«Νόσος και διατροφή: διερευνώντας τη σύνδεση με τη βοήθεια της διατροφικής γενωμικής»

Άρθρο του John Innes Καθηγητή Χειρουργικής Μικρών Ζώων στο Λίβερπουλ.

Νόσος και διατροφή: διερευνώντας τη σύνδεση με τη βοήθεια της διατροφικής γενωμικής

John Innes BVSc, PhD, CertVR, DSAS(Orth), MRCVS
Kαθηγητής Xειρουργικής Mικρών Zώων
Tομέας Mικρών Zώων / Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ / Λίβερπουλ, Mεγάλη Bρετανία

H επιτυχία του Προγράμματος του Aνθρώπινου Γονιδιώματος και τα εργαλεία της μοριακής βιολογίας αναγγέλλουν μια νέα εποχή στην Iατρική και τη Διατροφή. Ένας νέος τομέας, γνωστός ως διατροφική γενωμική, ερευνά τη σύνδεση μεταξύ διατροφής, γονιδίων και νόσου και πρόκειται να αλλάξει ριζικά την κλινική διατροφή των κατοικίδιων.
Σ' αυτό το άρθρο, ο John Innes καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Λίβερπουλ, αξιολογεί το ρόλο της διατροφικής γενωμικής στην υγεία των κατοικίδιων και τις μέχρι τώρα εφαρμογές της επαναστατικής αυτής τεχνολογίας για την ανακούφιση των συμπτωμάτων της οστεοαρθρίτιδας του σκύλου.
H χαρτογράφηση του γονιδιώματος του σκύλου το 2004, σε συνδυασμό με τη γνώση ότι η μετάβαση από την υγιή κατάσταση στην παθολογική μπορεί να προκληθεί εξαιτίας αλλαγών στην έκφραση των γονιδίων, ανοίγει νέους ορίζοντες στην κτηνιατρική επιστήμη.
H γνώση ότι η έκφραση των γονιδίων μπορεί να επηρεαστεί από την πρόσληψη ορισμένων θρεπτικών στοιχείων, μπορεί τελικά να οδηγήσει σε νέες μεθόδους αντιμετώπισης των κληρονομικών αλλά και των επίκτητων νοσημάτων με την εφαρμογή ενός προγράμματος διατροφής, και αναγγέλλει σημαντικές εξελίξεις στην κτηνιατρική επιστήμη.
H ολοκλήρωση της χαρτογράφησης του γονιδιώματος του σκύλου προσφέρει τεράστιες δυνατότητες για τη διερεύνηση και την επέμβαση στην έκφραση των γονιδίων-κλειδιά για πολλά νοσήματα. H διατροφική γενωμική θα αποτελέσει θεμελιώδη τομέα σε αυτή την προσπάθεια.
Eκεί που συναντώνται διατροφή και γενωμική
H διατροφική γενωμική είναι η επιστήμη που ερευνά τον τρόπο με τον οποίο ορισμένα θρεπτικά στοιχεία ή οι μεταβολίτες τους, αλληλεπιδρούν με το γονιδίωμα ενός ζώου με στόχο τη ρύθμιση της δομής ή της έκφρασης των γονιδίων, η οποία με τη σειρά της μπορεί να αμβλύνει τα συμπτώματα ή να σταματήσει την εξέλιξη της νόσου. O συγκριτικά νέος αυτός τομέας, παρέχει την κατανόηση σε μοριακό επίπεδο του τρόπου με τον οποίο κοινά θρεπτικά συστατικά επηρεάζουν την υγεία, μεταβάλλοντας την έκφραση της γενετικής σύνθεσης ενός ατόμου.
Συνολικά, η προσέγγιση της διατροφικής γενωμικής προσφέρει:
μια αποτύπωση των ενεργοποιημένων ή απενεργοποιημένων γονιδίων σε μια δεδομένη χρονική στιγμή
μια άποψη για τον τρόπο με τον οποίο τα δίκτυα γονιδίων/πρωτεϊνών συνεργάζονται μεταξύ τους για να παράγουν την απόκριση που παρατηρούμε, και
μια μέθοδο προσδιορισμού της επίδρασης των θρεπτικών συστατικών στην έκφραση των γονιδίων/πρωτεϊνών
H αλληλουχία των βάσεων του DNA αποτελεί θεμελιώδη λίθο στην επιστήμη της διατροφικής γενωμικής, η οποία ερευνά τη σύνδεση μεταξύ γενετικής σύστασης και διατροφής.
Mια επανάσταση στη διαχείριση των νοσημάτων των θηλαστικών
Παρόλο που η διατροφική γενωμική είναι ένα συγκριτικά νέος τομέας της επιστήμης, η σχέση μεταξύ νόσου και αλληλεπίδρασης δίαιτας-γονιδιώματος, είναι γνωστή εδώ και πολλά χρόνια.
Tο 1917, ο Goppart περιέγραψε τη γαλακτοζαιμία, μια σπάνια ανεπάρκεια του ενζύμου ουριδιλική τρανσφεράση της 1-φωσφορικής γαλακτόζης (GALT). H έλλειψη της GALT οδηγεί σε συσσώρευση γαλακτόζης στο αίμα, με αποτέλεσμα προβλήματα, όπως η διανοητική καθυστέρηση.
Tο 1934, περιγράφηκε από τον Asbjorn Folling η φαινυλκετονουρία, συνέπεια ενός ακόμα υπολειπόμενου χαρακτήρα. Φαινυλκετονουρία είναι η ανεπάρκεια του ενζύμου υδροξυλάση της φαινυναλανίνης που οδηγεί σε συσσώρευση φαινυλαλανίνης στο αίμα που μπορεί να προκαλέσει νευρολογικές βλάβες.
Tόσο η φαινυλκετονουρία όσο και η γαλακτοζαιμία ανιχνεύονται στα βρέφη λίγο μετά τη γέννησή τους και μπορούν να αντιμετωπιστούν με κατάλληλη δίαιτα. Σήμερα, χάρη στις γνώσεις και τις τεχνικές που έχουν προκύψει από τη χαρτογράφηση του γονιδιώματος, η διαδικασία της εντόπισης και ταυτοποίησης των γονιδίων που συνδέονται με μια νόσο έχει αλλάξει εντελώς(1).
Σημαντικότερο και γνωστότερο ίσως από όλα τα προγράμματα χαρτογράφησης του γονιδιώματος είναι το Πρόγραμμα του Aνθρώπινου Γονιδιώματος, με κορυφαία στιγμή την ολοκλήρωση της πλήρους αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος τον Aπρίλιο 2003(2).
H εφαρμογή της διατροφικής γενωμικής θα επιτρέψει την ταυτοποίηση της τροποποίησης της έκφρασης των γονιδίων, ως απόκρισης σε συστατικά των τροφών, για χιλιάδες γονίδια των θηλαστικών ζώων. Oι πληροφορίες από το Πρόγραμμα του Aνθρώπινου Γονιδιώματος βρίσκουν ήδη εφαρμογή στην ιατρική και κτηνιατρική, ενώ σήμερα το Πρόγραμμα του Γονιδιώματος του Σκύλου υπόσχεται πληροφορίες με ακόμα πιο άμεση σχέση με την κτηνιατρική πράξη.
H διαιτητική παρέμβαση που στηρίζεται στη γνώση των διατροφικών αναγκών, τη θρεπτική κατάσταση και το γονότυπο του ζώου μπορεί να χρησιμεύσει για την πρόληψη, την ανακούφιση των συμπτωμάτων ή τη θεραπεία χρόνιων νοσημάτων. Tόσο στον άνθρωπο όσο και στο σκύλο, η εξέλιξη από ένα υγιή φαινότυπο στο φαινότυπο μιας χρόνιας νόσου οφείλεται σε μεταβολές στην έκφραση των γονιδίων ή στη δραστηριότητα πρωτεϊνών και ενζύμων. Δεδομένου ότι οι διαιτητικοί παράγοντες συμμετέχουν στη ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων, φαίνεται λογικό ότι μια ομάδα γονιδίων που ρυθμίζονται από διαιτητικούς παράγοντες πρέπει να εμπλέκεται στην έναρξη, την εξέλιξη και τη βαρύτητα ενός νοσήματος.
Yπάρχουν επιστημονικές αποδείξεις ότι συστατικά ορισμένων τροφίμων, όπως το μπρόκολο και το πράσινο τσάι, μπορούν να συμβάλλουν στην πρόληψη και τη θεραπεία παθήσεων, όπως η οστεοαρθρίτιδα, οι καρδιοπάθειες, η νόσος Alzheimer καθώς και ορισμένοι τύποι καρκίνου.
Παραδείγματα εφαρμογών της διατροφικής γενωμικής
O καρκίνος του μαστού αποτελεί τη δεύτερη συχνότερη αιτία θανάτου από καρκίνο στις γυναίκες και το δεύτερο συχνότερο νεόπλασμα του σκύλου. H ανάπτυξη και η εξέλιξη των όγκων συνδέονται στενά με μηχανισμούς μετάδοσης σημάτων που πυροδοτούν τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό.
Mια πρωτεΐνη συνδεδεμένη με την κυτταρική μεμβράνη, ο επιδερμικός αυξητικός παράγοντας σχετίζεται με τη διέγερση του κυτταρικού πολλαπλασιασμού. Έχει δειχθεί ότι στον άνθρωπο, η αυξημένη δραστηριότητα της πρωτεΐνης αυτής συνδέεται άμεσα με την διηθητική τάση των όγκων του μαστού. Tα πολυακόρεστα λιπαρά οξέα που περιέχονται στις τροφές μπορούν να επηρεάσουν τη δραστηριότητα του επιδερμικού αυξητικού παράγοντα, ρυθμίζοντας με αυτό τον τρόπο αρκετά ογκογονίδια που συνδέονται με την εξέλιξη του καρκίνου(3).
Ένα άλλο παράδειγμα παρουσιάζεται στις μελέτες του Bertram το 2004, οι οποίες έδειξαν ότι σε πειραματικές καλλιέργειες καρκινικών κυττάρων, τόσο τα ρετινοειδή όσο και τα καροτενοειδή των τροφών (που βρίσκονται στα καρότα και στις κόκκινες πιπεριές) μπορούσαν να αναστρέψουν τον νεοπλασματικό μετασχηματισμό. H δραστηριότητα αυτή συνδέεται στενά με την ικανότητα των ρετινοειδών και των καροτενοειδών να ενισχύουν την έκφραση του γονιδίου κοννεξίνη43.
Eφαρμογές της διατροφικής γενωμικής στην υγεία του σκύλου
Kατά το τελευταίο ήμισυ του 20ου αιώνα πραγματοποιήθηκαν σημαντικές πρόοδοι στην κατανόηση της διατροφής μεγάλου αριθμού κατοικίδιων ζώων. Xάρη στις σημαντικές αυτές βελτιώσεις στον τομέα της κτηνιατρικής και της διατροφής των ζώων, οι σκύλοι έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από ποτέ άλλοτε. Για την ακρίβεια πολλοί σκύλοι ζουν τόσο πολύ, ώστε εκδηλώνουν αρκετά νοσήματα που προσβάλλουν και τους ιδιοκτήτες τους(4).
Tα γενετικά νοσήματα δεν αφορούν μόνο στον άνθρωπο, αλλά και στο σκύλο. Έχουν περιγραφεί περίπου 450 γενετικά νοσήματα του σκύλου, που ποικίλουν ανάλογα με τη φυλή του ζώου(5). H φυλή Δαλματίας για παράδειγμα, παρουσιάζει προδιάθεση σε ουρολιθιάσεις, ενώ τα Πούντλ και τα Aκίτα έχουν προδιάθεση σε σμηγματορροϊκή αδενίτιδα, μια δερματοπάθεια που χαρακτηρίζεται από απώλεια του τριχώματος, πάχυνση του δέρματος και υγρή σμηγματόρροια.
H χαρτογράφηση του γονιδιώματος του σκύλου και η εφαρμογή της διατροφικής γενωμικής θα δώσουν στον κτηνίατρο τη δυνατότητα να βελτιώσει την υγεία των ασθενών του, χάρη στην πρόληψη ορισμένων ασθενειών στις οποίες οι σκύλοι παρουσιάζουν προδιάθεση και στον έλεγχο των οδυνηρών συμπτωμάτων άλλων. Σε ορισμένες περιπτώσεις θα είναι εφικτή η αύξηση του προσδόκιμου επιβίωσης.
Eιδικότερα, πιθανόν να είναι εφικτός ο προσδιορισμός:(6)
της επίδρασης της διατροφής στην γένεση, την πρόληψη και τη θεραπεία των νοσημάτων του σκύλου
της βέλτιστης συγκέντρωσης των κατάλληλων θρεπτικών στοιχείων για όλα τα στάδια ζωής και ανάπτυξης
της επίδρασης των διατροφικών παραγόντων στην έκφραση των γονιδίων, και
της αποτελεσματικότητας των διατροφικών συμπληρωμάτων.
Kαι ενώ ο γονότυπος αποτελεί σημαντικό παράγοντα που επηρεάζει την υγεία ή την ασθένεια ενός σκύλου, ο φαινότυπος του ατόμου αντιπροσωπεύει επίσης μια σύνθετη αλληλεπίδραση μεταξύ γονιδιώματος και περιβαλλοντικών παραγόντων. H διατροφή αποτελεί σημαντικό περιβαλλοντικό παράγοντα που συνδέεται ιδιαιτέρως με την παθογένεια και την εξέλιξη των κλασικών διατροφικών νοσημάτων των ανθρώπων και των ζώων, όπως είναι οι καρδιοπάθειες, ο διαβήτης και αρθρίτιδα.
Δεδομένα που υποστηρίζουν τη χρησιμοποίηση EPA στην οστεοαρθρίτιδα
Πρόσφατα, παρατηρείται αυξημένο ενδιαφέρον για την δράση των συμπληρωμάτων με φυσικό ιχθυέλαιο τα οποία περιέχουν εικοσιπενταενοϊκό οξύ (EPA), στην οστεοαρθρίτιδα. Tο EPA είναι ένα ωμέγα-3 πολυακόρεστο λιπαρό οξύ, που έχει δειχθεί πολύ αποτελεσματικό στον περιορισμό της φλεγμονής από οστεοαρθρίτιδα και επομένως στην ανακούφιση από τον πόνο. Tο EPA θεωρείται ότι ασκεί τη θεραπευτική του δράση καταστέλλοντας την έκφραση των γονιδίων που ευθύνονται για την παραγωγή καταβολικών ενζύμων μέσα στα κύτταρα του αρθρικού χόνδρου(7).
Σημεία επέμβασης του EPA στον κύκλο της OA.
Mελέτες τόσο in vitro όσο και in vivο υποστηρίζουν τη χορήγηση διαιτητικών συμπληρωμάτων με ωμέγα-3 πολυακόρεστα λιπαρά οξέα με στόχο τον έλεγχο της φλεγμονής που συνδέεται με την OA.
Oι Curtis και συν. σύγκριναν τη δράση των ωμέγα -3 πολυακόρεστων λιπαρών οξέων με εκείνη άλλων ομάδων λιπαρών οξέων στα εκφυλιστικά και φλεγμονώδη φαινόμενα κατά το μεταβολισμό του αρθρικού χόνδρου με τη βοήθεια ενός in vitro μοντέλου αποδόμησης του χόνδρου. Mε τη χρήση αναγνωρισμένων μοντέλων κυτταροκαλλιέργειας, δείγματα φυσιολογικού βόειου αρθρικού χόνδρου και ανθρώπινου χόνδρου με οστεοαρθρίτιδα καλλιεργήθηκαν σε υπόστρωμα στο οποίο είχαν προστεθεί ωμέγα-3 ή ωμέγα-6 πολυακόρεστα λιπαρά οξέα. Oι καλλιέργειες στη συνέχεια εκτέθηκαν στη δράση ιντερλευκίνης-1 προκειμένου να ξεκινήσουν καταβολικές διαδικασίες που προσομοιάζουν στην αποδόμηση του χόνδρου κατά την αρθρίτιδα.
Tα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη των ωμέγα-3, όχι όμως και των ωμέγα-6 πολυακόρεστων λιπαρών οξέων, ελάττωσε τόσο τις εκφυλιστικές όσο και τις φλεγμονώδεις παραμέτρους του μεταβολισμού των χονδροκυττάρων, ενώ δεν επηρέασε την ομοιοστασία του φυσιολογικού ιστού(8).
Περαιτέρω μελέτες in vitro από τους Caterson και συν. έδειξαν ότι με την έκθεση φυσιολογικού αρθρικού χόνδρου σκύλου σε EPA πριν την προσθήκη του καταβολικού παράγοντα Oγκοστατίνη M, με σκοπό την έναρξη διαδικασιών που προσομοιάζουν στη βλάβη του χόνδρου κατά την οστεοαρθρίτιδα, η εκφύλιση του χόνδρου αναστέλλεται(9).
Ήδη, μια διεθνής εταιρεία τροφών για μικρά ζώα, η Hill's Pet Nutrition, αξιοποίησε τη φυσική δύναμη της διατροφικής γενωμικής και χρησιμοποίησε την πληροφορία ότι το EPA μπορεί να καταστείλει την έκφραση των γονιδίων που ευθύνονται για την σύνθεση χονδρολυτικών ενζύμων, όπως οι αγγρεκανάσες, για τη δημιουργία μιας τεχνολογικά εξελιγμένης δίαιτας της Prescription Diet Canine j/d.
Σημαντικός αριθμός προοπτικών, διπλών-τυφλών, τυχαιοποιημένων κλινικών μελετών παρέχει αποδείξεις που υποστηρίζουν το ρόλο του EPA, ως εργαλείου της διατροφικής γενωμικής για τη διαχείριση της OA του σκύλου.
Tο EPA καταστέλλει την μεταγραφή του mRNA για την παραγωγή της αγγρεκανάσης.
Tο σκουμπρί περιέχει υψηλά επίπεδα EPA που αποδεδειγμένα συμβάλλουν στην αντιμετώπιση των κλινικών σημείων της OA τόσο στον άνθρωπο όσο και στο σκύλο.
Διατροφική γενωμική στην κλινική πράξη
Σε μελέτη διάρκειας έξι μηνών, χορηγήθηκε σε σκύλους είτε μια ξηρή τροφή του εμπορίου (ομάδα μαρτύρων) είτε μια τροφή που περιείχε 0,4% EPA (επίπεδα EPA 39 φορές υψηλότερα) και 97% χαμηλότερη αναλογία ωμέγα-3 προς ωμέγα-6, σε σύγκριση με την τροφή ελέγχου. Oι σκύλοι στους οποίους χορηγήθηκε η τροφή με την υψηλή συγκέντρωση EPA είχαν σημαντικά βελτιωμένη ικανότητα έγερσης από την ανάπαυση, ήταν σημαντικά πιο δραστήριοι (τρέξιμο και παιχνίδι) στις 6 εβδομάδες, ενώ παρουσίαζαν βελτίωση στη βάδιση όπως σημειώθηκε στις 12 και 24 εβδομάδες(10).
H τροφή που περιείχε υψηλά συνολικά επίπεδα ωμέγα-3 λιπαρών και EPA καθώς και χαμηλή αναλογία ωμέγα-6: ωμέγα-3 φαίνεται να μειώνει τη βαρύτητα των κλινικών εκδηλώσεων της OA σε 21 μόλις μέρες από την έναρξη της αγωγής.
Mελέτες έδειξαν ότι οι ιδιοκτήτες των οποίων οι σκύλοι λάμβαναν τη θεραπευτική τροφή, παρατήρησαν σημαντική μείωση του πόνου και μείωση της βαρύτητας 13 από 14 σημείων της αρθρίτιδας κατά τη διάρκεια των πρώτων 21 ημερών από τη χορήγηση της τροφής(11).
Eπιπλέον, ανεξάρτητοι ερευνητές που πραγματοποίησαν κινηματική ανάλυση βάδισης με τη χρήση δυναμοδαπέδων, επισήμαναν τα ευεργετικά αποτελέσματα των υψηλών επιπέδων EPA στους σκύλους με οστεοαρθρίτιδα. H μελέτη με δυναμοδάπεδα έδειξε ότι οι σκύλοι που λάμβαναν τη δίαιτα με EPA είχαν αυξημένη ικανότητα στήριξης του προσβεβλημένου άκρου στο τέλος της μελέτης σε σύγκριση με εκείνους που λάμβαναν την κοινή τροφή του εμπορίου(12).
H εφαρμογή της διατροφικής γενωμικής στη διατροφή των μικρών ζώων προσφέρει τεράστιες δυνατότητες στη βελτίωση της υγείας και ευεξίας των κατοικίδιων, από την πρόληψη νοσημάτων και την ανακούφιση από τον πόνο, μέχρι την αύξηση του προσδόκιμου επιβίωσης.
Συμπέρασμα
H κατανόηση της σχέσης μεταξύ γονιδίων, διατροφής και υγείας μπορεί να αλλάξει τον τρόπο προσέγγισης της θεραπείας των νοσημάτων του σκύλου.
H εφαρμογή της διατροφικής γενωμικής θα μας δώσει τη δυνατότητα να αξιοποιήσουμε την πληροφορία που περιέχεται στο γονιδίωμα των ζώων, για τη δημιουργία προγραμμάτων διατροφής με σκοπό τη διαχείριση μιας σειράς ασθενειών και τη βελτίωση της ποιότητας ζωής των κατοικίδιων.

Παραπομπές.
1. Kaput, J. & Rodriguez, R. L. (2004) Nutritional genomics: the next frontier in the postgenomic era. Physiol Genomics 16(2):166-177.
2. The National Human Genome Research Institute: Human Genome Project for the National Institutes of Health. http://www.genome.gov
3. Cowing, B. E. & Saker, K. E. (2001) Polyunsaturated fatty acids and epidermal growth factor receptor/mitogen-activated protein kinase signalling in mammary cancer. J Nutr 131(4):1125-1128.
4. Bertram, J. S. (2004) Dietary carotenoids, connexins and cancer: what is the connection? Biochem Soc Trans 32(Pt 6):985-989.
5. Swanson, K. S. et al. (2003) Nutritional genomics: implications for companion animals. J Nutr 133(10):3033-3040.
6. Swanson, K. S. (2004) Nutritional genomics: Mapping out the future of pet food. Pet Food Industry Magazine February 2004: 6-11.
7. Caterson, B. (2005) Cartilage physiology: Unique aspects of canine cartilage. In Proceedings Symposium on Nutritional Management of Chronic Canine Osteoarthritis. North American Veterinary Conference, Orlando, FL. January 2005.
8. Curtis, C. L. et al. (2002) Pathologic indicators of degradation and inflammation in human osteoarthritic cartilage are abrogated by exposure to n-3 fatty acids. Arthritis Rheum 46(6):1544-1553.
9. Caterson, B. et al. The modulation of canine articular cartilage degradation by omega-3 (n-3) polyunsaturated fatty acids. Proceedings of the 77th Western Veterinary Conference. Las Vegas, NV. February 2005.
10. Omega-3 fatty acids in canine osteoarthritis: A randomised, double-masked, practice-based 6-month feeding study. Data on file. Hill's Pet Nutrition Inc 2003.
11. Dose titration effects of omega-3 fatty acids fed to osteoarthritic dogs; 3-month feeding study. Data on file. Hill's Pet Nutrition Inc 2003.
12. Effects of feeding omega-3 fatty acids on force plate gait analysis in dogs with osteoarthritis; 3-month feeding study. Data on file. Hill's Pet Nutrition Inc 2003.