Essential Trace Elements: From Monitoring Supply Status to Elucidating Transfer Across the Blood-Brain Barrier

Abstract

Diese Dissertation untersucht essentielle Spurenelemente (TEs) im Kontext der menschlichen Gesundheit und des Alterungsprozesses, wobei der Fokus auf essentiellen TEs wie Zink (Zn), Selen (Se), Kupfer (Cu), lod (I), Eisen (Fe) und Mangan (Mn) liegt. Diese TEs sind entscheidend für die Aufrechterhaltung physiologischer Prozesse wie der Immunantwort, der antioxidativen Aktivität sowie Zellfunktionen, wobei ihre Homöostase im Körper streng reguliert ist. Störungen der TE-Homöostase – bedingt durch Alterung, Ernährung oder andere Faktoren – können zu Stoffwechselstörungen mit potenziellen gesundheitlichen Folgen, wie beispielsweise neurodegenerative Erkrankungen führen.

Die vorliegende Arbeit umfasst Humaninterventionsstudien im Rahmen der Langzeit-Überwachung, der Biomarkerforschung und der postprandialen Serumvariabilität sowie ein in vitro-Modell der Blut-Hirn-Schranke (BHS), um die Dynamik von TEs in verschiedenen Lebensphasen und unter verschiedenen Bedingungen zu verstehen.

In Kapitel 2 wurde über zwei Jahre –im Rahmen einer diätetischen Interventionsstudie im NutriAct-Projekt– der Mineralstoffstatus einer deutschen Population mittleren Alters überwacht. Die Ergebnisse zeigten als Folge der implementierten spezifischen Ernährungsmuster signifikante Veränderungen in den Serum-TE-Konzentrationen, insbesondere bei Zn, Se und Mn. Die Serum-Zn-Konzentrationen nahmen im Laufe der Zeit signifikant ab, während die Se- und Mn-Konzentrationen anstiegen. Die Ergebnisse dieser Studie deutet auf einen direkten Zusammenhang zwischen Ernährungsgewohnheiten und Serum-Zn-, Se- und Mn-Profilen hin. Darüber hinaus bestätigte der Anstieg der Selenoprotein P (SELENOP)-Konzentrationen im Serum erneut seine Eignung als passender Biomarker für den Se-Status.

Kapitel 3 untersucht ebenfalls die NutriAct-Kohorte und prüft den Zusammenhang zwischen dem Schilddrüsenhormonstoffwechsel und den intrahepatischen Lipiden. In den ersten 12 Monaten der Intervention konnte ein Rückgang der Gesamt- und freien Triiodthyronin (T3)-Konzentrationen sowie ein Abfall der intrahepatischen Lipide beobachtet werden. Gleichzeitig blieben die Konzentrationen des Gesamt- und freien Thyroxins (T4) und des Schilddrüsen-stimulierenden Hormons (TSH) konstant, was auf einen euthyreoten Status in der repräsentativen Population hinweist. Dieses Kapitel hebt einen potenziellen Zusammenhang zwischen peripheren T3-Konzentrationen und Leberfett hervor, was darauf hindeutet, dass der Lipidstoffwechsel durch Variationen in diesem Schilddrüsenhormon beeinflusst werden könnte, unabhängig von der Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsen (HPT) Achse.

In Kapitel 4 wurden die postprandiale Serum-TE-Variabilität und Bioverfügbarkeit bei jungen und älteren Probanden in der BioMiEL-Studie untersucht. Es wurden altersbedingte Unterschiede in den Ausgangsserumkonzentrationen von Zn, Se und Cu festgestellt, wobei ältere Teilnehmer höhere Serum-Cu- und Se-Konzentrationen, aber niedrigere Zn-Konzentrationen aufwiesen, was in einem erhöhten Cu/Zn-Verhältnis resultierte. Während postprandiale Änderungen in den Serum-TE-Konzentrationenn generell begrenzt waren, wurden einige Variationen bei Cu, Se und I beobachtet, die Unterschiede im TE-Stoffwechsel zwischen den Altersgruppen widerspiegeln könnten. Insbesondere Zn zeigte starke zeitabhängige Schwankungen, was auf seine Sensibilität gegenüber postprandialen Veränderungen hinweist. Im Gegensatz dazu blieb die freie Zn-Fraktion im Serum weitgehend unverändert, was auf einen kompensatorischen Mechanismus hindeutet, der unabhängig von der postprandialen Variabilität der gesamten Serum-Zn-Konzentrationen ist.

Kapitel 5 befasst sich mit dem Se-Status von Veganern, einer Gruppe, die aufgrund diätetischer Einschränkungen einem Se-Mangelrisiko ausgesetzt ist. Durch gezielte diätetische Interventionen, einschließlich der Se-Supplementierung oder des täglichen Verzehrs von Paranussmus, wurden innerhalb von zwei Wochen signifikante Anstiege der Serum-Se-Konzentrationen und der SELENOP-Konzentrationen beobachtet. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung diätetischer Se-Quellen für die Verbesserung des Se-Status, insbesondere bei Bevölkerungsgruppen, die sich pflanzenbasiert ernähren.

In Kapitel 6 wurde ein Modell bestehend aus Gehirnendothelzellen des Schweins (PBCEC) verwendet, um den Zn-modulierten bidirektionalen Cu-Transfer über die BHS zu untersuchen. Das Zellkultursystem der BHS spiegelt die in vivo-Bedingungen des Cu- und Zn-Transports wider, wobei Cu während einer 48-stündigen Inkubationsperiode von der Blutseite (apikal) auf die Gehirnseite (basolateral) übertragen wurde. Die Co-Inkubation mit Zn führte zu einem reduzierten Cu/Zn-Verhältnis (< 1) auf der apikalen Seite, was den Cu-Transfer über die BHS hemmte oder verlangsamte. Dies könnte auf eine erhöhte intrazelluläre Sequestrierung von Cu durch Metallothionein (MT) zurückzuführen sein, einem Protein, dessen Expression durch die Verfügbarkeit von Zn hochreguliert wird. Für den umgekehrten Cu-Transfer wurde keine solche Hemmung durch Zn beobachtet, was darauf hindeutet, dass BHS-Endothelzellen möglicherweise dazu beitragen könnten, erhöhte Cu-Konzentrationen im Gehirn zu reduzieren. Bemerkenswerterweise zeigte Zn selbst keinen signifikanten Transfer zwischen den Kompartimenten, was lediglich auf einen minimalen Austausch über die BHS hinweist. Darüber hinaus blieb die Integrität der BHS unter den verschiedenen Inkubationsbedingungen unbeeinflusst.

Diese Dissertation unterstreicht die Bedeutung des Verständnisses der TE-Dynamik in Bezug auf die Ernährung und das Altern. Sie hebt das Potenzial diätetischer Interventionen zur Verbesserung des TE-Status hervor, insbesondere hinsichtlich eines Se-Mangels für gefährdete Gruppen wie Veganer oder ältere Menschen, und betont den Bedarf an weiterer Forschung zu den Interaktionen verschiedener TEs und deren Auswirkungen auf Stoffwechsel- und neurodegenerative Erkrankungen. Um den TE-Status vollständig bewerten zu können, ist es unerlässlich, robuste Methoden sowie ein umfassendes Spektrum an Biomarkern des TE-Status einzusetzen. Dieser Ansatz gewährleistet eine genauere Beurteilung der TE-Homöostase und trägt zur Optimierung von Interventionen bei, die auf altersbedingte, ernährungsbedingte oder auch synergistisch bedingte TE-Defizite abzielen.

This dissertation investigates the role of trace elements (TEs) in human health and the aging process, focusing on essential elements like zinc (Zn), selenium (Se), copper (Cu), iodine (I), iron (Fe), and manganese (Mn). These TEs are crucial for maintaining physiological processes such as immune response, antioxidant activity, and cellular function, with their homeostasis being tightly regulated by the body. Disruptions in TE homeostasis —due to aging, dietary intake, or other factors— can lead to metabolic imbalances with potential health consequences, including neurodegenerative diseases. The thesis encompasses human intervention studies under the scope of long-term monitoring, biomarker research and postprandial serum variability and an in vitro blood-brain barrier (BBB) model to understand the dynamics of TEs across different life stages and conditions.

In Chapter 2, throughout a dietary intervention study within the NutriAct project we monitored the mineral status of a middle-aged German population over two years. The primary findings revealed significant shifts in serum TE concentrations, particularly Zn, Se, and Mn, as a result of the implemented specific dietary patterns. Serum Zn concentrations significantly declined over time, whereas Se and Mn levels increased. This study suggests a direct link between dietary patterns and serum Zn, Se, and Mn profiles. Additionally, the rise in serum selenoprotein P (SELENOP) concentrations reaffirmed its utility as a suitable biomarker for Se status.

Chapter 3 further investigates the NutriAct cohort, examining the association between thyroid hormone (TH) metabolism and intrahepatic lipids. Over the first 12 months of the intervention, a reduction in total and free triiodothyronine (T3) levels was observed, alongside a decrease in intrahepatic lipids. However, total and free thyroxine (T4) and thyroid-stimulating hormone (TSH) remained stable, indicating an euthyroid status within the representative population. This chapter highlights a potential link between peripheral T3 concentrations and liver fat, suggesting that lipid metabolism might be influenced by thyroid hormone variations independent of the hypothalamic-pituitary-thyroid (HPT) axis.

In Chapter 4, postprandial serum TE variability and bioavailability were assessed in young and elderly participants within the BioMiEL study. Age-related differences in baseline serum concentrations of Zn, Se, and Cu were observed, with older participants displaying higher serum Cu and Se levels, but lower Zn levels, leading to an elevated Cu/Zn ratio. While postprandial changes in serum TE levels were generally limited, some variations in Cu, Se, and I were noted, which may reflect differences in TE metabolism between age groups. Zn, in particular, showed strong time-dependent fluctuations, indicating its sensitivity to postprandial changes. Contrary, the free Zn fraction in serum remained in general stable, indicating a compensatory mechanism which might be independent of postprandial total serum Zn variability.

Chapter 5 addresses the Se status of vegans, a group at risk of Se deficiency due to dietary restrictions. Through targeted dietary interventions, including Se supplementation or the daily consumption of Brazil nut spread, significant improvements in serum Se levels and SELENOP concentrations were observed within two weeks. These findings emphasize the importance of dietary Se sources in improving Se status, especially in populations adhering to plant-based diets.

In Chapter 6, a porcine brain capillary endothelial cell (PBCEC) model was employed to explore the Zn-modulated bidirectional Cu transfer across the BBB. The BBB cell culture system mimicked the in vivo conditions of Cu and Zn transport, with Cu being transferred from the blood side (apical) to the brain side (basolateral) during a 48-h incubation period. Co-incubation with Zn led to a reduced Cu/Zn ratio (<1) on the apical side, inhibiting or slowing Cu transfer across the BBB. This inhibition may be attributed to increased intracellular sequestration of Cu by metallothionein (MT), a protein upregulated by Zn availability. Such inhibition was not observed for the reverse Cu transfer, suggesting that BBB endothelial cells may help mitigate elevated Cu levels within the brain. Notably, Zn itself showed no significant transfer between compartments, suggesting minimal exchange across the BBB. Additionally, the integrity of the BBB remained unaffected by the different incubation conditions.

This thesis emphasizes the importance of understanding TE dynamics in relation to dietary intake and aging. It highlights the potential of dietary interventions to improve TE status, particularly for vulnerable groups, such as vegans or the elderly, and underscores the need for further research into the interactions between multiple TEs and their impact on metabolic and neurodegenerative diseases. To fully assess TE status, it is crucial to employ robust methodologies, along with a comprehensive spectrum of TE status and biomarkers. This approach ensures a more accurate evaluation of TE homeostasis and better informs interventions aimed at mitigating agerelated, diet-induced or combined deficiencies.