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330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung

Die Vorlesung und Übungen zu Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung dienen der Vermittlung der grundlegenden Methoden und Konzepte in der Durchführung von experimentellen Studien im Labor auf zellulärer Ebene, im Tierversuch und am Menschen, sowie ernährungsepidemiologischen Studien zur Ermittlung der Lebensmittel‐ und Nährstoffaufnahme. Zusätzlich werden die Formulierung von Forschungsanträgen, die Konzeption von Forschungsprojekten einschließlich aller gesetzlichen Vorbedingungen, und Aspekte der Forschungsfinanzierung vermittelt.

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Lehrziele:• Ermittlung des Ernährungsstatus: Parameter, Indikatoren,

Biomarker für den funktionellen und statischen Ernährungsstatus

• Erhebung der Lebensmittel‐ und Nährstoffaufnahme: indirekte, direkte, prospektive und retrospektive Methoden

• Wissenschaftliche Literatursuche • Beurteilung der Lebensmittelsicherheit und Methoden der

Evidence Based Nutrition• Molekularbiologische Aspekte der Ernährungsforschung• Grundlagen der Genetik und der omics‐Kaskade in der

Ernährungsforschung


Lehrziele:• Statistische Besonderheiten in der experimentellen

Ernährungsforschung • Konzeption nationaler und internationaler Ernährungs‐ und

Gesundheitsberichte

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Format:Die Lehrveranstaltung wird im Wesentlichen in Form einer Vorlesung abgehalten. Alle für die Vorlesung erforderlichen Unterlagen und Beispiele werden unter http://www.univie.ac.at/nutrigenomics/teaching vor den jeweiligen Vorlesungsterminen zum Download angeboten.


Zeit und Ort:Vorlesung: jeweils Montags, Hörsaal 5, UZA2

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Vorlesungseinteilung:Änderungen der Vorlesungseinteilung sind vorbehalten, je nach Bedarf können einzelne Themen verstärkt bzw. verkürzt angeboten werden.

5.10.2009(10.30‐14)12. 10.2009(10.30‐14)19.10.2009(10.30‐14)26.10.2009 Nationalfeiertag2.11.2009 keine Vorlesung9.11.2009(12‐13.30)



16.11.2009(12‐13.30)23.11.2009 keine Vorlesung30.11.2009 keine Vorlesung7.12.2009(12‐13.30)14.12.2009(12‐13.30)21.12.2009 keine Vorlesung28.12.2009 Weihnachtsferien

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4.1.2010 Weihnachtsferien11.1.2010 keine Vorlesung18.1.2010(12‐13.30)25.1.2010 Prüfung


Literatur:Shils ME, Olson JA, ShikeM. Modern Nutrition in Health and Disease. Lea &

Febiger, Baltimore, 1994, vol 1+2.Forbes GB. Human Body Composition. Springer, New York, 1987. Halliwell B, Gutteridge JMC. Free Radicals in Biology andMedicine. Oxford

University Press, Oxford, 1998. DGE/ÖGE/SGE/SVE. D‐A‐CH‐Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr.

Umschau, Frankfurt am Main, 2000. Institute of Medicine. Dietary Reference Intakes. National Academy Press,

Washington D.C., 1997‐2000 (online unter www.nap.edu) Sauberlich HE. Laboratory Tests for theAssessment of Nutritional Status,

Second Edition, CRC, 1999. Gibson R. Principles of Nutritional Assessment. Oxford University Press 2005. Fidanza F. Nutritional Status Assessment. Chapman and Hall, 1991.Margetts BM, Nelson M. Design Concepts in Nutritional Epidemiology.

Oxford University Press 1997.

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Kontakt:Weitere Informationen bei:

Jürgen KönigEmerging Focus Nutrigenomics, Department ofNutritional SciencesUniversity ofVienna, Althanstr. 14, 1090 Viennaphone: 0043 1 4277 54991email: [email protected] unter http://www.univie.ac.at/nutrigenomics/teaching/vo_exernf/vo_exernf.html

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Probennahme (sampling)

• Blut• Vollblut (whole blood)• Plasma, Serum• Erythrozyten (red blood cells, erythrocyte packed cells)

• Leukozyten• T‐Zellen, NK, …

• Speichel (saliva), Sputum• Magensaft (gastric fluid)• Organbiopsien (Muskel, Leber, Lunge, Knochen, Knochenmark)

• Haut, Haare, Nägel, Zähne• Sputum• Fettgewebe

Probennahme: Blut

• Für größere Mengen an Blut: • Venipunktion

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Probennahme: Blut

• Für größere Mengen an Blut: • Venipunktion (einmalig) oder• Katheder (venflow)

Probennahme: Blut


• Für kleinere Mengen:• Kapillarblut (aus der Fingerspitze)

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Probennahme: Blut



Probennahme: Blut



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Probennahme: Blut ‐Gerinnungshemmung

• Heparinplasma (Li‐Heparin)• EDTA‐Plasma (K2EDTA)• Zitrat‐Plasma (3.8% Zitronensäure)

• Serum mit/ohne Trenngel

Probennahme: Separation von Plasma und Erythrozyten

• Zentrifugation (bei relativ niedriger g‐Zahl)• Eventuell Waschen• Weitere Auftrennung (Differential(ultra)zentrifugation)

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Probennahme: Separation von Plasma und Erythrozyten

Probennahme: Auftrennung der Lipoproteine

• Differential(ultra)zentrifugation

Plasma

NaBr-Lösung

VLDL

LDL

HDL

(Ch)

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• Trennung aufgrund der Dichte • (Chylomikronen, VLDL, LDL, HDL)



• Trennung aufgrund der Dichte • (Chylomikronen, VLDL, LDL, HDL)

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• Elektrophoretische Trennung

• Trennung aufgrund der Größe

Probennahme: Festphasenextraktion (solid phase extractionSPE)

• Abtrennen von störenden Substanzen zur Probenvorbereitung für HPLC oder ähnliches

• Prinzip der Säulenchromatographie• Mehrere Schritte zur Abtrennung, Aufreinigung bzw. Aufkonzentrationmöglich

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Grundsätzliche analytische Verfahren

• Mineralstoffe, Spurenelemente: Atomabsorptionsspektrometrie(AAS)


• Mineralstoffe, Spurenelemente: Atomabsorptionsspektrometrie(AAS)

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• Mineralstoffe, Spurenelemente: Inductively Coupled Plasma (MassSpectrometry) ICP(‐MS)


• Vitamine: HPLC mit UV/VIS‐Detektion (DiodearraydectectorDAD), Fluoreszenz‐Detektion, Massenspektrometrie

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• Vitamine: Radioimmunoassaysbzw. Enzyme Linked ImmunoSorbentAssays (ELISA)


• Fettsäuren: GC mit Flammenionisationsdetektor (FID) oder Massenspektrometriedetektor (MSD)

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• Fettsäuren: GC mit Flammenionisationsdetektor (FID) oder Massenspektrometriedetektor (MSD)

Prinzipiell werden zwei Formen der Beurteilung des Ernährungsstatus unterschieden:

Funktionelle Parameter

Statische Parameter

Abzugrenzen ist die Erhebung des Ernährungsstatus von der Erhebung der Nährstoffaufnahme

Ernährungsstatus

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Ernährungsstatus

Unterschiede Ernährungsstatus – Nährstoffaufnahme• Nährstoffaufnahme ermittelt die Menge an Nährstoffen aus

der Nahrung, die in den Gastrointestinaltrakt gelangt (daher keine Aussage über Absorptionsrate, Bioverfügbarkeit aus dem GI‐Trakt und an der Zielzelle, Form des Nährstoffes –z.B. Fe2+/Fe3+)

• Ernährungsstatus ermittelt die Konzentration oder die Wirkung des absorbierten und distributierten Nährstoffes im Organismus

Nährstoffe –Testmethoden

‐1. Biologische Tests: Experimente am Tier; kurative, prophylaktische Untersuchungen, Mangelexperimente, Bioassays: z.B. Blutgerinnungszeiten

2. Mikrobiologische Tests: Vitamine und Mikronährstoffe sind Wachstumsfaktoren für bestimmte Mikroorganismen (v.a. B‐Vitamine)

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Nährstoffe –Testmethoden

‐3. Physikalisch‐chemi‐ Vitamin bildet einsche Tests: fluoreszierendes oder

gefärbtes Reaktionsprodukt;Photometrie, HPLC, AASSiedepunktunterschiede: GC

4. Enzymatische Tests: Bestimmtes Enzym wirdaktiviert – photometrischeBestimmung

Ernährungsstatus

ECHI List:www.healthindicators.org

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Ernährungsstatus


Ernährungsstatus


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Ernährungsstatus

Ernährungsstatus

1. % of infants breastfed at 3 months of age2. % of infants breastfed at 6 months of age 3. % of total energy available from fat 4. % of total energy available from proteins 5. Average amount of cereal available per person, per year (in kg)6. Average amount of fruits and vegetables available per person, per year (in kg)7. Average number of calories available per person per day (kcal)8. Consumption/availability of additional items: eggs, milk (products), pulses, potatoe

(products), nuts, juices, added lipids, sugar (products), alcoholic, non‐alcoholic beverages

9. Consumption/availability of bread/cereals10. Consumption/availability of fish11. Consumption/availability of fruit excuding juice12. Consumption/availability of meat and meat products13. Consumption/availability of non‐starch polysaccharides14. Consumption/availability of vegetables excl. potatoes and juice

ECHI List: Determinants of Health – Health Behaviours – Nutrition

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Ernährungsstatus

15. Energy % from protein16. Energy % from saturated fatty acids17. Energy % from total fat (lipids)18. Fat available per person per day (in g)19. Frequency of food and drink intake20. Fruit and vegetable consumption21. Intake of contaminants in food22. Intake of vitamin D, folate, iron, iodine, sodium23. Meals taken out of home24. Mineral content of typical diet25. Poly‐ and mono‐unsaturated fatty acid content of typical diet26. Protein available per person per day (in g)27. Sugar consumption28. Total calories and protein intake29. Total calories intake, daily intake per capita30. Total energy intake31. Total fat intake32. Total protein intake, daily intake per capita (grams) 33. Vitamin content of typical diet

ECHI List: Determinants of Health – Health Behaviours – Nutrition

BLUT

Aussagekraft nimmt mit höherer Spezifität zu

Plasma

Zellen:ErythrocytenGranulocytenLymphocyten

VLDL

Isolierung derZellmembran

Materialaufwand und Genauigkeit nehmen mit höherer Spezifität zu

Oxidationsprodukte

spezifisches Wachstumfür Zellversuche

LDL

HDL

Ernährungsstatus

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Genaue Kenntnis des Transports ist erforderlich: Bespiel Vitamin E

Plasma

Vitamin CHarnsäurePolyphenoleAlbumin

unspezifisch

Ultra‐

zentifugation

Lipoproteine

Haupttransport ‐partikel ist LDL

Effekte bedingt durch Vitamin E

aussagekräftig

Erythrocyten

Enzymatik

Wirkort: Zellmembran

Effekte bedingt durch Vitamin E

Ernährungsstatus

aussagekräftig

Ernährungsstatus

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Ernährungsstatus

Funktioneller Status

Ermittlung der Aktivität nährstoffabhängiger Funktionen in bestimmten Körperkompartimenten (Enzymaktivitäten, Stoffwechselraten, usw.)

Ernährungsstatus

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Ernährungsstatus

Vitamine A D E K

Serum‐konzen‐tration (quant.)

Retinol20‐60 µg/dl

RBP

Cholecalciferol5 µg/dl

Metaboliten

Tocopherole0,8‐1,0 mg/dl

Gesamtlipide> 0,8 mg/g

Phyllochinon>20 µg/dl

funktionell RBPUmwand‐lung BC‐RetNacht‐blindheitXeroph‐thalmie

Knochendichte HämolyserateCKantiox. Kapazität

Prothrombin‐gehaltGerinnungs‐zeit

Ernährungsstatus

Nährstoff statisch funktionell

Vitamin K Phyllochinon im Plasma

Menachinon im Plasma

Blutgerinnung

g‐Carboxylaseaktivität

Thiamin Thiamin‐Ausscheidung im U.

TPP‐Konz. im Plasma

aETKGlucosebelastung

Riboflavin Riboflavin‐Ausscheidung

FMN/FAD‐Konz. im Plasma

aEGR

Pyridoxin PALP‐Konz. im Plasma a‐Transaminasen

Tryptophanbelastung

Folsäure Folatkonzentration in Plasma

Folatkonzentration in Erys

Homocystein

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Glutathionreduktasein Erythrocyten I (EGR)

Riboflavin (Vitamin B2) ist Baustein des Coenzyms Flavin‐adenin‐dinucleotid (FAD), das prosthetische Gruppe einiger Flavoproteine ist, die an Redoxvorgängen beteiligt sind.

Die Bestimmung der Glutathion‐Reduktase in Erythrocyten ist ein funktioneller Test für die Evaluation des Ernährungsstatus von Vitamin B2

Ernährungsstatus

Glutathionreduktasein Erythrocyten II (EGR)

Mit der Methode wird die Aktivierbarkeit der NADPH2‐abhängigenErythrozyten‐Glutathion‐Reduktase durch FAD ermittelt. Der Quotientaus stimulierter und unstimulierter Aktivität (‐EGR) ermöglicht dieDiagnostik eines Riboflavinmangels.

Glutathion‐Reduktase ist ein Flavoenzym mit FAD als prosthetischerGruppe. Bei Riboflavinmangel stimuliert die Zugabe von FAD dieenzymatische Aktivität. Dieses Phänomen wird als „FAD‐effect“bezeichnet und gibt Auskunft, in welchem Ausmaß das EnzymproteinausreichendCofaktoren zurVerfügung hat.

Ernährungsstatus

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Glutathionreduktasein Erythrocyten III (EGR)

Testprinzip

Die Glutathion‐Reduktase katalysiert die Regenerationsreaktion des oxidierten Glutathion in Erythrozyten.

NADPH (NADH) + H+ + GSSG NADP+ (NAD+) + 2 GSH

Diese Reduktion ist NADPH2‐abhängig. Die NADPH2‐Abnahme wird photometrisch gemessen. Die Reaktion wird mit und ohne Zusatz von FAD durchgeführt.

Je größer die prozentuale Stimulierung durch FAD ist, umso größer ist der Mangel an Vitamin B2.

Ernährungsstatus

Glutathionreduktasein Erythrocyten IV (EGR)

Referenzwerte:

AK = 1,00 weist auf keine Stimulation hin.

Acitivity CoefficientsαEGR = (EGR stimuliert)/(EGR unstimuliert)

αEGR = (EGR + FAD)/(EGR ‐ FAD)

subjects deficient (high risk)

marginal (medium risk)

acceptable (low risk)

all ages 1,40 (40%) 1,20‐1,40(20‐40%)

< 1,20(< 20%)

Ernährungsstatus

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Niacin Quotient der Urinausscheidung

an N‐Methyl‐2‐Pyridon‐5‐Carboxamid

zu N‐Methyl‐Nicotinamid

Cobalamin Cobalamin‐Konz. im Plasma Homocystein

Belastung mit ungerad‐zahligen Fettsäuren

Vitamin C Ascorbat‐Konz. im Plasma antioxidative Kapazität

Ascorbat‐Konz. in Leukos Immunstatus

Ernährungsstatus

Ernährungsstatus


Niacin Quotient der Urinausscheidung an N‐Methyl‐2‐Pyridon‐5‐Carboxamid zu N‐Methyl‐Nicotinamid

Cobalamin Cobalamin‐Konz. im Plasma Homocystein

Belastung mit ungeradzahligen Fettsäuren

Vitamin C Ascorbat‐Konz im Plasma

Ascorbat‐Konz. in Leukozyten

antioxidative Kapazität

Immunstatus

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Schilling‐Test

Ernährungsstatus

Der Test diente ursprünglich zur Abklärung eines Vitamin B12 Mangels, wird aber auch zur Überprüfung der Aufnahmefähigkeit des Dünndarms eingesetzt. Er existiert zwischenzeitlich in vielen verschiedenen Varianten. Das Prinzip ist aber immer das gleiche:

In einem ersten Versuch gibt man dem Patienten nur (radioaktiv markiertes) Vitamin B12 und überprüft, wieviel er davon aufnimmt (über die Urinausscheidung).

Im zweiten Versuch gibt man dem Patienten Vitamin B12 und den Intrinsinc‐Faktor. Wieder überprüft man, wievielVitamin B12 ausgeschieden wird.

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Schilling‐Test

Ernährungsstatus

Hat der Patient Vitamin B12 schon im ersten Versuch aufgenommen, dann ist die Funktion des Magens (also die Bereitstellung von Intrinsinc‐Faktor) und die Aufnahme von Vitamin B12 im Dünndarm in Ordnung. Hat der Patient beim ersten Versuch kaum Vitamin B12 aufgenommen, beim zweiten aber schon, dann hat offenbar der Intrinsinc‐Faktor gefehlt. Es lag also am Magen.

Wurde auch beim zweiten Versuch kaum Vitamin B12 aufgenommen, hat also der Intrinsinc‐Faktor auch nichts genützt, könnte die Ursache des Vitamin B12

Mangels im Dünndarm liegen.

Wenn auch beim 2. Versuch kaum Vitamin B12 aufgenommen wurde, kann natürlich auch ein Problem im Dünndarm und bei der Intrinsinc‐Faktor‐Produktion bestehen.

Schilling‐Test

Ernährungsstatus

Art des Tests

Messung der Vitamin B12-Ausscheidung im Harn

Ausscheidung von mehr als 8-10%der verabreichten Menge

Gabe von Vitamin B12

und von an Intrinsinc-Faktor gebundenem Vitamin B12

Es sollte von dem an Intrinsinc-Faktor gebundenen Vitamin B12 nicht viel mehr als von dem reinen Vitamin B12 aufgenommen werden (Verhältnis höchstens 1.2 zu 1).

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Ernährungsstatus


Na (Cl) Na(Cl)‐Ausscheidung Reizleitung (Nerven)

K K‐Ausscheidung Reizleitung (Herzmuskel)

Mg Mg‐Ausscheidung Reizleitung (Skelettmuskel)

Ca Ca‐Ausscheidung Knochendichte

Ernährungsstatus


Fe Fe‐Konz. im Plasma(freies Fe, Gesamt‐Fe)

Hb‐Konz. im Plasma

Hämatokrit

abgeleitete Faktoren(MCH(C), MCV)

Fe‐abhängige Enzyme

Immunstatus

Ferritin

Transferrin

Trasferrinrezeptor

TIBC

oxidativer Stoffwechsel (Fe++/Fe+++, Haber‐Weiss)

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Ernährungsstatus

Ernährungsstatus

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Ernährungsstatus

Anämieformen

Ernährungsstatus

Eisenmangel Folsäuremangel B12‐Mangel

hypochrom

mikrozytär

↓ Hb,

↓ Ferritin

↓MCH

↓MCV

Megaloblastische Anämie

(Störung der Zellreifung)

↓ Hb,

↑MCH

↑MCV

perniziöse Anämie

Schilling‐Test

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Iron Deficiency Anaemia (IDA)

Ernährungsstatus

Megaloblastic Anaemia (Folate, B12)

Ernährungsstatus

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Ernährungsstatus


Cu Cu‐Konz. im Plasma Cu‐abh. Enzyme (SOD)

Cr Cr‐Konz. im Plasma Glucosetoleranz

J Jod‐Ausscheidung im Urin T3/T4 im Plasma

Mn Mn‐Konz. im Plasma Mn‐abh. Enzyme (SOD, XO)

Se Se‐Konz. im Plasma Se‐abh. Enzyme (GPX),

antioxidative Parameter

Zn Zn‐Konz. im Plasma Zn‐abh. Enzyme (SOD,

Dehydrogenasen, usw.)

-Oxidation Pentosephosphatzyklus

ROH GSSG NADPH6-PG

ROH ROOH GSH NADP+

G-6-P

GPX GR G6P-DH

2 H2O

Glucose

ADP

ATP

2 O2 2 –O2* H2O2 H2O + ½ O2

KatalaseSOD

–O2*Tocopherol-HQ / -Car. + O2

freie Radikale

Vit. ESOD

DH-Ascorbat

Ascorbat

Glu, Cys, Gly

GSH-Synthetase

Vit. E-Car.

2 e-

2 H+

Netzwerk von Schutzsystemen gegenüber freien Radikalen

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Antioxidative KapazitätEnzymatisch

SOD, KAT, GSH-PxGSH-S-TransferaseGSSG-ReduktaseNADPH-liefernde

EnzymeNicht enzymatisch

Vit. C, Vit. E, -Car.,GSH, Flavonoide, UratSerumproteine

Entstehung aktivierter Sauer-stoffspezies und freier RadikalePrimäre Radikale: 1O2, *-O2, HOO*, OH*, H2O2

Sekundäre: ROOH, RO* ,ROO*

BIOMARKER

ERKRANKUNG(Endpunktmarker)

AntioxidativesPotential

Entstehung von Sekundärprodukten als Folge eines schlechten Status am

Beispiel von VITAMIN E:

Produkte als Folge einer Unterversorgung:

‐Malondialdehyd, konjugierte Diene alsOxidationsprodukte‐H2O2, Superoxidanionen erhöht‐Zellmembrane zerstört: Hämolyse erhöht ‐Creatinausscheidung im Harn erhöht

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Funktionsparameter – sensitive und spezifische Tests

Ernährungsstatus

1. in vitro Tests einer in vivo Funktion:‐ Blutgerinnungszeit für Vit. K‐Homocystein für Folsäure + B12

2. Belastungstest in vivo‐Messung der Enzymausschüttung als Parameter wie gut der Körper versorgt ist B2 .. EGR, B6 .. EGOT‐Anhäufung von Metaboliten, da Coenzym für weitereReaktionen fehlt, Homocystein .. Folsäure, B6 oder B12

3. Spontane in vivo Reaktion‐Dunkeladaption für Vitamin A‐Nevenleitfähigkeit .. B1

Hauptanwendungen von Funktionsparametern

Ernährungsstatus

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Methoden zur Bestimmung des Energieumsatzes

Direkte Kalorimetrie Messung der Wärmeabgabe eines Organismus (Strahlung, Konvektion, Leitung und Evaporation) Bestimmung der Verbrennungswärme bzw. des physikalischen Brennwertes von Nährstoffen und Lebensmitteln

Indirekte Kalorimetrie Messung des Sauerstoffverbrauchs (VO2); die Menge des verbrauchten Sauerstoffs ist proportional zur freigesetzten Energie, die als Wärme messbar wird

Doubly labelled water Methode (Isotopen-Methode)

Basiert auf der unterschiedlichen Elimination (als CO2 und H20) von 2H und 18O aus dem Körperwasser nach Gabe dieser Isotope; Rückschluss auf VCO2 RQ VO2 Energieumsatz

Factors of daily energy expenditure

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Estimation of EE

The most widely used formula for calculation of human energy expenditure are those developed by Weir (1949!!!):

EE (kJ) = 16.489 VO2 (l) + 4.628 VCO2 (l) - 9.709 N (g)

If urinary nitrogen excretion (N) is not measured but it is assumed that protein oxidation represents around 15% of total energy expenditure, the same formula becomes:

EE (kJ) = 16.318 VO2 (l) + 4.602 VCO2 (l)

Formulae for the prediction of BMR

age range (years)

regression formula for BMR (MJ/day)

95% confidence limits

men 10-17 0.074 (wt) + 2.754 ± 0.88 <J/d18-29 0.063 (wt) + 2.896 ± 1.28 <J/d

30-59 0.048 (wt) + 3.653 ± 1.40 <J/d60-74 0.0499 (wt) + 2.930 N/A75+ 0.0350 (wt) + 3.434 N/A

women 10-17 0.056 (wt) + 3.434 ± 0.94 <J/d18-29 0.062 (wt) + 2.036 ± 1.00 <J/d30-59 0.034 (wt) + 3.538 ± 0.94 <J/d60-74 0.0386 (wt) + 2.875 N/A75+ 0.0410 (wt) + 2.610 N/A

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Physical activity level (PAL)

Arbeitsschwere PAL Beispiele

ausschließlich sitzende oder liegende Lebensweise

1,2 Alte, gebrechliche Menschen

ausschließlich sitzende Tätigkeit mit wenig oder keiner anstrengenden Freizeitaktivität

1,4-1,5 Büroangestellte, Feinmechaniker

Sitzende Tätigkeit, zeitweilig auch zusätzlicher Energieaufwand für gehende und stehende Tätigkeiten

1,6-1,7 Studierende, Fließbandarbeiter, Laboranten

Überwiegend gehende und stehende Arbeit 1,8-1,9 Hausfrauen, Kellner, Verkäufer, Handwerker

Körperliche anstrengende berufliche Arbeit 2,0-2,4 Bau-, Wald-, Bergarbeiter, Landwirte

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Calculation of energy requirements from activity pattern

activity multiple of BMR

hours spent in activity

kJ expended

Example (a): a male office clerk aged 25 years, weight 65 kg, predicted BMR = 6078 kJ/din bed 1.0 8 2340at work 1.7 6 2970discretionary

household tasks 3.0 2 1760fitness training 6.0 0.33 580

remainder 1.4 7.67 3140total 1.54 24 10780

Calculation of energy requirements from activity pattern

activity multiple of BMR

hours spent in activity

kJ expended

Example (b): a rural woman in a developing country aged 35 years, weight 50 kg, predicted BMR = 5290 kJ/din bed 1.0 8 1780domestic work 2.7 3 1800agricultural work 2.8 4 2490discretionary 2.5 2 1110residual 1.4 7 2180total 1.76 24 9360

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Factors of daily energy expenditure

Components of daily energy expenditurecomponents factors of influence

physicalactivity

diet induced ~

adaptative thermogenesis

BMR

• intensity• duration• body weight• genetic factors

amount and composition

• fat free body mass (muscle mass)• age• gender• genetical factors• hormons• activity of sympathicus

Energieverbrauch

Eismantelkalorimeter nach Lavoisier (1743 – 1794)

Bei der direkten Energieumsatzmessung wird die vom Organismus abgegebene Wärmemenge erfasst (direkte Kalorimetrie).

Methoden – Direkte Kalorimetrie

Ernährungsstatus

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• Die vom Organismus aufgenommene Sauerstoffmenge wird kontinuierlich oder diskontinuierlich mit offenen oder geschlossenen Respirationssystemen bestimmt.

• 1 Liter Sauerstoff-Verbrauch entspricht etwa 20 kJ bzw. 4,8 kcal.

Methoden – Direkte Kalorimetrie

Ernährungsstatus

Energie

DLW‐Methode

„Doubly Labelled Water“

Ernährungsstatus

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DLW‐MethodePrinzip: Verabreichung einer definier‐ten Menge an doppelt markiertem Wasser und Messung der Elimi‐nationskinetik beider Isotopen. Die Konzentration an 2H, das nahezu vollständig in Wassermolekülen gebunden ist, sinkt als Folge der Verdünnung durch das Körperwasser von neuem, unmarkiertem Wasser (aus Lebensmitteln, Getränken, sowie der Oxidation von Nährstoffen), und in Verbindung mit dem gleich‐zeitigen Verlust an markiertem Wasser über Evaporation durch Lunge und Haut. Die Eliminationsrate ist ein Maß für die Wasserverschie‐bungen im Organismus.

Ernährungsstatus

DLW‐MethodeDer Großteil an 18O einer Versuchsperson wird in Form von Wasser eliminiert, aber ein bestimmter Anteil auch als CO2 nachdem dieses sich durch die Aktivität der Carboanhydrase in den Körperflüssigkeiten im Gleichgewicht mit dem Körperwasser befindet. Die Eliminationskonstante an 18O ist daher steiler als die für 2H und die Differenz der beiden repräsentiert die CO2‐Produktion. Dies ist daher ein indirekter Messwert für die metabolische Rate und kann zu Ermittlung der Produktion an Energie herangezogen werden indem bekannte oder geschätzte Daten der chemischen Zusammensetzung der oxidierten Lebensmittel eingesetzt werden.

Ernährungsstatus

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DLW‐MethodeDie Ermittlung der zwei Eliminationskonstanten erfordert mindestens zwei Proben an Körperflüssigkeit nach Verabreichung der Isotopen über einen Zeitraum von mehreren Wochen, abhängig vom Alter und dem Wasserkonsum. Die gewählten Isotopen 2H und 18O sind stabil, also nicht radioaktiv, und damit ungefährlich für die Versuchspersonen.

Ernährungsstatus

DLW‐MethodeFür die Messung der Isotopen ist ein Isotopenverhältnismassenspektrometer (IRMS) erforderlich….

Ernährungsstatus

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DLW‐Methode… und eine genaue Ermittlung des Respiratorischen Quotienten bzw. des kalorischen Äquivalent (Energy Equivalent EeqCO2).

Ernährungsstatus

RQ Eeq (kJ/l)

O2 CO2

Fat 0.710 19.50 27.46

Protein 0.835 19.48 23.33

CHO 1.000 21.12 21.12

Alcohol 0.667 20.33 30.49

Respiratorischer Quotient

Verhältnis der ausgeatmeten Menge an im Körper gebildetem Kohlendioxid zu der im gleichen Zeitraum aus der eingeatmeten Luft verbrauchten Menge an Sauerstoff

Von Blut an Lunge abgegebenes CO2‐Volumen

RQ =Von Lunge in Blut aufgenommenes O2‐Volumen

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Respiratorischer Quotient

Abgeatmete Menge an CO2 stammt aus der „Verbrennung“ der Nährstoffe

Verbrauchte Menge an O2 wird für diese Oxidationsprozesse benötigt

Fett KH Protein

CO2-Abgabe [ml/g] 1427 829 814

O2-Aufnahme [ml/g] 2019 829 996

RQ 0,7 1,0 (0,8)

Nährstoffaufnahme ‐Ziele von Ernährungserhebungen

Einzelpersonen

Aktuelle Ernährung

Kürzere Zeiträume

Globale Charakterisierung der Ernährung

Gesamte Ernährung

Bevölkerungsgruppen

Zurückliegende Ernährung

Längere Zeiträume

Detail-Information von Inhaltsstoffen

Teilaspekte der Ernährung

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Nährstoffaufnahme

Household Budget Survey (HBS):Food Account MethodInventurmethode

Individuelle ErnährungserhebungenProspektiv Retrospektiv

Nährstoffaufnahme

Individuelle Ernährungserhebungen, retrospektiv Food Frequency QuestionnaireDiet history24‐h‐Recall

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Nährstoffaufnahme

Individuelle Ernährungserhebungen, prospektiv SchätzprotokollWiegeprotokollDuplicate Diet

Problematik am Bsp. 24‐Recall

Schwierigkeiten

Genauigkeit der LM‐Beschreibung

Schätzung von Mengen

Vergessen von LM

Untypischer Tag

Absichtliche Falschangaben

Abhilfe Geschulter Interviewer

Möglichst genaue Beschreibung der

LM

Nachfragen der Zwischenmahl-

zeiten, Snacks, Getränke etc.

Wiederholte Erhebungen

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Wahl der richtigen Methode

Abhängig von

Ziel der Studie / Fragestellung

Zielpopulation (Art, Größe, Bildungsniveau,...)

Personellen Möglichkeiten

Finanziellen Möglichkeiten

Zeitlichen Möglichkeiten

Methodenvergleich,‐bewertung

Genauigkeit Kosten Personalaufw. Zeitaufwand

Nahrungsbilanzen X X X XHBS XX X X X

24-h recall XX XX XX XDiet history XX XX XX XFragebogen X X X XWiegemethode XXX XXX XXX XXXSchätzprotokoll XX XX XX XX

X ... Niedrig, XX ... Mittel, XXX .. Hoch

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Nährstoffaufnahme

Underreporting:

CUT‐OFF 1: Klassifizierung der Energieaufnahmen in Hinblick auf die Aussagekraft zur Beschreibung des ‘üblichen Verzehrs’, ohne jedoch die möglichen individuellen oder zyklischen Schwankungen des Verzehrs zu berücksichtigen. Dieser CUT‐OFF‐1‐Wert dient primär zur Identifikation des UR bei der Bewertung von Gruppenergebnissen

Nährstoffaufnahme

Underreporting:

CUT‐OFF 2: nimmt auf die individuellen Variationen des Verzehrs bezug und erlaubt Bewertungen sowohl auf Gruppenebene wie auch auf der individuellen Ebene. Energieaufnahmen können niedrig sein, da sie von Tagen stammen, an denen eine niedrige Aufnahme stattgefunden hat, die jedoch völlig im Rahmen der normalen Schwankungen liegt. Die Ableitung des CUT‐OFF 2 berücksichtigt neben mittleren Variationskoeffizienten der individuellen Energieaufnahmen (CV = 23%) auch die Variationen der errechneten BMR‐Werte (CV = 8%) und der üblichen körperlichen Aktivität (Physical Activity Level ‘PAL’, CV = 12.5%).

54

95% Vertrauensbereich 99.7% Vertrauensbereich

n = UR liegt vor, wenn …

EA / BMR …UR liegt vor, wenn …

EA / BMR …1 1.10 0.9210 1.39 1.3220 1.43 1.3830 1.46 1.4140 1.47 1.4350 1.48 1.44

100 1.50 1.47200 1.51 1.49

Nährstoffaufnahme

Cut Off 2

Over-reporting 2.4 1.7

Nährstoffaufnahme

Berechnung des Grundumsatzes (= Basal Metabolic Rate, BMR)

nach SCHOFIELD (1985)

Alterweiblich, BMR = männlich, BMR =

unter 3 J. 0.068 x <kg> + 4.281 x <m> - 1.730 0.0007 x <kg> + 6.349 x <m> - 2.584

3 - unter 10 J. 0.071 x <kg> + 0.677 x <m> + 1.553 0.082 x <kg> + 0.545 x <m> + 1.736




über 60 J. 0.033 x <kg> + 1.917 x <m> + 0.074 0.038 x <kg> + 4.068 x <m> - 3.491

55

Auswertung über Lebensmitteltabellen (BLS/OeLS)

Vom Ernährungsprotokoll zur Nährstoffaufnahme

Statistische Auswertung

Der Bundeslebensmittelschlüssel (BLS) bzw. der Österreichische Lebensmittelschlüssel (OeLS)

Der Bundeslebensmittelschlüssel (BLS) ist eine Lebensmittelnährwertdatenbank, die als Standardinstrument zur Auswertung von ernährungsepidemiologischen Studien und Verzehrserhebungen in der Bundesrepublik Deutschland entwickelt wurde. Im BLS sind die durchschnittlichen Nährwerte und Inhaltsstoffe (138 Angaben pro Lebensmittel) von etwa 10000 Lebensmitteln (frische Lebensmittel, Zubereitungen, Fertiggericht, Rezepturen usw.) weitgehend erfasst.Grundlage des BLS bilden Forschungsergebnisse der Bundesforschungsanstalten für Ernährung und Lebensmittel und Universitäten sowie Analysewerte von Firmen der Lebensmittelindustrie und von internationalen Nährwerttabellen. Die Angaben dieser Untersuchungen beziehen sich jedoch vorwiegend auf etwa 1100 unverarbeitete Basislebensmittel. Um die Inhaltsstoffe von weiteren 9000 zusammengesetzten und bearbeiteten Lebensmitteln zu erhalten, wurden die Nährwertdaten des BLS überwiegend mittels Algorithmen und Verlustmodellrechnungen aus den Daten der Basislebensmittel generiert.

56


Grundlegender Aufbau des BLS:Der Aufbau des Schlüssels soll anhand des Beispiels "B111000" fürVollkornbrot-Weizenvollkornbrot erläutert werden:

• 1. Stelle: gliedert die Lebensmittel in Lebensmittelhauptgruppen,also die Art, hier B = Brot und Kleingebäck

• 2. Stelle: definiert die Lebensmitteluntergruppen, hier 1 = Vollkornbrot

• 3. und 4. Stelle: klassifiziert die Einzellebensmittel, hier 11 = Vollkornbrot-Weizenvollkornbrot

• 5. Stelle: Verarbeitung, hier = 0 • 6. Stelle: Zubereitungsform, hier = 0 • 7. Stelle: Gewichtsbezug, hier = 0


Grundlegender Aufbau des BLS:Der Aufbau des Schlüssels soll anhand des Beispiels “G311902" fürBlumenkohl, Konserve, abgetropft erläutert werden:

• 1. Stelle: gliedert die Lebensmittel in Lebensmittelhauptgruppen,also die Art, hier G = Gemüse

• 2. Stelle: definiert die Lebensmitteluntergruppen, hier 3 = Kohlgemüse

• 3. und 4. Stelle: klassifiziert die Einzellebensmittel, hier 11 = Blumenkohl

• 5. Stelle: Verarbeitung, hier = 9 (Konserve) • 6. Stelle: Zubereitungsform, hier = 0 (nicht zubereitet)• 7. Stelle: Gewichtsbezug, hier = 2 (abegetropft)

57

Beurteilung der Nährstoffaufnahme auf Basis der D-A-CH-Referenzwerte

Häu

figke

it

durchschnittlicherBedarf

Empfehlung

2 sd

Beeinflussung durch die Datenvertei-lung

58

Kupferaufnahme (mg/d)

Kup

ferk

onze

ntra

tion

im P

lasm

a (m

g/L)

Zusammenhang Nährstoffaufnahme -Nährstoffstatus

• Bioverfügbarkeit• Wechselwir-

kungen zw.:- zweiwertigen

Elementen- Protein- u.a.

• Exkretion

Referenzwertproblematik

Vitamin D-Status in Österreich

Normalbereichlaut Sauberlich (1999)

vorgeschlagener Normalbereich für Österreich:

4-9 10-19 > 65

59

Ernährungsepidemiologische Studien - Übersicht

BIOCHEMIE

PHYSIOLOGIE

EPIDEMIOLOGIE

„in vitro“

Zellkulturen

Tierversuche

Stoffwechselstudien amMenschen

Studien am Gesamt-organismus

Ernährungsepidemiologische Studien - Übersicht

?

60

Physicians' Health Study –Plötzlicher Herztod

Albert C M et al., NEJM 2002

1

Rel

ativ

es R

isik

o P

HT

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

2 3 4Quartil -3-Fettsäuren-Gehalt im Plasma

Mittlerer Anteil an Plasmalipiden 3,58% 4,76% 5,63% 6,87%

p für Trend = 0,007

61

Relatives Risiko

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