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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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330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
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
330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
Lehrziele:• Statistische Besonderheiten in der experimentellen
Ernährungsforschung • Konzeption nationaler und internationaler Ernährungs‐ und
Gesundheitsberichte
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330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
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.
330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
Zeit und Ort:Vorlesung: jeweils Montags, Hörsaal 5, UZA2
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330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
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)
330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
Vorlesungseinteilung:Änderungen der Vorlesungseinteilung sind vorbehalten, je nach Bedarf können einzelne Themen verstärkt bzw. verkürzt angeboten werden.
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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330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
Vorlesungseinteilung:Änderungen der Vorlesungseinteilung sind vorbehalten, je nach Bedarf können einzelne Themen verstärkt bzw. verkürzt angeboten werden.
4.1.2010 Weihnachtsferien11.1.2010 keine Vorlesung18.1.2010(12‐13.30)25.1.2010 Prüfung
330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
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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330062 Methoden der Experimentellen Ernährungsforschung
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 größere Mengen an Blut: • Venipunktion (einmalig) oder• Katheder (venflow)
• Für kleinere Mengen:• Kapillarblut (aus der Fingerspitze)
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Probennahme: Blut
• Für größere Mengen an Blut: • Venipunktion (einmalig) oder• Katheder (venflow)
• Für kleinere Mengen:• Kapillarblut (aus der Fingerspitze)
Probennahme: Blut
• Für größere Mengen an Blut: • Venipunktion (einmalig) oder• Katheder (venflow)
• Für kleinere Mengen:• Kapillarblut (aus der Fingerspitze)
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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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Probennahme: Auftrennung der Lipoproteine
• Differential(ultra)zentrifugation
• Trennung aufgrund der Dichte • (Chylomikronen, VLDL, LDL, HDL)
Probennahme: Auftrennung der Lipoproteine
• Differential(ultra)zentrifugation
• Trennung aufgrund der Dichte • (Chylomikronen, VLDL, LDL, HDL)
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Probennahme: Auftrennung der Lipoproteine
• 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)
Grundsätzliche analytische Verfahren
• Mineralstoffe, Spurenelemente: Atomabsorptionsspektrometrie(AAS)
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Grundsätzliche analytische Verfahren
• Mineralstoffe, Spurenelemente: Inductively Coupled Plasma (MassSpectrometry) ICP(‐MS)
Grundsätzliche analytische Verfahren
• Vitamine: HPLC mit UV/VIS‐Detektion (DiodearraydectectorDAD), Fluoreszenz‐Detektion, Massenspektrometrie
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Grundsätzliche analytische Verfahren
• Vitamine: HPLC mit UV/VIS‐Detektion (DiodearraydectectorDAD), Fluoreszenz‐Detektion, Massenspektrometrie
Grundsätzliche analytische Verfahren
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Grundsätzliche analytische Verfahren
• Vitamine: HPLC mit UV/VIS‐Detektion (DiodearraydectectorDAD), Fluoreszenz‐Detektion, Massenspektrometrie
Grundsätzliche analytische Verfahren
• Vitamine: HPLC mit UV/VIS‐Detektion (DiodearraydectectorDAD), Fluoreszenz‐Detektion, Massenspektrometrie
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Grundsätzliche analytische Verfahren
• Vitamine: Radioimmunoassaysbzw. Enzyme Linked ImmunoSorbentAssays (ELISA)
Grundsätzliche analytische Verfahren
• Fettsäuren: GC mit Flammenionisationsdetektor (FID) oder Massenspektrometriedetektor (MSD)
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Grundsätzliche analytische Verfahren
• 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
ECHI List:www.healthindicators.org
Ernährungsstatus
ECHI List:www.healthindicators.org
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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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Nährstoff statisch funktionell
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
Nährstoff statisch funktionell
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
Nährstoff statisch funktionell
Na (Cl) Na(Cl)‐Ausscheidung Reizleitung (Nerven)
K K‐Ausscheidung Reizleitung (Herzmuskel)
Mg Mg‐Ausscheidung Reizleitung (Skelettmuskel)
Ca Ca‐Ausscheidung Knochendichte
Ernährungsstatus
Nährstoff statisch funktionell
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
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
Nährstoff statisch funktionell
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
51
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
10 - unter 18 J. 0.035 x <kg> + 1.948 x <m> + 0.837 0.068 x <kg> + 0.574 x <m> + 2.157
18 - unter 30 J. 0.057 x <kg> + 1.184 x <m> + 0.411 0.063 x <kg> + 0.042 x <m> + 2.953
30 - unter 60 J. 0.034 x <kg> + 0.006 x <m> + 3.530 0.048 x <kg> + 0.011 x <m> + 3.670
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
Der Bundeslebensmittelschlüssel (BLS) bzw. der Österreichische Lebensmittelschlüssel (OeLS)
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
Der Bundeslebensmittelschlüssel (BLS) bzw. der Österreichische Lebensmittelschlüssel (OeLS)
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)
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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
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