Voeding en Genexpressie
Voeding is een essentieel onderdeel van ons bestaan. Niet verwonderlijk dus dat we er dagelijks mee bezig zijn. Dat geldt niet alleen voor consumenten en bedrijven die actief zijn op het gebied van levensmiddelen en gezondheid, maar ook voor onderzoekers uit de medische en biochemische wetenschap. In toenemende mate is er aandacht voor het terugdringen van overgewicht en de daar uit voortvloeiende gezondheidsrisico’s. In deze context wordt er grensverleggend onderzoek gedaan naar de exacte relatie tussen voeding en gezondheid.
dr. Inge van Bussel is onlangs gepromoveerd aan het Wageningen University & Research Centre met het proefschrift getiteld: 'The transcriptome as early marker of diet-related health. Evidence in energy restriction studies in humans'.
Is het precieze effect van voedingsmiddelen en drinkwaar op een persoon bijvoorbeeld afhankelijk van diens genetisch materiaal? En is voeding van invloed op onze genen? Kan nutrigenomics worden ingezet als diagnostische tool? En lopen we straks allemaal met een personalized nutrition app in onze telefoon?
Juridische aspecten en relevante wetgeving
De uitkomsten van wetenschappelijk voedingsonderzoek zijn ook vanuit juridisch oogpunt interessant, nu dat potentieel zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van ‘novel foods’, het personaliseren van voedingsadvies en een uitbreiding van het huidige behandelspectrum bij diverse stofwisselingsaandoeningen. Daarbij kan ook gedacht worden aan de ontwikkeling van analytische tools en medical devices die het mogelijk maken om onderzoek uit te voeren en behandelingen te optimaliseren. In al die gevallen is het zaak om goed op de hoogte te zijn van eventuele verplichtingen die kunnen voortvloeien uit Europese wet- en regelgeving, de Warenwet of de Wet op de Geneeskundige behandelingsovereenkomst.
Voedingswetenschapper dr. Inge van Bussel geeft in onderstaand kennisartikel een zeer interessante inkijk in de wereld van voeding en genexpressie.
Voeding en Genexpressie
Voedingswetenschap
Een uitdaging in de voedingswetenschap is het kunnen meten van de effecten van bepaalde voedingscomponenten, een compleet dieet, of een aanpassing in een dieet, op de gezondheid. Het meten van deze effecten van voeding op de gezondheid is voornamelijk lastig doordat deze effecten meestal subtiel zijn, veel interindividuele variatie in respons vertonen, en omdat het vaak jaren kan duren voordat ze zichtbaar zijn. Het is dus zaak om een manier te vinden waarbij de effecten van voeding wél meetbaar zijn en waarbij deze manier ook nog selectief én praktisch toepasbaar is.
Het effect van voeding op gezondheid
Naast het feit dat het kunnen meten van het effect van voeding op gezondheid interessant is, kunnen we er ook baat bij hebben om meer inzicht te krijgen in hoe voeding precies werkt en op welke manier het de gezondheid beïnvloedt. Want wat zijn onderliggende mechanismen van voeding en specifieke voedingscomponenten? Wat zorgt er voor dat iemand gezonder wordt na het volgen van een bepaald dieet? Dit geeft uiteindelijk een duidelijker en meer wetenschappelijk beeld van het effect van voeding. De veelgehoorde ’kreten’ over wat voeding doet, kunnen dan gebaseerd worden op wetenschappelijk bewijs.
Gezondheid gedefinieerd
Het meten van voeding in relatie tot gezondheid vraagt om een goede definitie van Gezondheid. Lange tijd werd gezondheid gedefinieerd door de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) als "Gezondheid is een toestand van volledig lichamelijk, geestelijk en maatschappelijk welzijn en niet slechts de afwezigheid van ziekte of andere lichamelijke gebreken." Deze oude definitie van gezondheid beperkt zich tot een vastgesteld, statisch moment. In 2014 is er een nieuwe definitie van gezondheid voorgesteld. Deze nieuwe definitie richt zich meer op het vermogen van een organisme om zich aan te kunnen passen aan veranderingen en uitdagingen (1). Dit, in plaats van de oude, statische definitie die kijkt naar één moment. Dit kan bijvoorbeeld betekenen dat iemand met normaal gezien ‘ongezonde’ statische waardes, wel ‘gezond’ reageert op, en zich aanpast aan, een verandering.
Metabolisme en dieet
Voeding en genexpressie: Het effect van voeding op gezondheid
De definitie kan worden doorgetrokken naar het metabolisme die belangrijk is bij voeding. In deze metabole context wordt het vermogen van een organisme om zich aan te passen ‘fenotypische flexibiliteit’ genoemd. Dit houdt dus in dat als we willen weten of iemand al dan niet gezond is en reageert op een bepaald dieet, we niet op één statisch, vast moment moeten kijken, maar moeten meten of iemand kan omgaan met een verandering. En sterker nog, indien gezonder, béter kan omgaan met een verandering. Een mogelijke manier om dit te doen is het toepassen van wat we in o.a. de voedingswetenschap ‘challenge testen’ noemen. Deze challenge testen zijn bedoeld om te bepalen hoe goed het lichaam in staat is om met een ‘challenge’ - in het geval van voeding een grote hoeveelheid van een voedingsstof - om te gaan.
Voedingseffect & challenge testen
Om de fenotypische flexibiliteit en dus de gezondheid van het menselijk lichaam te meten, moet het lichaam aan een voedingsstressor/challenge test worden blootgesteld. Dergelijke challenge testen leveren een grote hoeveelheid van een of meerdere voedingsstoffen die als een stressor voor cellen en weefsels fungeren. Als reactie op deze challenge zal er een metabolische aanpassing moeten plaatsvinden. Het vermogen om om te gaan met deze stressor en juist de response van de cel/ het weefsel, geeft een flexibiliteit weer en daarmee waarschijnlijk ook een idee over de gezondheidsstatus van het lichaam. Naast dat dit mogelijk een betere maat is voor de gezondheid dan de statische waarde die bijvoorbeeld gemeten wordt als men nuchter glucose afneemt, is het mogelijk dat de dynamische response het gezondheidseffect van een dieetinterventie op de gezondheid vergroot.
Glucosetolerantietest
Een bekende challenge test is de glucosetolerantietest (OGTT). Een OGTT bestaat uit een grote lading glucose en meet hoe goed het lichaam deze glucose uit het bloed kan verwijderen. Glucosetolerantietesten worden op grote schaal toegepast in de kliniek om diabetes mellitus vast te kunnen stellen. Dit gebeurt door plasma glucose en insuline waardes over de tijd te meten. Deze waardes worden vergeleken met dat van gezonde mensen en als de glucosewaarde hoog blijft, of de insuline extreem hoog wordt, kan er sprake zijn van diabetes mellitus. Een ander voorbeeld van een challenge test is een ‘vet-challenge’.
Verzadigd of onverzadigd vet
Een vet challenge test bestaat uit een grote hoeveelheid vet. Hierin kan ook nog onderscheid worden gemaakt tussen verzadigd vet of onverzadigd vet en kan worden vastgesteld of er een verschil in response is door het nuttigen van een bepaald type vet. Een laatste voorbeeld van een challenge test is de zogenaamde gemixte maaltijd (een mixed meal test, MMT). Deze MMT bestaat uit eiwit, vet, en koolhydraten. Het idee van deze laatste challenge is dat het onder andere een normale maaltijd representeert.
Nutrigenomics
Naast deze nieuwe manier van het benaderen van gezondheid binnen voedingsonderzoek, is er ook verandering in de klassieke manier van voedingsonderzoek en zijn er nieuwe richtingen ontstaan, zoals nutrigenomics. Nutrigenomics kan uitgelegd worden als een onderzoeksrichting waar gebruikgemaakt wordt van biochemie, fysiologie, genomics, proteomics, metabolomics, transcriptomics en epigenomics om de interacties tussen genen en voedingsstoffen op moleculair niveau te kunnen onderzoeken. Het is een relatief nieuwe onderzoeksrichting binnen de voedingswetenschap die het effect van voeding op de genexpressie meet. Nutrigenomics is overigens iets anders dan nutrigenetics.
Interacties tussen genen en voedingsstoffen op moleculair niveau
Nutrigenomics: Interacties tussen genen en voedingsstoffen op moleculair niveau
Nutrigenomics onderzoekt de invloed van voeding op onze genen, en nutrigenetics onderzoekt de invloed van genen op de response van ons lichaam op voeding. Het voordeel van nutrigenomics is dat we in staat kunnen zijn om bij iemand vroegtijdig vast te stellen of er een ziektebeeld nadert. Bijvoorbeeld, diabetes mellitus wordt toegeschreven aan mensen met een nuchtere glucosegehalte van meer dan 7 mmol/L in het bloed, maar eigenlijk is iemand dan al ziek. Nutrigenomics kan derhalve worden ingezet als diagnostische tool. Als we nu veranderingen door voeding op de gezondheid al eerder kunnen meten, dan zouden we wellicht kunnen voorkómen dat iemand écht ziek wordt. Daarbij is een bijkomend voordeel van nutrigenomics dat het niet slechts éen ding meet, maar 20.000 genen in een keer, wat eerder leidt tot het vinden van meetbare verandering.
Genexpressie – transcriptomics
In alle cellen van levende organismen hebben genen een bepaalde activiteit en komen wel of niet tot expressie. Ook de mate waarin genen tot expressie komen verschilt; afhankelijk van het type cel, signalen in het weefsel, en de benodigde functie is deze expressie verschillend. Nutrigenomics, en meer specifiek ‘transcriptomics’, meet de hoeveelheid mRNA van alle genen en onderzoekt het effect dat een bepaald dieet, of een specifieke nutriënt, heeft op de expressie van genen. Dankzij het gebruik van microarrays kan de genexpressie van alle genen tegelijk gemeten worden. Dit in tegenstelling tot Q-PCR.
Microarray met probes
Een microarray is een chip met daarom microscopisch kleine spots met stukjes RNA, de probes. Deze probes representeren een gen en op deze microarrays zitten vele verschillende probes voor alle verschillende genen van een organisme. Met behulp van microarrays kan dus de mate van genexpressie van alle genen gemeten worden. Terugkomend op het voordeel van het meten van meer dan een ding, dus meerdere parameters, zou dit uiteindelijk leiden tot een bepaalde marker – een set van genen met een bepaalde expressie – om vast te stellen of iemand al dan niet gezonder is geworden.
Meetinstrument voor verandering in gezondheid door voeding
Naast de toepassing van transcriptomics als meetinstrument voor een verandering in gezondheid door voeding, kan deze informatie over veranderingen in genexpressie ook gebruikt worden om meer fundamenteel onderzoek te doen. Als we zien van welke genen de activiteit verandert, kan dit wellicht een hint geven in de richting van het onderliggende mechanisme. Gemeten is bijvoorbeeld dat na een laagcalorisch dieet met een normaal eiwitgehalte, het transcriptoom van vetweefsel een daling vertoonde in signaalroutes betrokken bij de immuunrespons en het inflammasoom, terwijl er geen dergelijk effect werd gevonden na een laagcalorisch dieet met een hoog eiwitgehalte. Dit effect werd waargenomen terwijl parameters zoals gewichtsverlies, glucose, en tailleomtrek niet veranderden als gevolg van de verschillende eiwitgehaltes (2).
Eiwitgehalte, vetweefsel en bloed
Zo kunnen we én een verandering meten en eventueel een hint krijgen in welke richting het mechanisme zit. Uiteraard is er ook weefsel nodig waar we het RNA uit halen om transcriptomics op toe te passen. Naast dat vet een interessant weefsel is vanwege de verwachte afname van dit weefsel na het volgen van een (laagcalorisch) dieet, waarschijnlijke leidend tot een aanpassing van het weefsel en dus een verandering in gen expressie, is het simpelste weefsel bloed. Bloed bevat perifere mononucleaire bloedcellen (PBMC’s). PBMC’s hebben een celkern met RNA wat geïsoleerd kan worden voor transcriptomics. Het afnemen van bloed voor én na een dieetinterventie geeft inzicht over de verandering in genexpressie.
Individuele variatie en personalized nutrition
Een voordeel van bovengenoemde manier van werken is ook dat je de interindividuele variatie verkleint: je vergelijkt ten slotte de genexpressie van een persoon na de interventie met de genexpressie van deze zelfde persoon vóor de interventie. Het is namelijk niet altijd een op een te zeggen dat een dieet wat voor het ene individu een verandering in genexpressie zorgt, ook voor een ander individu op dezelfde wijze voor een verandering in genexpressie zorgt. Verschillende genetische achtergronden en fenotypische eigenschappen, zoals leeftijd, geslacht, levensstijl, Body-Mass Index (BMI), maar ook epigenetica kunnen een rol spelen in het effect van een dieet op de gezondheid.
Body-Mass Index (BMI) en etnische achtergrond
Interventiestudies in wetenschappelijk onderzoek houden uiteraard rekening met de verschillen in BMI en andere factoren wanneer twee groepen vergeleken worden door deze zo minimaal mogelijk van elkaar te laten verschillen. Het meten van genetica en ook epigenetica wordt ook in acht genomen, maar er is niet altijd de mogelijkheid om deze factoren erbij te betrekken. Daarom gaan we er vaak wel vanuit dat de mensen die een zelfde soort etnische achtergrond hebben een zelfde soort genetica hebben, maar: ‘meten is (zeker) weten’.
Fenotypische eigenschappen en macronutriënten
Fenotypische eigenschappen zijn niet de enige factoren die het effect van voeding zullen beïnvloeden. De precieze samenstelling van een dieet is ook een belangrijke factor die mogelijk het resultaat van deze interventies beïnvloeden. Macronutriënten worden vaak in dit opzicht bestudeerd, aangezien elk macronutriënt een andere metabolische rol. Niet elk laagcalorisch dieet is hetzelfde. Denk aan weinig-veel koolhydraten of weinig-veel eiwit. Al is het bestuderen van het effect van verschillende macronutriëntsamenstellingen moeilijk: het bereiken van een laag percentage van één macronutriënt vereist de verhoging van een van de andere macronutriënten (en vice versa).
Plantaardig versus dierlijk eiwit en type aminozuur
Verschillende verdelingen in macronutriënt-percentages binnen laagcalorische diëten worden steeds vaker bestudeerd om te onderzoeken of er een groter gezondheidsvoordeel of een groter gewichtsverlies te bereiken is. Aan de restrictie van calorieën worden gezondheidsvoordelen toegeschreven en onderzocht wordt of het beperken van specifieke macronutriënten (zonder restrictie van calorieën) kan leiden tot soortgelijke gunstige gezondheidseffecten. Ook de specifieke oorsprong van voedingscomponenten kan van belang zijn. Plantaardig versus dierlijk eiwit bijvoorbeeld, en daarbij nog specifieker naar welke hoeveelheden van welk type aminozuur.
Apparaatje dat gezondheidsparameters meet?
Tot slot, waar dit allemaal heen zal kunnen gaan en waar het voor kan gaan dienen: Personalized nutrition. Personalized nutrition houdt in dat voedingsadvies precies is afgestemd op het individu. Welke dieetsamenstelling heeft elk individu nodig voor zijn of haar gezondheid? Tegenwoordig wordt hetzelfde (basis) voedings- en leefstijladvies gegeven aan alle mensen, terwijl elk individu anders kan reageren en misschien een andere gezondheidsbehoefte heeft. Voor precieze personalized nutrition is het nog te vroeg, maar wie weet dragen we in de toekomst allemaal wel een apparaatje dat onze bloedwaardes, genexpressie en andere (gezondheids)parameters meet en ons op het juiste moment vertelt om even meer vezels, eiwit, of een bepaalde hoeveelheid vitamine C binnen te krijgen?
Referenties
1. Huber, M., et al., ‘How should we define health?’ BMJ, 2011. 343: p. d4163;
2. Van Bussel, I.P.G., et al, ‘The impact of protein quantity during energy restriction on genome-wide gene expression in adipose tissue of obese humans.’ Int J Obese (Lond), 2017. 1-7.