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Application of new technologies and methods in nutrition research – the example of phenotypic flexibility

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Bessere Biomarker für Gesundheit und Ernährung

Eine Messung der phänotypischen Flexibilität – schnelle phänotypische Veränderungen beim Menschen, um sich an eine veränderte Umwelt anzupassen – könnte sich als hilfreiches Instrument zur Schaffung der Grundlagen für eine neue Biomarker-Generation erweisen, die einer Messung der Gesundheit dient. Im Rahmen eines EU-finanzierten Projekts wurden ausgehend von Methoden, die über eine Messung der Homöostasekonzentration hinausgehen, hochmoderne Technologien angewandt, um die Rolle von Biomarkern als Bezugspunkt für eine bessere Gesundheit zu bestimmen.

Gesundheit

Ernährungsweise, Nahrung und Nahrungsmittelbestandteile sind wichtige Umweltfaktoren, die sich auf Transkriptom, Proteom und Metabolom auswirken. Diese lebenslange Interaktion ist für die Gesundheit oder Erkrankung eines Menschen maßgeblich. Die Fähigkeit des Körpers, sich an Änderungen ernährungsspezifischer Bedingungen anzupassen, wird als phänotypische Flexibilität bezeichnet. Diese Fähigkeit ist der Schlüssel für die Aufrechterhaltung der gesamten Homöostase und folglich für die Gesundheit und für ein gesundes Altern. Wenn man berücksichtigt, dass Gesundheit als die Fähigkeit gesehen werden kann, sich an tägliche Stressoren anzupassen, sind neue Biomarker gefragt, um die Fähigkeit des Körpers zur angemessenen Absorption einer Vielzahl von Störungen und zur Wiederherstellung der Homöostase zu quantifizieren. Dementsprechend sollten Biomarker nicht die Homöostase quantifizieren, sondern vielmehr die Stressreaktionskurve nach einer solchen Störung, da es wichtig ist, die Anpassungsfähigkeit zu quantifizieren. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts NUTRITECH wurden zur Messung von Homöostase und phänotypischer Flexibilität hochmoderne Technologien wie Genomik, Transkriptomik, Proteomik, Metabolomik und Laserscanning-Zytometrie angewandt. Das Konzept der metabolischen Flexibilität erweitern Bis dato war die Ernährungsforschung vor allem auf eine Bestimmung der Auswirkungen von nährstoffreichen und nährstofffreien Nahrungsmittelbestandteilen auf die Gen- und Proteinexpression sowie auf die metabolischen Ergebnisse fokussiert. NUTRITECH baute unter Verwendung bahnbrechender Analysemethoden zur umfassenden Untersuchung des Verhältnisses von Ernährung und Gesundheit auf den Grundlagen der konventionellen Ernährungsforschung auf. Forscher quantifizierten auf Grundlage der metabolischen Flexibilität die Auswirkungen der Ernährung auf die phänotypische Flexibilität. NUTRITECH erweiterte das Konzept der Flexibilität allerdings auf alle zugrundeliegenden physiologischen Prozesse sowie auf alle an der Absorption metabolischer Herausforderungen beteiligten Zell- und genetischen Mechanismen, die für die Aufrechterhaltung einer optimalen metabolischen und inflammatorischen Gesundheit von entscheidender Bedeutung sind. „Biomarker geben daher Rückschluss auf die Mechanismen, die nach einer metabolischen/kalorischen Herausforderung optimale Stressreaktionen aufrechterhalten“, sagt Projektkoordinator Ben van Ommen. Das Ziel bestand darin, zu demonstrieren, dass die Anwendung einer kalorischen Reduktion als Interventionsmaßnahme eine Veränderung der phänotypischen Flexibilität bewirkt. Ausgehend hiervon führten die Forscher bei 72 Freiwilligen, die ihre Nahrungsaufnahme über einen Zeitraum von 12 Wochen um 20 % einschränken sollten, eine umfassende Ernährungs-Interventionsstudie durch. Die phänotypische Flexibilität wurde mithilfe einer diätetischen Herausforderung gemessen, die reich an Kohlenhydraten, Fett und Proteinen war. Die Reaktionsprofile zahlreicher klassischer und neuer Biomarker wurden im Anschluss an die Einnahme der diätetischen Herausforderung über einen Zeitraum von mehreren Stunden gemessen. Wissenschaftler erlangten unter Anwendung eines Standard-Glukosetoleranztests und durch die Quantifizierung der Insulinreaktion sowie hunderter anderer Metabolite und Proteine wichtige Erkenntnisse zum Flexibilitätsstatus von Darm, Pankreas, Leber, von bestimmten Muskeln und von adipösem Gewebe. Das Projekt war zudem auf die Erhaltung der DNA-Integrität gegenüber oxidativem Stress fokussiert. Hierzu wurden neue Methoden zur Messung der Wahrung der Genomintegrität entwickelt, über die festgestellt wurde, wie gut die DNA im Genom von Teilnehmern geschützt werden konnte. Zudem wurde ein Laserscanning-Zytometrie-Protokoll zur Mikrokern-Beurteilung erstellt, um Schäden an Chromosomen und am mitotischen Spindelapparat zu erfassen. Ein personalisierter Ernährungsansatz Die Freiwilligen schienen aufgrund von Unterschieden hinsichtlich des genetischen Hintergrunds, der Körperzusammensetzung und der Essgewohnheiten unterschiedlich auf die gleiche Behandlung zu reagieren. Magnetresonanzbildgebungsdaten zeigten beispielsweise, dass sich Fettgehalt und Fettverteilung bei weiblichen und männlichen Teilnehmern unterschied. Auf diese Weise konnte man im Rahmen von NUTRITECH anhand einer biochemischen Homöostase-Kartierung genau messen, inwiefern Menschen auf die gleiche Ernährungsumstellung unterschiedlich reagieren. „Die Ergebnisse legen nahe, dass für die Begründung von Gesundheitsauswirkungen Nähe und persönlicher Kontakt wichtig sind“, sagt Ommen. Die Biomarker für die phänotypische Flexibilität haben großes Interesse seitens der Lebensmittelindustrie geweckt. NUTRITECH gab ebenfalls Ausschlag zum Start eines weiteren Projekts, an dem fünf renommierte Lebensmittelunternehmen beteiligt sind. Beide Projekte zielen darauf ab, die Ergebnisse der NUTRITECH-Interventionsstudie zu nutzen, indem bei einer anstehenden Interventionsstudie ein personalisierterer Ernährungsansatz verfolgt wird.

Schlüsselbegriffe

NUTRITECH, Biomarker, phänotypische Flexibilität, Homöostase, Interventionsstudie

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