1. Znaczenie żywienia we współczesnym świecie - Lucyna Ostrowska
Odżywianie się jest podstawą egzystencji każdego człowieka, niezależnie od płci, wieku i miejsca zamieszkania. Każdy wymaga regularnego dostarczania z pożywieniem odpowiedniej ilości energii oraz kilkudziesięciu składników odżywczych: aminokwasów, kwasów tłuszczowych, glukozy, makro- i mikroelementów oraz witamin.
Nauka o racjonalnym żywieniu jest dziedziną ciągle żywą i stale się rozwijającą. Nowe badania pogłębiają wiedzę o zależności funkcjonowania komórek od składników pokarmowych dostarczanych z pożywieniem. Zmieniają stare przekonania i zmuszają do aktualizowania wiedzy. Po części wynika to zarówno ze zmian jakości produktów żywnościowych, jak i ich powszechnej dostępności, polityki żywieniowej, technologii przetwarzania żywności, upodobań kulinarnych. Nie zawsze jest to jednak zgodne z optymalizacją żywienia i współczesnymi potrzebami organizmu. Jednocześnie przybywa na naszym rynku suplementów diety. A to wymaga od lekarza i dietetyka znajomości ich działania oraz interakcji między żywnością i lekami, zwłaszcza że dla części konsumentów są to "cudowne leki" na wszelkie niedociągnięcia żywieniowe. Jednocześnie dzięki współczesnej technologii przekazu (internet, telewizja) dostęp do informacji jest ułatwiony. Niestety, nie zawsze jest to wiedza rzetelna i sprawdzona. Pojawia się wiele uproszczeń, mitów, czasem też wiadomości nieprawdziwych lub wręcz szkodliwych, jak np. treści dotyczące "cudownych diet" lub stosowanych suplementów diety przy ewentualnych niedoborach pokarmowych lub w celu redukcji masy ciała. Internet stał się obecnie źródłem informacji o wskazaniach i zaleceniach żywieniowych. Należy jednak pamiętać, że podejmowanie błędnych decyzji terapeutycznych na podstawie nierzetelnych i niesprawdzonych informacji może stanowić zagrożenie dla zdrowia pacjentów.
Celem Autorek podręcznika było przekazanie aktualnej wiedzy o żywieniu człowieka zarówno zdrowego, jak i chorego, w różnych grupach wiekowych i stanach fizjologicznych. Nie skupiałyśmy się tu na podstawach dietetyki (wiedzy o makroskładnikach pokarmowych, bilansach energetycznych, wodnych, czy równowadze kwasowo-zasadowej, produktach spożywczych, konserwantach itp.), nie omawiałyśmy też diet stosowanych w poszczególnych jednostkach chorobowych, a jedynie zwróciłyśmy uwagę na ważne problemy współczesnej dietetyki. Podeszłyśmy kompleksowo do spraw żywienia. Opierałyśmy się na założeniu, że człowiek na wszystkich etapach życia (od momentu poczęcia aż do starszego wieku) ma bardzo konkretne potrzeby żywieniowe. Konsekwencje nieodpowiedniego żywienia mogą wywoływać zróżnicowane skutki. Należy pamiętać, że jakość i ilość pożywienia dostarczana kobiecie w ciąży i karmiącej piersią, a następnie dziecku we wczesnych etapach jego życia determinują wzrastanie i jego rozwój. A to z kolei ma związek przyczynowo-skutkowy ze zdrowiem w późniejszych okresach życia.
Dobry stan odżywienia jest na ogół związany z takim wzorcem odżywiania się, który dostarcza substancji odżywczych na poziomie zgodnym z wymaganiami organizmu, bez nadmiernego magazynowania w postaci tkanki tłuszczowej. Gdy podaż nie jest dopasowana do zapotrzebowania, organizm pozostaje w stanie zaburzonej równowagi energetycznej, co powoduje określone konsekwencje zdrowotne. Przekarmienie występuje wówczas, gdy podaż składników odżywczych jest zbyt duża w stosunku do zapotrzebowania. Przyczyną takiej sytuacji może być albo spożycie nadmiernej ilości kilku składników lub jednego składnika, albo też zmniejszenie zapotrzebowania na dany składnik czy składniki, przy jednoczesnym niedostosowaniu diety do zmniejszonego zapotrzebowania. Zmniejszenie się zapotrzebowania dotyczy zwłaszcza osób starszych, u których potrzeby energetyczne maleją z powodu ograniczenia aktywności fizycznej i obniżenia spoczynkowej przemiany materii. Przekarmienie dotyczące jednego składnika może mieć także wpływ na stan odżywienia w odniesieniu do innych składników odżywczych oraz na procesy fizjologiczne z udziałem większej liczby składników (np. suplementacja żelaza może mieć wpływ na absorpcję innych metali, takich jak cynk i miedź). Zbyt duże spożycie błonnika pokarmowego może powodować zaburzenie wchłaniania mikro- i makroelementów. Z tego samego powodu może dojść także do np. zmniejszenia wchłaniania cholesterolu lub toksyn pokarmowych, metali ciężkich itp.
W niedożywieniu podaż składników odżywczych nie zaspokaja zapotrzebowania na nie. Do niedożywienia może dojść, jeżeli spożycie jest niewystarczające albo gdy zwiększone jest zapotrzebowanie energetyczne. W relatywnie krótkim czasie, skutki zmniejszonego spożycia są łagodzone z rezerw składników odżywczych. Rezerwy mogą być uruchomione, aby zaspokoić to konkretne zapotrzebowanie. Jeśli jest to jednak niemożliwe, bo rezerwy już się wyczerpały, ma to negatywny wpływ na stan odżywienia. Przyczyną niedożywienia może być zwiększone zapotrzebowanie (np. w ciąży, laktacji, przy urazie, złamaniu kości, zakażeniu, operacji, utracie krwi), bez równoczesnego zwiększenia podaży odpowiedniej żywności. W tym stanie zwiększa się głównie zapotrzebowanie na energię i białko, ale najczęściej wtedy paradoksalnie zmniejsza się łaknienie. Stąd zapotrzebowanie rośnie, a zmniejsza się podaż, co prowadzi do niedożywienia białkowo-energetycznego.
W każdym okresie życia człowiek narażony jest na szereg czynników (m.in. środowiskowych, rakotwórczych), które zakłócają normalną homeostazę i stwarzają ryzyko rozwoju choroby. Organizm właściwie odżywiony, sprawujący kontrolę nad procesami fizjologicznymi i układem odpornościowym jest w stanie obronić się przed szkodliwymi czynnikami. W niniejszym podręczniku zaprezentowano szerokie podejście i uwzględniono społeczne i kulturowe oddziaływanie na sposób żywienia i zdrowie, psychologiczne przyczyny zwiększonej lub zmniejszonej podaży żywności, omówiono metaboliczne i biochemiczne zależności dieta-choroba, wpływy genetyczne. Zwracamy też uwagę, że często obecnie formułowane rekomendacje żywieniowe zakładają, że dana populacja jest identyczna pod względem czynników fizjologicznych i genetycznych. Aktualny stan wiedzy pozwala stwierdzić, że istnieją zróżnicowane, indywidualne reakcje na składniki diety. Nie ma już wątpliwości, że profil genetyczny człowieka jest ważnym elementem kształtującym indywidualny obraz fenotypowy, który uwarunkowany jest określonymi warunkami środowiskowymi, a występujące w tym profilu mutacje i polimorfizmy genów są czynnikami różnicującymi odpowiedź osobniczą również na skład zaprojektowanej diety - tzw. diety populacyjnej. Stąd rodzi się potrzeba indywidualizacji zaleceń i ich dostosowanie do specyficznych cech osobniczych pacjenta.
Książka Dietetyka. Kompendium składa się z 13 rozdziałów i zawiera tematy dotyczące wyzwań współczesnej dietetyki, najczęściej zadawanych pytań w gabinetach dietetycznych i lekarskich, dotyczących leczenia żywieniowego oraz postępu nauk powiązanych z żywieniem i odżywieniem pacjenta (możliwości zastosowania w dietetyce nutrigenetyki i nutrigenomiki). Poza tym przedstawiono w niej współczesne poglądy naukowe na temat diet niekonwencjonalnych, weganizmu i wegetarianizmu, omówiono wady i zalety tych diet, a także współczesne możliwości zastosowania ich u pacjenta. Zamieszczono również zalecenia naukowe w dietach sportowców, najczęściej popełniane błędy w żywieniu tej grupy osób, suplementację w sporcie i treningu rekreacyjnym, zasady nawadniania sportowców oraz potrzebę probiotykoterapii. Omówiono zasady żywienia kobiety ciężarnej i karmiącej piersią, ale też zamieszczono spostrzeżenia dotyczące diet stosowanych u kobiet z chorobami towarzyszącymi ciąży (np. cholestazie, cukrzycy ciążowej).
W związku z tym, że specjaliści potrzebują aktualnej wiedzy dotyczącej żywienia dzieci i młodzieży w alergiach i nadwrażliwościach pokarmowych, przedstawiłyśmy czytelnikom współczesną literaturę na ten temat. Ponieważ zaburzenia odżywiania w różnych grupach wiekowych są w Polsce pozostawione psychiatrom i psychologom, bez współpracy z dietetykiem klinicznym, zaprezentowałyśmy propozycje takiej współpracy (możliwości psychodietetyka w tym zakresie i porady ze strony psychologa i dietetyka, jak postępować w zaburzeniach żywienia związanych z ograniczaniem pożywienia oraz w zaburzeniach związanych z przejadaniem się).
Kolejnym współczesnym problemem w dietetyce jest postępowanie z pacjentami leczonymi chirurgicznie. Brakuje standardów postępowania dietetycznego w przygotowaniu pacjentów do zabiegu bariatrycznego oraz rozszerzania diety po zabiegu (przedstawimy współczesne poglądy naukowe na ten temat).
Trudnym wyzwaniem dla współczesnej dietetyki jest żywienie w chorobach nowotworowych, dlatego przedstawiamy m.in. możliwości współpracy pacjenta z dietetykiem przy występowaniu zgłaszanych dolegliwości (biegunek, zaparć, nudności/wymiotów, wyniszczenia nowotworowego), przy ustalaniu żywienia w różnych nowotworach oraz możliwości zastosowania wsparcia żywieniowego (np. z użyciem doustnych suplementów pokarmowych - ONS). Bardzo ważnym zagadnieniem opisanym w tym podręczniku jest żywienie kliniczne (leczenie żywieniowe), i to zarówno żywienie dojelitowe, jak i pozajelitowe. Podano współczesne standardy dotyczące przyczyn stosowania takich form żywienia chorych, wskazania i przeciwwskazania do leczenia żywieniowego, drogi i metody podaży żywienia dojelitowego i pozajelitowego. Zamieszczono przykłady współcześnie stosowanych diet przemysłowych w żywieniu dojelitowym, omówiono powikłania żywienia dojelitowego oraz jego monitorowanie. Przedstawiono również aktualne standardy żywienia pozajelitowego (drogi podania, planowanie takiego żywienia u chorego w warunkach szpitalnych oraz jego możliwe powikłania wczesne i odległe, potrzebę stałego monitorowania), omówiono immunomodulujące leczenie żywieniowe oraz możliwości żywienia dojelitowego i pozajelitowego w warunkach domowych.
Ponieważ długowieczność osób dorosłych staje się coraz bardziej powszechna, stanowi to dodatkowe wyzwania w zakresie opieki zdrowotnej na całym świecie. Jest to również wyzwanie dla lekarza i dietetyka, gdyż konieczne staje się uwzględnianie odmienności zaleceń żywieniowych u pacjentów w starszym wieku. Ważnym zagadnieniem jest nie tylko właściwe ułożenie diety (czy potrzeba jej suplementacji), lecz także poznanie czynników determinujących sposób żywienia osób w starszym wieku.
Trudnym wyzwaniem dla dietetyka jest też udzielanie porad pacjentom chorym psychicznie. Ponieważ od lat współpracujemy z takimi pacjentami, przedstawiłyśmy nasze doświadczenia w udzielaniu porad dietetycznych, potrzebę suplementacji diety oraz potrzebę stosowania diet redukcyjnych (zespół metaboliczny występuje w tej grupie chorych 3-4-krotnie częściej niż w populacji ogólnej) w tej grupie chorych.
Z tej książki mogą korzystać studenci uniwersytetów medycznych, zarówno wydziałów lekarskich, jak i kierunku dietetyka, dietetycy, a także lekarze wielu specjalności. Uważne zapoznanie się z treścią poszczególnych rozdziałów może zachęcić do prowadzenia własnej działalności w dziedzinie poradnictwa żywieniowego lub do prowadzenia własnych badań naukowych. Jako autorki tego kompendium starałyśmy się, by zastosowanie przekazanej tu wiedzy mogło przynieść korzyść zarówno personelowi medycznemu, jak i (w szczególności) naszym pacjentom.
2. Możliwości wykorzystania w dietetyce nutrigenetyki i nutrigenomiki - Edyta Adamska-Patruno
Wprowadzenie
Wiele chorób, zwłaszcza chorób przewlekłych, stanowi poważny problem zdrowotny ze względu na brak skutecznych metod interwencji w zakresie zapobiegania ich rozwojowi oraz w zakresie ich efektywnego leczenia. W dużej mierze dotyczy to także postępowania dietetycznego. Obecnie normy żywienia opracowywane są dla całych grup ludności w zależności od wieku, płci, stanu fizjologicznego oraz aktywności fizycznej. Te zalecenia i rekomendacje żywieniowe uwzględniają zróżnicowanie populacji pod względem fizjologicznym, jednak nie uwzględniają zróżnicowania genetycznego, warunkującego np. indywidualną i specyficzną dla danego organizmu aktywność enzymów, aktywność białek transportowych, wrażliwość receptorów itp.
Medycyna spersonalizowana w terapii chorób uwzględnia także różnice międzyosobnicze, a precyzyjne i indywidualne wytyczne, w tym zalecenia dietetyczne, stanowią nowe podejście terapeutyczne, uwzględniające nie tylko aktualny stan fizjologiczny czy patofizjologiczny, lecz także informacje genetyczne i epigenetyczne. Postęp nauki pozwala na lepsze poznanie i zrozumienie roli poszczególnych wariantów genetycznych, sygnatur epigenetycznych, wzorców ekspresji genów w rozwoju wybranych chorób, a także ich roli w modyfikacji odpowiedzi na wdrożone postępowanie terapeutyczne. Wiedza ta umożliwia poszukiwanie genetycznych i epigenetycznych markerów pozwalających określić nie tylko indywidualne ryzyko rozwoju wielu chorób, lecz także wyjaśnić ich etiologię i określić możliwości wprowadzenia spersonalizowanych działań profilaktycznych i terapeutycznych o największej skuteczności. Ponadto, dzięki wdrożeniu spersonalizowanych interwencji dietetycznych możliwe jest modyfikowanie profilu epigenetycznego oraz ekspresji genów, a interakcje między profilem genetycznym i czynnikami środowiskowymi, w tym głównie dietą, odgrywają bardzo istotną rolę w określaniu poszczególnych fenotypów.
Niewątpliwie dietetyka spersonalizowana stanowi obszar bardzo innowacyjny, który nie jest do końca zbadany i należy zachować daleko idącą ostrożność w interpretacji doniesień naukowych, jednak z pewnością intensywny rozwój nauki w tym zakresie doprowadzi do opracowania nowych strategii kontroli wielu chorób, przede wszystkim chorób dietozależnych.
Zależności między dietą a chorobami o podłożu genetycznym
Doniesienia na temat leczenia chorób o podłożu genetycznym opartego na restrykcjach żywieniowych nie są zupełnie nowym podejściem terapeutycznym, gdyż są od dawna wykorzystywane w medycynie. Pierwszą chorobą genetyczną, dla której wykazano istnienie zależności między dietą i genami, jest fenyloketonuria. Choroba ta dziedziczona jest w sposób autosomalny recesywny i związana jest z niedoborem enzymu hydroksylazy fenyloalaninowej (kodowanej przez znajdujący się na chromosomie 12 gen PAH, phenyloalanine hydroxylase gen), odpowiedzialnej za konwersję fenyloalaniny w tyrozynę. Skutkiem braku lub niedoboru, jak też ograniczonej aktywności hydroksylazy alaninowej, jest gromadzenie fenyloalaniny i jej metabolitów, co prowadzi do uszkodzenia tkanki mózgowej, rozwoju zaburzeń neurologicznych oraz upośledzenia umysłowego i motorycznego. Leczenie fenyloketonurii polega na stosowaniu diety eliminacyjnej z ograniczeniem podaży aminokwasu fenyloalaniny, występującej przede wszystkim w produktach pochodzenia zwierzęcego, w mleku i przetworach mlecznych, a także w produktach zbożowych, nasionach strączkowych, warzywach i owocach.
Kolejną dobrze poznaną jednostką chorobową o podłożu genetycznym i jednocześnie zależną od diety jest galaktozemia. To choroba dziedziczona w sposób autosomalny recesywny, w której obserwuje się brak enzymów uczestniczących w metabolizmie galaktozy, czego skutkiem jest gromadzenie galaktozy oraz galaktozo-1-fosforanu. W przebiegu choroby dochodzi do uszkodzenia wątroby, zaburzeń neurologicznych i upośledzenia umysłowego. Leczenie polega na wykluczeniu z diety galaktozy, występującej głównie w podrobach (i produktach je zawierających) oraz w warzywach strączkowych i owocach, takich jak np. winogrona, figi, melony. Galaktoza wchodzi także w skład laktozy, występującej w mleku i produktach mlecznych. Jest również obecna w mleku kobiecym.
W przypadku chorób monogenowych określenie szlaków i zaburzeń metabolicznych jest zdecydowanie prostsze, jednak większość chorób, zwłaszcza przewlekłych chorób cywilizacyjnych, takich jak otyłość, cukrzyca, choroby układu sercowo-naczyniowego, czy też nowotwory, stanowią choroby uwarunkowane wielogenowo i w ich patogenezie bardzo istotny jest także udział czynników środowiskowych. Badania genomu ludzkiego i duże badania kohortowe pozwalają na poznanie roli wzajemnych interakcji na poziomie geny-dieta w rozwoju chorób przewlekłych oraz otwierają nowe możliwości dostosowywania leczenia.
Bardzo istotną część medycyny spersonalizowanej stanowią badania z zakresu spersonalizowanej dietetyki, uwzględniające różne i często zupełnie odmienne odpowiedzi organizmu ludzkiego na wybrane interwencje dietetyczne. Ponadto interwencje żywieniowe i składniki bioaktywne występujące w diecie mogą modyfikować profil epigenetyczny i ekspresję genów. Na podłożu tych obserwacji intensywnie rozwijają się przede wszystkim dwie nauki - nutrigenomika i nutrigenetyka - i na ich doniesieniach opiera się postęp w obszarze dietetyki spersonalizowanej.
Dietetyka spersonalizowana - nutrigenomika
Nutrigenomika jest nauką analizującą, w jaki sposób składniki diety mogą działać jako cząsteczki sygnalizacyjne, przenoszące informację ze środowiska zewnętrznego na procesy ekspresji genów, co z kolei znajduje odzwierciedlenie w funkcjonowaniu komórek i tkanek. Doniesienia z zakresu nutrigenomiki wskazują na istotną rolę składników pokarmowych w kształtowaniu stanu zdrowia człowieka, a także w rozwoju wielu chorób, w tym przede wszystkim chorób cywilizacyjnych. W badaniach nutrigenomicznych wykorzystuje się wiedzę z zakresu epigenomiki, badając zmiany w metylacji i acetylacji materiału jądrowego, indukowane wybranymi czynnikami dietetycznymi, oraz wiedzę z zakresu transkryptomiki, analizując zmiany w ekspresji genów, które są efektem działania badanych składników odżywczych diety. Czynniki środowiskowe, w tym także dieta i aktywne składniki odżywcze diety, mogą wpływać na przebieg procesów epigenetycznych, prowadzących do aktywacji genów, które w innych warunkach pozostałyby wyciszone. Zarówno aktywacja, jak też wyciszanie aktywności wybranych genów mogą prowadzić do rozwoju choroby lub wpływać na wydajność mechanizmów protekcyjnych. Należy zwrócić uwagę, iż zmiany epigenetyczne nie dotyczą zmian w sekwencji łańcucha DNA, ale polegają na jego chemicznej modyfikacji przez np. metylację lub acetylację, a ich badaniem zajmuje się epigenomika. Hipermetylacja to proces polegający na represji genów i stabilizacji genomu. Procesy te dotyczą przede wszystkim tzw. wysp CpG, czyli dinukleotydów cytydyna-fosforan-guanozyna, znajdujących się głównie w regionach promotorowych genów, których hipermetylacja jest czynnikiem zazwyczaj związanym z wyciszaniem ekspresji genu. Niemniej jednak, nie dotyczy to jedynie genów wykazujących związek z rozwojem choroby, lecz może dotyczyć również genów supresorowych lub genów odpowiedzialnych za naprawę DNA. Przykładem zależności między zmianami epigenetycznymi a dietą mogą być niedobory w diecie takich składników, jak kwas foliowy, selen i metionina, które mogą przyczynić się do globalnej lub lokalnej hipometylacji (demetylacji) zmetylowanych regionów promotorowych genów, co w konsekwencji może prowadzić do zmiany ekspresji genów (np. aktywacji protoonkogenów), czy też niestabilności chromosomów. Zmiany w metylacji mogą być spowodowane obniżeniem stężenia S-adenozylometioniny (tworzonej z wykorzystaniem aktywnych postaci witaminy B12 oraz kwasu foliowego), będącej donorem grup metylowych dla reduktazy metylenotetrafolianów (methylenetetrahydrofolate reductase - MTHFR). Do zmian epigenetycznych, odgrywających istotną rolę w regulacji transkrypcji genów, należą procesy acetylacji/deacetylacji histonów, polegające na dodaniu/usunięciu grup acylowych do lizyny przez acetylotransferazy histonów (histone acetyltransferazes - HAT) i deacetylazy histonów. Potranslacyjne modyfikacje białek histonowych tworzących rdzeń, wokół którego owinięta jest podwójna nić DNA, związane są z przebudową chromatyny i mogą mieć wpływ na ekspresję genów. Hiperacetylacja histonów prowadzi do nasilenia ekspresji genów, natomiast deacytylacja obniża ich ekspresję. Czynniki epigenetyczne odgrywają istotną rolę m.in. w patogenezie cukrzycy typu 2, a możliwości modyfikowania przebiegu procesów metylacji i acetylacji wykorzystywane są w opracowywaniu leków nowej generacji.
Bioaktywne składniki diety również są cząsteczkami sygnałowymi, które przenoszą informację ze środowiska zewnętrznego i mogą wpływać na procesy ekspresji genów. Składniki odżywcze diety mogą mieć wpływ na ekspresję genów regulujących kluczowe szlaki metaboliczne, prowadząc tym samym do zmian w proteomie i metabolomie. Składniki diety i określone interwencje dietetyczne mogą działać na dwóch poziomach, a mianowicie jako czynniki regulujące strukturę chromatyny, wpływając tym samym na aktywację lub wyciszenie procesu transkrypcji, oraz jako czynniki regulujące bezpośrednio aktywność receptorów jądrowych i pośrednio poziom transkrypcji genów zależnych od tych receptorów.
Dotychczas przeprowadzone badania wykazały, że przestrzeganie tzw. diety zachodniej ("Western diet pattern"), charakteryzującej się wysokim spożyciem produktów rafinowanych, słodyczy i przetworzonego mięsa, wykazuje związek ze zwiększoną ekspresją genów zaangażowanych w przebieg procesów zapalnych i szlaków sygnalizacyjnych regulujących procesy kancerogenezy, w porównaniu z grupą osób o wysokim spożyciu warzyw i owoców oraz produktów pełnoziarnistych. Wysokie spożycie mięs koreluje ze zwiększoną ekspresją genów wykazujących związek z rakiem okrężnicy, natomiast wysoka zawartość w diecie tłuszczu, a zwłaszcza nasyconych kwasów tłuszczowych, ze zwiększoną ekspresją genów uczestniczących w regulacji przebiegu procesów zapalnych, zaburzeń gospodarki węglowodanowej, ektopowej kumulacji lipidów, zwłaszcza w wątrobie, oraz z ekspresją genów neuropeptydów uczestniczących w regulacji homeostazy energetycznej organizmu. Z rozwojem i przebiegiem niealkoholowej stłuszczeniowej choroby wątroby (NAFLD) wykazują związek również diety z niedoborami choliny i folianów, przez wpływ na ekspresję genów uczestniczących w metabolizmie lipidów. Niedobory selenu, witaminy B12 i witaminy A mogą natomiast zwiększać podatność na wystąpienie chorób sercowo-naczyniowych, przez wpływ na ekspresję genów regulujących przebieg reakcji zapalnych oraz procesy lipogenezy, zaś niedobory chromu wpływają na ekspresję genów kodujących składowe szlaków sygnalizacyjnych insuliny, odgrywających istotną rolę w rozwoju cukrzycy typu 2. Przykłady interakcji między czynnikami dietetycznymi a ekspresją genów oraz ich możliwy wpływ i rolę w rozwoju wybranych chorób przedstawiono w tabeli 2.1.
Tabela 2.1.
Przykłady interakcji między czynnikami dietetycznymi a ekspresją wybranych genów, odgrywających istotną rolę w rozwoju wybranych chorób
Czynnik dietetyczny
Geny docelowe
Zmiana ekspresji
Możliwy związek z ryzykiem rozwoju choroby
Niedobór chromu
Geny szlaku sygnalizacji insuliny
-
Cukrzyca typu 2
Suplementacja chromu związanego z niacyną
UCP-1
-
Procesy termogenezy brunatnej tkanki tłuszczowej
Wysoka zawartość tłuszczu i cukru
LEP, SREBF1, PLIN
+
Otyłość
Wysoka zawartość tłuszczu
OPRM1, PENK, DAT
+
Otyłość
Rodzaj spożywanych produktów węglowodanowych
71 genów szlaku sygnalizacji insuliny i apoptozy
-
Zaburzenia gospodarki węglowodanowej
Niska zawartość białka
NR1H3
-
Cukrzyca typu 2
Niska zawartość białka
HSD11B1, PCK1
+
Cukrzyca typu 2
Niedobór choliny i folianów
PPARGA
-
NAFLD
Niedobór witaminy D
NKFB1A
-
Cukrzyca typu 2
Niska zawartość białka
CYP7A1
-
Dyslipidemia
Wysoka zawartość węglowodanów
FGF21
+
NAFLD
Niedobór witaminy A
GATA4
-
Choroby sercowo-naczyniowe
Niedobór selenu
TLR2, ICAM1
+
Choroby sercowo-naczyniowe
Niska zawartość folianów i choliny
Geny wykazujące związek z proliferacją komórkową
+
Nowotwór wątroby
"Dieta zachodnia" i niedobór witamy D
TLR2, TLR4, TLR9, IL1B, IL4, IL6, RETN
+
NAFLD
Objaśnienia: UCP-1 - gen termogeniny-1; LEP - gen leptyny; SREBF1 - gen 1 czynnika transkrypcyjnego białka wiążącego sekwencję odpowiedzi na sterole; PLIN - gen perlipiny; OPRM1 - gen opioidowego receptora mu-1; PENK - gen preproenkefaliny; DAT - gen transportera dopaminy; NR1H3 - gen receptora jądrowego, rodziny 1, grupy H, członu 3; HSD11B1 - gen dehydrogenazy 11?-hydroksysteroidowej typu 1; PCK1 - gen karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej; PPARGA - gen receptora aktywowanego przez proliferatory peroksysomów gamma i alfa; NAFLD - niealkoholowa stłuszczeniowa choroby wątroby; NKFB1A - gen NKFB inhibitora alfa; CYP7A1 - gen 7a-hydroksylazy cholesterolu; FGF21 - gen czynnika wzrostu fibroblastów 21; GATA4 - gen białka wiążącego GATA4; TLR - gen toll-podobnego receptora; ICAM1 - gen międzykomórkowej cząsteczki adhezyjnej-1; IL1B - gen interleukiny 1 beta; IL4 - gen interleukiny 4; IL6 - gen interleukiny 6; RETN - gen rezystyny.
Źródło: zmodyfikowano wg Ramos-Lopez O. i wsp., 2017.
Także wielonienasycone kwasy tłuszczowe (polyunsaturated fatty acids - PUFA), zwłaszcza z rodziny n-3 oraz ich metabolity, jako ligandy receptorów aktywowanych przez proliferatory peroksysomów (peroxisome proliferator-activated - PPAR), w istotny sposób wpływają na procesy regulacji ekspresji genów i tym samym przebieg wielu szlaków metabolicznych. Receptory PPAR?, PPAR? i PPAR? są szeroko rozpowszechnionymi steroidowymi jądrowymi receptorami, pełniącymi funkcję ligandozależnych czynników transkrypcyjnych, regulujących ekspresję licznych genów targetowych, w tym głównie zaangażowanych w regulację gospodarki węglowodanowej i lipidowej, homeostazy energetycznej, przebieg procesów zapalnych oraz choroby układu sercowo-naczyniowego. Natomiast jednonienasycone kwasy tłuszczowe (monounsaturated fatty acids - MUFA), w które obfituje dieta śródziemnomorska w związku z dużą zawartością oliwy z oliwek, wykazują wpływ na obniżenie ekspresji genów kodujących białka prozapalne, stresu oksydacyjnego, stresu retikulum endoplazmatycznego, o działaniu aterogennym oraz uczestniczące w procesach ektopowej kumulacji lipidów.
Składniki bioaktywne diety, takie jak polifenole, w tym resweratrol (występujący głównie w skórce winogron), kurkumina (występująca w kurkumie), polifenole jabłkowe, flawonoidy (występujące w zielonej i czarnej herbacie), genisteina (występująca w ziarnie soi), izotiocyjaniany, w tym sulforafan (występujący w warzywach z rodziny kapustowatych) również mogą wykazywać wpływ na zmiany ekspresji genów. Galusan epigallokatechiny, teaflawina, kurkumina, sulforafan i genisteina mogą wykazywać właściwości przeciwzapalne, przeciwaterogenne, jak również przeciwnowotworowe przez wpływ na wzrost ekspresji genów supresorowych i zmniejszenie ekspresji genów promujących rozwój nowotworów (tab. 2.2). Kurkumina i resweratrol wykazują właściwości przeciwmiażdżycowe, ponieważ obniżają ekspresję genów metaloproteinaz macierzy, uczestniczących w procesach tworzenia i rozwoju blaszek miażdżycowych. Polifenole jabłkowe mogą zapobiegać rozwojowi otyłości pierwotnej przez wpływ na ekspresję genów uczestniczących w regulacji procesów adipogenezy, lipolizy i utleniania substratów energetycznych. Także wodny ekstrakt cynamonu może wpływać na przebieg wielu reakcji metabolicznych, w tym wpływających na poprawę wrażliwości na insulinę oraz zwiększenie wychwytu glukozy. Wykazano wpływ ekstraktu z cynamonu na ekspresję genów zaangażowanych w regulację przebiegu procesów zapalnych, metabolizmu glukozy i lipidów oraz procesy termogenezy, różnicowania preadipocytów i brązowienia adipocytów białej tkanki tłuszczowej, z towarzyszącym wzrostem ekspresji białka UCP1 (uncouple protein 1). Co ciekawe, profil ekspresji genów może być wykorzystany również do określenia możliwej odpowiedzi na interwencję dietetyczną, np. na efektywność diety niskotłuszczowej w redukcji masy ciała lub też spodziewaną efektywność diety niskoenergetycznej w redukcji tkanki tłuszczowej, szacowaną na podstawie oceny ekspresji genu IL-8. Przykłady interakcji między wybranymi interwencjami dietetycznymi a profilem ekspresji genów zostały przedstawione w tabeli 2.2.
Tabela 2.2.
Przykłady interakcji między wybranymi interwencjami dietetycznymi a ekspresją genów oraz ich możliwy efekt zdrowotny
Interwencja dietetyczna
Geny docelowe
Zmiana ekpresji
Możliwy efekt zdrowotny
Dieta śródziemnomorska
NKFB1, IKBKB, MMP9, IL1B, MAPK8, XBP1, NFE2L2, SOD1, SOD2, TXNRD1
-
Przeciwzapalny, antyoksydacyjny, antyaterogenny
Dieta niskoenergetyczna
385 genów, w tym geny szlaków procesów zapalnych i stresu oksydacyjnego
-
Przeciwzapalny, antyoksydacyjny
Wysoka zawartość MUFA
APOBR
-
Antyaterogenny, hipolipemizujący
Wysoka zawartość PUFA
POMC, GALP
+
Przeciwotyłościowy
Wysoka zawartość PUFA
HCRT, MCH
-
Przeciwotyłościowy
Wysoka zawartość białka
FGF21, SCD2
-
Antysteatotyczny
Kurkumina
MMP-9, MMP-13, EMMPRIN
-
Antyaterogenny, przeciwnowotworowy
Teaflawina
MMP2
-
Przeciwnowotworowy
Wysoki stosunek n-3/n-6
TLR4, TNFA, IL6, CRP
-
Przeciwzapalny, przeciwcukrzycowy
Resweratrol
FASN
-
Antysteatotyczny
Objaśnienia: NKFB1 - gen jądrowego czynnika transkrypcyjnego NF kappa B; IKBKB - gen inhibitora czynnika jądrowego kappa B kinazy podjednostki beta; MMP9 - gen metaloproteinazy macierzy pozakomórkowej 9; IL1B - gen interleukiny 1 beta; MAPK8 - gen kinazy białkowej aktywowanej przez mitogeny 8; XBP1 - gen białka wiążącego Xbox-1; NFE2L2 - gen czynnika jądrowego - erytroidalny 2-podobny 2; SOD1 - gen dysmutazy ponadtlenkowej 1; SOD2 - gen dysmutazy ponadtlenkowej 2, TXNRD1 - gen reduktazy tioredoksyny 1; MUFA - jednonienasycone kwasy tłuszczowe; APOBR - gen receptora apolipoproteiny B; PUFA - wielonienasycone kwasy tłuszczowe; POMC - gen proopiomelanokortyny; GALP - gen peptydu galaninopodobnego; HCRT - gen hipokretyny; MCH - gen hormonu melanocytotropowego; FGF21 - gen czynnika wzrostu fibroblastów 21; SCD2 - gen stearoilo-CoA desaturazy 2; MMP-13 - gen metaloproteinazy macierzy pozakomórkowej 13; EMMPRIN - gen induktora metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej; MMP2 - gen metaloproteinazy macierzy pozakomórkowej 2; TLR4 - gen toll-podobnego receptora 4; TNFA - gen czynnika martwicy nowotworów alfa; IL6 - gen interleukiny 6; CRP - gen białka C-reaktywnego; FASN - gen syntazy kwasów tłuszczowych.
Źródło: zmodyfikowano wg Ramos-Lopez O. i wsp., 2017.
Dietetyka spersonalizowana - nutrigenetyka
Analizy molekularnych mechanizmów działania poszczególnych składników diety wykazują również, że mogą być one metabolizowane w bardzo zróżnicowany sposób, co stanowi z kolei obszar badań nutrigenetyki. Nutrigenetyka to nauka oceniająca wpływ czynników genetycznych warunkujących indywidualną reakcję organizmu w odpowiedzi na składniki odżywcze diety, jak również na daną interwencję dietetyczną. Występujące różnice genetyczne mogą wpływać na przebieg procesów trawienia, wchłaniania, metabolizmu, a także odpowiedzi komórkowej na poszczególne składniki odżywcze diety. Ocena efektów postępowania dietetycznego w zależności od profilu genetycznego jest podejściem bardzo innowacyjnym, a możliwość określenia i identyfikacji osób, u których dane postępowanie dietetyczne będzie skuteczne, niewątpliwie zrewolucjonizuje profilaktykę i leczenie wielu chorób.
Badania w obszarze nutrigenetyki stały się możliwe dzięki pracom nad ludzkim genomem, a ich podstawę stanowią poszukiwania różnic genetycznych w ramach badań asocjacyjnych całego genomu Genome-Wide-Association Studies (GWAS). Analizy te mają na celu identyfikację takich różnic genetycznych, które wpływają na kształtowanie zmienności w zakresie podatności na daną chorobę. Badania te polegają na porównywaniu sekwencji genomów osób z grupy badanej, u których występuje dana jednostka chorobowa, z osobami z grupy kontrolnej, u której nie stwierdza się występowania analizowanej jednostki chorobowej. Wykrycie istotnych różnic między badanymi grupami pozwala określić występowanie związku między zidentyfikowaną zmianą genetyczną a badaną chorobą. Prowadzone są liczne projekty, takie jak Human Genome Project czy też Hap Map Project, mające na celu poszukiwanie podobieństw i różnic genetycznych wśród wielu populacji ludzi, a ich wyniki wnoszą wiele cennych informacji umożliwiających poznawanie genetycznego podłoża wielu chorób oraz dalsze poszukiwania istniejących zależności i interakcji.
Polimorfizmy genetyczne
Badania GWAS dostarczają kompleksowego opisu zmian występujących w ludzkim genomie, w tym polimorfizmów pojedynczego nukleotydu (single nucleotide polymorphism - SNP), zmian liczby kopii (copy number variation - CNV), delecji, insercji, inwersji i innych wariantów strukturalnych. Indywidualna reakcja na spożycie danych składników odżywczych zależna jest w dużej mierze od występowania SNP i SNV (single-nucleotide variant, warianty pojedynczego nukleotydu, termin obejmujący allele zarówno częste, jak również te o mniejszej częstotliwości występowania), dlatego też zdecydowana większość badań prowadzonych w obszarze nutrigenetyki skupia się na poznaniu ich znaczenia. Polimorfizmy i warianty pojedynczego nukleotydu są to punktowe mutacje polegające na zastąpieniu jednego nukleotydu innym. Polimorfizmy pojedynczego nukleotydu występują przynajmniej u 1% populacji. Odpowiadają za ok. 90% zmienności genetycznej i dlatego stanowią najczęstszą jej przyczynę. Z uwagi na występujące polimorfizmy genetyczne może dojść do powstania innej cząsteczki RNA informacyjnego, co z kolei prowadzi do zmiany sekwencji aminokwasów w łańcuchu białkowym i tym samym zmiany budowy lub zmiany aktywności białka, które jest produktem ekspresji danego genu. Jeśli w wyniku wystąpienia SNP dochodzi do zmiany kodonu kodującego aminokwas na kodon STOP, wówczas następuje przedwczesna terminacja translacji i powstaje białko o skróconej budowie, najczęściej będące białkiem niefunkcjonalnym. Od białek zależne są strukturalne i funkcjonalne właściwości komórek, przebieg procesów i szlaków metabolicznych oraz prawidłowe funkcjonowanie organizmu. Zmiana pojedynczego nukleotydu w DNA może więc mieć swoje odzwierciedlenie w fenotypie, dlatego też SNP i SNV są zdecydowanie najszerzej badanymi zmiennościami genetycznymi w obszarze spersonalizowanego odżywiania. W populacji 2504 osób badanych w ramach 1000 Genomes Project wykazano występowanie 84,7 mln SNP, a w bazie danych Single Nucleotide Polymorphism Database wymienione zostały 324 miliony polimorfizmów i wariantów genetycznych, opisanych na podstawie dotychczasowych badań genomów ludzkich. Szacuje się, że SNP występują ze średnią częstością co tysiąc nukleotydów, co oznacza występowanie ok. 4-5 milionów polimorfizmów w genomie każdego człowieka. Dotychczas przeprowadzone badania pozwoliły zidentyfikować szereg wariantów genetycznych związanych z podatnością na wystąpienie wybranych chorób, przez interakcję ze składnikami odżywczymi diety, ze spożywaniem określonej żywności lub też z odżywianiem się w określony sposób, określonym wzorcem żywieniowym. Przykładem jest związek różnych wariantów genetycznych w obrębie genów receptorów TAS1R2 i CD36, z występowaniem dyslipidemii w populacji meksykańskiej, przy wysokim spożyciu odpowiednio węglowodanów i tłuszczów. Natomiast warianty genetyczne w obrębie genu MTHFR i MTR wykazują związek z ryzykiem rozwoju raka piersi u osób z niskim spożyciem folianów, witamy B6 i witaminy B12. Innym przykładem jest związek między spożywaniem kawy a zwiększonym ryzykiem rozwoju nadciśnienia tętniczego i chorób układu sercowo-naczyniowego u osób będących nosicielami wybranych wariantów genetycznych w obrębie genu CYP1A2.
Nutrigenetyka a otyłość i wybrane zaburzenia metaboliczne
Wiele badań z zakresu nutrigenetyki prowadzonych jest w obszarze dietozależnych chorób metabolicznych, w tym otyłości i cukrzycy typu 2. Otyłość oraz nadwaga stanowią jedno z największych zagrożeń zdrowotnych oraz wyzwań współczesnej medycyny. Występująca epidemia otyłości wiąże się przede wszystkim z czynnikami środowiskowymi, czyli spożywaniem nadmiernych ilości pożywienia i zbyt niską aktywnością fizyczną. Wyniki badań ostatnich lat wskazują jednak, że istotny wpływ na rozwój otyłości mają także czynniki genetyczne oraz ich wzajemne interakcje z czynnikami środowiskowymi. Postęp nauki i rozwój wiedzy w zakresie występujących mutacji i polimorfizmów genetycznych predysponujących do rozwoju otyłości z pewnością przyczyni się do opracowania skuteczniejszych działań profilaktycznych. Obecnie uznaje się, że w regulacji masy ciała i przebiegu procesów metabolicznych uczestniczy ponad 600 genów, a jednym z najszerzej opisanych jest składający się z 9 eksonów gen podatności na otyłość (FTO, fat mass and obesity associated gene), zlokalizowany na chromosomie 16 (16q12.2). Dokładny mechanizm działania i wpływu genu FTO na regulację gospodarki energetycznej organizmu jest szeroko badany i wykazano związek między polimorfizmami w jego obrębie (m.in. rs9939609, rs1421085, rs17817449, rs1558902), a masą ciała, wskaźnikiem BMI, regulacją uczucia głodu i sytości, preferencjami żywieniowymi czy też wartością energetyczną diety.
Innym genem, którego rola jest szeroko badana jest gen MC4R. Mutacje w pobliżu tego genu lub w jego obrębie są jedną z głównych przyczyn występowania otyłości monogenowej. Badania wskazują jednak, że gen MC4R i jego polimorfizmy (np. rs633265, rs17782313, rs1350341, rs12970134) odgrywają równie istotną rolę w rozwoju otyłości uwarunkowanej wielogenowo, przez wpływ na procesy regulujące homeostazę energetyczną, spożywanie oraz zużytkowanie energii i utlenianie substratów energetycznych w okresie poposiłkowym. Ponadto gen MC4R wykazuje też związek z rozmieszczeniem tkanki tłuszczowej i wynikającymi z tego konsekwencjami metabolicznymi.
Badania skuteczności diety redukcyjnej opartej na założeniach z zakresu nutrigenetyki wykazują, że dzięki wykorzystaniu analizy wybranych polimorfizmów genów związanych z tempem metabolizmu, w tym: genu LPL (lipoprotein lipase), genu MTHFR, genu VDR (vitamin D receptor), i opracowaniu spersonalizowanych zaleceń dietetycznych, możliwe jest uzyskanie istotniejszej redukcji masy ciała oraz niższych stężeń glukozy we krwi, w obserwacji długoterminowej, w porównaniu nawet z założeniami diety śródziemnomorskiej, która niewątpliwie jest pożądanym sposobem odżywiania, o wielu korzyściach zdrowotnych. Zaobserwowane niższe stężenia glukozy wiążą się z kolei z mniejszym ryzykiem rozwoju cukrzycy typu 2.
Cukrzyca typu 2 jest chorobą metaboliczną, w której rozwoju, poza czynnikami środowiskowymi, istotną rolę odgrywać może również czynnik genetyczny. Istotne zależności z rozwojem cukrzycy typu 2 wykazują polimorfizmy występujące m.in. w obrębie genu TCF7L2 (Transcription Factor 7 like 2), głównie przez ich związek z funkcjami komórek beta wysp trzustkowych, z procesami sekrecji insuliny, oraz stopniem insulinowrażliwości. Natomiast wysokie spożycie mleka i deserów, a także ilość i rodzaj węglowodanów w diecie mogą w istotny sposób modyfikować ryzyko wystąpienia cukrzycy typu 2 związane z występowaniem ryzyka genetycznego. Przykłady interakcji między czynnikami dietetycznymi a wybranymi SNP i ich możliwy związek z rozwojem m.in. chorób metabolicznych przedstawione zostały w tabeli 2.3.
Tabela 2.3.
Przykłady interakcji SNP-dieta odgrywających istotną rolę w ryzyku rozwoju wybranych chorób
Gen
Polimorfizm
Allel
Czynnik dietetyczny
Możliwy związek z ryzykiem rozwoju choroby
FTO
rs9939609
T
Nieprzestrzeganie zaleceń diety śródziemnomorskiej
Cukrzyca typu 2
FTO
rs9939609
A
Wysoka zawartość tłuszczu
Otyłość
FTO
rs8050136
A
Wysoka zawartość węglowodanów
Otyłość
FTO
rs1558902
A
Wysoka zawartość białka
Zmniejszenie ryzyka rozwoju otyłości
MC4R
rs17782313
T
Nieprzestrzeganie zaleceń diety śródziemnomorskiej
Cukrzyca typu 2
MCR4
rs12970134
A
"Dieta zachodnia" i wysokie spożycie SFA
Zespół metaboliczny
ACC2
rs4766587
A
Dieta wysokotłuszczowa i wysokie spożycie PUFA n-6
Zespół metaboliczny
CD36
rs1761667
A
Wysoka zawartość tłuszczu i SFA
Hipercholesterolemia
PNPLA3
rs739409
G
Wysoka zawartość węglowodanów
NAFLD
TCF7L2
rs7903146
T
Wysokie spożycie deserów i mleka
Cukrzyca typu 2
TCF7L2
rs12255372
T
Wysokie GI i GL diety
Cukrzyca typu 2
TCF7L2
rs7903146
T
Wysokie spożycie SFA
Zespół metaboliczny
MTR
rs1805087
G
Niska zawartość folianów, witaminy B6 i B12
Nowotwór piersi
MTHFR
rs1801133
T
Niska zawartość folianów, witaminy B6 i B12
Nowotwór piersi
VDR
rs1544410
A
Niska zawartość wapnia
Osteoporoza
TXN
rs2301241
T
Niska zawartość witaminy E
Otyłość brzuszna
Objaśnienia: FTO - gen podatności na otyłość; MC4R - gen 4 receptora melanokortyny; ACC2 - gen karboksylazy acetylo-CoA; SFA - nasycone kwasy tłuszczowe; CD36 - gen receptora CD36; PNPLA3 - gen białka zawierającego domenę fosfolipazy podobnej do patatyny 3; NAFLD - niealkoholowa stłuszczeniowa choroba wątroby; TCF7L2 - gen czynnika transkrypcyjnego 7L2; GI - indeks glikemiczny; GL - ładunek glikemiczny; MTR - gen syntazy metioniny; MTHFR - gen reduktazy metylenotetrahydrofolianu; VDR - gen receptora witaminy D; TXN - gen tioredoksyny.
Źródło: zmodyfikowano wg Ramos-Lopez O. i wsp., 2017.
Nutrigenetyka - indywidualna reakcja na interwencje dietetyczne
Przeprowadzono wiele badań oceniających wpływ zależności między SNP a dietą oraz ich rolę w kształtowaniu masy ciała, metabolizmu lipidów czy też gospodarki węglowodanowej. Badania te obejmują także próby oceny indywidualnej odpowiedzi na wprowadzone postępowanie dietetyczne i dotyczą głównie polimorfizmów w obrębie lub w pobliżu genów FTO, MC4R, PPAR, LEP, LEPR, TCF7L2, PROX1, zaangażowanych w regulację przyjmowania pokarmów, metabolizmu lipidów, metabolizmu glukozy i szlaków sygnalizacji insuliny, ale także np. odpowiedzi zapalnej. Badania z obszaru nutrigenetyki wyjaśniają różnice w stężeniach TG oraz w modyfikacji ryzyka zdarzenia sercowo-naczyniowego w odpowiedzi na suplementację kwasami Omega-3. Otóż efekt kardioprotekcyjny wielonienasyconych kwasów tłuszczowych zależny jest w dużej mierze od nosicielstwa wybranych wariantów genetycznych m.in. w obrębie genu PPAR?, a zmniejszenie ryzyka wystąpienia zawału mięśnia sercowego wraz ze wzrostem spożycia PUFA było obserwowane jedynie u osób będących nosicielami układu homozygotycznego Pro12/Pro12. Jednocześnie u nosicieli wariantu Ala12 wraz z 5% wzrostem spożycia PUFA wykazano 20% wzrost ich zawartości w komórkach tkanki tłuszczowej, w porównaniu z osobami niebędącymi nosicielami wariantu Ala12, co może tłumaczyć obserwowany brak wpływu wzrostu spożycia PUFA na zmniejszenie ryzyka wystąpienia zawału mięśnia sercowego u tych osób. Większy efekt kardioprotekcyjny wielonienasyconych kwasów tłuszczowych obserwowany był w tej grupie przy niższym ich dziennym spożyciu. Międzyosobnicze różnice w odpowiedzi na suplementację PUFA z rodziny n-3 obserwowane są również w zależności od nosicielstwa wybranych genotypów także w obrębie innych genów, w tym np. genu APOE1 i genu APOE5. Przykłady indywidualnych odpowiedzi na wprowadzone interwencje dietetyczne, w zależności od nosicielstwa wybranych SNP przedstawiono w tabeli 2.4.
Tabela 2.4.
Przykłady interakcji SNP-dieta odgrywających istotną rolę w kształtowaniu indywidualnej odpowiedzi na wybrane interwencje dietetyczne
Gen
Polimorfizm
Allel
Interwencja dietetyczna
Indywidualna reakcja na interwencję dietetyczną
FTO
rs1558902
A
Wysoka zawartość białka
Większy ubytek masy ciała
FTO
rs1558902
A
Niska zawartość tłuszczu
Mniejsza redukcja stężenia insuliny i insulinooporności
TCF7L2
rs7903146
T
Wysoka zawartość tłuszczu
Mniejsza redukcja masy ciała i insulinooporności
IL-6
rs2069827
C
Dieta śródziemnomorska
Mniejszy wzrost masy ciała
IRS1
rs2943641
C
Wysokie spożycie węglowodanów
Większa redukcja masy ciała, stężeń insuliny i insulinooporności
CETP
rs3764261
C
Wysoka zawartość tłuszczu
Większy wzrost stężenia cholesterolu HDL i obniżenie stężenia triglicerydów
APOA1
rs670
G
Wysoka zawartość PUFA
Obniżenie stężenia cholesterolu HDL
APOA5
rs964184
G
Niska zawartość tłuszczu
Większa redukcja stężenia cholesterolu całkowitego i cholesterolu LDL
CLOCK
rs4580704
G
Wysoka zawartość MUFA
Obniżenie stężeń glukozy na czczo oraz insulinooporności
CLOCK
rs1801260
G
Wysoka zawartość SFA
Wzrost obwodu brzucha
SGK1
rs2758151
T
Wysoka zawartość sodu
Wzrost ciśnienia tętniczego krwi
SGK1
rs9402571
T
Wysoka zawartość sodu
Wzrost ciśnienia tętniczego krwi
LIPC
rs2070895
A
Niska zawartość tłuszczu
Większa redukcja stężenia cholesterolu całkowitego i cholesterolu LDL, niższy wzrost stężenia cholesterolu HDL
Objaśnienia: FTO - gen podatności na otyłość; TCF7L2 - gen czynnika transkrypcyjnego 7L2; IL-6 - gen interleukiny 6; IRS1 - gen 1-substratu-1 receptora insuliny; CETP - gen białka przenoszącego estry cholesterolu; APOA1 - gen apolipoproteiny A1; PUFA - wielonienasycone kwasy tłuszczowe; APOA5 - gen apolipoproteiny A5; CLOCK - gen clock circadian regulator; MUFA - jednonienasycone kwasy tłuszczowe; SFA - nasycone kwasy tłuszczowe; SGK1 - gen kinazy 1 indukowanej przez surowicę i glikokortykosteroidy; LIPC - gen lipazy wątrobowej.
Źródło: zmodyfikowano wg Ramos-Lopez O. i wsp., 2017.
Biorąc pod uwagę przykłady przedstawione powyżej, badania z zakresu nutrigenomiki i nutrigenetyki dostarczają wielu cennych informacji dotyczących spersonalizowanego odżywiania, a także poszerzają naszą wiedzę na temat patofizjologii wielu chorób, zwłaszcza chorób dietozależnych, takich jak otyłość, zaburzenia metaboliczne oraz cukrzyca typu 2.Wyniki badania Finnish Diabetes Prevention Study wykazały, że polimorfizmy w obrębie genu TCF7L2 zwiększają ryzyko cukrzycy wśród osób, które nie przestrzegały zaleceń profilaktycznych. Aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia cukrzycy typu 2 w grupie osób z wysokim ryzykiem genetycznym, wystarczyła kontrola w diecie zawartości tłuszczu całkowitego i nasyconych kwasów tłuszczowych, podaży błonnika oraz zwiększenie aktywności fizycznej. Polimorfizmy w obrębie genu TCF7L2, będące istotnym czynnikiem ryzyka rozwoju cukrzycy typu 2, wykazują związek również z poposiłkowym utlenianiem składników odżywczych i różnice te można zaobserwować także u osób zdrowych, bez zaburzeń gospodarki węglowodanowej, lecz będących nosicielami genotypów ryzyka. Wiedza ta i dalsze badania w tym zakresie mogą mieć praktyczne implikacje i być wykorzystane w ramach spersonalizowanej dietoprofilaktyki rozwoju cukrzycy typu 2.
Innym genem, dla którego stwierdzono silną zależność z rozwojem cukrzycy typu 2, głównie przez jego związek z rozwojem tkanki trzustki, oraz z sekrecją insuliny, jest gen PROX1 (prospero homeobox 1). SNP rs340874 w obrębie genu PROX1 wykazuje związek także z poposiłkową odpowiedzią metaboliczną u osób zdrowych, będących nosicielami genotypu ryzyka rozwoju cukrzycy typu 2. Badania w tym obszarze wnoszą nowe informacje nie tylko w zakresie indywidualnej odpowiedzi metabolicznej na wybrane interwencje dietetyczne, lecz także cenne obserwacje dotyczące mechanizmów uczestniczących w rozwoju zaburzeń gospodarki węglowodanowej u osób będących w grupie ryzyka oraz możliwości modyfikacji ryzyka genetycznego przez odpowiednie, spersonalizowane postępowanie dietetyczne.
Polimorfizmy genetyczne - efekt kumulacji
Powyżej przedstawione zostały przykłady wpływu pojedynczych polimorfizmów w obrębie wybranych genów, jednak końcowy efekt kliniczny zazwyczaj nie jest wynikiem wpływu tylko jednego SNP, a wzajemnych zależności i interakcji między wieloma czynnikami, które mogą się nawzajem uzupełniać, mogą potęgować swój efekt lub też mogą go znosić. Dotyczy to zwłaszcza chorób wielogenowych, w których przypadku większe znaczenie mogą mieć analizy określające efekt kumulacji większej ilości SNP wykazujących związek z daną jednostką chorobową, szacowany na podstawie tzw. genetic risk score (GRS). Podejmowane są próby tworzenia GRS dla poszczególnych chorób oraz określenia jego związku z ryzykiem ich rozwoju, a także wpływu czynników dietetycznych, które ten związek mogą modulować. Modyfikację, przez czynniki dietetyczne, wpływu genów na rozwój otyłości wykazano w przypadku zwiększonego spożycia kwasów tłuszczowych nasyconych, słodkich przekąsek czy też potraw smażonych. Wpływ wymienionych czynników dietetycznych na rozwój otyłości jest znany i oczywisty, a badania z zakresu nutrigenetyki dostarczają cennych informacji dotyczących mechanizmów tych zależności. Niejednokrotnie badania z obszaru nutrigenetyki wykazują również istnienie mniej oczywistych, a nawet niespodziewanych interakcji na poziomie dieta-geny. Takim przykładem może być wykazany korzystny wpływ niskobiałkowej diety redukcyjnej na poprawę parametrów insulinowrażliwości i funkcje komórek beta wysp trzustkowych, u osób będących w grupie niskiego ryzyka oszacowanego na podstawie GRS, zawierającego analizę 31 wariantów genetycznych wykazujących związek z cukrzycą typu 2. Badania te dowodzą, że popularna w ostatnich latach dieta wysokobiałkowa nie będzie skuteczna u każdego, a w przypadku nosicieli wybranych genotypów jej efekt może być zupełnie odwrotny od oczekiwanego, gdyż te osoby większe korzyści odniosą wskutek ograniczenia udziału białka w diecie.
Podsumowanie
Opracowanie spersonalizowanych zaleceń dietetycznych w dobie rosnącego problemu chorób dietozależnych, w tym głównie otyłości, cukrzycy typu 2, chorób układu krążenia oraz wybranych nowotworów, stanowi olbrzymie wyzwanie o szczególnym znaczeniu. Wyniki wielu badań i obserwacji są niezwykle interesujące i intrygujące, niemniej jednak należy mieć na uwadze, że dotyczą one najczęściej jednego lub kilku wybranych miejsc w genomie. Wyniki te dostarczają dowodów i wyznaczają kierunki, w jakich powinien podążać rozwój dietetyki. W przyszłości niewątpliwie na ich podstawie będzie można opracować spersonalizowane zalecenia dietetyczne uwzględniające również predyspozycje genetyczne, jednak na dzień dzisiejszy powinniśmy być bardzo ostrożni w ich interpretacji. W celu podkreślenia biologicznego znaczenia i potencjalnego wykorzystania nutrigenomiki i nutrigenetyki w praktycznym zastosowaniu klinicznym potrzebne są dalsze badania i obserwacje. Poznanie mechanizmów molekularnych i interakcji zachodzących między składnikami diety a genami oraz integracja wiedzy zdobywanej na podstawie badań genetycznych i epigenetycznych mogą w przyszłości przyczynić się do opracowania nowych narzędzi terapeutycznych i do poprawy zdrowia publicznego przez spersonalizowaną prewencję chorób metabolicznych. Jednak obecnie źródłem informacji na temat potrzeb żywieniowych człowieka, na których należy opierać się w praktyce, pozostają opracowane normy żywienia i zalecenia kliniczne zawarte w standardach postępowania w poszczególnych jednostkach chorobowych, opracowywanych przez towarzystwa naukowe.
Piśmiennictwo
1. Adamska-Patruno E., Godzien J., Ciborowski M. i wsp.: The Type 2 Diabetes Susceptibility PROX1 Gene Variants Are Associated with Postprandial Plasma Metabolites Profile in Non-Diabetic Men. Nutrients, 2019; 11(4): 882.
2. Adamska E., Kretowski A., Goscik J. i wsp.: The type 2 diabetes susceptibility TCF7L2 gene variants affect postprandial glucose and fat utilization in non-diabetic subjects. Diabetes Metab., 2018; 44(4): 379-382.
3. Adamska-Patruno E., Goscik J., Czajkowski P. i wsp.: The MC4R genetic variants are associated with lower visceral fat accumulation and higher postprandial relative increase in carbohydrate utilization in humans. Eur. J. Nutr., 2019; 58(7): 2929-2941.
4. Arkadianos I., Valdes M.A., Marinos E. i wsp.: Improved weight management using genetic information to personalize a calorie controlled diet. Nutr. J., 2007; 6: 29.
5. Cao H., Sethumadhavan K., Li K. i wsp.: Cinnamon Polyphenol Extract and Insulin Regulate Diacylglycerol Acyltransferase Gene Expression in Mouse Adipocytes and Macrophages. Plant Foods Hum. Nutr., 2019, 74, 115-121.
6. Cornelis M.C., Qi L., Kraft P., Hu F.B.: TCF7L2, dietary carbohydrate, and risk of type 2 diabetes in US women. Am. J. Clin. Nutr., 2009; 89(4): 1256-1262.
7. Crujeiras A.B., Parra D., Milagro F.I. i wsp.: Differential expression of oxidative stress and inflammation related genes in peripheral blood mononuclear cells in response to a low-calorie diet: a nutrigenomics study. OMICS: A Journal of Integrative Biology, 2008; 12: 251-61.
8. German J.B., Zivkovic A.M., Dallas D.C., Smilowitz J.T.: Nutrigenomics and Personalized Diets: What Will They Mean for Food? Annu. Rev. Food Sci. Technol., 2011; 2: 97-123.
9. Golmohamadi E., Mahmazi S., Rahnema M.: Cinnamon hydro alcoholic extract increased expression level of UCP3 gene in skeletal muscle of obese male Wistar Rats.
10. Huang T., Ley S.H., Zheng Y. i wsp.: Genetic susceptibility to diabetes and long-term improvement of insulin resistance and ? cell function during weight loss: the Preventing Overweight Using Novel Dietary Strategies (POUNDS LOST) trial. Am. J. Clin. Nutr., 2016; 104(1): 198-204.
11. Kallio P., Kolehmainen M., Laaksonen D.E. i wsp.: Dietary carbohydrate modification induces alterations in gene expression in abdominal subcutaneous adipose tissue in persons with the metabolic syndrome: the FUNGENUT Study. Am. J. Clin. Nutr., 2007; 85(5):1417-1427.
12. Kohlmeier M., De Caterina R., Ferguson L.R. i wsp.: Guide and Position of the International Society of Nutrigenetics/Nutrigenomics on Personalized Nutrition: Part 2 - Ethics, Challenges and Endeavors of Precision Nutrition. J. Nutrigenet. Nutrigenomics, 2016; 9: 28-46.
13. Koszowska A., Ebisz M.: Rozwój nauk o żywności i żywieniu - od norm żywienia do genomiki żywienia. Development of food and nutrition sciences - from the nutrition standards to nutritional genomic. Forum Zaburzeń Metabolicznych, 2015; tom 6, nr 3, 85-93.
14. Kwan H.Y., Wu J., Su T. i wsp.: Cinnamon induces browning in subcutaneous adipocytes. Scientific Reports, 2017; 26, 7(1): 2447.
15. Lau F.C., Bagchi M., Sen C. i wsp.: Nutrigenomic Analysis of Diet-Gene Interactions on Functional Supplements for Weight Management. Curr. Genomics, 2008; 9(4): 239-251.
16. Merritt D.C., Jamnik J., El-Sohemy A.: FTO genotype, dietary protein intake, and body weightin a multiethnic population of young adults: a cross-sectional study. Genes and Nutrition, 2018; 13: 4.
17. Ordovas J.M., Corella D., Cupples L.A. i wsp.: Polyunsaturated fatty acids modulate the effects of the APOA1 G-A polymorphism on HDL-cholesterol concentrations in a sex-specific manner: the Framingham Study. Am. J. Clin. Nutr., 2002; 75, 1, 38-46.
18. Ramos-Lopez O., Milagro F.I., Allayee H. i wsp.: Guide for Current Nutrigenetic, Nutrigenomic, and Nutriepigenetic Approaches for Precision Nutrition Involving the Prevention and Management of Chronic Diseases Associated with Obesity. J. Nutrigenet. Nutrigenomics, 2017; 10: 43-62.
19. Ruiz-Narváez E.A., Kraft P., Campos H.: Ala12 variant of the peroxisome proliferator-activated receptor-gene (PPAR? ) is associated with higher polyunsaturated fat in adipose tissue and attenuates the protective effect of polyunsaturated fat intake on the risk of myocardial infarction. Am. J. Clin. Nutr., 2007; 86(4): 1238-1242.
20. Sadakierska-Chudy A.: Nutrigenetyka. [W]: Dietetyka oparta na dowodach (red. E. Poniewierka). MedPharm Polska, Wrocław 2016.
21. The 1000 Genomes Project Consortium. A global reference for human genetic variation. Nature 2015; 1; 526(7571): 68-74.
22. Vanden Heuvel J.P.: Cardiovascular disease-related genes and regulation by diet. Curr. Atheroscler. Rep., 2009; 11(6): 448-455.
