Valnötter, långkedjiga fleromättade fettsyror och ungdomars hjärnutveckling (WALNUTs)

Tonåren, ett viktigt fönster av möjligheter och sårbarhet för hjärnans utveckling Även om tonåren är mindre väl studerad, är tonåren också en kritisk period för hjärnans utveckling. Hjärnan genomgår viktiga organisatoriska förändringar, med återuppkomsten av gonadotropinfrisättande hormon som utlöser en kaskad av hormonberoende processer. Andra biologiska processer involverar epigenetiska faktorer, som är mycket känsliga för miljön och kan därför göra denna tillväxtperiod mer sårbar för yttre förolämpningar (Morrison, 2013). Dessutom är den prefrontala cortex, som utför viktiga funktioner såsom internt styrda beteenden (kontroll av känslor), logiskt tänkande, arbetsminne och organiseringsförmåga (exekutiv funktion), den sista delen av hjärnan som mognar (tidigt tjugotalet). Den synaptiska plasticiteten i den prefrontala cortexen accentueras under tonåren, en process som involverar förlust av grå substans densitet och en ökning av vit substans volym, cerebralt blodflöde och synaptisk beskärning. Tonåren är också en tid av förfining av hjärnanslutning och komplexa beteenden (Selemon, 2013). Det är allmänt erkänt att hjärnans synaptiska plasticitet minskar med åldern (Morrison, 2013; Selemon, 2013), men detta mönster verkar inte följa en linjär trend, och tonåren är en viktig period under vilken hjärnans utveckling kan förbättras och skyddas från miljöfaror med långsiktiga konsekvenser (allt från luftföroreningar till social stress). Det finns ett behov av större förståelse för de biologiska vägar genom vilka miljön påverkar människans hjärnans utveckling, särskilt under tonåren, när de mest komplexa beteendena förfinas till sofistikerad vuxen ålder.

Långkedjiga fleromättade fettsyror, valnötter och hjärnans utveckling Näring under graviditet, amning, barndom och tonår har en grundläggande inverkan på den övergripande utvecklingen. Essentiella fettsyror är långkedjiga fleromättade syror (LCPUFA) som kroppen inte kan syntetisera av sig själv, och måste erhållas via kosten (främst från fet fisk, frön och nötter). Tre av dessa fettsyror spelar en viktig roll i hjärnans utveckling: omega-3 (docosahexaensyra (DHA) och eikosapentaensyra (EPA)) och omega-6 (arakidonsyra (AA)) (McCann, 2005). LCPUFAs utgör cirka 15 till 30 % av hjärnans torrvikt (Hallahan, 2005) och är involverade i det centrala nervsystemets funktion och arkitektur under olika skeden av livet. Studier visar att DHA reglerar neurotransmissionssystem som serotonerga, dopaminerga, noradrenalinerga och acetylkolinerga system (Fontani, 2005). Av alla ätbara växter har valnötter den högsta nivån av omega-3-fettsyran, alfa-linolensyra (ALA). ALA är prekursorn för DHA och EPA, de två mest essentiella fettsyrorna för hjärnan (Carey, 2013). Valnötter är också rika på fibrer, vitaminer, mineraler och andra bioaktiva ämnen, såsom fenoliska antioxidanter och fytosteroler (Bao, 2013). Flera studier har bekräftat en ökning av n-3 PUFA-nivåer i blodet och förbättringar av lipidprofilen efter ett kortvarigt ingrepp med några valnötter per dag (Marangoni, 2007; Maranhao, 2011). Medan de flesta mänskliga studier har visat de kardiovaskulära fördelarna med valnötsintag (Poulose, 2014), finns det ett behov av att undersöka de potentiella fördelaktiga effekterna på hjärnans utveckling, viss begynnande forskning på vuxna visar positiva resultat i kognition, dessa resultat beskrivs ytterligare i Bakgrund avsnitt (Pribis, 2012; Sánchez-Villegas, 2011). Dessa fynd hos vuxna ger ett bevis på konceptet för de potentiella fördelarna för hjärnutveckling av valnötter, som aldrig har studerats bland unga tonåringar.

Denna fråga skulle kunna undersökas genom att använda en populationsbaserad randomiserad kontrollerad studie för att bedöma om valnötsintag visar gynnsamma effekter på tonåringars hjärnfunktion (med hjälp av neuropsykologiska bedömningar). Det är etiskt och genomförbart att rekommendera och underlätta valnötsintag (30 g/dag; Marangoni, 2007; Maranhao, 2011) under en lång tidsperiod (t.ex. 12 månader; de Ruyter, 2012). En kalifornisk valnöt innehåller ~0,40g n-3 PUFAs (USDA National Nutrient Database for Standard Reference, 2012), så att några valnötter (kärna 30g) per dag skulle uppfylla rekommendationerna att konsumera minst 1g n-3 PUFAs per dag (Food and Nutritional Board, Institute of Medicine of the National Academies, USA, 2014). Unga spanska vuxna (16-25 år) äter i genomsnitt cirka 10 g nötter per dag (Salas, 2013). Fisk och skaldjur innehåller också höga koncentrationer av n-3 PUFA, men ingrepp i skaldjur är kontraindicerade på grund av deras innehåll av metylkvicksilver, en viktig neurotoxisk miljöförorening (Grandjean, 2014). En begränsning för att använda valnötter är att intaget är mindre konsekvent än med ett dagligt pillertillskott på 1g DHA, även om denna specifika livsmedelsrekommendation är socialt kostnadseffektiv och skulle följas av ett bredare spektrum av människor i det globala hälsosammanhanget.

Neuropsykologisk och beteendemässig bedömning, med hjälp av upprepade mätningar Den senaste tidens erfarenhet av att införliva neuropsykologisk bedömning i våra kohortstudier från INMA (Environment and Childhood, Guxens, 2012) har resulterat i fruktbart utbyte av kunskap mellan neuropsykologer och epidemiologer. Datoriserade neuropsykologiska tester som utförs vid upprepade undersökningar är det känsligaste verktyget för att studera hög ordning hjärnans funktion och utveckling i den allmänna befolkningen (Julvez, 2010). Dessutom har dessa tester i populationsbaserade studier visat sig vara mycket känsliga för effekterna av miljö- och näringsdeterminanter (Julvez, 2013). Utredarna kommer att bygga på denna erfarenhet för att effektivt välja lämpligt urval av tester för att täcka de komplexa neurofunktioner som snabbt utvecklas under tonåren, såsom datortester av arbetsminne, exekutiv funktion, motorisk hastighet, visuella resonemang, selektiv och ihållande uppmärksamhet och hämmande funktioner (Selemon, 2012). Vidare kommer de neuropsykologiska testerna att kompletteras med beteendemässiga betygsskalor som syftar till att täcka de socioemotionella effektmåtten som är så viktiga under tidig tonåren (Selemon, 2012; Morrison, 2013). Det faktum att utvärdera andra beteendeområden (d.v.s. social kompetens och ADHD-symtom) kan berika tolkningen av fynden, och eventuellt bidrar det till att ytterligare förstå de inneboende mekanismerna. En begränsning är risken att förlora resultatkonsistens på grund av att man väljer mycket spridda beteendeområden utan att ta hänsyn till kopplingen mellan dem. Det bästa alternativet är ett noggrant urval av neuropsykologiska och beteendemässiga verktyg som effektivt omfattar flera områden av tonårshjärnutveckling. Endast ett fåtal försök med n-3 PUFA bland ungdomar över 11 år har använt datorbaserade neuropsykologiska tester (Janssen, 2014). En nyligen genomförd stor randomiserad kontrollerad studie bland friska unga vuxna med hjälp av datoriserade kognitiva tester fann att reaktionstidslatenser och arbetsminne förbättrades efter 6 månaders DHA-tillskott (Stonehouse, 2013). En dubbelblind, placebokontrollerad studie bland barn med ADHD (7-12 år) fann inga behandlingsassociationer, men i observationsdata rapporterades ett positivt samband mellan DHA-nivåer och datoriserade testresultat med delad uppmärksamhet (Milte, 2012) . Stora försök som mäter neuropsykologisk funktion med hjälp av upprepade datoriserade tester inom samma ämnen har ännu inte genomförts bland friska unga tonåringar, och detta krävs för att bättre förstå den "normala" hjärnans utveckling.

De specifika hypoteserna är:

1. Valnötsintagsintervention under sex månader kommer att förbättra den neuropsykologiska utvecklingen bland tonåringar från den allmänna befolkningen. Utredarna förväntar sig att hitta skillnader mellan de två grupperna (kontroll/valnöt) efter interventionen.
2. Valnötsintagsintervention under sex månader kommer att förbättra beteendemässig (socio-emotionell) utveckling bland tonåringar från den allmänna befolkningen. Utredarna förväntar sig att hitta skillnader mellan de två grupperna efter interventionen.
3. Valnötsintagsintervention under sex månader kommer att öka tillgängligheten av n-3 PUFA i kroppen som kommer att mätas i ett blodprov på minst 200 tonåringar. Utredarna förväntar sig att hitta skillnader mellan de två grupperna (100/100) efter interventionen.
4. n-3 PUFA-nivåer i blod kommer att vara associerade med hjärnans utveckling.

Globalt mål Det globala målet för denna populationsbaserade randomiserade kontrollerade studie är att undersöka om intaget av 30 g valnötskärnor (eller ~1,5 g n-3 PUFA) per dag är fördelaktigt för hjärnans utveckling bland tonåringar. Kombinationen av sofistikerade verktyg för att bedöma hjärnans funktioner, såsom datoriserade neuropsykologiska tester, kommer att ge de exakta data som krävs för att upptäcka även subtila förändringar i hjärnans utveckling till följd av effekterna av näringsinterventionen. Ytterligare bedömningar med hjälp av beteendebetygsskalor kommer att ge oss en bredare inblick i de potentiella effekterna av interventionen.

Specifika mål

1. Bestäm effektiviteten av långsiktig intervention (30 g valnötskärnor per dag i 6 månader) för att förbättra den neuropsykologiska utvecklingen. Detta projekt kommer att ge en ny förståelse för rollen av valnötsintag (som ett surrogat av n-3 PUFA-intag) i hjärnans utveckling hos tonåringar. Detta har en viktig inverkan på globala hälsointerventioner på grund av att sådana insatser är överkomliga i olika samhällsgrupper. Ett stort mål inom folkhälsoforskningen är att ta fram effektiva, kostnadseffektiva och genomförbara hälsorekommendationer.
2. Bestäm effektiviteten av långsiktig intervention (30 g valnötskärnor per dag i 6 månader) för att förbättra beteendeutvecklingen. I kombination med neuropsykologisk (eller kognitiv) utveckling är tonårs beteendemässig (socio-emotionell) utveckling avgörande för en bredare bedömning av hjärnans utveckling.
3. Undersök effekten av interventionen på n-3 PUFA-nivåer i blod och undersök sambandet mellan n-3 PUFA-nivåer och hjärnans utveckling. Vikten här bygger på att förstå den potentiella biologiska vägen mellan interventionen och hjärnans utveckling.

Sekundära mål Att bedöma sambandet mellan kost mätt med FFQ och neuropsykologisk funktion hos ungdomar.

Att bedöma sambandet mellan livsstilsvanor bedömt av allmänt hälsofrågeformulär och neuropsykologisk funktion hos ungdomar.

Att bedöma sambandet mellan luftföroreningar uppskattat av LUR-modeller och ungdomens neuropsykologiska funktion.

Att bedöma sambandet mellan olika beteendeområden under tonåren.

Att bedöma sambandet mellan valnötsinterventionen och biomarkörer relaterade till vägar för oxidativ stress och inflammatoriska system och hjärnfunktion. Dessa biomarkörer är relaterade till kandidat cirkulerande miRNA från hjärnan och en panel av metaboliter från 5 olika klasser (acylkarnitiner, aminosyror, hexoser, fosfo- och sfingolipider och biogena aminer).

METODOLOGI VALNUTTB vetenskapligt tillvägagångssätt består av en ambitiös randomiserad kontrollerad studie i ett stort populationsbaserat urval. Prov: Försöket kommer att omfatta 400 friska tonåringar i varje arm (12-15 år) från Barcelona stad (1 900 000 invånare), deltagarna kommer att slumpmässigt fördelas i två grupper (intervention & kontroll) och följas upp i 6 månader (de Ruyter , 2012) med två identiska serier (före och efter interventionen) av multimodala bedömningar av hjärnans funktion och biomarkörer av n-3 PUFA. Effektberäkning för neuropsykologiska utfall: Tilldela 400 deltagare vardera till interventions- och kontrollgrupperna, och sex primära utfall övervägdes, med en korrelation mellan dem på 0,25. Resultaten ansågs ha medelvärde 100 och standardavvikelse 15, lika många neuropsykologiska poäng i den allmänna befolkningen. Interventionseffekten som skulle upptäckas var 3 poäng. Vi övervägde ett typ-I-fel på 0,05 och korrigerade beräkningar för multiplicitet med Benjamini-Hochberg-metoden. En 10% förlust av uppföljning antogs. Dessutom antog vi att de slutliga modellerna hade en R2 på 20 %. Med alla dessa överväganden skulle den resulterande studien ha 95 % förmåga att upptäcka sambandet med minst ett resultat, 90 % för att upptäcka minst två, 80 % för att upptäcka minst 3, 70 % för att upptäcka minst 4, 55 % till upptäcka minst 5 och 31 % för att upptäcka sambandet med alla sex utfallen.

WP 1: Valnötsingreppet: Design och miljö: Detta försök kan inte förblindas på grund av interventionens karaktär. Kontrollgruppen kommer inte att få någon intervention, förutom allmänna hälsorekommendationer (som i interventionsgruppen) och uppföljande bedömningar. Rekrytering: Sjuksköterskor kommer att rekrytera tonåringar (n=400 i varje arm) i samarbete med 20 gymnasieskolor från Barcelona. Implementering och efterlevnad: Utredarna kommer att utföra ålders- och könsstratifierade slumpmässiga urval för att tilldela försökspersoner till en av de två grupperna. Alla familjer kommer att få en grundläggande guide om att följa en hälsosam kost för att säkerställa implementering och efterlevnad. Familjer i interventionsgruppen kommer att få ytterligare instruktioner om hur man uppmuntrar ungdomen att äta 30 g valnötter per dag under 6 månader, som utredarna kommer att tillhandahålla gratis. Sjuksköterskorna kommer att kontakta familjerna var tredje månad för en kort kontrollintervju och för att administrera ett frågeformulär för matfrekvens (FFQ).

WP 2: Fältarbete och neuropsykologisk bedömning: Utredarna kommer att validera och standardisera datoriserade tester för att minska variabiliteten mellan observatörer under bedömningen och säkerställa att data registreras automatiskt utan fel. Dessutom kommer självrapporterade och internationellt validerade psykometriska skalor att användas för att ytterligare bedöma ungdomars socioemotionella beteende. I detta projekt kommer utredarna att utnyttja interaktionen mellan neuropsykologer och epidemiologer för att testa en rad neuropsykologiska funktioner som täcker de olika komplexa beteenden som är under utveckling under tonåren.

WP 3: Studera interventionseffekterna och rollen av omega-3 fleromättade fettsyror: För att undersöka effekterna av interventionen krävs giltiga mått på resultaten (WP2), liksom giltiga mått på de mellanliggande faktorerna, i denna fall plasma n-3 PUFA nivåer. Blodprover kommer att samlas vid baslinjen och efter interventionen, centrifugeras och plasmaprover förvaras vid -80°C fram till analys. Statistisk analys: Följande statistiska analyser kommer att utföras: 1) Bedöm effekten av interventionen på förhållandet mellan n-6 PUFA och n-3 PUFA (n6-n3 ratio) med hjälp av linjära regressionsmodeller justerade för baslinjenivåer. 2) Bedöm effekten av interventionen på hjärnans utveckling, med hjälp av metoden som beskrivs i 1) ovan; 3) Bedöm effekten av n6-n3-kvoten på hjärnans utveckling vid baslinjen och av n6-n3-kvotens förändring på hjärnans utvecklingsförändring från baslinjen till uppföljningen. 4) Bedöm hur stor andel av effekten av interventionen på hjärnans utveckling som förmedlas av n6-n3 ratio förändring. Denna andel kan beräknas genom att jämföra resultat från modeller med och utan förmedlare. Analyserna 1), 2) och 3) (dvs. de som involverar interventionen) kommer att baseras på intention-to-treat, det vill säga att använda intervention (nej/ja) oavsett efterlevnad, för att uppskatta effekterna av policyn (dvs. att uppmuntra att äta 30 g valnötter per dag), snarare än effekten av valnötskonsumtion.

Tidsram: Utredarna förväntar sig att göra rekryteringen och designa interventionen och utföra en pilot under de första 12 månaderna (pågår sedan januari 2015), och att genomföra interventionen och utföra uppföljning under 12-24 månader. Baslinje- och slutbedömningarna kommer att slutföras efter 24 månader (om utredarna inkluderar 2015), den totala varaktigheten av fältarbetet är två år och ett tredje år kommer att behövas för att utföra dataanalyser.