Early-life chronic exposure to environmental contaminants, such as bisphenol-A, particulate matter air pollution, organophosphorus pesticides, and pharmaceutical drugs, among others, may affect central tissues, such as the hypothalamus, and peripheral tissues, such as the endocrine pancreas, causing inflammation and apoptosis with severe implications to the metabolism. The Developmental Origins of Health and Disease (DOHaD) concept articulates events in developmental phases of life, such as intrauterine, lactation, and adolescence, to later-life metabolism and health. These developmental phases are more susceptible to environmental changes, such as those caused by environmental contaminants, which may predispose individuals to obesity, metabolic syndrome, and chronic noncommunicable diseases later in life. Alterations in the epigenome are explored as an underlying mechanism to the programming effects on metabolism, as the expression of key genes related with central and peripheral metabolic functions may be altered in response to environmental disturbances. Studies show that environmental contaminants may affect gene expressions in mammals, especially when exposed to during the developmental phases of life, leading to metabolic disorders in adulthood. In this review, we discuss the current obesity epidemics, the DOHaD concept, pollutants' toxicology, environmental control, and the role of environmental contaminants in the central and peripheral programming of obesity and metabolic syndrome. Improving environmental monitoring may directly affect the quality of life of the population and help protect the future generations from metabolic diseases.

Abstract Metabolic malprogramming has been associated with low birth weight; however, the interplay between insulin secretion disruption and adrenal function upon lipid metabolism is unclear in adult offspring from protein-malnourished mothers during the last third of gestation. Thus, we aimed to study the effects of a maternal low-protein diet during the last third of pregnancy on adult offspring metabolism, including pancreatic islet function and morphophysiological aspects of the liver, adrenal gland, white adipose tissue, and pancreas. Virgin female Wistar rats (age 70 d) were mated and fed a protein-restricted diet (4%, intrauterine protein restricted [IUPR]) from day 14 of pregnancy until delivery, whereas control dams were fed a 20.5% protein diet. At age 91 d, their body composition, glucose-insulin homeostasis, ACTH, corticosterone, leptin, adiponectin, lipid profile, pancreatic islet function and liver, adrenal gland, and pancreas morphology were assessed. The birth weights of the IUPR rats were 20% lower than the control rats (P < .001). Adult IUPR rats were heavier, hyperphagic, hyperglycemic, hyperinsulinemic, hyperleptinemic, and hypercorticosteronemic (P < .05) with higher low-density lipoprotein cholesterol and lower high-density lipoprotein cholesterol, adiponectin, ACTH, and insulin sensitivity index levels (P < .01). The insulinotropic action of glucose and acetylcholine as well as muscarinic and adrenergic receptor function were impaired in the IUPR rats (P < .05). Maternal undernutrition during the last third of gestation disrupts the pancreatic islet insulinotropic response and induces obesity-associated complications. Such alterations lead to a high risk of metabolic syndrome, characterized by insulin resistance, visceral obesity, and lower high-density lipoprotein cholesterol.

An interaction between obesity, impaired glucose metabolism and sperm function in adults has been observed but it is not known whether exposure to a diet high in fat during the peri-pubertal period can have longstanding programmed effects on reproductive function and gonadal structure. This study examined metabolic and reproductive function in obese rats programmed by exposure to a high fat (HF) diet during adolescence. The effect of physical training (Ex) in ameliorating this phenotype was also assessed. Thirty-day-old male Wistar rats were fed a HF diet (35% lard w/w) for 30 days then subsequently fed a normal fat diet (NF) for a 40-day recovery period. Control animals were fed a NF diet throughout life. At 70 days of life, animals started a low frequency moderate exercise training that lasted 30 days. Control animals remained sedentary (Se). At 100 days of life, biometric, metabolic and reproductive parameters were evaluated. Animals exposed to HF diet showed greater body weight, glucose intolerance, increased fat tissue deposition, reduced VO2max and reduced energy expenditure. Consumption of the HF diet led to an increase in the number of abnormal seminiferous tubule and a reduction in seminiferous epithelium height and seminiferous tubular diameter, which was reversed by moderate exercise. Compared with the NF-Se group, a high fat diet decreased the number of seminiferous tubules in stages VII-VIII and the NF-Ex group showed an increase in stages XI-XIII. HF-Se and NF-Ex animals showed a decreased number of spermatozoa in the cauda epididymis compared with animals from the NF-Se group. Animals exposed to both treatments (HF and Ex) were similar to all the other groups, thus these alterations induced by HF or Ex alone were partially prevented. Physical training reduced fat pad deposition and restored altered reproductive parameters. HF diet consumption during the peri-pubertal period induces long-term changes on metabolism and the reproductive system, but moderate and low frequency physical training is able to recover adipose tissue deposition and reproductive system alterations induced by high fat diet. This study highlights the importance of a balanced diet and continued physical activity during adolescence, with regard to metabolic and reproductive health.

Acephate has been used extensively as an insecticide in agriculture. Its downstream sequelae are associated with hyperglycemia, lipid metabolism dysfunction, DNA damage, and cancer, which are rapidly growing epidemics and which lead to increased morbidity and mortality rates and soaring health-care costs. Developing interventions will require a comprehensive understanding of which excess insecticides during perinatal life can cause insulin resistance and type 2 diabetes. A Wistar rat animal model suggests that acephate exposure during pregnancy and lactation causes alterations in maternal glucose metabolism and programs the offspring to be susceptible to type 2 diabetes at adulthood. Therapeutic approaches based on preventive actions to food contaminated with insecticides during pregnancy and lactation could prevent new cases of type 2 diabetes.

Nutritional insults during developmental plasticity have been linked with metabolic diseases such as diabetes in adulthood. We aimed to investigate whether a low-protein (LP) diet at the beginning of adulthood is able to program metabolic disruptions in rats. While control rats ate a normal-protein (23%; NP group) diet, treated rats were fed a LP (4%; LP group) diet from 60 to 90 days of age, after which an NP diet was supplied until they were 150 days old. Plasma levels of glucose and insulin, autonomous nervous system (ANS), and pancreatic islet function were then evaluated. Compared with the NP group, LP rats exhibited unchanged body weight and reduced food intake throughout the period of protein restriction; however, after the switch to the NP diet, hyperphagia of 10% ( P <0.05), and catch-up growth of 113% ( P <0.0001) were found. The LP rats showed hyperglycemia, insulin resistance, and higher fat accretion than the NP rats. While the sympathetic tonus from LP rats reduced by 28%, the vagus tonus increased by 21% ( P <0.05). Compared with the islets from NP rats, the glucose insulinotropic effect as well as cholinergic and adrenergic actions was unaltered in the islets from LP rats. Protein restriction at the beginning of adulthood induced unbalanced ANS activity and fat tissue accretion later in life, even without functional disturbances in the pancreatic islets.

Background/Aims: Brown adipose tissue activation has been considered a potential anti-obesity mechanism because it is able to expend energy through thermogenesis. In contrast, white adipose tissue stores energy, contributing to obesity. We investigated whether the early programming of obesity by overfeeding during lactation changes structure of interscapular brown adipose tissue in adulthood and its effects on thermogenesis. Methods: Birth of litters was considered day 0. On day 2, litter size was adjusted to normal (9 pups) and small (3 pups) litters. On day 21, the litters were weaned. A temperature transponder was implanted underneath interscapular brown adipose tissue pads of 81-day-old animals; local temperature was measured during light and dark periods between days 87 and 90. The animals were euthanized, and tissue and blood samples were collected for further analysis. The vagus and retroperitoneal sympathetic nerve activity was recorded. Results: Small litter rats presented significant lower interscapular brown adipose tissue temperature during the light (NL 37.6°C vs. SL 37.2°C) and dark (NL 38°C vs. SL 37.6°C) periods compared to controls. Morphology of small litter brown adipose tissue showed fewer lipid droplets in the tissue center and more and larger in the periphery. The activity of vagus nerve was 19,9% greater in the small litter than in control (p<0.01), and no difference was observed in the sympathetic nerve activity. In adulthood, the small litter rats were 11,7% heavier than the controls and presented higher glycemia 13,1%, insulinemia 70% and corticosteronemia 92,6%. Conclusion: Early overfeeding programming of obesity changes the interscapular brown adipose tissue structure in adulthood, leading to local thermogenesis hypoactivity, which may contribute to obesity in adults.

Low intensity exercise during pregnancy and lactation may create a protective effect against the development of obesity in offspring exposed to overnutrition in early life. To test these hypotheses, pregnant rats were randomly assigned into 2 groups: Sedentary and Exercised, low intensity, on a rodent treadmill at 30% VO2Max /30-minute/session/3x/week throughout pregnancy and the lactation. Male offspring were raised in small litters (SL, 3 pups/dam) and normal litters (NL, 9 pups/dam) as models of early overnutrition and normal feed, respectively. Exercised mothers showed low mesenteric fat pad stores and fasting glucose and improved glucose-insulin tolerance, VO2max during lactation and sympathetic activity. Moreover, the breast milk contained elevated levels of insulin. In addition, SL of sedentary mothers presented metabolic dysfunction and glucose and insulin intolerance and were hyperglycemic and hyperinsulinemic in adulthood. SL of exercised mothers showed lower fat tissue accretion and improvements in glucose tolerance, insulin sensitivity, insulinemia and glycemia. The results suggest that maternal exercise during the perinatal period can have a possible reprogramming effect to prevent metabolic dysfunction in adult rat offspring exposed to early overnutrition, which may be associated with the improvement in maternal health caused by exercise.

Aerobic exercise training can improve insulin sensitivity in many tissues; however, the relationship among exercise, insulin and cancer cell growth is unclear. We tested the hypothesis that aerobic exercise training begun during adolescence can attenuate Walker 256 tumor growth in adult rats and alter insulin secretion. Thirty-day-old male Wistar rats engaged in treadmill running for 8 weeks, 3 days/week, 44 min/day, at 55% to 65% VO2max until they were 90 days old (TC= trained control). An equivalently aged group was kept inactive during the same period (SC= sedentary control). Then, half the animals of the SC and TC groups were reserved as the control condition and the other half were inoculated with Walker 256 cancer cells, yielding two additional groups (sedentary Walker and trained Walker). No death was observed in tumor-bearing rats. Body weight, food intake, plasma glucose, insulin levels and peripheral insulin sensitivity were analyzed before and after tumor cell inoculation. We also evaluated tumor growth, metastasis and cachexia. Isolated pancreatic islets secretory activity was analyzed. In addition, we evaluate mechanic sensibility. Our results showed improved physical performance according to the final workload and VO2max and reduced body weight in trained rats at the end of the running protocol. Chronic adaptation to the aerobic exercise training decreased tumor weight, cachexia and metastasis and were associated with low glucose and insulin levels and high insulin sensitivity before and after tumor cell inoculation. Aerobic exercise started at young age also reduced pancreatic islet insulin content and insulin secretion in response to a glucose stimulus, without impairing islet morphology in trained rats. Walker 256 tumor-bearing sedentary rats also presented reduced pancreatic islet insulin content, without changing insulin secretion through isolated pancreatic islets. The mechanical sensitivity test indicated that aerobic exercise training did not cause injury or trigger inflammatory processes prior to tumor cell inoculation. Taken together, the current study suggest that aerobic exercise training applied during adolescence may mitigate tumor growth and related disorders in Walker 256 tumor-bearing adult rats. Improved insulin sensibility, lower glucose and insulin levels and/or reduced insulin secretion stimulated by glucose may be implicated in this tumor attenuation.