Effects of dietary phosphorus and calcium-to-phosphorus ratio on calcium and bone metabolism in healthy 20- to 43-year-old Finnish women

Dietary habits have changed during the past decades towards an increasing consumption of processed foods, which has notably increased not only total dietary phosphorus (P) intake, but also intake of P from phosphate additives. While the intake of calcium (Ca) in many Western countries remains below recommended levels (800 mg/d), the usual daily P intake in a typical Western diet exceeds by 2- to 3-fold the dietary guidelines (600 mg/d). The effects of high P intake in healthy humans have been investigated seldom. In this thesis healthy 20- to 43-year-old women were studied. In the first controlled study (n = 14), we examined the effects of P doses, and in a cross-sectional study (n = 147) the associations of habitual P intakes with Ca and bone metabolism. In this same cross-sectional study, we also investigated whether differences exist between dietary P originating from natural P sources and phosphate additives. The second controlled study (n = 12) investigated whether by increasing the Ca intake, the effects of a high P intake could be reduced. The associations of habitual dietary calcium-to-phosphorus ratios (Ca:P ratio) with Ca and bone metabolism were determined in a cross-sectional study design (n = 147). In the controlled study, the oral intake of P doses (495, 745, 1245 and 1995 mg/d) with a low Ca intake (250 mg/d) increased serum parathyroid hormone (S-PTH) concentration in a dose-dependent manner. In addition, the highest P dose decreased serum ionized calcium (S-iCa) concentration and bone formation and increased bone resorption. In the second controlled study with a dietary P intake of 1850 mg/d, by increasing the Ca intake from 480 mg/d to 1080 mg/d and then to 1680 mg/d, the S-PTH concentration decreased, the S-iCa concentration increased and bone resorption decreased dose-dependently. However, not even the highest Ca intake could counteract the effect of high dietary P on bone formation, as indicated by unchanged bone formation activity. In the cross-sectional studies, a higher habitual dietary P intake (>1650 mg/d) was associated with lower S-iCa and higher S-PTH concentrations. The consumption of phosphate additive-containing foods was associated with a higher S-PTH concentration. Moreover, habitual low dietary Ca:P ratios (≤0.50, molar ratio) were associated with higher S-PTH concentrations and 24-h urinary Ca excretions, suggesting that low dietary Ca:P ratios may interfere with homeostasis of Ca metabolism and increase bone resorption. In summary, excessive dietary P intake in healthy Finnish women seems to be detrimental to Ca and bone metabolism, especially when dietary Ca intake is low. The results indicate that by increasing dietary Ca intake to the recommended level, the negative effects of high P intake could be diminished, but not totally prevented. These findings imply that phosphate additives may be more harmful than natural P. Thus, reduction of an excessively high dietary P intake is also beneficial for healthy individuals.

Fosfori ja kalsium ovat luun perusrakennusaineita, joita tarvitaan kestävän luuston muodostumiseen ja ylläpitoon läpi elämän. Samanaikaisesti, kun kalsiumin saanti ravinnosta monilla länsimaalaisilla jää liian vähäiseksi, saadaan fosforia ravinnosta 2-3-kertaisesti yli ravitsemussuositusten (600 mg/vrk). Suomalaiset työikäiset naiset saavat ravinnosta keskimäärin 1360 mg/vrk ja miehet 1780 mg/vrk fosforia. Tähän mennessä ravinnon fosforiin liittyviä tutkimuksia on tehty vain muutamia terveillä ihmisillä. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin, onko ravinnon fosforimäärällä ja fosforilähteillä (ruoan luontaisesti sisältämä fosfori ja ruokaan lisäaineena lisätty fosfori) sekä ruokavalion kalsium-fosforisuhteella vaikutusta kalsiumin ja luun aineenvaihduntaan. Väitöskirjatyö perustui kahteen kokeelliseen tutkimukseen sekä poikkileikkaustutkimukseen terveillä suomalaisilla 20 43-vuotiailla naisilla. Ensimmäisessä tutkimuksessa havaittiin, että mitä suurempi ravinnon fosforimäärä (495, 745, 1245 ja 1995 mg/vrk) sitä enemmän kohosi verinäytteistä määritetyn keskeisen kalsiumin ja luun aineenvaihdunnan merkkiaineen, seerumin lisäkilpirauhashormonin (S-PTH), pitoisuus. Lisäksi suurin fosforiannos vähensi luun muodostusta ja lisäsi luun hajoamista. Toisessa tutkimuksessa ravinnon fosforin saannin ollessa runsasta (1850 mg/vrk) kalsiumin lisääminen ruokavalioon laski S-PTH pitoisuutta ja luun hajoamista ja täten vaikutti edullisesti kalsiumin ja luun aineenvaihduntaan. Kalsiumlisällä ei havaittu olevan vaikutusta luun muodostukseen, mikä viittaa siihen, että tutkimuksessa käytetyillä kalsiumannoksilla (1080 ja 1680 mg/vrk) ei pystytty vähentämään kaikkia runsaan fosforin saannin aiheuttamia haitallisia vaikutuksia. Poikkileikkaustutkimuksessa runsas ravinnon fosforin saanti (>1650 mg/vrk) ja ruoan, joka sisälsi lisäaineena lisättyä fosforia, käyttö olivat yhteydessä kohonneisiin S-PTH-pitoisuuksiin. Lisäksi saatiin viitteitä siitä, että alhainen ruokavalion kalsium-fosforisuhde (≤0.50) voi häiritä kalsiumaineenvaihduntaa ja mahdollisesti tätä kautta lisätä myös luun hajoamista. Tämän väitöskirjatyön tutkimusten perusteella terveiden suomalaisnaisten runsas fosforin saanti näyttää olevan haitallista kalsiumin ja luun aineenvaihdunnalle, varsinkin, jos kalsiumin saanti ravinnosta on vähäistä. Nämä tutkimustulokset viittaavat myös siihen, että lisäaineista peräisin oleva fosfori on haitallisempaa kuin elintarvikkeen luontaisesti sisältämä fosfori. Vaikka näissä tutkimuksissa havaittiin, että ravinnon runsaan fosforin saannin haitallisia vaikutuksia voidaan vähentää, niin silti niitä ei voida kokonaan poistaa ruokavaliolla, joka sisältää riittävästi kalsiumia. Runsaan fosforin saannin vähentäminen näyttäisi olevan perustelua myös terveillä ihmisillä.