University of Groningen Protein oxidation: towards a non-invasive assessment of anabolic competence Reckman, Gerlof

Protein oxidation: towards a non-invasive assessment of anabolic competence

Reckman, Gerlof

DOI:

10.33612/diss.136482233

IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.

Document Version

Publisher's PDF, also known as Version of record

Publication date: 2020

Link to publication in University of Groningen/UMCG research database

Citation for published version (APA):

Reckman, G. (2020). Protein oxidation: towards a non-invasive assessment of anabolic competence. University of Groningen. https://doi.org/10.33612/diss.136482233

Copyright

Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).

Take-down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.

Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.

General Discussion

Nederlandse Samenvatting

Dankwoord

Acknowledgments

About the Author

GENERAL DISCUSSION

It is important to gather all the data concerning the protein oxidation breath test itself, before any statements can be made about its relevance to monitor the protein oxidation pathway. First, the protein oxidation breath test yields breath samples which contain a measurable signal after the ingestion of naturally 13_C-enriched

substrates. Second, the prerequisite of a low baseline breath 13_CO 2

enrichment was met for each breath test with a mean delta value of <-25.00. In comparison the 13_{C-milk protein had an enrichment}

of -14.21. Third, fitting the general concentration model to the data from the protein restricted diet data and the aerobic exercise data resulted in a R2 _{value of 0.930±0.033 and 0.926±0.044, respectively.}

For reference, a R2 _{value of 1 implies a perfect fit between the data}

and the model.

A relevant amount of protein was oxidized when considering all the protein oxidation breath test results performed in the resting condition. Between 25% and 30% of 30 g 13_{C-milk protein was}

oxidized over 330 minutes, which is equal to 7.5 to 10 gram. It is known that 20 to 30 gram of high quality protein results in the maximal protein synthesis response after which additional protein will stimulate protein oxidation [6]. If the measured cumulative protein oxidation is substracted from the ingested dose, it suggests that the maximal protein synthesis response is reached between 20 and 22.5 gram which is in line with the literature.

After the ingestion of different 13_{C-milk protein doses, protein}

oxidation measurements with the protein oxidation breath test revealed that protein oxidation is dose dependent. With increasing dose from 10, 30, 50, 60, and 70 gram cumulative protein oxidation over 330 minutes increased, with the exception when comparing cumulative oxidation between 60 and 70 gram dose. It is known that dietary protein intake in excess of protein synthesis requirements is oxidized [6] and these results support this.

9

with concomitant ingestion of unlabeled whey protein over 240 minutes. Moreover, cumulative oxidation of 13_{C-whey decreased with}

concomitant ingestion of unlabeled glucose. The data suggests that the ingestion of carbohydrates in addition to the ingestion of protein enables a more economical utilization of protein. The reverse is known in individuals who have reduced protein synthesis or ongoing protein breakdown when their energy balance is negative [7]. Different physiological conditions prior to the ingestion of 13_C-milk

protein resulted a large range in cumulative protein oxidation over 330 minutes. Cumulative protein oxidation was between 15% and 45% of the ingested dose when considering the results of both the protein restriction diet and the two levels of aerobic exercise. The large range in cumulative protein oxidation suggests that cumulative protein oxidation is both variable compared to the resting condition and adaptable when physiological conditions are changed.

The protein restricted diet did not result in a mean change in cumulative protein oxidation, which is in contrast to the preliminary experiments were a decrease in cumulative protein oxidation was found. The mean of the protein restricted diet did have a large standard deviation, but the standard deviation was not caused by dichotomy in type of responders. The logical working hypothesis to explain the preliminary results was that the body responded to the protein restricted diet by reducing protein oxidation compared to the habitual diet rich in protein. The apparent discrepancy in the outcome of both protein restriction diet experiments might be the result of the level of dietary protein reached in each experiment. In the preliminary experiment, the level of dietary protein intake was reduced for three days to ~0.15 g/kg bw/day. In the larger protein restriction diet study the level of dietary protein reached 0.65 g/kg bw/day. Even though both protein restriction diets reached dietary protein intake levels below the 0.8 g/kg bw/day WHO recommendation, apparently a reduction to 0.65 g/kg bw/day was not sufficient to have a measurable effect on protein oxidation

within the time frame of the study. This suggests that the protein metabolism in healthy males is robust after four days of 50% dietary protein intake restriction.

The 15-minute vigorous aerobic exercise bout showed that protein oxidation can change within hours. The increased cumulative protein oxidation observed after vigorous aerobic exercise was in contrast to the preliminary experiments and a striking result as it went against the working hypothesis. The working hypothesis stated that protein oxidation should decrease as a result of physical exercise, because exercise is an anabolic trigger. However, the larger and better controlled experiment with 16 healthy males required to rethink the working hypothesis. The increase in cumulative protein oxidation might be explained by an increased protein turnover rate triggered by the vigorous aerobic exercise. The process of protein turnover is continous and occurs within the tightly regulated pool of ~100 g of amino acids within cells and plasma. This process enables the body to adapt to changes in protein requirements. However, this process is not 100% efficient and thus there must be losses. These absolute losses are expected to increase with an increasing protein turnover rate. This seemingly contradicts the statement that physical exercise is an anabolic trigger. This contradiction can be resolved under the assumption that both protein oxidation and protein synthesis are increased to such a degree that net protein synthesis occurs. The protein restriction diet confirmed that urea excretion lags to changes in dietary protein intake. After three to four days, the urea excretion stabilized after the sudden reduction in dietary protein intake. This confirms that the nitrogen balance is not suited to reflect sudden changes in dietary protein intake.

No significant associations were found between protein oxidation and the individual’s demographic characteristics. The collected co-variables were total body weight, body mass index, lean body mass, resting metabolic rate, habitual dietary energy intake, and habitual dietary protein intake. Finding co-variables which are associated

9

responses between the subjects under the same physiological condition.

The systematic review and meta-analysis determined that the prevalence of insufficient dietary protein intake is 50% for older adults compared to the 1.0-1.2 g/kg bw/day ESPEN recommendation on dietary protein intake [5]. For individuals who lose LBM, but are otherwise healthy, correction of the insufficient dietary protein intake can halt, and reverse LBM loss. This is in contrast to pathophysiological conditions whereby increasing dietary protein intake frequently does not halt or reverse LBM loss, and can even have adverse effect. For some reason they do not utilize the ingested dietary protein as efficiently as their healthy counterparts, and effective interventions for these derangements – other than resolving the underlying disorder - remains a major challenge. The paradigm of “anabolic competence” and its practical application could be highly relevant for clinical practice. Standardized, reliable, and practical instruments that incorporate the domains of anabolic competence, such as the PG-SGA, could help to improve the prevention, treatment, and monitoring of DRM. Measuring protein oxidation might become an addition in the assessment of anabolic competence.

PROTEIN OXIDATION IN A BROADER

CONTEXT

Protein oxidation and disease-related malnutrition

DRM is a persistent clinical challenge. It is marked by loss of lean body mass and decreased function, including decreased muscle function and decreased immunocompetence [8]. In DRM, nutritional intervention is necessary, but it has not consistently been shown to be sufficient to promote net anabolism [9]. This is in contrast to malnutrition without disease, whereby providing adequate nutrition does lead to net anabolism [9]. Measuring exogenous protein

oxidation non-invasively is potentially relevant for patients with DRM, because it could detect increased loss of ingested protein well before the loss of lean body mass becomes apparent. Currently, loss of LBM is used to confirm suspected catabolism. However, loss of LBM is a slow process. Earlier detection of disturbed protein metabolism by measuring protein oxidation could help a more timely intervention, which could reduce the loss of LBM. Furthermore, due to its non-invasive nature, repeated measurements of protein oxidation over time could be performed which would enable monitoring changes in protein oxidation and thus the progression (or reversal) of disturbed protein metabolism. However, measuring exogenous protein oxidation does not provide an answer to the underlying cause for net catabolism. Net catabolism can be caused by both increased catabolism but also by decreased anabolism. Therefore, measuring exogenous protein oxidation would simply serve as partial evidence for disturbed protein metabolism. The first step towards a clinical application of the breath test would be to measure exogenous protein oxidation in patients with DRM and healthy matched controls. Meaningful results would consist of a difference in exogenous protein oxidation on group level, whereby higher oxidation is expected in the patient group compared to healthy controls.

FUTURE PERSPECTIVES

The work described in this thesis provides a basis for a protein oxidation breath test able to measure protein oxidation, as a non-invasive bedside test. Our findings provide a basis and a rational for further research on the role of protein oxidation in patient populations in which net catabolism is present. Waiting until the black box of protein metabolism is completely understood does not match the current need for a non-invasive clinical test which measures an aspect of protein metabolism such as protein oxidation.

However, before the current breath test protocol is deemed suitable for widespread clinical use it should be optimized to minimize the

9

and another 5.5 h fasting after ingestion of the test drink which contains 120 kcal, while an average breakfast contains between 300 to 400 kcal. This is not desirable in patients with DRM. Minimizing or removing the need for fasting all together via a standardized meal would be ideal for use in the clinical setting. Second, the test drink is voluminous as the 30 g 13_{C-milkprotein is dissolved in 500 ml water.}

Creating a test drink with less water will make the test drink less burdensome for those patients who have difficulty drinking 500 ml within a few minutes. Third, the time over which the protein oxidation is measured and the amount of samples collected could possibly be reduced to lessen the burden (and costs) of the breath test without losing information. For this purpose more protein oxidation breath tests need to be performed to gather a dataset large enough to determine to which extent the breath test could be shortened.

PROTEIN OXIDATION: TOWARDS A

NON-INVASIVE ASSESSMENT OF ANABOLIC

COMPETENCE

Measuring protein oxidation may well facilitate the assessment of anabolic competence in clinical settings, considering that proteins which are oxidized cannot be utilized for protein synthesis and thus cannot support maintenance of LBM. With the protein oxidation breath test it is now possible to measure changes in protein oxidation. Further research should elucidate whether, and to what extent protein oxidation could be used as a reliable reflection of catabolism.

CONCLUSION

Application of the non-invasive protein oxidation breath test demonstrated that protein oxidation is a relevant process within protein metabolism. The large range in cumulative protein oxidation from 15% to 45% under different physiological conditions suggests

that protein oxidation is both variable and adaptable. Whereas further studies are needed to elucidate its association with physiological and pathophysiological triggers and underlying mechanisms, empirical validation of its (temporal) association with clinical parameters of DRM, with clinical outcome and with response to intervention, may pave a way forward for its clinical application, with the eventual aim to substantiate treatment options for conditions associated with net catabolism by optimizing anabolic competence.

9

REFERENCES

1. Boirie Y, Dangin M, Gachon P, Vasson M-P, Maubois J-L, Beaufrere B. Slow and fast dietary proteins differently modulate postprandial protein accretion. Proc Natl Acad Sci 1997;94:14930–5. doi:10.1073/ pnas.94.26.14930.

2. Shad BJ, Wallis G, van Loon LJC, Thompson JL. Exercise prescription for the older population: The interactions between physical activity, sedentary time, and adequate nutrition in maintaining musculoskeletal health. Maturitas 2016;93:78–82. doi:10.1016/j. maturitas.2016.05.016.

3. Pedersen BK, Saltin B. Exercise as medicine - Evidence for prescribing exercise as therapy in 26 different chronic diseases. Scand J Med Sci Sport 2015;25:1–72. doi:10.1111/sms.12581. 4. WHO. Protein and Amino Acid

Requirements in Human Nutrition. Report of a Joint WHO/FAO/UNU Expert Consultation. 2007. doi:ISBN 92 4 120935 6.

5. Deutz NEP, Bauer JM, Barazzoni R, Biolo G, Boirie Y, Bosy-Westphal A, et al. Protein intake and exercise for optimal muscle function with aging: Recommendations from the ESPEN Expert Group. Clin Nutr 2014;33:929–36.

doi:10.1016/j.clnu.2014.04.007.

6. Moore DR, Robinson MJ, Fry JL, Tang JE, Glover EI, Wilkinson SB, et al. Ingested protein dose response of muscle and albumin protein synthesis after resistance exercise in young men. Am J Clin Nutr 2009;89:161–8. doi:10.3945/ ajcn.2008.26401.

7. Blomstrand E, Saltin B. Effect of muscle glycogen on glucose, lactate and amino acid metabolism during exercise and recovery in human subjects. J Physiol 1999;514:293–302. doi:10.1111/j.1469-7793.1999.293af.x.

8. Cederholm T, Barazzoni R, Austin P, Ballmer P, Biolo G, Bischoff SC, et al. ESPEN guidelines on definitions and terminology of clinical nutrition. Clin Nutr 2017;36:49–64. doi:10.1016/j. clnu.2016.09.004.

9. Jensen GL, Mirtallo J, Compher C, Dhaliwal R, Forbes A, Grijalba RF, et al. Adult starvation and disease-related malnutrition: A proposal for etiology-based diagnosis in the clinical practice setting from the International Consensus Guideline Committee. Clin Nutr 2010;29:151–3. doi:10.1016/j. clnu.2009.11.010.

NEDERLANDSE SAMENVATTING

Eiwitten zijn belangrijke voedingsstoffen voor het lichaam, omdat ze fungeren als bouwstoffen. Na inname van eiwitten komen de eiwitten via de slokdarm terecht in ons maagdarmkanaal. Tijdens de vertering in het maagdarmkanaal worden de eiwitten afgebroken tot de onderdelen waar ze uit bestaan, aminozuren. Deze aminozuren worden opgenomen in het bloed en door het hele lichaam vervoerd, waarmee ze beschikbaar zijn voor alle lichaamscellen. Eenmaal opgenomen in de lichaamscellen worden de aminozuren gebruikt om nieuwe eiwitten op te bouwen die op dat moment nodig zijn. Naast het feit dat de lichaamscellen in staat zijn om eiwitten op te bouwen, kunnen ze ook bestaande eiwitten afbreken om zo de aminozuren te kunnen hergebruiken voor nieuwe eiwitten. Het opbouwen en afbreken van eiwitten kan vergeleken worden met Lego, waarbij de aminozuren kunnen worden beschouwd als de individuele Lego-blokjes (zie omslag van dit proefschrift). Naast opbouw en afbraak is er ook nog het proces van eiwitverbranding, waarbij de aminozuren zelf verloren gaan. De afbraakproducten van de verbrande aminozuren verlaten het lichaam via de urine en de uitademingslucht. De eiwitverbranding neemt toe naarmate je meer eiwitten eet dan je lichaam nodig heeft. Dit komt doordat het lichaam geen opslagplaats heeft voor eiwitten. Het totale proces van eiwitopbouw, eiwitafbraak en eiwitverbranding is het

eiwitmetabolisme. Een goed functionerend eiwitmetabolisme

is essentieel voor onze gezondheid en speelt een belangrijke rol bij onder andere een goed functionerend immuunsysteem en het behoud of toename van spiermassa en spierfunctie.

Verlies van spiermassa en spierfunctie is een belangrijk kenmerk van ondervoeding. Ondervoeding ontstaat wanneer iemand langere tijd minder energie en eiwitten en andere voedingsstoffen binnenkrijgt dan nodig is om gezond te blijven. Ondervoeding kan ook ontstaan wanneer iemand wel voldoende energie en eiwitten binnenkrijgt, maar het lichaam daar vanwege ziekte niet effectief mee om gaat.

9

kan ziekte ook leiden tot een combinatie van zowel verminderde efficiëntie als hogere behoefte. Ondervoeding komt vaak voor bij patiënten met een acute of chronische aandoening, omdat daarbij vaak sprake is van zowel een lage voedingsinname (onder andere door slechte eetlust) als een hogere behoefte aan voedingsstoffen. Het innemen van voldoende eiwitten is een belangrijk onderdeel van de dieetbehandeling bij patiënten met ziektegerelateerde ondervoeding. Echter, extra eiwitinname heeft niet altijd voldoende effect op het behoud of toename van spiermassa en spierfunctie. Een van de mogelijke oorzaken kan zijn dat het lichaam de extra eiwitten niet voldoende gebruikt voor eiwitopbouw, bijvoorbeeld doordat ze verloren gaan door eiwitverbranding.

Om voeding goed af te kunnen stemmen op de behoefte, zou het meten van (onderdelen van) eiwitmetabolisme een nuttige aanvulling kunnen zijn. Helaas zijn er momenteel geen methoden waarmee eiwitmetabolisme meten betrouwbaar kan, en die bovendien geschikt zijn voor de dagelijkse praktijk. Om hiermee een begin te maken, hebben wij een eenvoudige en niet-invasieve methode ontwikkeld om eiwitverbranding te meten. Die methode wordt beschreven en onderzocht in dit proefschrift.

Het betreft een eiwitademtest. Verbrande aminozuren verlaten het lichaam via onder andere de uitademingslucht in de vorm van koolstofdioxide (CO2). De CO2 in de uitademingslucht meten is al

geruime tijd mogelijk, echter bepalen wat de oorsprong is van de CO2 is

lastig. Dit komt doordat bij de verbranding van vetten en koolhydraten er ook CO2 gevormd wordt en samen met eiwitverbranding in de

uitademingslucht terecht komt. Om zeker te zijn dat de CO2 die

gemeten wordt afkomstig is van eiwitten, is het nodig om bij de eiwitademtest gebruik te maken van eiwitten met daaraan een label. Het label waar gebruik van wordt gemaakt is koolstof-13 (13_{C). Van}

alle koolstof in de atmosfeer is ~99% koolstof-12 (12_{C) en ~1%}

koolstof-13. Planten nemen in verschillende mate 13_CO

2 op met als

planten. Een passend voorbeeld is maïs dat meer verrijkt is met

13_{C, dan gras. De in de eiwitademtest gebruikte} 13_{C-eiwitten waren} 13_{C-melkeiwitten. Deze waren afkomstig van melkkoeien waarbij}

het dieet werd gewijzigd van een grasdieet (laag verrijkt met 13_C)

naar een maïsdieet (hoog verrijkt met 13_{C). Gedurende dit maïsdieet}

werden de melkkoeien geleidelijk aan verrijkt met 13_{C, inclusief de}

melk die zij produceerden. De 13_{C-melk werd vervolgens verwerkt en}

gescheiden in onder andere 13_{C-melkeiwitten. Na inname van deze}

natuurlijk verrijkte 13_{C-melkeiwitten en de verbranding ervan door}

het lichaam neemt de 13_CO

2 verrijking in de uitademingslucht toe.

De werkelijke meting betreft het meten van de verhouding tussen

13_CO

2 en 12CO2.

Hoe verloopt een eiwitademtest? De proefpersoon komt, na een nacht vasten, nuchter naar het experiment en blaast eerst in drie verschillende adembuisjes om vast stellen wat de natuurlijke

13_CO

2:12CO2 verhouding is. Hierna drinkt de proefpersoon de 13_{C-melkeiwitten opgelost in water, in veel gevallen ging het om}

30 g 13_{C-melkeiwitten opgelost in 500 ml water. Hierna blaast de}

proefpersoon elke 10 minuten in telkens een nieuw adembuisje gedurende de duur van het experiment, in veel gevallen was de duur 5,5 uur. Gedurende het experiment wordt van de proefpersoon gevraagd om niets te eten en te drinken en om rustig te blijven zitten, dit om ervoor te zorgen dat deze invloeden bij iedere eiwitademtest hetzelfde zijn.

In dit proefschrift gebruiken we de eiwitademtest om de mate van eiwitverbranding tijdens verschillende omstandigheden vast te stellen, en zo te achterhalen wat de rol van eiwitverbranding is binnen het eiwitmetabolisme. Deze vraag gaat hand in hand met bepalen of de eiwitademtest een geschikte meetmethode is om eiwitverbranding te meten en te vergelijken tussen verschillende omstandigheden.

Het eerste en voornaamste doel van Hoofdstuk 2 was om te bepalen of de eiwitademtest in staat zou zijn om eiwitverbranding meetbaar

9

en andere 13_{C-substraten. Natuurlijk verrijkte} 13_{C-substraten zijn}

namelijk veel minder verrijkt dan synthetisch verrijkte 13_{C-substraten,}

dat als gevolg zou kunnen hebben dat de hoeveelheid 13_CO

2 in de

ademmonsters niet of nauwelijks meetbaar zou zijn. Het voordeel is echter dat natuurlijke verrijking goedkoper is dan synthetische verrijking. In een onderzoek waarbij één persoon de eiwitademtest zeven keer herhaalde, bleek dat het mogelijk was om met de eiwitademtest eiwitverbranding te meten na de inname van de 30 gram natuurlijk verrijkte 13_{C-melkeiwitten. Deze ene persoon}

verbrandde in totaal tussen de 25% en 30% van de gedronken 30 gram 13_{C-melkeiwitten over 5,5 uur.}

Vervolgens was het doel om te onderzoeken of er een verschil was tussen de verbrandingssnelheid van 13_{C-wei en} 13_{C-caseïne, gemeten}

met de eiwitademtest. De reden was dat men in eerder onderzoek had gevonden caseïne dat wei snel in het bloed wordt opgenomen en caseïne slechts langzaam. Het was daarom interessant om te onderzoeken of beide typen een verschillende verbrandingssnelheid laten zien met de eiwitademtest. De uitkomst van de eiwitademtest toonde aan dat ook 13_{C-wei sneller wordt verbrand dan} 13_C-caseïne

en dat het verloop in verbrandingssnelheid van beide typen eiwitten vergelijkbaar was met die zoals eerder gemeten in bloed. Hiermee is duidelijk geworden dat de eiwitademtest in staat is om de snelheid van verschillende eiwitten te onderscheiden zonder dat daarvoor bloedbepalingen nodig zijn.

De hiervoor beschreven uitkomsten vormden de basis om verder te onderzoeken of de eiwitverbranding beïnvloed kon worden door veranderingen in fysiologische omstandigheden, zoals een dieet met een laag eiwitgehalte gedurende de dagen voorafgaand aan de eiwitademtest. Ter verkenning had een gezonde man drie dagen lang zijn eiwitinname zeer beperkt (~0,15 g eiwit/kg lichaamsgewicht/dag; aanbevolen is 0,8 g eiwit/kg lichaamsgewicht/dag) zonder daarbij de energieinname te beperken. Aansluitend werd de eiwitademtest afgenomen. Dit experiment is zes keer herhaald. De uitkomst was

dat de eiwitverbranding afnam met gemiddeld 18% ten opzichte van de eiwitademtest na zijn gebruikelijke voedingsinname. Deze uitkomst suggereert dat eiwitverbranding beïnvloed kan worden en dat er specifiek een verband bestaat tussen eiwitinname en eiwitverbranding, namelijk dat wanneer de eiwitinname vermindert, de eiwitverbranding ook afneemt.

Lichamelijke inspanning is een bekende aanjager van eiwitsynthese. Spieren bestaan uit eiwitten en eiwitsynthese is het proces waarmee nieuwe eiwitten worden gevormd. Spieropbouw vindt plaats wanneer er netto meer eiwitten worden aangemaakt dan worden afgebroken. Lichamelijke inspanning zou daarom mogelijk de eiwitverbranding direct na de lichamelijke inspanning kunnen onderdrukken. Om dit te onderzoeken werd eerst bij één gezonde man het volgende inspanningsexperiment vier keer herhaald: eerst een half uur fietsen met een hartslag van 130 slagen per minuut wat overeenkomt met een matige intensiteit waarna de werd eiwitademtest afgenomen. Het effect van het fietsen was dat eiwitverbranding afnam met gemiddeld 36% ten opzichte van de eiwitademtest na rust. Hieruit bleek dat 30 minuten fietsen op matige intensiteit ervoor zorgt dat er minder van de 30 gram 13_{C-melkeiwitten werden verbrand dan}

na rust.

Nadat in de voorafgaande experimenten was aangetoond dat zowel een dieet met een laag eiwitgehalte als lichamelijke inspanning invloed leek te hebben op de eiwitverbranding, werd vervolgens onderzocht wat de invloed zou zijn van beide tegelijk. Daarom werd er bij één gezonde proefpersoon zes keer het volgende combinatie-experiment herhaald: de proefpersoon startte met een dieet met een laag eiwitgehalte, namelijk drie dagen ~0,15 g eiwit/kg lichaamsgewicht/dag en dit werd gecombineerd met 3 km zwemmen in 1 uur op de ochtend van de eiwitademtest. Deze combinatie had als gevolg dat de eiwitverbranding met gemiddeld 50% afnam ten opzichte van de gebruikelijke voedingsinname en rust.

9

aanleiding om meer uitgebreide studies uit te voeren om het effect van eiwitrestrictie en lichamelijke inspanning beter en betrouwbaarder te onderzoeken in grotere groepen proefpersonen.

In Hoofdstuk 3 is onderzocht of eiwitverbranding beïnvloed wordt door de hoeveelheid eiwitten die een persoon inneemt. In het experiment werd na de inname verschillende doseringen 13_{C-melkeiwitten bij}

verschillende proefpersonen de eiwitademtest afgenomen en gemeten wat de eiwitverbranding was over 5,5 uur. Bij het verhogen van de dosis 13_{C-melkeiwitten van 10 naar respectievelijk 30, 50 en}

60 gram was de totale eiwitverbranding bij elke dosis significant groter. Bij dosisverhoging van 60 naar 70 gram werd echter geen verschil in eiwitverbranding gevonden. De resultaten wijzen er op dat de maximale eiwitverbranding wordt bereikt bij de inname van 60 gram melkeiwitten en dat het lichaam mogelijk meer tijd nodig zal hebben om grotere doseringen te verbranden.

Na een normale maaltijd, bestaande uit eiwitten, koolhydraten en vetten, kan het lichaam ‘kiezen’ hoe het omgaat met die eiwitten, koolhydraten en vetten. Dit is een interessant gegeven omdat bij de beschreven experimenten tot nu de proefpersonen alleen eiwitten tot zich namen. Het lichaam kreeg in die experimenten geen andere metabole keuze dan eiwitten opnemen of verbranden. Daarom werd onderzocht wat het effect is van toevoegen van energie in de vorm van 13_{C-glucose op de verbranding van} 13_{C-wei eiwit. De}

verbranding van 13_{C-glucose of} 13_{C-wei eiwit los van elkaar levert}

onderling zeer vergelijkbare verbrandingssnelheden op, met voor beide een hogere piek in verbrandingssnelheid vergeleken met totaal melkeiwit. Wanneer wei eiwit werd toegevoegd aan

13_{C-glucose nam de totale verbranding van} 13_{C-glucose toe. Dit laat}

zien dat, als het lichaam de keuze heeft om glucose en eiwitten te verbranden, dat het meer glucose gaat verbranden dan eiwitten. Daarnaast was het doel om te achterhalen hoe de verbrandingssnelheid zich verhoudt tot de opnamesnelheid van de aminozuren in het bloed. Het zou namelijk heel handig zijn als beide processen vergelijkbare

snelheden zouden hebben. Hierdoor zou men voortaan de vraag over de opnamesnelheid indirect kunnen beantwoorden door een ademtest af te nemen in plaats van bloed te prikken. In het bijbehorende exploratieve experiment werd bij één gezonde man onderzocht wat de relatie is tussen het verloop van eiwitverbranding na inname van 30 gram 13_{C-melkeiwitten en tegelijkertijd het}

meten van de verrijking van negen 13_{C-aminozuren in het bloed. De}

bloedmonsters werden verzameld op tijdstippen 0, 60, 120 en 180 minuten na inname van de 13_{C-melkeiwitten. Voor de inname van}

de 13_{C-melkeiwitten op tijdstip 0 was de gemiddelde} 13_C-verrijking

(-25,83 ± 2,055) van de aminozuren in het bloed vergelijkbaar met de 13_CO

2 verrijking in de uitademingslucht (-25,80 ± 0,086).

Opvallend was de variatie rondom de gemiddelde 13_C-verrijking

van de aminozuren in het bloed. Dat wil zeggen dat een aantal aminozuren een stuk minder verrijkt waren dan het gemiddelde en weer een ander aantal aminozuren juist meer verrijkt waren dan het gemiddelde. Er werd op de verschillende tijdstippen in het bloed geen verschil gevonden in 13_{C-verrijking tussen de essentiële en}

non-essentiële aminozuren. Het was heel goed mogelijk geweest dat de essentiële aminozuren sneller opgenomen werden in de cellen omdat het lichaam de essentiële aminozuren niet (voldoende) zelf kan maken en er dus mogelijk extra zuinig mee omgaat.

Het doel van hoofdstuk 4 was om het effect van een dieet met laag eiwitgehalte op de eiwitverbranding nader te onderzoeken. In dit onderzoek met 16 gezonde mannen werd de eiwitverbranding met de eiwitademtest gemeten nadat de proefpersonen vier dagen hun eiwitinname hadden verminderd zonder de energieinname te verminderen. De eiwitverbranding na het dieet met laag eiwitgehalte werd vergeleken met de eiwitverbranding na ieders gebruikelijke voedingspatroon. De gemiddelde eiwitinname tijdens het gebruikelijke voedingspatroon was 1,3 g eiwit/kg lichaamsgewicht/dag en daalde tijdens het dieet met laag eiwitgehalte met 50% naar gemiddeld 0,65 g eiwit/kg lichaamsgewicht per dag. De uitkomst van de eiwitademtest was dat de totale eiwitverbranding na vier dagen van

9

met de eiwitverbranding na ieders gebruikelijke voedingspatroon. Dit staat in contrast tot het exploratieve experiment waarbij een vermindering in eiwitverbranding was geconstateerd na een dieet met laag eiwitgehalte bij één proefpersoon die het experiment zes keer had herhaald. De uitkomst van het onderzoek met 16 gezonde mannen weegt zwaarder, omdat er meer proefpersonen bij betrokken waren, er meer informatie over de proefpersonen werd verzameld (zoals het meten van lichamelijke kenmerken en verzmalen van urine) en dat het dieet met laag eiwitgehalte 4 dagen duurde in plaats van 3 dagen zoals in het exploratieve experiment.

In het onderzoek met 16 gezonde mannen was het opvallend dat er aanzienlijke individuele variatie was in de totale eiwitverbranding, zowel na ieders gebruikelijke voedingspatroon, als na het dieet met laag eiwitgehalte. Er zijn geen significante correlaties gevonden tussen enerzijds de eiwitverbranding en anderzijds lichamelijke kenmerken zoals lengte, gewicht, vetvrije massa en en inname van energie, vet en eiwit in het gebruikelijke voedingspatroon. De eindconclusie was dan ook dat deze groep gezonde mannen geen verandering in hun eiwitmetabolisme lieten zien na vier dagen lang gemiddeld 50% minder eiwitten te hebben gegeten dan gebruikelijk. Het doel van hoofdstuk 5 was om het effect van lichamelijke inspanning op eiwitverbranding nader te onderzoeken. In dit onderzoek met 16 gezonde mannen werd de eiwitverbranding met de eiwitademtest gemeten nadat de proefpersonen 15 minuten hadden gefietst op matige intensiteit en nadat de proefpersonen 15 minuten hadden gefietst op krachtige intensiteit. Daarnaast was er ook een controlemeting waarbij de proefpersonen geen lichamelijke inspanning hoefden te leveren. Na fietsen met krachtige intensiteit was de totale eiwitverbranding significant hoger dan na fietsen met matige intensiteit en geen lichamelijke inspanning. Tussen eiwitverbranding na fietsen met matige intensiteit en geen lichamelijke inspanning werd geen verschil in totale eiwitverbranding gevonden. De eindconclusie was dat kort fietsen met krachtige

intensiteit voldoende is om direct na het fietsen de eiwitverbranding te verhogen.

Hoofdstuk 6 beschrijft een systematisch literatuuronderzoek en meta-analyse gericht op eiwit- en micronutriënt inname van volwassen van 50 jaar of ouder met overgewicht of obesitas. Om iets te kunnen zeggen over hoe deze groep hun voeding en in het bijzonder hun eiwitten benutten is het belangrijk om eerst vast te stellen wat de inname van deze groep is. De uitkomst van de onderzochte literatuur gaf aan dat de gemiddelde eiwitinname van oudere mensen met overgewicht of obesitas 0,98 gram eiwit/ kg lichaamsgewicht/dag is (95% CI 0,89-1,08). Deze inname is hoger dan de dagelijks aanbevolen inname van 0,8 gram eiwit/ kg lichaamsgewicht/dag zoals de Wereldgezondheidsorganisatie aanbeveelt [ref]. Echter, er is aanhoudende discussie of de aanbeveling wel passend en representatief is voor alle volwassen van 18 jaar en ouder. De European Society for Clinical Nutrition and Metabolism (ESPEN) beveelt voor gezonde ouderen aan om 1,0-1,2 gram eiwit/kg lichaamsgewicht/dag in te nemen, in verband met een verhoogde eiwitbehoefte door anabole resistentie. Uit het systematisch literatuuronderzoek kwam naar voren dat 50% van volwassen van 50 jaar of ouder met overgewicht of obesitas de ESPEN aanbeveling haalt.

Hoofdstuk 7 beschrijft dat eiwitinname en eiwitverbranding niet alleen een onderdeel zijn van eiwitmetabolisme, maar ook van een groter geheel genaamd anabole competentie. Het paradigma van anabole competentie heeft als doel om alle factoren te beschrijven en samen te voegen die van invloed zijn op de anabole status. Hiermee wordt de balans tussen opbouw en afbraak in het lichaam bedoeld. Anabole weerstand wil zeggen dat het lichaam niet voldoende eiwitten aanmaakt. Het begrip anabole competentie is bedoeld als een theoretisch kader om meer inzicht te krijgen in de redenen van anabole weerstand, bijvoorbeeld bij patiënten. Bij de behandeling van ziektegerelateerde ondervoeding ligt momenteel de focus hoofdzakelijk op het realiseren van een adequate voedingsinname.

9

voedingsinname vaak niet voldoende om verlies van spiermassa en verlies van spierfunctie – beide symptomen van ondervoeding - tegen te gaan of om toename van spiermassa of spierfunctie te bevorderen. Het is daarom belangrijk dat patiënten niet alleen voldoende energie en voedingsstoffen zoals eiwitten krijgen, maar dat ook alle andere voorwaarden voor het optimaal benutten van de voeding optimaal aanwezig zijn, zoals voldoende beweging en een goed werkende stofwisseling. Het paradigma van anabole competentie verlegt de focus van één specifieke ziekte met één bijbehorende specifieke behandeling naar maatwerk toegespitst op de persoonsgebonden eigenschappen en omstandigheden van de patiënt. Het leveren van maatwerk heeft als doel het zo goed mogelijk ondersteunen van de anabole status: eiwitsynthese, opbouwen van spiermassa en ondersteuning van de lichaamsfuncties. Het paradigma van anabole competentie sluit vervolgens naadloos aan op de gedachte dat er een wezenlijk verschil is tussen eiwitinname en het benutten van eiwitten. Door eiwitinname en eiwitverbranding in de toekomst te meten bij patiënten wordt het wellicht mogelijk om inzicht te krijgen in de vraag: hoeveel van de ingenomen eiwitten gaan er verloren via eiwitverbranding? Het antwoord op deze vraag geeft namelijk aan hoe efficiënt het eiwitmetabolisme is van de patiënt.

Conclusie

Het meten van eiwitverbranding met de eiwitademtest heeft laten zien dat eiwitverbranding een relevant proces is binnen het eiwitmetabolisme. Onder verschillende lichamelijke omstandigheden lag de totale eiwitverbranding na inname van 30 gram 13_{C-melkeiwitten tussen de 15% en 45%. Dit wijst erop}

dat het proces van eiwitverbranding variabel is en reageert op lichamelijke omstandigheden. Deze variabiliteit en reactiviteit zijn belangrijke eigenschappen van eiwitverbranding omdat we daar vanuit klinisch perspectief op in zouden kunnen spelen. Uiteraard is meer onderzoek nodig naar het proces van eiwitverbranding, de

factoren die eiwitverbranding beïnvloeden en het effect van mogelijke interventies bij patiënten met ziektegerelateerde ondervoeding. Het meten van eiwitverbranding kan mogelijk bijdragen aan het uiteindelijke doel om de anabole competentie van patiënten met ziektegerelateerde ondervoeding te optimaliseren, uiteindelijk om klinische uitkomsten te verbeteren.

9

DANKWOORD

Ik ben iedereen zeer dankbaar voor de hulp die hij of zij hebben geboden bij alle stappen die vooraf zijn gegaan aan het tot stand komen van dit proefschrift.

Promotoren

De start van ieder promotietraject begint met een team van toegewijde promotoren welke ik duidelijk had. Hartelijk dank aan mijn eerste promotor prof. dr. Gerjan Navis: met chirurgische precisie verbond je het fundamentele aspect van het eiwitverbrandingsonderzoek met de behoefte aan klinische oplossingen voor een veel bredere groep dan alleen nierpatiënten. Je passie en zorg voor onderzoek was duidelijk te merken en geen onderzoeksvraag je te uitdagend. Dit was extra goed merkbaar op die momenten wanneer je zag dat bij mij de boodschap was aangekomen. Ook hartelijk dank aan mijn tweede promotor prof. dr. Cees van der Schans: met een praktisch oog keek je naar de bevindingen van de eiwitademtest en werd je van elk onverwacht resultaat zeer opgewekt. Je stuurde subtiel en effectief aan op de volgende praktische stappen die het onderzoek op dat moment nodig had. Een grote kracht van je, en daarmee een voorbeeld voor mij, was dat je mij durfde door te verwijzen naar de andere promotoren wanneer een vraag buiten je eigen expertise viel. Uiteraard ook hartelijk dank aan mijn derde promotor prof. dr. Roel Vonk: zonder jou was mijn promotietraject er helemaal niet geweest, want het was jij die me vroeg om voor je te komen werken nadat ik mijn masteropleiding in 2012 had afgerond en het voorstel deed om te starten aan een promotietraject in 2015. Tevens was je de eerste die inzag dat eiwitverbranding wel eens meer interessanter kon zijn dan gedacht en wellicht non-invasief gemeten kon worden met natuurlijk verrijkte melkeiwitten. Ook heb ik hele fijne herinneringen aan de tijd die we hebben doorgebracht op de congressen die we samen hebben bezocht. Tijd en energie zijn kostbaar en daarvan heb je veel aan mij besteed. Ten slotte ook hartelijk dank aan mijn co-promotor dr. Harriët Jager-Wittenaar:

je expertise in ziekte gerelateerde voeding heeft me enorm geholpen om eiwitoxidatie in een breder klinisch perspectief te plaatsen. Tevens heeft jouw grote netwerk in de ondervoedingswereld geleid tot een fijne samenwerking met Faith Ottery. Je bent zeer gedreven en geen verkeerd geplaatste punt of komma ging aan je aandacht voorbij.

Leescommissie

Graag wil ik de leden van de leescommissie bedanken: prof. dr. L.J.C. van Loon, prof. dr. A.J.W. Scheurink en prof. dr. P. Weijs voor hun bereidheid, kritische blik en tijd om mijn proefschrift door te lezen en te beoordelen.

Paranimfen

Priya Dewansingh en Coby Eelderink ontzettend bedankt dat jullie de taak van paranimf hebben aanvaard. Priya: bedankt voor de fijne balans tussen serieus werken en lachen waarmee we samen een zomer lang artikelen hebben uitgezocht voor onze review. Deze balans hebben we wat mij betreft daarna niet meer losgelaten. Coby: bedankt dat je als collega van het eerste uur mij hebt laten zien wat een promotietraject inhoudt en wat het betekent om voor elkaar klaar te staan.

Mede-auteurs

Antonio Gomes-Neto: hartelijk dank voor je tomeloze inzet die ook in de avonduren bleef bij het samen sterk maken van ons artikel voor publicatie. Voor het artikel heb je je laten zien als een scherpe wetenschapper die goed in staat was om kritisch na te denken over welke informatie wel en niet van toegevoegde waarde zou zijn. Martijn Koehorst: graag wil ik je bedanken voor jouw kennis en beschikbaarheid voor het meten van de ademmonsters en deze uit te leggen. Daarnaast ben ik je ook dankbaar voor de gezellige poolavonden. Dr. Henk Schierbeek: zeer bedankt voor je inzet om

9

van stabiele isotopen. Verder waardeer i enorm dat je het meten van

13_{C-aminozuren in het bloed voor me mogelijk hebt gemaakt. Dr.}

Wim Krijnen: heel erg bedankt voor je optimisme en enthousiasme over statistiek in het algemeen en in het bijzonder in relatie tot mijn onderzoek. De ademtest staat er veel sterker voor door onder andere jouw inbreng omtrent het fitten van het concentratiemodel op de meetresultaten. Dr. Faith Ottery: thank you for your drive for everything related to anabolic competence and your famous word surgery. Both skills have helped tremendously to elevate our review to a higher level. Dr. Marion Priebe: zeer bedankt voor je inzet en enthousiasme aan het begin van mijn promotietraject toen we collega’s waren op de afdeling Medical Biomics.

Instituten

Mijn dank gaat uit naar het UMCG en de Hanzehogeschool Groningen omdat zij hun krachten hebben gebundeld. Alleen hierdoor was het voor mij mogelijk om dit promotietraject te starten.

Collega’s

Renger: bedankt voor het laten zien en gebruiken van alle facilitaire mogelijkheden binnen het HAAL waarmee ik mijn onderzoek heb kunnen uitvoeren. Roelof: bedankt, samen met je team, voor het helpen inrichten van alle logistiek rondom de urinemetingen. Theo: bedankt voor het meten van de ademmonsters en het ombouwen van de IRMS. André: bedankt voor het fijne samenwerken en dat ik bij jouw promotie paranimf mocht zijn. Martine: bedankt voor je inzichten vanuit het voedingsperspectief en je flauwe humor. Thea: bedankt voor het laten zien van je strijdvaardigheid en het aansturen op een enkele vrijdagmiddagborrel. Jan Jaap: bedankt voor het vele wetenschappelijk filosoferen en je gulle lach. Rik: bedankt dat ik proefpersonen mocht werven in jouw lessen en daarnaast jouw nuchtere kijk op het promoveren. Frederiek: bedankt dat je mijn onderzoek omarmde in relatie tot jouw onderzoek naar

brandwondenpatiënten. Ans: bedankt voor je flexibiliteit bij het onderzoek doen in het laboratorium. Lies, Willemke, Margot en alle anderen: bedankt voor jullie betrokkenheid, collegialiteit en humor. Alida en Jael bedankt voor jullie bijdrage aan de experimenten en het uitwerken van de voedingsdagboekjes. Tevens veel dank aan alle proefpersonen voor hun inzet tijdens de verschillende experimenten, want zonder proefpersonen geen onderzoek.

Secretariaat

Hartelijk dank dat jullie met veel humor en overzicht de afgelopen jaren zo ontzettend veel dingen voor mij geregeld: Ineke, Trudy, Judith, Hillie van het lectoraat Healthy Ageing, Allied Health Care and Nursing en Winie in het UMCG.

Vrienden en familie

Natuurlijk ook een groot dankjewel aan al mijn vrienden voor de nodige afleiding van het onderzoek: Leon, Alexander, Michiel, Martijn, Jasper, Harmen-Sytze, Sven, Jasper, Michiel en vele anderen. Veel dank ook aan mijn familie: pa, ma, Hilke, Willemien, Wim en alle andere familieleden die door de jaren heen hun interesse hebben getoond in mijn onderzoek en mij daardoor hebben gemotiveerd.

Als laatste ontzettend veel dank aan Charlotte. Sinds wij elkaar kennen heb jij me blijvend gesteund en gemotiveerd bij het werken aan mijn proefschrift. Dit vind ik zeer bijzonder omdat er ook vele vrijetijdsuren aan op zijn gegaan die we ook samen hadden kunnen besteden. Je bent een lieverd!

9

ACKNOWLEDGEMENTS

9

ABOUT THE AUTHOR

Gerlof Reckman was born in 1987 in Appingedam, in Groningen, The Netherlands. He completed his pre-university high school education at the Ommelander College in Appingedam. From 2005-2012, he studied medical biology, bachelor and research master, at the University of Groningen. After finishing his study, he started working as a researcher at Hanze Nutrition B.V. on the topic of milk proteins. He started his PhD research in 2015 at the Research Group Healthy Ageing, Allied Health Care and Nursing at the Hanze University of Applied Sciences

and Department of Nefrology at the University Medical Center Groningen. Currently, Gerlof works at the ABN AMRO bank as Customer Due Dilligence analist to track down financial crime.