Effects of dietary components on intestinal short-chain fatty acids (SCFAs) synthesis in healthy adult persons following a ketogenic diet

• Autorzy: Gudan A. , Skonieczna-Zydecka K. , Palma J. , Drozd A. , Stachowska E.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Background. The ketogenic diet (KD) has been used for almost 100 years in the treatment of drug-resistant epilepsy in children - and adults. The intestinal microbiome has a climax character, and the main factor changing its composition and functions is the diet. Both increased biodiversity and the production of short-chain fatty acids (SCFAs) are important indicators of gut barrier function. SCFAs are synthesized by microorganisms through the fermentation of dietary fibre provided with the diet. They are an important element in signal transduction from the digestive system to other tissues. To date, there is little research to determine how the use of KD alters the SCFAs profile of the human stool. Objective. To assess the SCFAs profile in the stool of healthy and active KD users. Material and methods. Study group: amateur athletes following KD. Control group: amateur athletes following a regular diet (carbohydrates min. 50%); gender: men and women aged 18-60. Material: stool sample (1x10 g). SCFAs content was determined in stool samples using gas chromtography method. Participants completed a Food Frequency Questionnaire (FFQ) and a 72-hour food diary. Results. There research has shown differences in the amount of SCFAs, as far as the results obtained from the two groups are concerned. The discrepancies referred to the levels of acetic, butyric, iso-butyric, valeric, and isovaleric acids. Spearman's rank correlation analysis showed a strong relationship between the consumption of selected dietary components (vegetables, fruits, red meat, poultry, fish, nuts and seeds, sugar, sugar substitutes, fats) and the SCFAs content in the stool of the study group. Conclusions. High consumption of cruciferous and leaf vegetables, berries and nuts on a ketogenic diet may have a positive effect on the profile of short-chain fatty acids produced by the gut microbiome. Changing the diet towards a greater supply of plant products may prevent proteolytic fermentation and reduce the negative effects of microbiome changes caused by an oversupply of protein and fat in the ketogenic diet.

PL

Wprowadzenie. Dieta ketogeniczna (DK) jest stosowana już niemal 100 lat w leczeniu padaczki lekoopornej u dzieci oraz dorosłych. Dieta jest głównym czynnikiem zmieniającym skład i funkcje mikrobioty. Bioróżnorodność mikrobiomu i produkcja krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych (SCFAs) to ważne wskaźniki funkcji bariery jelitowej. SCFAs są produkowane przez mikrobiom podczas fermentacji włókna pokarmowego z diety. Stanowią ważny element w transdukcji sygnału z jelit do tkanek. Do tej pory istnieje niewiele badań określających zmiany profilu SCFAs w stolcu u ludzi na DK. Cel. Ocena profilu SCFAs w stolcu zdrowych i aktywnych osób stosujących dietę ketogeniczną. Materiał i metody. Grupa badana: zdrowe osoby stosujące DK jako swój wybór od minimum miesiąca. Grupa kontrolna: zdrowe osoby stosujące dietę zwyczajową (węglowodany min. 50%); płeć: mężczyźni i kobiety w wieku 18-60 lat. Materiał: kał (1x 10 g) od osób z grupy badanej i kontrolnej. Zawartości SCFAs w próbkach kału oznaczano metodą chromatografii gazowej. Zastosowano kwestionariusz częstotliwości spożycia (FFQ; ang. Food Frequency Questionaire) oraz 72-godzinny pamiętnik żywieniowy. Analiza statystyczna: Med. Calc 19.2 (Ostend, Belgia). Wyniki. Wykazano różnice w zawartości SCFAs w stolcu pomiędzy grupami. Różnice dotyczą zawartości kwasów: octowego, masłowego, izomasłowego, walerianowego i izowalerianowego. Analiza korelacji rang Spearman’a wykazała silne zależności pomiędzy spożyciem wybranych składników diety (warzywa, owoce, czerwone mięso, drób, ryby, orzechy i nasiona, cukier, substytuty cukru, tłuszcze) a zawartością SCFAs w stolcu grupy badanej. Wnioski. Duże spożycie warzyw krzyżowych, warzyw liściastych, owoców jagodowych oraz orzechów na diecie ketogenicznej wydaje się korzystnie wpływać na profil SCFAs w stolcu. Zmiana diety w kierunku większej podaży produktów roślinnych może zapobiegać fermentacji proteolityczej i niwelować negatywne skutki zmian mikrobiomu wywołane nadmierną podażą białka i tłuszczu na diecie ketogennej.

Słowa kluczowe

EN

ketogenic diet; short-chain fatty acid; proteolytic fermentation; intestinal microbiome

PL

dieta ketogenna; krotkolancuchowe kwasy tluszczowe; fermentacja proteolityczna; mikrobiom jelitowy

• Wydawca: -
• Czasopismo: Roczniki Państwowego Zakładu Higieny
• Rocznik: 2022
• Tom: 73
• Numer: 1
• Opis fizyczny: p.51-63,ref.

Twórcy

autor

Gudan A.

• Department of Human Nutrition and Metabolomics, Pomeranian Medical University, Szczecin, Poland

autor

Skonieczna-Zydecka K.

• Department of Biochemical Sciences, Pomeranian Medical University, Szczecin, Poland

autor

Palma J.

• Department of Biochemical Sciences, Pomeranian Medical University, Szczecin, Poland

autor

Drozd A.

• Department of Human Nutrition and Metabolomics, Pomeranian Medical University, Szczecin, Poland

autor

Stachowska E.

• Department of Human Nutrition and Metabolomics, Pomeranian Medical University, Szczecin, Poland

Bibliografia

• 1. E Neal EG, Chaffe H, Schwartz RH, Lawson MS, Edwards N, Fitzsimmons G, Whitney A, Cross JH. The ketogenic diet for the treatment of childhood epilepsy: a randomised controlled trial. Lancet Neurol. 2008 Jun;7(6):500-6. doi: 10.1016/S1474-4422(08)70092-9. Epub 2008 May 2. PMID: 18456557.
• 2. Huttenlocher PR, Wilbourn AJ, Signore JM. Mediumchain triglycerides as a therapy for intractable childhood epilepsy. Neurology. 1971;21(11):1097-1103 doi:10.1212/WNL.21.11.1097
• 3. Schwartz RH, Eaton J, Bower BD, Aynsley-Green A. Ketogenic diets in the treatment of epilepsy: short-term clinical effects. Dev Med Child Neurol. 1989 Apr;31(2):145-51. doi: 10.1111/j.1469-8749.1989. tb03972.x
• 4. Liu H, Yang Y, Wang Y, et al. Ketogenic diet for treatment of intractable epilepsy in adults: A meta‐analysis of observational studies. Epilepsia Open. 2018;3(1):9. doi:10.1002/epi4.12098
• 5. Kossoff EH, Krauss GL, McGrogan JR, Freeman JM. Efficacy of the Atkins diet as therapy for intractable epilepsy. Neurology. 2003 Dec 23;61(12):1789-91. doi: 10.1212/01.wnl.0000098889.35155.72.
• 6. Pfeifer HH, Thiele EA. Low-glycemic-index treatment: A liberalized ketogenic diet for treatment of intractable epilepsy. Neurology. 2005;65(11):1810-1812. doi:10.1212/01.wnl.0000187071.24292.9e
• 7. Tuohy KM, Conterno L, Gasperotti M, Viola R. Upregulating the Human Intestinal Microbiome Using Whole Plant Foods, Polyphenols, and/or Fiber. J Agric Food Chem. 2012;60(36):8776-8782. doi:10.1021/ jf2053959
• 8. Koh A, De Vadder F, Kovatcheva-Datchary P, Bäckhed F. From Dietary Fiber to Host Physiology: Short- Chain Fatty Acids as Key Bacterial Metabolites. Cell. 2016;165(6):1332-1345. doi:10.1016/j.cell.2016.05.041
• 9. Czajkowska A., Szponar B. Krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe (SCFA) jako produkty metabolizmu bakterii jelitowych oraz ich znaczenie dla organizmu gospodarza [Short-chain fatty acids (SCFA) as products of intestinal bacteria metabolism and their role for the host organism. Postepy Hig Med Dosw 2018; (72): 131-142. DOI: 10.5604/01.3001.0011.6468
• 10. Włodarek D. Role of Ketogenic Diets in Neurodegenerative Diseases (Alzheimer’s Disease and Parkinson’s Disease). Nutrients. 2019;11(1):169. doi:10.3390/nu11010169
• 11. Storoni M, Plant GT. The Therapeutic Potential of the Ketogenic Diet in Treating Progressive Multiple Sclerosis. Mult Scler Int. 2015;2015:1-9. doi:10.1155/2015/681289
• 12. Saslow LR, Daubenmier JJ, Moskowitz JT, Kim S, Murphy EJ, Phinney SD, Ploutz-Snyder R, Goldman V, Cox RM, Mason AE, Moran P, Hecht FM. Twelvemonth outcomes of a randomized trial of a moderatecarbohydrate versus very low-carbohydrate diet in overweight adults with type 2 diabetes mellitus or prediabetes. Nutr Diabetes. 2017 Dec 21;7(12):304. doi: 10.1038/s41387-017-0006-9. PMID: 29269731; PMCID: PMC5865541.
• 13. Lindefeldt M, Eng A, Darban H, et al. The ketogenic diet influences taxonomic and functional composition of the gut microbiota in children with severe epilepsy. NPJ Biofilms Microbiomes. 2019;5:5-5. doi:10.1038/s41522-018-0073-2
• 14. Paoli A, Mancin L, Bianco A, Thomas E, Mota JF, Piccini F. Ketogenic Diet and Microbiota: Friends or Enemies? Genes. 2019;10(7):534. doi:10.3390/genes10070534
• 15. Hall N. The Kardashian index: a measure of discrepant social media profile for scientists. Genome Biol. 2014;15(7):424. doi:10.1186/s13059-014-0424-0
• 16. Rhyu H, Cho S-Y. The effect of weight loss by ketogenic diet on the body composition, performance-related physical fitness factors and cytokines of Taekwondo athletes. J Exerc Rehabil. 2014;10(5):326-331. doi:10.12965/jer.140160
• 17. Quach A, Levine ME, Tanaka T, et al. Epigenetic clock analysis of diet, exercise, education, and lifestyle factors. Aging. 2017;9(2):419-446. doi:10.18632/aging.101168
• 18. Miller TL, Wolin MJ. Pathways of acetate, propionate, and butyrate formation by the human fecal microbial flora. Appl Environ Microbiol. 1996;62(5):1589-1592. doi:10.1128/AEM.62.5.1589-1592.1996
• 19. Abdul Rahim MBH, Chilloux J, Martinez-Gili L, et al. Diet-induced metabolic changes of the human gut microbiome: importance of short-chain fatty acids, methylamines and indoles. Acta Diabetol. 2019;56(5):493-500. doi:10.1007/s00592-019-01312-x
• 20. Kårlund A, Gómez-Gallego C, Turpeinen AM, Palooja O-M, El-Nezami H, Kolehmainen M. Protein Supplements and Their Relation with Nutrition, Microbiota Composition and Health: Is More Protein Always Better for Sportspeople? Nutrients. 2019;11(4):829. doi:10.3390/nu11040829
• 21. Weir TL, Manter DK, Sheflin AM, Barnett BA, Heuberger AL, Ryan EP. Stool Microbiome and Metabolome Differences between Colorectal Cancer Patients and Healthy Adults. White BA, ed. PLoS ONE. 2013;8(8):e70803. doi:10.1371/journal.pone.0070803
• 22. Smith EA, Macfarlane GT. Enumeration of amino acid fermenting bacteria in the human large intestine: effects of pH and starch on peptide metabolism and dissimilation of amino acids. FEMS Microbiol Ecol. 1998;25(4):355-368. doi:10.1111/j.1574-6941.1998. tb00487.x
• 23. Pieper R, Boudry C, Bindelle J, Vahjen W, Zentek J. Interaction between dietary protein content and the source of carbohydrates along the gastrointestinal tract of weaned piglets. Arch Anim Nutr. 2014;68(4):263- 280. doi:10.1080/1745039X.2014.932962
• 24. Diether N, Willing B. Microbial Fermentation of Dietary Protein: An Important Factor in Diet–Microbe–Host Interaction. Microorganisms. 2019;7(1):19. doi:10.3390/microorganisms7010019
• 25. Olson CA, Vuong HE, Yano JM, Liang QY, Nusbaum DJ, Hsiao EY. The Gut Microbiota Mediates the Anti-Seizure Effects of the Ketogenic Diet. Cell. 2018;173(7):1728-1741.e13. doi:10.1016/j.cell.2018.04.027
• 26. Ma D, Wang AC, Parikh I, et al. Ketogenic diet enhances neurovascular function with altered gut microbiome in young healthy mice. Sci Rep. 2018;8(1):6670. doi:10.1038/s41598-018-25190-5
• 27. Al-Lahham SH, Peppelenbosch MP, Roelofsen H, Vonk RJ, Venema K. Biological effects of propionic acid in humans; metabolism, potential applications and underlying mechanisms. Biochim Biophys Acta BBA - Mol Cell Biol Lipids. 2010;1801(11):1175-1183. doi:10.1016/j.bbalip.2010.07.007
• 28. Rial S, Karelis A, Bergeron K-F, Mounier C. Gut Microbiota and Metabolic Health: The Potential Beneficial Effects of a Medium Chain Triglyceride Diet in Obese Individuals. Nutrients. 2016;8(5):281. doi:10.3390/nu8050281
• 29. Widmer RJ, Flammer AJ, Lerman LO, Lerman A. The Mediterranean Diet, its Components, and Cardiovascular Disease. Am J Med. 2015;128(3):229-238. doi:10.1016/j.amjmed.2014.10.014
• 30. Paoli A, Cenci L, Grimaldi KA. Effect of ketogenic mediterranean diet with phytoextracts and low carbohydrates/high-protein meals on weight, cardiovascular risk factors, body composition and diet compliance in Italian council employees. Nutr J. 2011;10(1):112. doi:10.1186/1475-2891-10-112
• 31. Wądołowska L., Niedźwiedzka E. Kwestionariusz częstotliwości spożycia żywności- FFQ-6 [Food Frequency Questionnaire with 6 answers]. Available: https://epage.pub/doc/kwestionariuszffq6-3en2dn4ok3

Identyfikatory

DOI

10.32394/rpzh.2022.0196