Badania dotyczące odżywiania

Nauka o żywieniu jest stosunkowo nową dziedziną. Ostatnie badania łączyły w sobie epidemiologię (badania na poziomie populacji) z podejściem molekularnym (badania na poziomie cząsteczkowym, w tym komórek i genetyki) (1). Tego typu podejście pozwala na badanie różnic pomiędzy poszczególnymi osobami, z uwzględnieniem znacznej liczby uczestników, w celu wykrycia małych, ale istotnych różnic, jak również potwierdzenia mechanizmów leżących u ich podstaw, odpowiedzialnych za te różnice (np. podatność genetyczna na określoną chorobę).

Ponadto, ostatnie postępy w technologii pozwoliły nam uzyskać lepszy wgląd w procesy patofizjologiczne odpowiedzialne za rozwój chorób dietozależnych. Odkrycia te uwypukliły nowe tematy leczenia, takie jak mikrobiota jelitowa, dzięki sekwencjonowaniu mikrobiologicznego DNA, czy nutrigenomika, dzięki sekwencjonowaniu DNA całego ludzkiego genomu (informacji genetycznej), znane jako Genome-Wide Association Studies (GWAS).

Medycyna precyzyjna i spersonalizowane odżywianie

Dzięki rozwojowi technik sekwencjonowania o wysokiej wydajności i generowaniu dużych danych w krótszym czasie i przy mniejszych kosztach niż kiedykolwiek wcześniej, nastąpił rozwój dziedziny medycyny precyzyjnej w badaniach z wykorzystaniem danych -omicznych (genomika, transkryptomika, metabolomika, mikrobiomika). Doprowadziło to do powstania koncepcji odżywiania spersonalizowanego opartego na zindywidualizowanych zaleceniach żywieniowych, które mogłyby wspierać wytyczne żywieniowe w ramach zdrowia publicznego. Odżywianie spersonalizowane obejmuje tradycyjne metody pomiarów, takie jak parametry kliniczne i biochemiczne czy antropometrię. Na etapie rozwoju są także nowe narzędzia biomarkerowe, takie jak identyfikacja specyficznych metabolitów z moczu w celu wykrycia jakości diety danej osoby (3), ale także nutrigenomika i badanie mikrobiomu.

Wpływ diety

Wiemy, że predyspozycje genetyczne w istotny sposób przyczyniają się do śmiertelności z powodu chorób niezakaźnych, takich jak choroby sercowo-naczyniowe, cukrzyca typu II i nowotwory. Z drugiej strony, składniki odżywcze wpływają na metaboliczne programowanie komórek. W skali globalnej jeden na pięć zgonów jest związany ze złą dietą (dieta o niskiej zawartości zbóż, owoców i wysokiej zawartości sodu), co stanowi więcej zgonów niż z powodu palenia tytoniu (4) . Łącząc zarówno wpływy genetyczne, jak i środowiskowe, możemy badać współzależności genów i dostarczanych składników odżywczych. 

Nutrigenomika vs nutrigenetyka

Genomika żywieniowa bada interakcje między bioaktywnymi składnikami z żywności a genomem, co obejmuje obszary nutrigenetyki i nutrigenomiki. Oznacza to, że żywność może wpływać na ludzi w różny sposób z dwoma podstawowymi mechanizmami biochemicznymi: 

• wpływ informacji genetycznej na to, jak człowiek reaguje na określone pokarmy, znany jako nutrigenetyka
• wpływ żywności na genetykę (składniki odżywcze wpływają na ekspresję naszych genów), znany jako nutrigenomika

Nutrigenetyka w praktyce

Nie jest to nowe odkrycie, że dziedziczone geny mogą wpływać na naszą reakcję na żywność, czyniąc nasze potrzeby żywieniowe bardzo indywidualnymi. Przykładem może być choroba genetyczna zwana fenyloketonurią, która dotyka osoby, które muszą unikać pokarmów zawierających aminokwas – fenyloalaninę. Nie może on być odpowiednio metabolizowany z powodu mutacji w genie kodującym enzym odpowiedzialny za jego przemianę o nazwie hydroksylaza fenyloalaninowa (PAH) (5). Fenyloalaninę można znaleźć w takich produktach jak mięso, ryby, jaja, ser, fasola i orzechy. Spożywana, gromadzi się w organizmie i może negatywnie wpływać na funkcje poznawcze dzieci, prowadząc do trudności w nauce. Tych poważnych konsekwencji można uniknąć zapewniając badania przesiewowe noworodków w pierwszych dniach życia, które są przeprowadzane w Polsce. 

Fenyloketonuria jest spowodowana zmianą (mutacją) w pojedynczym genie, podczas gdy dzisiejsze badania skupiają się na zmianach w określonym wariancie nukleotydów. Różnica polega na tym, że gen jest większym fragmentem odrębnej sekwencji nukleotydów tworzących część chromosomu. To oznacza, że nukleotyd jest mniejszą jednostką tworzącą gen i jego zmiana będzie miała wpływ na wariant genu.

Posiadanie określonego wariantu genu, znanego jako polimorfizm pojedynczego nukleotydu (SNP) może również wpływać na proces metabolizmu składników odżywczych. Tak jest w przypadku nietolerancji laktozy, która sprawia, że ludzie nie mogą trawić produktów mlecznych. Dzieje się tak, ponieważ gen kodujący laktazę (enzym rozkładający laktozę), jest zwykle „wyłączany” po odstawieniu dziecka od piersi. Szacuje się, że większość dorosłych osób ma nietolerancję laktozy (w Polsce częstość występowania jest na poziomie 43%, podczas gdy szacowana globalna częstość występowania zespołu złego wchłaniania laktozy wynosi 74%) (6). Jednak około 11 000 lat temu wśród północnych Europejczyków pojawił się polimorfizm w pojedynczym nukleotydzie DNA, który spowodował kontynuację ekspresji genu laktazy w wieku dorosłym (5). Z punktu widzenia ewolucji było to korzystne, ponieważ ludzie w regionach o krótkim okresie wegetacyjnym mieli nowy wariant nukleotydu i mogli trawić produkty mleczne, które są bogatym źródłem składników odżywczych, w tym cukru jakim jest laktoza (dwucukier zbudowany z galaktozy i glukozy). 

Innym przykładem może być gen reduktazy metylenotetrahydrofolianowej (MTHFR). Wpływa on na enzym, który odgrywa rolę w metabolizmie folianów, przekształcając je w aktywną formę metylowego folianu. Osoby z niektórymi wariantami genu MTHFR mogą być zagrożone niedoborem folianów, niezależnie od stosowanej diety i mogą wymagać suplementacji folianu metylu. Co ciekawsze, łącząc badania obejmujące genom i mikrobiom, stwierdzono, że wariant genu FUT2 jest związany zarówno z predyspozycją do obniżonego poziomu witaminy B12, jak i ze zmianami w przyczepianiu się bakterii Helicobacter pylori do błony śluzowej żołądka, co wpływa na wchłanianie witaminy B12 (7).

Nutrigenomika w praktyce

Składniki odżywcze można nazwać ” dietetycznymi sygnalizatorami”, ponieważ są one wykrywane przez systemy czujników komórkowych, które wpływają na ekspresję genów i białek, a w konsekwencji na produkcję metabolitów. Mogą one wpływać na ekspresję genów bezpośrednio lub pośrednio, działając jako ligandy dla receptorów czynników transkrypcyjnych lub być metabolizowane przez pierwotne lub wtórne szlaki metaboliczne (zmieniając stężenia substratów lub półproduktów, wpływając na szlaki sygnalizacyjne). Ponadto nie należy zapominać o roli procesów epigenetycznych – odpowiedź na składniki żywności zależy od metylacji DNA wpływającej na ekspresję genów. W badaniach nad identyfikacją odpowiednich ścieżek nutrigenomiki stosuje się dwie strategie: opartą na hipotezach, obejmującą określone geny i ich ekspresję pod wpływem składników odżywczych, a także najnowsze podejście biologii systemów, obejmujące sygnatury genów, białek i metabolitów, które są związane z określonymi składnikami odżywczymi lub wzorcami żywieniowymi. 

Różne składniki odżywcze, w tym antyoksydanty, są znane z tego, że zwiększają naprawę DNA i zmniejszają oksydacyjne uszkodzenia DNA. Mechanizmy te odgrywają rolę w chorobach niezakaźnych, w tym cukrzycy, chorobach sercowo-naczyniowych i zespole metabolicznym. Na przykład polimorfizm czynnika transkrypcyjnego 7-like 2 (TCF7L2) jest silnie związany z cukrzycą typu 2 (9). Jedno z badań wykazało, że dieta śródziemnomorska zmniejsza niekorzystny wpływ wariantu genu na czynniki ryzyka sercowo-naczyniowego (10). Dieta śródziemnomorska znana jest z tego, że jest bogata w świeże warzywa, owoce, pełne ziarna, ryby i co najważniejsze – oliwę z oliwek. 

Resweratrol jest naturalnym przeciwutleniaczem z grupy fenoli, który można znaleźć w kilku roślinach, takich jak orzeszki ziemne, winogrona, maliny i warzywa (11). Stwierdzono, że resweratrol jest aktywatorem genu SIRT i został zastosowany jako leczenie cukrzycy poprzez normalizację hiperglikemii i poprawę wrażliwości na insulinę (12). 

Wreszcie, istnieje kilka badań na ludziach potwierdzających pozytywny wpływ wielonienasyconych kwasów tłuszczowych omega-3. Wykazano, że 8-tygodniowa suplementacja olejem rybnym zwiększyła PPARγ u osób z cukrzycą typu 2 w porównaniu z grupą placebo, poprawiając metabolizm lipidów i homeostazę energetyczną (13). PPARγ jest czynnikiem transkrypcyjnym, który zapobiega uwalnianiu cytokin prozapalnych (13).

Dieta i genetyka w badaniach naukowych 

Badania żywieniowe z uwzględnieniem nutrigenetyki i nutrigenomiki są stosunkowo nowym obszarem naukowym. Rozwój tej dziedziny jest potrzebny, gdyż umożliwi lekarzom i dietetykom bardziej spersonalizowaną opiekę nad pacjentami w Polsce, u których zdiagnozowano choroby dietozależne. Istnieje potrzeba większej liczby badań w celu wdrożenia do praktyki narzędzi medycyny precyzyjnej. Istnieje nie tylko potrzeba matematycznego modelowania wielu efektów genetycznych, ale także potencjał w zakresie włączania i łączenia różnych typów danych -omicznych razem (badania wielomiczne) oraz badania różnych wzorców żywieniowych i efektów składników odżywczych w określonych warunkach i grupach zainteresowania. W branży możemy zaobserwować rozwój firm takich jak Zoe w zakresie spersonalizowanego żywienia oraz innych firm obejmujących badania mikrobiomu i badania genetyczne. Musimy jednak wziąć pod uwagę, że dowody naukowe stojące za tymi narzędziami do wykorzystania w praktyce klinicznej są nadal bardzo ograniczone. Potrzebujemy więcej wniosków z przyszłych badań uwzględniających big data i uczenie maszynowe. Ponadto rozwój ram statystycznych, takich jak Randomizacja Mendlowska, służących do udowodnienia przyczynowości w badaniach epidemiologicznych, ułatwiłby przyszłe ustalenia.

Bibliografia

1. Müller M, Kersten S. Nutrigenomics: goals and strategies. Nat Rev Genet [Internet]. 2003 Apr 1 [cited 2023 Apr 5];4(4):315–22. Available from: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12671662/
2. Kirk D, Catal C, Tekinerdogan B. Precision nutrition: A systematic literature review. Comput Biol Med. 2021 Jun 1;133:104365.
3. Garcia-Perez I, Posma JM, Chambers ES, Mathers JC, Draper J, Beckmann M, et al. RETRACTED ARTICLE: Dietary metabotype modelling predicts individual responses to dietary interventions. Nature Food 2020 1:6 [Internet]. 2020 Jun 17 [cited 2023 Apr 5];1(6):355–64. Available from: https://www.nature.com/articles/s43016-020-0092-z
4. Afshin A, Sur PJ, Fay KA, Cornaby L, Ferrara G, Salama JS, et al. Health effects of dietary risks in 195 countries, 1990–2017: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2017. The Lancet [Internet]. 2019 May 11 [cited 2023 Apr 5];393(10184):1958–72. Available from: http://www.thelancet.com/article/S0140673619300418/fulltext
5. Neeha VS, Kinth P. Nutrigenomics research: a review. J Food Sci Technol [Internet]. 2013 Jun 1 [cited 2023 Apr 5];50(3):415. Available from: /pmc/articles/PMC3602567/
6. Storhaug CL, Fosse SK, Fadnes LT. Country, regional, and global estimates for lactose malabsorption in adults: a systematic review and meta-analysis. Lancet Gastroenterol Hepatol [Internet]. 2017 Oct 1 [cited 2023 Apr 5];2(10):738–46. Available from: http://www.thelancet.com/article/S2468125317301541/fulltext
7. Velkova A, Diaz JEL, Pangilinan F, Molloy AM, Mills JL, Shane B, et al. The FUT2 secretor variant p.Trp154Ter influences serum vitamin B12 concentration via holo-haptocorrin, but not holo-transcobalamin, and is associated with haptocorrin glycosylation. Hum Mol Genet [Internet]. 2017 Dec 12 [cited 2023 Apr 5];26(24):4975. Available from: /pmc/articles/PMC5886113/
8. Iglesias MS, Grzelczak M. Using gold nanoparticles to detect single-nucleotide polymorphisms: toward liquid biopsy. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2020 Jan 31;11:263–84.
9. Felisbino K, Granzotti JG, Bello-Santos L, Guiloski IC. Nutrigenomics in Regulating the Expression of Genes Related to Type 2 Diabetes Mellitus. Front Physiol. 2021 Jul 21;12:1109.
10. Corella D, Carrasco P, Sorlí J V., Estruch R, Rico-Sanz J, Martínez-González MÁ, et al. Mediterranean diet reduces the adverse effect of the TCF7L2-rs7903146 polymorphism on cardiovascular risk factors and stroke incidence: a randomized controlled trial in a high-cardiovascular-risk population. Diabetes Care [Internet]. 2013 Nov [cited 2023 Apr 5];36(11):3803–11. Available from: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23942586/
11. Chao SC, Chen YJ, Huang KH, Kuo KL, Yang TH, Huang KY, et al. Induction of sirtuin-1 signaling by resveratrol induces human chondrosarcoma cell apoptosis and exhibits antitumor activity. Scientific Reports 2017 7:1 [Internet]. 2017 Jun 9 [cited 2023 Apr 5];7(1):1–11. Available from: https://www.nature.com/articles/s41598-017-03635-7
12. Goh KP, Lee HY, Lau DP, Supaat W, Chan YH, Koh AFY. Effects of resveratrol in patients with type 2 diabetes mellitus on skeletal muscle SIRT1 expression and energy expenditure. Int J Sport Nutr Exerc Metab [Internet]. 2014 [cited 2023 Apr 5];24(1):2–13. Available from: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23918588/
13. Bordoni L, Petracci I, Zhao F, Min W, Pierella E, Assmann TS, et al. Nutrigenomics of dietary lipids. Antioxidants [Internet]. 2021 Jul 1 [cited 2023 Apr 5];10(7). Available from: /pmc/articles/PMC8300813/

Martyna Kosciuszko

Profil

Bio:

As a researcher, Martyna works with epidemiological and clinical data using her bioinformatics and statistical analysis skills. During her MRes in Clinical Research (Imperial College London), Martyna analysed metabolom of severely malnourished children from Uganda as a part of clinical trial investigating effects of nutritional therapy that could improve the gut function. During her PhD, she investigated genetic propensity, socioeconomic position and trajectories of depression with usage of Polygenic Risk Scores. For her PhD project, Martyna is analysing gene expression and diet quality (including food insecurity) during pregnancy and risk of obesity in children. She is passionate about the area of nutrition and precision medicine including genetics and analysis of - omic data. As a dietitian, Martyna is passionate about gut-brain axis and individualised treatment of dietary problems and evidence-based interventions in the area of mental health and gastroenterology. Martyna graduated with BSc degree in Nutrition and Dietetics (Jagiellonian University). During her studies she had been engaged in Nutrigenomics Research Society. She was conducting the project analysing mutation in the the vitamin D receptor gene in Parkinson’s Disease. After graduation, Martyna worked as a Specialist Dietitian in the area of gastroenterology (IBS) and mental health (consulting clients diagnosed with anxiety, depression, autism, eating disorders- Anorexia Nervosa, Bulimia Nervosa, binge eating disorder, ARFID, learning disabilities, personality disorders) in National Health Service in England.