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Physiologie & Ernährung

Wissenschaftlich verantwortlich: Prof. Dr. Thomas Remer

 

Die physiologische Basisforschung in der DONALD Studie am „ganzen Menschen“ (und nicht nur in isolierten Zellsystemen) liefert maßgebliche Beiträge zu einem vertieften Verständnis der komplexen Zusammenhänge zwischen Ernährung, Stoffwechsel, körperlicher Entwicklung und hormonellen Einflüssen im Wachstumsalter. Die Verknüpfung von nicht-invasiven Urin-Biomarkern, 3-Tage-Wiegeprotokollen und detaillierten anthropometrischen Messungen im longitudinalen Design der DONALD-Studie erlaubt die spezifische Untersuchung unterschiedlicher wissenschaftlicher Fragestellungen im wachsenden Gesamtorganismus.

 

Nebenniere, Adrenarche, Steroidhormone und Pubertät

Untersuchungen an Kindern mit endokrinen Erkrankungen deuten an, dass die Nebenniere (ein Organ, das nicht nur Cortisol und das Mineralocorticoid Aldosteron sezerniert) mit ihren Sekretionsprodukten in einem engen Zusammenhang zur Adipositasentstehung steht. So wurden von Klinikern hohe Blutkonzentrationen adrenaler (also in den Nebennieren produzierte) Androgene bei Kindern als „Forerunner“ von Adipositas und metabolischem Syndrom identifiziert.
Auch gesunde Kinder produzieren bereits vor der Pubertät messbare Mengen an adrenalen Androgenen (C19), also endogenen Geschlechtshormonen mit mäßig ausgeprägter Sexualhormonwirkung. Der physiologische Prozess der mit dem Alter zunehmenden Sekretion von C19-Metaboliten wird als Adrenarche bezeichnet. Komplexe metabolische Prozesse können die Veränderungen der adrenalen C19-Steroide im Blut von Kindern teilweise maskieren, nicht jedoch im 24-h Urin. Damit eröffnen sich speziell für die Analysen von C19 Metaboliten in Urinproben von Kindern neue spannende Perspektiven im Hinblick auf die Forschung zu nicht-invasiven Biomarkern und Langzeit-Prädiktoren der verschiedensten (nicht nur ernährungsabhängigen) Erkrankungen. Durch spezifische Hormonprofilanalysen (in 24h-Harnproben) aller quantitativ relevanten C19-Metabolite (sowie weiterer Steroidhormone) in mit uns eng kooperierenden Steroidforschungslaboren konnten wichtige Aspekte der Adrenarche bei DONALD-Teilnehmern untersucht werden:

  • So beginnt der physiologische Prozess der kontinuierlichen Produktionszunahme von moderat wirksamen Geschlechtshormonen in der Nebenniere (Adrenarche) bereits in der frühen Kindheit und nicht erst – wie üblicherweise postuliert – etwa ab dem 7. Lebensjahr.
  • Die Körperfettmasse und die Aufnahme an (tierischem) Protein üben den DONALD Untersuchungen zufolge eigenständige verstärkende Einflüsse auf die adrenarchale Androgensekretion aus, so dass Übergewicht und hohe Proteinzufuhr „quasi-physiologisch“ zu höheren vorpubertären Geschlechtshormonspiegeln bei Kindern beitragen können.
  • Die erhöhte Sekretion adrenaler Androgene begünstigt offenbar wiederum (ebenso wie eine höhere Zufuhr an tierischem Protein) einen früheren Pubertätseintritt sowie außerdem eine kürzere Pubertätsdauer. Gleichzeitig zeigen präpuberale adrenale Androgene eine positive Assoziation mit dem aktuellen sowie dem späteren Knochenstatus in der Adoleszenz.
  • Insbesondere für Mädchen legen die DONALD Daten nahe, dass zumindest ein Teil der den Pubertätseintritt beschleunigenden Wirkung der adrenalen Androgene über eine gesteigerte periphere Östrogenproduktion vermittelt wird (vor allem im Fettgewebe werden Androgene zu Östrogenen konvertiert).
  • Im Unterschied zu präpuberal erhöhten Androgenen und Östrogenen lässt sich bei einer präpuberal erhöhten Cortisolsekretion (quantifiziert anhand der Ausscheidung aller mengenmäßig bedeutsamen Metabolite von Cortisol und Cortison im 24h-Urin) ein verzögerter Pubertätsbeginn speziell bei Mädchen feststellen. D.h. Mädchen mit einer (im physiologischen Schwankungsbereich) stärker aktivierten Nebennieren-Stress-Achse zeigen einen späteren Pubertätseintritt.    
    –   Für diese Arbeit* erhielten wir den renommierten Dietrich Knorr Preis 2012 der Deutschen Gesellschaft für Endokrinologie.

 

Ausgewählte Literatur

  • *Shi L, Wudy SA, Buyken AE, Maser-Gluth C, Hartmann MF, Remer T. Prepubertal Glucocorticoid Status and Pubertal Timing. J Clin Endocrinol Metab. 2011 Jun;96(6):E891-8.
  • Shi L, Remer T, Buyken AE, Hartmann MF, Hoffmann P, Wudy SA. Prepubertal urinary estrogen excretion and its relationship with pubertal timing. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2010 Dec;299(6):E990-7.
  • Remer T, Shi L, Buyken AE, Maser-Gluth C, Hartmann MF, Wudy SA. Prepubertal adrenarchal androgens and animal protein intake independently and differentially influence pubertal timing. J Clin Endocrinol Metab. 2010 Jun;95(6):3002-9.
  • Wudy SA, Hartmann MF, Remer T. Sexual dimorphism in cortisol secretion starts after age 10 in healthy children: urinary cortisol metabolite excretion rates during growth. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2007 Oct;293(4):E970-6.
  • Remer T, Boye KR, Hartmann MF, Wudy SA. Urinary markers of adrenarche: reference values in healthy subjects, aged 3-18 years. J Clin Endocrinol Metab. 2005 Apr;90(4):2015-21.

 

 

Säure-Basen-Status

Vor dem Hintergrund einer insgesamt unbefriedigenden Datenlage (nur wenige Humanstudien mit physiologischem Bezug verfügbar) wird die Bedeutung des Säure-Basen-Haushalts (oder der nutritiven Protonenbelastung) für den langfristigen Gesundheitsstatus eher angezweifelt. Unstrittig ist jedoch, dass die individuelle Säure-Basen-Bilanz maßgeblich durch die Ernährung, vor allem durch die Protein- und Mineralstoffzufuhr, beeinflusst wird. Auf Grund der engmaschig und detailliert erhobenen Longitudinaldaten eignet sich die DONALD Studie in besonderem Maße, das kontrovers diskutierte präventivmedizinische Potential einer ernährungsinduzierten habituellen Verminderung der täglichen Protonenbelastung für verschiedene stoffwechselphysiologische Prozesse gezielt bei Kindern und später auch bei Erwachsenen zu untersuchen. Sowohl eine höhere Proteinzufuhr als auch die Zufuhr an basenäquivalentreichen Lebensmitteln, also im Wesentlichen Obst und Gemüse, zeigen bei vergleichsweise guter wissenschaftlicher Evidenz positive Einflüsse auf das Skelettsystem.

  • In der DONALD Studie fanden wir, dass die Höhe der Proteinzufuhr, die über mehrere Jahre vor einer computertomographischen Knochenanalyse anhand detaillierter 3-Tage-Ernährungsprotokolle und Biomarker-Bestimmungen in 24h-Urinen ermittelt wurde, positiv mit der Knochenstabilität assoziiert ist. Hierbei ergaben sich auch erstmals deutliche biomarkerbasierte Hinweise darauf, dass die nutritive Beeinflussung des Säuren-Basen-Stoffwechsels für die Integrität des Skelettsystems bei gesunden Kindern von Bedeutung zu sein scheint und dass die gleichzeitige Berücksichtigung beider Ernährungskomponenten (sowohl höhere Protein- als auch höhere Basenäquivalent­aufnahme) einen sich offensichtlich wechselseitig verstärkenden Effekt bedingt.
  • Unsere Studienergebnisse zeigen ferner, dass eine langfristig höhere Calcium-Harnausscheidung selbst im physiologischen Normalbereich bei gesunden Kindern und Jugendlichen einen ungünstigeren diaphysalen Knochenstatus prognostiziert, insbesondere wenn gleichzeitig eine habituell höhere ernährungsabhängige Säurelast (also ein eingeschränkter Obst- und Gemüseverzehr) vorliegt. Diese Befunde können als ein erster Schritt in Richtung auf eine  personalisierte ernährungsmedizinische Identifikation vulnerabler Individuen (z.B. mit physiologisch erhöhter Calciurie) betrachtet werden, die von einer Basenäquivalent-reichen (Obst & Gemüse) Ernährung besonders profitieren.
  • Erste Analysen deuten eine Assoziation zwischen einer höheren nutritiven Säurebelastung und höheren Blutkonzentrationen von Surrogat-Markern einer Leberverfettung bei jungen Frauen an. Die Tatsache, dass sich dieser Zusammenhang als unabhängig von der Ballaststoffzufuhr erwies, legt eigenständige protonenassoziierte Effekte auf die Leber nahe, die durch in vitro Ergebnisse aus anderen Forschungsbereichen untermauert werden. 

 

 

Ausgewählte Literatur

  • Krupp D, Johner SA, Kalhoff H, Buyken AE, Remer T. Long-Term Dietary Potential Renal Acid Load During Adolescence Is Prospectively Associated with Indices of Nonalcoholic Fatty Liver Disease in Young Women. J Nutr 2012 Feb;142(2):313-9.
  • Remer T, Manz F, Alexy U, Schoenau E, Wudy SA, Shi L. Long-term high urinary potential renal acid load and low nitrogen excretion predict reduced diaphyseal bone mass and bone size in children. J Clin Endocrinol Metab. 2011 Sep;96(9):2861-8.
  • Remer T, Dimitriou T, Manz F. Dietary potential renal acid load and renal net acid excretion in healthy, free-living children and adolescents. Am J Clin Nutr. 2003 May;77(5):1255-60.
  • Remer T, Manz F. Potential renal acid load and its influence on urine pH. J Am Diet Assoc. 1995 Jul;95(7):791-7.

 

 

Ernährungsrelevante Biomarker

Viele renale Messgrößen (z.B. Jod, Gesamt-Stickstoff, Kalium, Natrium) stellen hervorragende Biomarker dar, deren mengenmäßige Ausscheidungsraten verläßliche Rückschlüsse auf die ursprüngliche Nahrungsaufnahme zulassen. Die einzigartige „DONALD-typische“ Verknüpfung von wiederholten 3-Tage-Wiege-Ernährungsprotokollen mit wiederholten 24-h Urinsammlungen (die die Stoffwechselsituation eines ganzen Tages abbilden), ermöglicht fundierte nicht-invasive Analysen zu verschiedensten ernährungsrelevanten Biomarkern.

  • Longitudinal-Messungen der 24h-Jodurie in der definierten Langzeitkohorte der DONALD-Studie haben sich als ein sensitives Monitoring- und Forschungsinstrument zur Untersuchung von relevanten Trends der Jodversorgung im Wachstumsalter erwiesen. Insgesamt belegen die DONALD Untersuchungen zum Jodstatus, dass die Jodversorgung von Schulkindern in Deutschland nur zum Teil ausreichend ist, und sich aktuell sogar ein Rückgang der Jodversorgung andeutet. Diese Verschlechterung ist möglicherweise auf eine sinkende Verwendung von Jodsalz in verarbeiteten Lebensmitteln zurückzuführen. Die Beiträge relevanter Lebensmittel (und ihre Änderungen in der Zeit) an der Jodversorgung lassen sich anhand unserer Daten mit besonderer Genauigkeit beschreiben. So wurde u.a. ein sinkender Beitrag von Salz (24h-Natriurie) an der Jodversorgung (24h-Jodurie) analog zu vermutlich sinkenden prozentualen Absatzzahlen von Jodsalz (gegenüber unjodiertem Salz) für die Lebensmittelindustrie beobachtet.
  • Andere Biomarkeranalysen in 24h-Urinen erlauben eine weitergehende Charakterisierung der präventivmedizinischen Relevanz bestimmter Nährstoffe und Lebensmittel (etwa Protein, Kalium, Kochsalz, Obst und Gemüse). In diesem Zusammenhang untersuchen wir auch „neue oder unkonventionelle“ potenzielle Biomarker (z.B. Fructose-, Hippursäure-Ausscheidung im 24h-Urin) auf ihre mögliche Verwendbarkeit etwa in nichtinvasiven Beobachtungsstudien bei Kindern.
  • Zusätzliche Urinanalyte (z.B. Kreatinin, Urinosmolalität) ermöglichen Aussagen beispielsweise zur Körperzusammensetzung und dem Hydratationsstatus gesunder Kinder und Jugendlicher.

 

Ausgewählte Literatur

  • Manz F, Johner SA, Wentz A, Boeing H, Remer T. Water balance throughout the adult life span in a German population. Br J Nutr. 2011 Sep 16:1-9. Br J Nutr. 2012 Jun;107(11):1673-81.
  • Cheng G, Remer T, Prinz-Langenohl R, Blaszkewicz M, Degen GH, Buyken AE. Relation of isoflavones and fiber intake in childhood to the timing of puberty. Am J Clin Nutr. 2010 Sep;92(3):556-64.
  • Remer T, Fonteyn N, Alexy U, Berkemeyer S. Longitudinal examination of 24-h urinary iodine excretion in schoolchildren as a sensitive, hydration status-independent research tool for studying iodine status. Am J Clin Nutr. 2006 Mar;83(3):639-46.
  • Remer T, Neubert A, Maser-Gluth C. Anthropometry-based reference values for 24-h urinary creatinine excretion during growth and their use in endocrine and nutritional research. Am J Clin Nutr. 2002 Mar;75(3):561-9.
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