título de transglutaminasa tisular IgA (tTGA) . También hubo un aumento en los niveles de colesterol después del inicio de la DLG en los progresores de EC. Por otro lado, los niveles plasmáticos de TG endógenos estaban disminuidos en los progresores de EC independientemente de la ingesta de gluten. Las PC se elevaron tanto en los progresores de CD como en los controles después del inicio de la ingesta de gluten. Se observó una diferencia en los niveles plasmáticos de esfingomielina en los progresores de EC a una edad más avanzada, después de la introducción de la DLG. Estos hallazgos sugieren que una desregulación en el metabolismo de los lípidos puede estar asociada con el desarrollo de la EC y que ocurre en los primeros meses de vida, incluso antes de la introducción del gluten en la dieta. Esto podría ayudar a predecir el desarrollo de EC en bebés con riesgo genético, incluso años antes de la aparición de anticuerpos específicos o síntomas/signos clínicos. Sin embargo, un estudio anterior (2016) basado en el proyecto PreventCD sugirió que el perfil metabólico a los 4 meses (antes de la introducción del gluten en la dieta) no predecía el desarrollo de la EC, sino que las vías metabólicas se ven afectadas más adelante en la vida [ 105]. En este estudio, que analizó muestras de suero de lactantes con riesgo genético de EC que desarrollaron EC en comparación con aquellos que no desarrollaron la enfermedad a los 8 años de edad, se encontró una tendencia a la disminución de los niveles de fosfolípidos en los niños que posteriormente desarrollaron EC, aunque no significativamente, con una mayor disminución en la submuestra de niños amamantados exclusivamente hasta los 4 meses de edad. Concluyen que los estudios metabolómicos deberían centrarse en los niños a los que ya se les ha introducido el gluten en su dieta. Sin embargo, este estudio centró el análisis en los fosfolípidos y las acilcarnitinas, y no se midieron los TG ni los ésteres de colesterol. Siguiendo el enfoque de la lipidómica, en un estudio piloto realizado por nosotros mismos [ 106], el perfil de lípidos plasmáticos se vio afectado en pacientes celíacos, a pesar del tratamiento con DLG. Usando una plataforma LC-MS/MS, se analizó el plasma de 17 niños celíacos bajo tratamiento GFD y 17 controles sanos (hermanos). Entre las moléculas significativas, se encontró que el 64% aumentaba y el 36% disminuía en pacientes con EC. Dos ácidos carboxílicos y derivados se incrementaron en CD; otras moléculas cuyos niveles se vieron afectados en los pacientes fueron cuatro acilos grasos (tromboxanos y leykotrienos implicados en vías inflamatorias), cinco glicerolípidos, once glicerofosfolípidos, un compuesto organooxigenado y dos esfingolípidos, especies lipídicas pertenecientes al metabolismo de los esteroides y otras moléculas implicadas en el metabolismo de la bilirrubina. En pacientes celíacos niveles elevados de moléculas implicadas en vías de señalización celular (ceramidas, diacilglicéridos y lisofosfolípidos). Los diacilglicéridos juegan un papel central en el control de la comunicación neuronal, la fagocitosis y el control de las respuestas inmunes, y como segundo mensajero juegan un papel importante en la regulación de mTOR, descrita recientemente como un factor clave en el mantenimiento de una respuesta inflamatoria sostenida en la EC [107 ]. Aparte del perfil de lípidos, este grupo también encontró alteraciones en el metabolismo de un carbono [ 108] bajo un estudio de metabolómica plasmática dirigido. Observaron una regulación a la baja de la vía de trans-sulfuración en pacientes con EC, a pesar de la DLG, con cisteína y cistationina disminuidas, lo que, junto con el glutatión y la vitamina B6 normales, sugiere un defecto específico a nivel de las enzimas involucradas en la defensa antioxidante, detección de oxígeno, función mitocondrial, inflamación y señalización de segundo mensajero. Este hallazgo, además, podría explicarse por una mutación de la hidrolasa S-adenosil-L-homocisteína (SAH) que provoca síntomas típicos de la enfermedad, como retraso del crecimiento, anomalías dentales o hipertransaminasemia. En contraste, otras vías involucradas en el metabolismo de un carbono parecían estar preservadas (metabolismo de la colina, el ciclo de la metionina y el ciclo del folato), sugiriendo que la adherencia a una DLG estricta podría revertir ciertos cambios metabólicos en pacientes celíacos, haciéndolos asemejarse al perfil de sujetos sanos. Este grupo señala que estos cambios metabolómicos son, sin embargo, menores, ya que solo se vio afectado aproximadamente el 4% del metaboloma plasmático total analizado.106 ]. En un estudio más reciente basado en un análisis metabólico plasmático específico, Girdhar et al., 2023 [ 109] encontraron niveles elevados de ácido 2-metil-3-cetovalrico, ácido taurodesoxicólico (TDCA), glucono-D-lactona e isoburyril-L-carnitina, así como niveles significativamente bajos de ácido oleico (metabolito antiinflamatorio) en progresores de EC ( en comparación con niños sanos de la misma edad, genotipo HLA, duración de la lactancia y duración de la exposición al gluten). Otras vías metabólicas también se vieron afectadas en los progresores de EC, como la vía de las pentosas fosfato, la biosíntesis de ácidos grasos insaturados y el metabolismo de glicolípidos y ácido linoleico. En particular, los niveles de TDCA aumentaron al doble de los valores normales. El TDCA, un metabolito derivado de la microbiota intestinal, puede desempeñar un papel en la inflamación del intestino delgado y la patogénesis de la EC. ya que su administración a ratones C57BL/6J complementando su dieta provocó una distorsión en la estructura de las criptas y una atrofia total o parcial de las vellosidades; aumento de las células T CD4+, las células asesinas naturales y la expresión de Qa-1 y NKG2D en las células T (dos proteínas inmunomoduladoras); y disminución de las células T reguladoras en los linfocitos intraepiteliales. Por lo tanto, TDCA podría usarse como un biomarcador de diagnóstico temprano y, lo que es más importante, como terapias dirigidas para eliminar las bacterias productoras de TDCA (Clostridium XIVa y Clostridium XI ) en etapas tempranas de la vida podrían usarse como una estrategia para disminuir el riesgo de desarrollar EC. Por otro lado, encontraron que el perfil plasmático de citocinas y otros metabolitos estaban alterados en los progresores de EC, incluso antes del diagnóstico (otro trabajo reciente (Auricchio et al., 2023 [ 110 ]) también se ha centrado en el perfil de citocinas séricas y los genes proinflamatorios expresión en lactantes con riesgo de EC), y también se encontraron diferencias en la composición de la microbiota intestinal (estudiada en heces) (otros autores también han estudiado alteraciones de la microbiota y el metaboloma en lactantes con riesgo de EC, en heces [ 111 , 112]). En los progresores de EC, antes del diagnóstico, encontraron niveles significativamente elevados de tres citocinas proinflamatorias (IFNA2, IL-1a e IL-17E/(IL25)) y una quimiocina (MIP-1b/CCl4). Otro aspecto interesante a abordar son los biomarcadores alternativos que permitan hacer un seguimiento de la enfermedad y también puedan ser utilizados en la evaluación de familiares de pacientes celíacos. Lomash et al., 2021 [ 113], como un potencial biomarcador útil en el diagnóstico y seguimiento de la enfermedad, así como en la evaluación de familiares de primer grado (FDR) de pacientes celíacos (valor predictivo en la distinción de EC seronegativa y en la progresión del potencial a CD). Este aminoácido no esencial es producido específicamente por las vellosidades de enterocitos del intestino delgado proximal, por lo que se ha propuesto como un posible marcador de la función intestinal residual en patologías como la enterocolitis necrosante del recién nacido, enteropatías, trasplante de intestino delgado o resecciones de intestino delgado [ 114]. Este trabajo encontró diferencias estadísticamente significativas en los niveles medianos de citrulina en plasma en niños celíacos (20,1 μM (IQR, 13,35-29,15)) en comparación con los controles (FDR con serología negativa) (37,33 μM (IQR, 29,8-42,6)). También encontraron una correlación inversa entre los niveles de citrulina plasmática y los niveles de IgA anti-tTG a lo largo del establecimiento de la DLG y, además, en los diferentes grados de Marsh al diagnóstico; por lo tanto, la citrulina podría usarse como un biomarcador sustituto para la serología en el seguimiento de la enfermedad y en la predicción del grado de daño histopatológico (fue eficaz para distinguir los grados 3b y superiores, pero no para distinguir los grados 3a o menos en pacientes celíacos y FDR asintomáticos sanos). Además, en pacientes con resultados de serología y biopsia no concluyentes, la citrulina plasmática mediana reflejó daño en la mucosa (12.

2.2. Influencia genética (HLA)

En el trabajo mencionado anteriormente [ 113 ], los niveles de citrulina en plasma también se correlacionaron con el genotipo HLA. Se observaron niveles de citrulina en plasma significativamente bajos en sujetos con el genotipo HLA DQ 2.5 con los subtipos DQA1*0501 y DQB1*0201. Ya se ha informado que el genotipo HLA-DQ influye en la colonización microbiana intestinal temprana, lo que influye en el metaboloma [ 115 ]. Kirchberg et al. (2016) encontraron que el genotipo HLA no tenía ninguna influencia en el perfil metabólico del suero en bebés con riesgo de enfermedad celíaca antes de introducir el gluten en su dieta [ 105 ] .

3. omic Perfil mofiletabolómico de la orina



2.1. CD’s Inherent Footprint and Role of the GFD

Several molecules have been proposed as potential CD biomarkers. In this regard,

Auricchio et al., 2019 [102] found that the serum phospholipid profile is different in children

who develop CD compared to healthy children with similar genetic profiles (specific celiac

human HLA DQ2 or DQ8), even before the introduction of gluten to the diet at 4 months of

age. They followed a cohort of children from families with a CD case from birth to 8 years

of age, with sampling at 4 and 12 months of age (and at CD diagnosis in cases >24 months

of age), finding in lipidomic analysis based on LC coupled with MS and multiple reaction

monitoring (MRM) that the lipid profile is fairly constant in each individual, in both groups,

suggesting that it could be constitutive. In the age-grouped analysis, they found that children

who developed CD had increased lyso- and phosphatidylcholine (PC) serum levels

(PC 40:4 showed the greatest difference between the two groups), as well as alkylacylphosphatidylcholine

(PC-O). Specifically, two alkylacylphosphatidylcholipids (PC O-42:0 and

PC O-38:3), together with breastfeeding and one phosphatidylcholine (PC 34:1), were defined

as predictors of CD development. They found that phosphatidylethanolamines (PE)

PE 34:1 and PE 36:1 were decreased in celiac patients.

The working group of Sen et al., 2019 [103] also applied lipidomics in the study of a

cohort of Finnish children in the context of the Type 1 Diabetes Prediction and Prevention

study. Based on MS and comparing plasma samples from children who developed CD

with plasma samples from healthy controls, matched for HLA risk, sex and age, they found

that CD progressors (children who developed CD) had increased triacylgycerols (TGs) of

low carbon number, double-bond count plasma levels and decreased phosphatidylcholines

and cholesterol esters levels at 3 months of age compared to controls. These differences

were not apparent at birth (cord blood) and exacerbated with age. It is proposed that

the increase in TGs of low carbon number and double-bond count is due to de novo

lipogenesis compensating for lipid malabsorption, which would occur at a very young age;

this increase in TGs has been linked in adults to increased liver fat in non-alcoholic fatty

liver disease [104]. In addition, they found decreased total essential TG levels in the plasma

of the CD progressors after gluten intake, reversing this trend, but not significantly, after

the onset of GFD, and there was an inverse relationship with the tissue transglutaminase

IgA titer (tTGA). There was also an increase in cholesterol levels after the start of GFD in the

CD progressors. On the other hand, the endogenous TGs plasma levels were decreased in

CD progressors independently of gluten intake. PCs were elevated in both CD progressors

and controls after the start of gluten intake. A difference in sphingomyelin plasma levels

was observed in CD progressors at a later age, after the introduction of GFD.

These findings suggest that a dysregulation in lipid metabolism may be associated

with the development of CD, and that it occurs in the first months of life, even before

the introduction of gluten to the diet. This could help predict the development of CD in

infants at genetic risk, even years before the appearance of specific antibodies or clinical

symptoms/signs.

However, a previous study (2016) based on the PreventCD project suggested that the

metabolic profile at 4 months (before the introduction of gluten to the diet) did not predict

the development of CD, but that metabolic pathways are affected later in life [105]. In this

study, which studied serum samples from infants at genetic risk for CD who developed CD

compared to those who did not develop the disease at 8 years of age, a trend of decreased

phospholipids levels was found in children who subsequently developed CD, although

not significantly, with a greater decrease in the subsample of children exclusively breastfed

until 4 months of age. They conclude that metabolomic studies should focus on children

who have already had gluten introduced to their diet. However, this study focused the

analysis on phospholipids and acylcarnitines, and TGs and cholesterol esters were not

measured.

Following the lipidomics approach, in a pilot study conducted by ourselves [106],

plasma lipid profile was affected in celiac patients, despite GFD treatment. Using an

LC-MS/MS platform, there plasma from 17 celiac children under a GFD treatment and

17 healthy controls (siblings) was analyzed. Among the significant molecules, it was

found that 64% were increased and 36% decreased in CD patients. Two carboxylic acids

and derivatives were increased in CD; other molecules whose levels were affected in

patients were four fatty acyls (thromboxanes and leykotrienes involved in inflammatory

pathways), five glycerolipids, eleven glycerophospholipids, one organoxigen compound

and two sphingolipids, lipid species belonging to steroid metabolism and other molecules

involved in bilirubin metabolism. In celiac patients elevated levels of molecules involved in

cell signaling pathways (ceramides, diacylglycerides and lysophospholipids) were found.

Diacylglycerides play a central role in the control of neuronal communication, phagocytosis

and the control of immune responses, and as a second messenger they play an important

role in the regulation of mTOR, recently described as a key factor in maintaining a sustained

inflammatory response in CD [107].

Aside from the lipid profile, one-carbon metabolism alterations were also found by this

group [108] under a targeted plasma metabolomics study. They observed a down-regulation

of the trans-sulphuration pathway in CD patients, despite GFD, with decreased cysteine

and cystathionine, which, together with normal glutathione and vitamin B6, suggests a

specific defect at the level of the enzymes involved in antioxidant defense, oxygen sensing,

mitochondrial function, inflammation and second-messenger signaling. This finding,

moreover, could be explained by a S-adenosyl-L-homocysteine (SAH) hydrolase mutation

that causes typical symptoms of the disease, such as growth retardation, dental anomalies

or hypertransaminasemia. In contrast, other pathways involved in one-carbon metabolism

appeared to be preserved (choline metabolism, the methionine cycle and the folate cycle),

suggesting that adherence to a strict GFD could reverse certain metabolic changes in celiac

patients, making them resemble the profile of healthy subjects. This group notes that these

metabolomic changes are, however, minor, as only approximately 4% of the total plasma

metabolome analyzed was affected [106].

In a more recent study based on a targeted plasma metabolomics analysis, Girdhar

et al., 2023 [109] found increased levels of 2-methyl-3-ketovalric acid, taurodeoxycholic

acid (TDCA), glucono-D-lactone and isoburyryl-L-carnitine, as well as significantly low

oleic acid levels (anti-inflammatory metabolite) in CD progressors (compared to healthy

children matched for age, HLA genotype, breastfeeding duration and gluten exposure

duration). Other metabolic pathways were also affected in the CD progressors, such

as the pentose phosphate pathway, unsaturated fatty acid biosynthesis and glycolipid

and linoleic acid metabolism. Notably, TDCA levels were increased to twice the normal

values. TDCA, a metabolite derived from the gut microbiota, may play a role in small

intestinal inflammation and CD pathogenesis, as its administration to C57BL/6J mice by

supplementing their diet caused a distortion in crypt structure and total or partial villous

atrophy; increased CD4+ T cells, natural killer cells and Qa-1 and NKG2D expression on T

cells (two immunomodulatory proteins); and decreased regulatory T cells in intraepithelial

lymphocytes. Therefore, TDCA could be used as an early diagnosis biomarker, and more

importantly, targeted therapies to eliminate TDCA-producing bacteria (Clostridium XIVa

and Clostridium XI) early in life could be used as a strategy to decrease the CD development

risk. On the other hand, they found that the cytokine plasma profile and other metabolites

were altered in CD progressors, even before diagnosis (other recent work (Auricchio et al.,

2023 [110]) has also focused on the serum cytokine profile and proinflammatory genes

expression in infants at CD risk), and differences were also found in the gut microbiota

composition (studied in stool) (other authors have also studied microbiota and metabolome

alterations in infants at risk of CD, in stool [111,112]). In the CD progressors, before

diagnosis, they found significantly increased levels of three proinflammatory cytokines

(IFNA2, IL-1a and IL-17E/(IL25)) and a chemokine (MIP-1b/CCl4).

Another interesting aspect to be addressed is alternative biomarkers that allow the

disease to be monitored and can also be used in the evaluation of celiac patients’ relatives.

Plasma citrulline was assessed by an LC auto sampler (and in dried blood spots) by Lomash

et al., 2021 [113], as a potential biomarker useful in the diagnosis and monitoring

of the disease, as well as in the evaluation of celiac patients’ first-degree relatives (FDRs)

(predictive value in the distinction of seronegative CD and in the progression of potential

to overt CD). This non-essential amino acid is specifically produced by proximal small

intestine enterocyte villi, so it has been proposed as a possible marker of residual intestinal

function in pathologies such as necrotizing enterocolitis in newborns, enterophaties, small

intestine transplantation or small bowel resections [114]. This work found statistically

significant differences in the median plasma citrulline levels in celiac children (20.1 mcM(IQR,

13.35–29.15)) compared to controls (serology-negative FDRs) (37.33 mcM (IQR, 29.8–42.6)).

They also found an inverse correlation between plasma citrulline levels and anti-tTG IgA

levels throughout the establishment of GFD and, in addition, in the different Marsh grades

at diagnosis; so, citrulline could be used as a surrogate biomarker for serology in disease

monitoring and in predicting the histopathological damage degree (it was effective in

distinguishing grades 3b and above but not in distinguishing 3a or less in celiac patients

and healthy asymptomatic FDRs). In addition, in patients with inconclusive serology and

biopsy results, the median plasma citrulline reflected mucosal damage (12.26 mcM) like

in potential celiacs (median plasma citrulline levels: 23.25 mcM).

Otros estudios también han comparado el perfil metabolómico de la orina de niños celíacos con controles sanos, algunos de ellos centrados en los cambios en el perfil de compuestos orgánicos volátiles (COV). Un ejemplo de esto es Di Cagno et al., 2011 [ 116], quienes, mediante análisis de cromatografía de gases por espectrometría de masas/microextracción en fase sólida (GC-MS/SPME), demostraron que los niveles de COV y de aminoácidos libres se encuentran alterados en la orina (y heces) de niños celíacos mayores de 2 años de la DLG, relacionando estos desequilibrios con las diferencias cualitativas y cuantitativas de la microbiota de los celíacos en comparación con las personas sanas. Descubrieron que el grupo CD tenía niveles más altos de trisulfuro de dimetilo y disulfuro de dimetilo en la orina. Además, con algunas excepciones, también tenían niveles más altos de hidrocarburos en la orina. No se encontraron diferencias en los niveles de aldehídos en la orina entre los dos grupos. Estos hallazgos fueron confirmados por RMN, que también encontró que el grupo CD tenía niveles medios más altos de lisina, arginina, creatina y metilamina, mientras que carnosina, glucosa, la glutamina y el ácido 3-metil-2-oxobutanoico fueron los más altos en niños sanos. Este estudio enfatiza que una DLG no restaura completamente la microbiota y, en consecuencia, el metaboloma de los niños con EC, y que existen posibles marcadores metabólicos de EC; además, sugiere que la adición de prebióticos y probióticos a la DLG podría restablecer el equilibrio microbiota-microbioma en niños celíacos.

2.2. Genetic Influence (HLA)

In the above-mentioned work [113], plasma citrulline levels were also correlated with

HLA genotype. Significantly low plasma citrulline levels were observed in subjects with

the HLA DQ 2.5 genotype with subtypes DQA1*0501 and DQB1*0201. The HLA-DQ

genotype has already been reported to influence early intestinal microbial colonization,

thus influencing the metabolome [115].

Kirchberg et al. (2016) found that the HLA genotype did not have any influence on

the serum metabolic profile in infants who were at risk for celiac disease before introducing

gluten to their diet [105].

En relación a este aspecto, Drabinska et al., 2019 [ 117], estudiaron el efecto de la suplementación con GFD con un prebiótico (inulina enriquecida con oligofructosa) sobre la concentración de VOC en orina en niños y adolescentes celíacos, mediante análisis GC-MS/SPME. Este trabajo se basa en la idea de que los cambios en el perfil de COV en los fluidos biológicos que se producen en diversas enfermedades gastrointestinales (estudiadas por los recientes llamados “volatolómicos”) se deben en parte a alteraciones en el metabolismo de la microbiota, especialmente en su actividad fermentativa, y no tanto a las variaciones en su composición. Sin embargo, la suplementación de GFD con este prebiótico no tuvo impacto en la mayoría de los perfiles de VOC en orina de pacientes celíacos; solo se observó un cambio significativo en las concentraciones de benzaldehído, las cuales disminuyeron un 36% después de 12 semanas de intervención, lo que puede estar relacionado con una disminución de Lactobacilluscuenta en el grupo suplementado con prebióticos, ya que Lactobacillus produce una aminotransferasa que convierte la fenilalanina en benzaldehído.



3. Urine Metabolomic Profile

Other studies (Table 3) have also compared the urine metabolomic profile of celiac

children with healthy controls, some of them focusing on changes in the volatile organic

compounds (VOCs) profile. An example of this is Di Cagno et al., 2011 [116], who, using gas

chromatography mass spectrometry/solid-phase microextraction (GC-MS/SPME) analysis,

demonstrated that VOCs and free-amino-acid levels are altered in the urine (and stool) of

celiac children with more than 2 years of GFD, relating these imbalances to qualitative and

quantitative differences in the microbiota of celiac patients compared to healthy people.

They found that the CD group had higher dimethyl trisulfide and dimethyl disulfide

urine levels. In addition, with some exceptions, they also had higher urine hydrocarbon

levels. No differences in urine aldehyde levels were found between the two groups. These

findings were confirmed by NMR, which also found that the CD group had higher lysine,

arginine, creatine and methylamine mean levels, while carnosine, glucose, glutamine and

3-methyl-2-oxobutanoic acid were the highest in healthy children. This study emphasizes

that a GFD does not completely restore the microbiota or, consequently, the metabolome

of children with CD, and that there are possible metabolic markers of CD; furthermore,

it suggests that the addition of prebiotics and probiotics to the GFD could restore the

microbiota–microbiome balance in celiac children.

Otro estudio, también dirigido por Drabinska [ 118], cuyo objetivo era optimizar el método GC-MS/SPME para la detección de cambios en los perfiles de VOC en orina en niños celíacos en comparación con niños sanos. Con base en las puntuaciones de Variable Importance in the Projection (VIP), se podrían sugerir varios biomarcadores de CD: 1,3-di-terc-butilbenceno (que solo se encuentra en la orina de niños celíacos) y otros COV presentes en concentraciones más altas en la orina de niños sanos. niños (2,3-butanodiona, 2-heptanona, disulfuro de dimetilo y octanal y, con puntuaciones VIP más bajas, 2-butanona, hexanal y 4-heptanona). Una vez más, estas diferencias podrían explicarse por alteraciones en la microbiota intestinal de los pacientes celíacos, ya que muchos COV son productos de fermentación de la microbiota, and could be increased by the altered intestinal permeability.

In relation to this aspect, Drabinska et al., 2019 [117], studied the effect of GFD supplementation

with a prebiotic (oligofructose-enriched inulin) on VOC urine concentration in

celiac children and adolescents, using GC-MS/SPME analysis. This work is based on the

idea that changes in the VOC profile in biological fluids that occur in various gastrointestinal

diseases (studied by the recent so-called “volatolomics”) are due in part to alterations in

microbiota metabolism, especially its fermentative activity, and not so much to variations

in its composition. However, GFD supplementation with this prebiotic had no impact on

most VOC urine profiles of celiac patients; only a significant change was observed in benzaldehyde

concentrations, which decreased by 36% after 12 weeks of intervention, which

may be related to a decrease in Lactobacillus counts in the prebiotic-supplemented group, as

Lactobacillus produces an aminotransferase that converts phenylalanine to benzaldehyde.

Another study, also led by Drabinska [118], aimed to optimize the GC-MS/SPME

method for the detection of changes in VOC urine profiles in celiac children compared to

healthy children. Based on Variable Importance in the Projection (VIP) scores, several CD

biomarkers could be suggested: 1,3-di-tert-butylbenzene (only found in the urine of celiac

children) and other VOCs present in higher concentrations in the urine of healthy children

(2,3-butanedione, 2-heptanone, dimethyl disulfide and octanal, and, with lower VIP scores,

2-butanone, hexanal and 4-heptanone). Again, these differences could be explained by

alterations in the celiac patients’ gut microbiota, as many VOCs are fermentation products

of the microbiota. On the other hand, the VOC levels in biological fluids (blood, urine,

sweat . . . ) could be increased by the altered intestinal permeability present in many

gastrointestinal tract diseases.

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