Nutrition and bone metabolism : In vivo effects of inorganic phosphate on rats and in vitro effects of bioactive tripeptides on human osteoblasts

Nutrition affects bone health throughout life. To optimize peak bone mass development and maintenance, it is important to pay attention to the dietary factors that enhance and impair bone metabolism. In this study, the in vivo effects of inorganic dietary phosphate and the in vitro effects of bioactive tripeptides, IPP, VPP and LKP were investigated. Dietary phosphate intake is increased through the use of convenience foods and soft drinks rich in phosphate-containing food additives. Our results show that increased dietary phosphate intake hinders mineral deposition in cortical bone and diminishes bone mineral density (BMD) in the aged skeleton in a rodent model (Study I). In the growing skeleton (Study II), increased phosphate intake was observed to reduce bone material and structural properties, leading to diminished bone strength. Studies I and II revealed that a low Ca:P ratio has negative effects on the mature and growing rat skeleton even when calcium intake is sufficient. High dietary protein intake is beneficial for bone health. Protein is essential for bone turnover and matrix formation. In addition, hydrolysis of proteins in the gastrointestinal tract produces short peptides that possess a biological function beyond that of being tissue building blocks. The effects of three bioactive tripeptides, IPP, VPP and LKP, were assessed in short- and long-term in vitro experiments. Short-term treatment (24 h) with tripeptide IPP, VPP or LKP influenced osteoblast gene expression (Study III). IPP in particular, regulates genes associated with cell differentiation, cell growth and cell signal transduction. The upregulation of these genes indicates that IPP enhances osteoblast proliferation and differentiation. Long-term treatment with IPP enhanced osteoblast gene expression in favour of bone formation and increased mineralization (Study IV). The in vivo effects of IPP on osteoblast differentiation might differ since eating frequency drives food consumption, and protein degradation products, such as bioactive peptides, are available periodically, not continuously as in this study. To sum up, Studies I and II raise concern about the appropriate amount of dietary phosphate to support bone health as excess is harmful. Studies III and IV in turn, support findings of the beneficial effects of dietary protein on bone and provide a mechanistic explanation since cell proliferation and osteoblast function were improved by treatment with bioactive tripeptide IPP.

Osteoporoosi on luustosairaus, jossa luuston mineraalitiheys alenee ja murtuma-alttius lisääntyy. Sairauden hoitoon on kehitetty lääkkeitä, mutta tehokkainta ja edullisinta olisi osteoteoporoosin ennaltaehkäisy. Perimän vaikutus on merkittävä maksimaalisen luumassan muodostumisessa, kun taas luun hajoamisprosessissa korostuvat elintavat. Luustoystävällisiin elintapoihin kuuluvat liikunta ja oikea ravitsemus. Ravinnon luustovaikutukset voivat olla positiivisia tai negatiivisia. Tässä väitöskirjatyösssä on tutkittu ravinnon epäorgaanisen fosfaatin vaikutuksia elävään elimistöön (in vivo) ja biologisesti aktiivisten tripeptidien IPP, VPP ja LKP vaikutuksia luusoluihin (in vitro). Luukudoksen mekaaniset ominaisuudet, vetolujuus ja puristuslujuus, perustuvat kollageeniin ja mineraaleihin. Mineraaleista pääosan muodostaa kalsiumfosfaatti eli hydroksiapatiitti. Riittävä fosfaatin saanti on edellytys normaalille luunmuodostukselle, mutta runsasfosfaattisen ruokavalion on todettu aiheuttavan luun menetystä. Suomalaisten fosfaatinsaanti ylittää suositukset 2-3 kertaisesti. Tämän väitöskirjan osatöiden I ja II tulokset osoittavat, että korkea fosfaatinsaanti estää luun kuorikerroksen mineralisoitumista ja alentaa luun mineraalitiheyttä aikuisen rotan luustossa (osatyö I). Nuoren rotan kasvavassa luustossa (osatyö II) fosfaatti heikensi luun materiaalisia ja rakenteellisia ominaisuuksia ja lisäsi luiden murtuma-alttiutta. Osatyöt I ja II osoittivat, että liiallisella fosfaatinsaannilla on epäedullisia vaikutuksia sekä aikuisen että kasvavan rotan luustoon, siitä huolimatta, että kasiumin saanti olisi suositellulla tasolla. Proteiinipitoinen ruokavalio vahvistaa luustoa. Proteiini toimii luukudoksen rakennusmateriaalina, matriisina johon mineraalit kiinnittyvät. Ruoansulatuskanavassa ravinnon proteiini pilkkoutuu aminohappoketjuiksi, peptideiksi, joista osalla on biologisia lisävaikutuksia. Tällaisia peptidejä kutusutaan biologisesti aktiivisiksi . Osatöissä III ja IV tutkittiin kolmen biologisesti aktiivisen tripeptidin, IPP, VPP ja LKP lyhyt- ja pitkäaikaisia vaikutuksia luunmuodostajasoluihin eli osteoblasteihin. Lyhytaikainen (24 h) tripeptidialtistus aiheutti muutoksia osteoblastien geenien ilmenemisessä (osatyö III). Erityisesti IPP sääteli geenejä, jotka osallistuvat solujen erilaistumiseen, kasvuun ja solusignaleihin. Näiden genien lisääntynyt aktiivisuus viittaa IPP:n lisäävän osteoblastien muodostumista ja erilaistumista. Pitkäaikainen altistus IPP tripeptidille aktivoi luunmuodostusta lisäävien geenien ilmenemistä ja solujen mineraalin muodostusta (osaty IV). Yhteenvetona voidaan sanoa, että osatyöt I ja II herättävät pohtimaan sopivaa fosfaatinsaantitasoa, sillä liiallinen saanti on varsin epäedullista luustolle. Osatyöt III ja IV tukevat aiempia tutkimustuloksia joissa proteiinipitoinen ravinto on osoitettu luustolle hyväksi. Lisäksi osatyöt III ja IV antavat lisävalaistusta niihin mekanismeihin, miten proteiini suojaa ja vahvistaa luustoa, koska tulokset osoittivat tripeptidikäsittelyn tehostavan osteoblastien toimintaa ja luunmuodostusta.