Die Auswirkungen der ketogenen Ernährung auf Herz und Gehirn

Hintergrund:

Die ketogene Diät wird seit langem in der Behandlung von behandlungsresistenter Epilepsie eingesetzt, da sie eine ungeklärte, aber deutlich reduzierende Wirkung auf die Anzahl der Epilepsiefälle hat. In den letzten Jahren rückt auch das Potenzial von Ketonkörpern in der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen verstärkt in den Fokus, allerdings ist die Wirkung eines dauerhaft erhöhten Spiegels zirkulierender Ketonkörper (Ketose) noch nicht ausreichend geklärt. Ketonkörper werden in einem hohen Anteil an Fettsäuren in der Leber produziert und dienen während des Fastens als wichtige Energiequelle für Gehirn und Herz. Die Energiegewinnung durch den Ketonstoffwechsel ist weniger sauerstoffintensiv als sowohl der Glukose- als auch der Fettsäurestoffwechsel, und Ketonsubstanzen können daher ein sehr energieeffizientes Substrat für das Herz sein. Insulinresistente Personen und Menschen mit Herzerkrankungen haben aufgrund des insulinresistenten Zustands Schwierigkeiten, Glukose im Herzen zu verbrennen, und sind daher auf andere Energiequellen wie freie Fettsäuren und Ketone angewiesen. Da Ketone im Vergleich zu Fettsäuren sauerstoffsparend sind, kann eine ketogene Ernährung den Sauerstoffbedarf des Herzens bei Patienten mit verengten Herzkranzgefäßen potenziell reduzieren.

Eine kürzlich durchgeführte Studie hat gezeigt, dass Ketonkörper trotz maximaler Stimulation mit Insulin und Glukose effizient vom Herzen aufgenommen werden. In der Studie erhöhten gesunde Probanden den Spiegel der zirkulierenden Ketonkörper auf ungefähr 4 Millimolar (mM) mit einer kontinuierlichen Ketoninfusion, was zu einer 50%igen Reduzierung des kardialen Glukoseverbrauchs führte. Da der Verbrauch an freien Fettsäuren im Experiment unverändert und die Gesamtarbeit des Herzens gleich war, wurden somit bis zu 50 % des Energieverbrauchs des Herzens durch Ketonkörper gedeckt. Darüber hinaus führten die hohen Ketonkörper zu einer deutlichen Erhöhung des Blutflusses zum Herzen.

Klassische ketogene Diäten enthalten 3-4 mal so viele Gramm Fett wie die Gesamtmenge an Kohlenhydraten und Proteinen. Der Ketonsubstanzspiegel ist auf ca. 7 mM erhöht im Vergleich zu ~ 0,1 mM bei Personen, die eine "normale Diät" einhalten. Leider erfordert die Diät eine vollständige Hingabe an den Diätplan und kann zu unangenehmen Magen-Darm-Nebenwirkungen führen, sodass es große Herausforderungen gibt, die Diät über die Zeit durchzuhalten.

Von großem Interesse ist daher eine modifizierte ketogene Ernährung, bei der Fett ca. 65 % der verbrauchten Gesamtenergiemenge ausmacht und die zirkulierenden Ketonkörper nach dreiwöchiger diätetischer Intervention auf ca. 0,4 mM ansteigen. Es ist noch nicht bekannt, wie hohe Ketonspiegel erforderlich sind, um eine klinisch schützende Wirkung in den lebenswichtigen Organen des Körpers zu erzielen, aber es wird erwartet, dass die Ketonspiegel das gleiche Niveau erreichen wie bei Patienten, die mit den Antidiabetika Natrium-Glucose-Cotransporter (SGLT)-2 behandelt werden Inhibitoren. Die SGLT-2-Hemmung hat in neueren Studien beeindruckende kardiovaskuläre und renale Schutzwirkungen bei Typ-2-Diabetikern gezeigt, was von einer Reihe von Forschern und Klinikern auf die Wirkung auf den erhöhten Spiegel zirkulierender Ketonkörper zurückgeführt wird. Es wurde auch gezeigt, dass ein erhöhter Ketonkörperspiegel die kognitive Funktion bei Patienten mit eingeschränkter Wahrnehmung oder leichter Alzheimer-Krankheit verbessert. Dies kann möglicherweise durch eine erhöhte Durchblutung der Blutgefäße des Gehirns erklärt werden, die bei Ketose auftritt.

Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) in Kombination mit einer Computertomographie (CT) ist ein nicht-invasives bildgebendes Verfahren, das in der onkologischen Staging- und Behandlungsüberwachung gut etabliert ist. Die Technik eignet sich auch zur Verfolgung des Schicksals von Metaboliten, da die meisten Substanzen oder Metaboliten durch ein geeignetes PET-Isotop markiert werden können. PET hat eine ausreichende räumliche und zeitliche Auflösung, um eine direkte Quantifizierung von z. Absorptions- und Oxidationsraten und wurde von unserer Abteilung erfolgreich zur Beurteilung der Herzleistung, des Sauerstoffverbrauchs und des Fettsäurestoffwechsels eingesetzt. Die Forscher entwickeln und validieren derzeit einen PET-Tracer für Ketonkörper namens 11C-Hydroxybutyrat (11C-3-OHB) für Studien am Menschen. Nach der Entwicklung werden die Forscher in der Lage sein, Veränderungen in der Bioverteilung und Kinetik von Ketonkörpern sowohl während einer ketogenen als auch einer westlichen Standarddiät zu erkennen.

Zweck:

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es zu untersuchen, ob eine relativ einfache und kostengünstige modifizierte ketogene Diät eine wirksame nicht-pharmakologische Behandlung von Typ-2-Diabetes und anderen Personen mit einem Risiko für ischämische Herzerkrankungen sein kann. Mittels nicht-invasiver Bildgebung bei der PET wollen die Forscher untersuchen, ob sich der Stoffwechsel von Ketonen und Fettsäuren verändert sowie ob sich der Blutfluss im Herzen während der Ketose erhöht. Blut- und Gewebeproben aus Skelettmuskulatur und Fettgewebe werden untersucht, um die Wirkung der ketogenen Ernährung auf die Insulinsensitivität in diesen Geweben sowie die Lipidzusammensetzung im Blut zu beurteilen. Darüber hinaus werden die Forscher untersuchen, ob die bei Ketose beobachtete verbesserte kognitive Funktion auf eine erhöhte Durchblutung des Gehirns zurückzuführen ist, die durch die Kombination von 15O-Wasser-PET mit einem Magnetresonanz (MR)-Scan nachgewiesen werden kann.

Die bestehende Behandlung von Typ-2-Diabetes und ischämischer Herzkrankheit beinhaltet oft erhebliche pharmakologische Eingriffe, wobei die Teilnehmer oft Schwierigkeiten haben, sich an die richtige Behandlung zu halten. Dies kann an der Nichteinhaltung liegen, aber auch an den möglichen Wechselwirkungen und Nebenwirkungen, die eine pharmakologische Behandlung hervorrufen kann, insbesondere im Falle einer schweren Erkrankung.

Mit dem Projekt wollen die Forscher modernste PET/CT-Herzuntersuchungen im klinischen Kontext nutzbar machen. Die Forscher hoffen daher, dass das Projekt die Möglichkeit aufzeigt, dass eine relativ einfache ketogene Diät eine wirksame nicht-pharmakologische Behandlung von Typ-2-Diabetes oder anderen Personen mit einem Risiko für Herzerkrankungen sein kann.

Methoden:

Die Studie wird als randomisierte, Placebo-kontrollierte Crossover-Studie an 12 gesunden adipösen Teilnehmern (BMI: 28-40 kg/m2) in der Altersgruppe 50-70 Jahre durchgeführt. Vor der Aufnahme werden die Teilnehmer zu einer Studie eingeladen, die ein Gespräch über Gesundheit, Blutuntersuchungen, Messung von Größe, Gewicht, Blutdruck und EKG umfasst. Jeder Studienteilnehmer durchläuft zwei Testperioden von drei Wochen, in denen er bzw. eine ketogene Diät / Standarddiät in zufälliger Reihenfolge mit einer Woche Auslaugung zwischen den Versuchsperioden.

Die Teilnehmer werden in beiden Studienzeiträumen etwa einmal pro Woche telefonisch kontaktiert, um die Einhaltung der Diät sicherzustellen. Zusätzlich wird die Konzentration der Ketonkörper von den Teilnehmern zweimal täglich (7:00 und 19:00 Uhr) mit Ketonstreifen auf einem tragbaren Glukosemessgerät zu Hause gemessen. Wenn die Ketonkörper der Teilnehmer nach einer Woche ketogener Diät um <0,3 mM ansteigen, werden sie ohne weitere Nachsorge aus der Studie ausscheiden.

Am Ende jedes Versuchszeitraums werden die Versuchsteilnehmer zu einem Probetag mit PET-Scans und Stoffwechselstudien einberufen. Für 72 Stunden bis zu den Testtagen werden die Probanden gebeten, Alkohol und anstrengende körperliche Aktivitäten zu vermeiden. Sie werden ihre körperliche Aktivität mit einem Aktivitätsmesser sowie den Blutdruck / die Gefäßsteifigkeit mit einem 24-Stunden-Blutdruckmessgerät (24 Stunden) überwachen lassen. Außerdem werden sie gebeten, ab kl. 21 Uhr abends vor allen Probetagen. Nach jedem Probezeitraum werden die Teilnehmer einem Dual-Energy-Röntgen-Absorptiometrie-Scan (DXA) und einem MR-Scan unterzogen.