07.06.2006, 11:43
Am J Clin Nutr 2005;82:1107–14.
Long-term protein intake and dietary potential renal acid load are
associated with bone modeling and remodeling at the proximal radius
in healthy children
Ute Alexy, Thomas Remer, Friedrich Manz, Christina M Neu, and
Eckhard Schoenau
From the Research Institute of Child Nutrition, Dortmund, Germany
(UA, TR, and FM), and the Children’s Hospital, University of Cologne,
Cologne, Germany (CMN and ES).
Supported by the Ministry of Science and Research North Rhine–Westphalia,
Germany, and by a research grant from Protina PharmGmbH(to TR).
Address correspondence to T Remer, Research Institute of Child Nutrition,
Department of Nutrition and Health, Heinstueck 11, D-44225 Dortmund,
Germany. E-mail: remer@fke-do.de
ABSTRACT
Background: Protein and alkalizing minerals are increasingly described
as playing a major role in influencing bone status, not only in
the elderly but also in children and adolescents.
Objective: We examined whether the long-term dietary protein
intake and diet net acid load are associated with bone status in
children.
Design: In a prospective study design in 229 healthy children and
adolescents aged 6–18 y, long-term dietary intakes were calculated
from 3-d weighed dietary records that were collected yearly over the
4-y period before a one-time bone analysis. Dietary acid load was
characterized as potential renal acid load (PRAL) by using an algorithm
including dietary protein, phosphorus, magnesium, and potassium.
Proximal forearm bone variables were measured by peripheral
quantitative computed tomography.
Results: After adjustment for age, sex, and energy intake and control
for forearm muscularity, BMI, growth velocity, and pubertal development,
we observed that long-term dietary protein intake was significantly
positively associated with periosteal circumference (P < 0.01), which
reflected bone modeling, and with cortical area (P < 0.001), bone mineral
content (P < 0.01), and polar strength strain index (P< 0.0001), which
reflected a combination of modeling and remodeling. Children with a higher
dietary PRAL had significantly less cortical area (P < 0.05) and bone mineral
content (P < 0.01). Long-term calcium intake had no significant effect on
any bone variable.
Conclusions: Long-term dietary protein intake appears to act anabolically
on diaphyseal bone strength during growth, and this may be negated, at least
partly, if dietary PRAL is high, ie, if the intake of alkalizing minerals is low.
___________
Editorial
Am J Clin Nutr 2005;82:921–2.
Dietary protein content and the diet’s net acid load: opposing effects
on bone health
Anthony Sebastian
From the Department of Medicine, Division of Nephrology, and the
Moffitt/Mt-Zion General Clinical Research Center, University of California
San Francisco, San Francisco, CA.
In this issue of the Journal, Alexy et al (1) report on a study they
performed in children and adolescents, the results of which relate
to the subject of the long-term relative effects on bone health of
the protein content of the diet compared with that of the diet’s net
load of acid in the body. We consider their findings of potential
importance not only for children and adolescents but also for
adults because of the controversy that prevails about whether
dietary protein has an anabolic or catabolic effect on bone. Their
findings may provide insight into the interplay of circumstances
that determine when dietary protein has a beneficial or detrimental
effect on bone.
Alexy et al collected dietary intake data over 4 y in 229healthy
children and adolescents aged 6–18 y. After 4 y, they analyzed
the diet composition data in relation to proximal forearm bone
variables, measured by quantitative computed tomography. After
adjustment for potential confounders, they found significant
associations of protein intake with improved bone variables,
including bone cortex area and—importantly during growth—
with bone mineral content. At the same time, they found significant
negative associations of the diet’s net acid load with those
variables. Higher long-term protein intakes were thus associated
with the bone variables as an anabolic factor, whereas higher
long-term diet-dependent net acid loads were associated with
those variables as a catabolic factor. The net effect proved anabolic
but was apparently short of protein’s anabolic potential
because of the catabolic effect of the positive net acid load.
On the basis of the findings of Alexy et al, we speculate that
dietary modifications designed to maintain a protein-rich diet
and eliminate a net acid load to the body would improve bone
health axially and peripherally in children, adolescents, and
young adults and would promote the achievement of their genetic
potential for peak bone mass. Alexy et al’s findings provide both
a rationale and an incentive to explore these possibilities interventionally.
From the findings of the Framingham Osteoporosis
Study in adults, Tucker et al (2) likewise speculated on the relative
effects of the diet’s protein content and acid load on bone.
We should not find it surprising that dietary protein has a
magnitude-dependent anabolic effect on bone, because protein
supplies the amino acid substrates for building bone matrix. In
animals, dietary essential amino acid supplementation increases
bone trabecular architecture, cortical thickness, and bone
strength. Moreover, in humans, essential amino acid supplementation
increases circulating concentrations of insulin-like growth
hormone I (IGF-I) (3), a recognized bone growth–promoting
factor. High-protein diets likewise typically increase circulating
IGF-I concentrations (4). Cross-sectional studies in postmenopausal
women have shown a positive association of circulating
IGF-I concentrations with bone mineral density and subnormal
IGF-I concentrations in patients with osteoporosis; the lowest
concentrations were in those persons who had sustained fractures.
Other studies have shown that short-term (2 mo) administration
of recombinant human IGF-I improves bone mass gain
during recovery from hip fracture. Thus, protein-induced increases
in IGF-I concentrations may account, at least in part, for
the anabolic effect of dietary protein on bone.
Furthermore, we should not find it surprising that the diet’s net
acid load has a magnitude-dependent catabolic effect on bone.
The diet’s positive net acid load induces low-grade metabolic
acidosis (5), and, in postmenopausal women, the administration
of alkalinizing salts of potassium that reduce that net acid load
and ameliorate the systemic acidosis improves calcium and phosphorus
balance (6) and reduces bone resorption markers (6, 7).
The observation by Alexy et al that a catabolic effect on bone
related to the magnitude of the diet’s net acid load can at least
partially offset the anabolic effect of higher dietary protein intakes
inspires a hypothesis to explain why some studies suggest
beneficial bone effects with higher protein intakes (2, 8, 9),
whereas others suggest detrimental bone effects (10, 11). We
hypothesize that the balance between the amount of protein in the
diet (anabolic effect) and the net acid load of the diet (catabolic
effect) in part determines whether the diet as a whole has a net
anabolic or catabolic effect on bone.
If a lower dietary net acid load permits greater anabolic effects
of protein on bone, we might want to consider whether a negative
dietary net acid load (ie, net base-producing diets) might optimize
the anabolic effects of dietary protein on bone. The metabolic
alkalosis expected with a net base-producing diet itself has
an anabolic effect on bone (12), and the metabolic acidosis expected
with a net acid-producing diet, in addition to producing
negative effects on the body’s calcium economy, reduces serum
IGF-I concentrations (13). Therefore, the combination of a net
base-producing, alkalosis-producing diet and a high-protein diet
might optimize peak bone mass achievement during development
and greatly mitigate or eliminate age-related decreases in
bone mass. Indeed, from an evolutionary perspective, natural
selection may have designed human physiology to best fit a
dietary environment of high protein consumption and net base
production (14).
For Americans and peoples of industrialized countries to
achieve the combination of a high-protein diet and a net baseproducing
diet, a considerable change in food consumption patterns
would be required (14). This change would involve the
consumption of greatly increased amounts of bicarbonate precursor
–rich plant source foods—such as leafy green vegetables,
stalks, roots and tubers, and fruit—and the consumption of
greatly reduced amounts of energy-dense, nutrient-limited
foods—such as fats and oils and refined carbohydrates—and net
acid-producing cereal grains (14). Such a diet would resemble
that of prehistoric hunter-gatherers. How to become a 21st century
urban hunter-gatherer requires considerations beyond the
scope of this review (15).
REFERENCES
1. Alexy U, Remer T, Manz F, Neu CM, Schoenau E. Long-term protein
intake and dietary potential renal acid load are associated with bone
modeling and remodeling at the proximal radius in healthy children.
Am J Clin Nutr 2005;82:1107–14.
2. Tucker KL, Hannan MT, Kiel DP. The acid-base hypothesis: diet and
bone in the Framingham Osteoporosis Study. Eur J Nutr 2001;40:231–7.
3. Clemmons DR, Seek MM, Underwood LE. Supplemental essential
amino acids augment the somatomedin-C/insulin-like growth factor I
response to refeeding after fasting. Metabolism 1985;34:391–5.
4. Schurch MA, Rizzoli R, Slosman D, Vadas L, Vergnaud P, Bonjour JP.
Protein supplements increase serum insulin-like growth factor-I levels
and attenuate proximal femur bone loss in patients with recent hip fracture.
A randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Ann Intern
Med 1998;128:801–9.
5. Kurtz I, Maher T, Hulter HN, Schambelan M, Sebastian A. Effect of diet
on plasma acid-base composition in normal humans. Kidney Int 1983;
24:670–80.
6. Sebastian A, Harris ST, Ottaway JH, Todd KM, Morris RC Jr. Improved
mineral balance and skeletal metabolism in postmenopausal women
treated with potassium bicarbonate. N Engl J Med 1994;330:1776–81.
7. MarangellaM,Di StefanoM,Casalis S, Berutti S, D’Amelio P, Isaia GC.
Effects of potassium citrate supplementation on bone metabolism. Calcif
Tissue Int 2004;74:330 –5.
8. Promislow JH, Goodman-Gruen D, Slymen DJ, Barrett-Connor E. Protein
consumption and bone mineral density in the elderly: the Rancho
Bernardo Study. Am J Epidemiol 2002;155:636–44.
9. Wengreen HJ, Munger RG, West NA, et al. Dietary protein intake and
risk of osteoporotic hip fracture in elderly residents of Utah. J Bone
Miner Res 2004;19:537– 45.
10. Frassetto LA, Todd KM, Morris RC Jr, Sebastian A. Worldwide incidence
of hip fracture in elderly women: relation to consumption of
animal and vegetable foods. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 2000;55:
M585–92.
11. Sellmeyer DE, Stone KL, Sebastian A, Cummings SR. A high ratio of
dietary animal to vegetable protein increases the rate of bone loss and the
risk of fracture in postmenopausal women. Study of Osteoporotic Fractures
Research Group. Am J Clin Nutr 2001;73:118 –22.
12. Bushinsky DA. Metabolic alkalosis decreases bone calcium efflux by
suppressing osteoclasts and stimulating osteoblasts.AmJ Physiol 1996;
271:F216 –22.
13. Brungger M, Hulter HN, Krapf R. Effect of chronic metabolic acidosis
on the growth hormone/IGF-1 endocrine axis: new cause of growth
hormone insensitivity in humans. Kidney Int 1997;51:216 –21.
14. Sebastian A, Frassetto LA, Sellmeyer DE, Merriam RL, Morris RC Jr.
Estimation of the net acid load of the diet of ancestral preagricultural
Homo sapiens and their hominid ancestors. Am J Clin Nutr 2002;76:
1308–16.
15. O’Keefe JH Jr, Cordain L. Cardiovascular disease resulting from a diet
and lifestyle at odds with our Paleolithic genome: how to become a
21st-century hunter-gatherer. Mayo Clin Proc 2004;79:101– 8.
__________
Übersetzung by meezer:
In dieser Ausgabe des Journals berichten Alexy et al von ihrer Untersuchung an Kindern und Jugendlichen, deren Ergebnisse einen Zusammenhang zwischen den relativen Langzeiteffekten des Proteingehalts der Nahrung auf die Knochengesundheit mit den Effekten der Netto-Säurelast der Nahrung auf den Körper herstellen. Wir erachten diese Resultate als potentiell wichtig - nicht nur für Kinder und Jugendliche, sondern auch für Erwachsene -, im Hinblick auf die Kontroverse, die darüber besteht, ob Protein eine anabole oder katabole Wirkung auf die Knochen hat. Die Resultate könnten uns Einblicke in das Zusammenspiel der Umstände ermöglichen, die bestimmen, wann Nahrungsprotein einen günstigen oder ungünstigen Effekt auf die Knochen hat.
Alexy et al sammelten 4 Jahre lang Daten über die Nahrungsaufnahme von 229 gesunden Kindern und Jugendlichen im Alter von 6 bis 18 Jahren. Nach 4 Jahren analysierten sie die Zusammensetzung der Nahrung im Bezug auf die Knochenvariablen des proximalen Unterarms, welche mittels quantitativer Computertomographie bestimmt wurden. Nach Ausschluss potentieller Fehlerquellen entdeckten sie eine signifikante direkte Beziehungen zwischen der Höhe der Proteinaufnahme, welche die Knochenvariablen einschl. Knochenkortexfläche verbesserte, und dem Knochenmineralgehalt, der während des Wachstums von besonderer Wichtigkeit ist. Zugleich entdeckten sie signifikante inverse Beziehungen zwischen der Netto-Säurelast der Nahrung und diesen Variablen. Eine längerfristige hohe Proteinzufuhr wurde so über die Knochenvariablen als anaboler Faktor ermittelt, wohingegen eine längerfristige nahrungsabhängige Netto-Säurelast über diese Variablen als kataboler Faktor ermittelt wurde. Das "Nettoergebnis" stellte sich als anabol heraus, aber das anabole Potential des Proteins schien durch den katabolen Effekt der Netto-Säurelast beeinträchtigt worden zu sein. Auf der Basis der Resultate von Alexy et al vermuten wir, dass Modifikationen in der Ernährung, die zu einer proteinreichen Nahrung mit geringer Säurelast führen, die axiale und radiale Knochengesundheit bei Kindern, Jugendlichen und jungen Erwachsenen fördern und die Ausnutzung des genetischen Potentials zur Erreichung der maximalen Knochenmasse begünstigen würden. Die Resultate von Alexy et al bieten uns sowohl eine logische Erklärung als auch den Anreiz, diese Aspekte in Interventionsstudien zu überprüfen. Nach den Resultaten der Framingham Osteoporosis Study an Erwachsenen vermuteten Tucker et al Ähnliches über die relativen Effekte des Nahrungsproteingehalts und der Säurelast auf die Knochen.
Es sollte nicht überraschen, daß Protein einen mengenabhängigen anabolen Effekt auf die Knochen hat, da Protein die Aminosäuren-Substrate zum Aufbau der Knochenmatrix liefert. Bei Tieren erhöht die Supplementation von essentiellen Aminosäuren die Architektur der Knochenbälkchen, den Durchmesser der Knochenrinde und die Knochenstärke. Ferner erhöht beim Menschen die Supplementation von essentiellen Aminosäuren die Blutkonzentrationen von IGF-I(Insulin-like-growth-factor)-Wachstumshormon, welches bekanntlich das Knochenwachstum fördert. Proteinreiche Diäten erhöhen typischerweise die Blutkonzentrationen von IGF-I.
Querschnittsstudien an postmenopausalen Frauen zeigten eine positive Beziehung zwischen Blut-IGF-I-Konzentrationen und Knochenmineraliendichte oder verringerten IGF-I-Konzentrationen bei Patienten mit Osteoporose - die niedrigsten Konzentrationen fanden sich bei Personen, die an Knochenbrüchen litten. Andere Untersuchungen haben ergeben, daß kurzfristige Verabreichung (über 2 Monate) von rekombinantem menschlichem IGF-I nach Hüftfrakturen das Wachstum der Knochenmasse fördert. Daher mögen die proteininduzierten Anstiege in der IGF-I-Konzentration zumindest teilweise für den anabolen Effekt des Nahrungsproteins auf die Knochen verantwortlich sein.
Ferner sollte es nicht überraschen, dass die Netto-Säurelast einer Diät einen mengenabhängigen katabolen Effekt auf die Knochen hat. Eine positive Netto-Säurelast bewirkt eine geringgradige metabolische Azidose. Bei postmenopausalen Frauen fördert die Verabreichung von alkalisierenden Kaliumsalzen, welche die Netto-Säurelast verringern und die systemische Azidose abmildern, das Calcium-Phosphor-Gleichgewicht und reduziert die Knochenresorption. Die Beobachtung von Alexy und al, dass ein in Verhältnis mit der Höhe der Netto-Säurelast in der Nahrung stehender kataboler Effekt auf die Knochen zumindest teilweise den anabolen Effekt der höheren Proteinaufnahme zunichte machen kann, inspiriert zu einer Hypothese, die erklären würde, warum manche Studien auf günstige Auswirkungen einer hohen Proteinaufnahme auf die Knochen hinweisen, während andere nachteilige Effekte ergeben. Wir stellen die Hypothese auf, dass das Gleichgewicht zwischen der Proteinmenge in der Nahrung (anaboler Effekt) und der Netto-Säurelast der Nahrung (kataboler Effekt) teilweise bestimmt, ob die Diät insgesamt eine anabole oder katabole Wirkung auf die Knochen hat.
Wenn eine geringere Netto-Säurelast in der Nahrung einen größeren anabolen Effekt des Proteins auf die Knochen ermöglicht, sollten wir vielleicht erwägen, ob eine negative Netto-Säurelast (z.B. durch basenerzeugende/alkalisierende Diäten) die anabolen Effekte des Proteins auf die Knochen optimieren könnte. Die metabolische Alkalose, die bei einer basenerzeugenden Diät zu erwarten ist, hat schon für sich genommen einen anabolen Effekt auf die Knochen. Die metabolische Azidose, die bei einer säurenerzeugenden Diät zu erwarten ist, verringert (zusammen mit negativen Effekten auf die Calciumausnutzung des Körpers) die IGF-I-Konzentration im Serum. Daher könnte die Kombination einer basen- und alkaloseerzeugenden Diät mit einer proteinreichen Diät das Erreichen der optimalen Knochenmasse während des Wachstums ermöglichen und auch altersbedingte Abnahmen der Knochenmasse abschwächen oder eliminieren. Aus evolutionärer Sicht könnte die natürliche Selektion die Physiologie des Menschen dahingehend geformt haben, daß eine Ernährung mit hoher Proteinaufnahme und Netto-Basenproduktion am besten für sie paßt.
Damit Amerikaner und die Bewohner anderer industrialisierter Länder die Kombination einer proteinreichen und basenerzeugenden Ernährung erreichen, wären beträchtliche Veränderungen in den Eßgewohnheiten erforderlich. Diese Veränderungen umfassen den Verzehr weit größerer Mengen von bikarbonatvorläuferreichen pflanzlichen Nahrungsmitteln (z.B. grünes Blattgemüse, Stengel, Wurzeln und Knollen sowie Obst) und den Verzehr weit geringerer Mengen energiereicher, aber nährstoffarmer Nahrungsmittel (z.B. Fette, Öle und raffinierte Kohlenhydrate) sowie von säureerzeugendem Getreide. Eine solche Ernährung würde der von prähistorischen Jägern und Sammlern ähneln. Wie man im 21. Jahrhundert zu einem städtischen Jäger und Sammler wird, erfordert Überlegungen, welche die Möglichkeiten dieses Artikels übersteigen.
Long-term protein intake and dietary potential renal acid load are
associated with bone modeling and remodeling at the proximal radius
in healthy children
Ute Alexy, Thomas Remer, Friedrich Manz, Christina M Neu, and
Eckhard Schoenau
From the Research Institute of Child Nutrition, Dortmund, Germany
(UA, TR, and FM), and the Children’s Hospital, University of Cologne,
Cologne, Germany (CMN and ES).
Supported by the Ministry of Science and Research North Rhine–Westphalia,
Germany, and by a research grant from Protina PharmGmbH(to TR).
Address correspondence to T Remer, Research Institute of Child Nutrition,
Department of Nutrition and Health, Heinstueck 11, D-44225 Dortmund,
Germany. E-mail: remer@fke-do.de
ABSTRACT
Background: Protein and alkalizing minerals are increasingly described
as playing a major role in influencing bone status, not only in
the elderly but also in children and adolescents.
Objective: We examined whether the long-term dietary protein
intake and diet net acid load are associated with bone status in
children.
Design: In a prospective study design in 229 healthy children and
adolescents aged 6–18 y, long-term dietary intakes were calculated
from 3-d weighed dietary records that were collected yearly over the
4-y period before a one-time bone analysis. Dietary acid load was
characterized as potential renal acid load (PRAL) by using an algorithm
including dietary protein, phosphorus, magnesium, and potassium.
Proximal forearm bone variables were measured by peripheral
quantitative computed tomography.
Results: After adjustment for age, sex, and energy intake and control
for forearm muscularity, BMI, growth velocity, and pubertal development,
we observed that long-term dietary protein intake was significantly
positively associated with periosteal circumference (P < 0.01), which
reflected bone modeling, and with cortical area (P < 0.001), bone mineral
content (P < 0.01), and polar strength strain index (P< 0.0001), which
reflected a combination of modeling and remodeling. Children with a higher
dietary PRAL had significantly less cortical area (P < 0.05) and bone mineral
content (P < 0.01). Long-term calcium intake had no significant effect on
any bone variable.
Conclusions: Long-term dietary protein intake appears to act anabolically
on diaphyseal bone strength during growth, and this may be negated, at least
partly, if dietary PRAL is high, ie, if the intake of alkalizing minerals is low.
___________
Editorial
Am J Clin Nutr 2005;82:921–2.
Dietary protein content and the diet’s net acid load: opposing effects
on bone health
Anthony Sebastian
From the Department of Medicine, Division of Nephrology, and the
Moffitt/Mt-Zion General Clinical Research Center, University of California
San Francisco, San Francisco, CA.
In this issue of the Journal, Alexy et al (1) report on a study they
performed in children and adolescents, the results of which relate
to the subject of the long-term relative effects on bone health of
the protein content of the diet compared with that of the diet’s net
load of acid in the body. We consider their findings of potential
importance not only for children and adolescents but also for
adults because of the controversy that prevails about whether
dietary protein has an anabolic or catabolic effect on bone. Their
findings may provide insight into the interplay of circumstances
that determine when dietary protein has a beneficial or detrimental
effect on bone.
Alexy et al collected dietary intake data over 4 y in 229healthy
children and adolescents aged 6–18 y. After 4 y, they analyzed
the diet composition data in relation to proximal forearm bone
variables, measured by quantitative computed tomography. After
adjustment for potential confounders, they found significant
associations of protein intake with improved bone variables,
including bone cortex area and—importantly during growth—
with bone mineral content. At the same time, they found significant
negative associations of the diet’s net acid load with those
variables. Higher long-term protein intakes were thus associated
with the bone variables as an anabolic factor, whereas higher
long-term diet-dependent net acid loads were associated with
those variables as a catabolic factor. The net effect proved anabolic
but was apparently short of protein’s anabolic potential
because of the catabolic effect of the positive net acid load.
On the basis of the findings of Alexy et al, we speculate that
dietary modifications designed to maintain a protein-rich diet
and eliminate a net acid load to the body would improve bone
health axially and peripherally in children, adolescents, and
young adults and would promote the achievement of their genetic
potential for peak bone mass. Alexy et al’s findings provide both
a rationale and an incentive to explore these possibilities interventionally.
From the findings of the Framingham Osteoporosis
Study in adults, Tucker et al (2) likewise speculated on the relative
effects of the diet’s protein content and acid load on bone.
We should not find it surprising that dietary protein has a
magnitude-dependent anabolic effect on bone, because protein
supplies the amino acid substrates for building bone matrix. In
animals, dietary essential amino acid supplementation increases
bone trabecular architecture, cortical thickness, and bone
strength. Moreover, in humans, essential amino acid supplementation
increases circulating concentrations of insulin-like growth
hormone I (IGF-I) (3), a recognized bone growth–promoting
factor. High-protein diets likewise typically increase circulating
IGF-I concentrations (4). Cross-sectional studies in postmenopausal
women have shown a positive association of circulating
IGF-I concentrations with bone mineral density and subnormal
IGF-I concentrations in patients with osteoporosis; the lowest
concentrations were in those persons who had sustained fractures.
Other studies have shown that short-term (2 mo) administration
of recombinant human IGF-I improves bone mass gain
during recovery from hip fracture. Thus, protein-induced increases
in IGF-I concentrations may account, at least in part, for
the anabolic effect of dietary protein on bone.
Furthermore, we should not find it surprising that the diet’s net
acid load has a magnitude-dependent catabolic effect on bone.
The diet’s positive net acid load induces low-grade metabolic
acidosis (5), and, in postmenopausal women, the administration
of alkalinizing salts of potassium that reduce that net acid load
and ameliorate the systemic acidosis improves calcium and phosphorus
balance (6) and reduces bone resorption markers (6, 7).
The observation by Alexy et al that a catabolic effect on bone
related to the magnitude of the diet’s net acid load can at least
partially offset the anabolic effect of higher dietary protein intakes
inspires a hypothesis to explain why some studies suggest
beneficial bone effects with higher protein intakes (2, 8, 9),
whereas others suggest detrimental bone effects (10, 11). We
hypothesize that the balance between the amount of protein in the
diet (anabolic effect) and the net acid load of the diet (catabolic
effect) in part determines whether the diet as a whole has a net
anabolic or catabolic effect on bone.
If a lower dietary net acid load permits greater anabolic effects
of protein on bone, we might want to consider whether a negative
dietary net acid load (ie, net base-producing diets) might optimize
the anabolic effects of dietary protein on bone. The metabolic
alkalosis expected with a net base-producing diet itself has
an anabolic effect on bone (12), and the metabolic acidosis expected
with a net acid-producing diet, in addition to producing
negative effects on the body’s calcium economy, reduces serum
IGF-I concentrations (13). Therefore, the combination of a net
base-producing, alkalosis-producing diet and a high-protein diet
might optimize peak bone mass achievement during development
and greatly mitigate or eliminate age-related decreases in
bone mass. Indeed, from an evolutionary perspective, natural
selection may have designed human physiology to best fit a
dietary environment of high protein consumption and net base
production (14).
For Americans and peoples of industrialized countries to
achieve the combination of a high-protein diet and a net baseproducing
diet, a considerable change in food consumption patterns
would be required (14). This change would involve the
consumption of greatly increased amounts of bicarbonate precursor
–rich plant source foods—such as leafy green vegetables,
stalks, roots and tubers, and fruit—and the consumption of
greatly reduced amounts of energy-dense, nutrient-limited
foods—such as fats and oils and refined carbohydrates—and net
acid-producing cereal grains (14). Such a diet would resemble
that of prehistoric hunter-gatherers. How to become a 21st century
urban hunter-gatherer requires considerations beyond the
scope of this review (15).
REFERENCES
1. Alexy U, Remer T, Manz F, Neu CM, Schoenau E. Long-term protein
intake and dietary potential renal acid load are associated with bone
modeling and remodeling at the proximal radius in healthy children.
Am J Clin Nutr 2005;82:1107–14.
2. Tucker KL, Hannan MT, Kiel DP. The acid-base hypothesis: diet and
bone in the Framingham Osteoporosis Study. Eur J Nutr 2001;40:231–7.
3. Clemmons DR, Seek MM, Underwood LE. Supplemental essential
amino acids augment the somatomedin-C/insulin-like growth factor I
response to refeeding after fasting. Metabolism 1985;34:391–5.
4. Schurch MA, Rizzoli R, Slosman D, Vadas L, Vergnaud P, Bonjour JP.
Protein supplements increase serum insulin-like growth factor-I levels
and attenuate proximal femur bone loss in patients with recent hip fracture.
A randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Ann Intern
Med 1998;128:801–9.
5. Kurtz I, Maher T, Hulter HN, Schambelan M, Sebastian A. Effect of diet
on plasma acid-base composition in normal humans. Kidney Int 1983;
24:670–80.
6. Sebastian A, Harris ST, Ottaway JH, Todd KM, Morris RC Jr. Improved
mineral balance and skeletal metabolism in postmenopausal women
treated with potassium bicarbonate. N Engl J Med 1994;330:1776–81.
7. MarangellaM,Di StefanoM,Casalis S, Berutti S, D’Amelio P, Isaia GC.
Effects of potassium citrate supplementation on bone metabolism. Calcif
Tissue Int 2004;74:330 –5.
8. Promislow JH, Goodman-Gruen D, Slymen DJ, Barrett-Connor E. Protein
consumption and bone mineral density in the elderly: the Rancho
Bernardo Study. Am J Epidemiol 2002;155:636–44.
9. Wengreen HJ, Munger RG, West NA, et al. Dietary protein intake and
risk of osteoporotic hip fracture in elderly residents of Utah. J Bone
Miner Res 2004;19:537– 45.
10. Frassetto LA, Todd KM, Morris RC Jr, Sebastian A. Worldwide incidence
of hip fracture in elderly women: relation to consumption of
animal and vegetable foods. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 2000;55:
M585–92.
11. Sellmeyer DE, Stone KL, Sebastian A, Cummings SR. A high ratio of
dietary animal to vegetable protein increases the rate of bone loss and the
risk of fracture in postmenopausal women. Study of Osteoporotic Fractures
Research Group. Am J Clin Nutr 2001;73:118 –22.
12. Bushinsky DA. Metabolic alkalosis decreases bone calcium efflux by
suppressing osteoclasts and stimulating osteoblasts.AmJ Physiol 1996;
271:F216 –22.
13. Brungger M, Hulter HN, Krapf R. Effect of chronic metabolic acidosis
on the growth hormone/IGF-1 endocrine axis: new cause of growth
hormone insensitivity in humans. Kidney Int 1997;51:216 –21.
14. Sebastian A, Frassetto LA, Sellmeyer DE, Merriam RL, Morris RC Jr.
Estimation of the net acid load of the diet of ancestral preagricultural
Homo sapiens and their hominid ancestors. Am J Clin Nutr 2002;76:
1308–16.
15. O’Keefe JH Jr, Cordain L. Cardiovascular disease resulting from a diet
and lifestyle at odds with our Paleolithic genome: how to become a
21st-century hunter-gatherer. Mayo Clin Proc 2004;79:101– 8.
__________
Übersetzung by meezer:
In dieser Ausgabe des Journals berichten Alexy et al von ihrer Untersuchung an Kindern und Jugendlichen, deren Ergebnisse einen Zusammenhang zwischen den relativen Langzeiteffekten des Proteingehalts der Nahrung auf die Knochengesundheit mit den Effekten der Netto-Säurelast der Nahrung auf den Körper herstellen. Wir erachten diese Resultate als potentiell wichtig - nicht nur für Kinder und Jugendliche, sondern auch für Erwachsene -, im Hinblick auf die Kontroverse, die darüber besteht, ob Protein eine anabole oder katabole Wirkung auf die Knochen hat. Die Resultate könnten uns Einblicke in das Zusammenspiel der Umstände ermöglichen, die bestimmen, wann Nahrungsprotein einen günstigen oder ungünstigen Effekt auf die Knochen hat.
Alexy et al sammelten 4 Jahre lang Daten über die Nahrungsaufnahme von 229 gesunden Kindern und Jugendlichen im Alter von 6 bis 18 Jahren. Nach 4 Jahren analysierten sie die Zusammensetzung der Nahrung im Bezug auf die Knochenvariablen des proximalen Unterarms, welche mittels quantitativer Computertomographie bestimmt wurden. Nach Ausschluss potentieller Fehlerquellen entdeckten sie eine signifikante direkte Beziehungen zwischen der Höhe der Proteinaufnahme, welche die Knochenvariablen einschl. Knochenkortexfläche verbesserte, und dem Knochenmineralgehalt, der während des Wachstums von besonderer Wichtigkeit ist. Zugleich entdeckten sie signifikante inverse Beziehungen zwischen der Netto-Säurelast der Nahrung und diesen Variablen. Eine längerfristige hohe Proteinzufuhr wurde so über die Knochenvariablen als anaboler Faktor ermittelt, wohingegen eine längerfristige nahrungsabhängige Netto-Säurelast über diese Variablen als kataboler Faktor ermittelt wurde. Das "Nettoergebnis" stellte sich als anabol heraus, aber das anabole Potential des Proteins schien durch den katabolen Effekt der Netto-Säurelast beeinträchtigt worden zu sein. Auf der Basis der Resultate von Alexy et al vermuten wir, dass Modifikationen in der Ernährung, die zu einer proteinreichen Nahrung mit geringer Säurelast führen, die axiale und radiale Knochengesundheit bei Kindern, Jugendlichen und jungen Erwachsenen fördern und die Ausnutzung des genetischen Potentials zur Erreichung der maximalen Knochenmasse begünstigen würden. Die Resultate von Alexy et al bieten uns sowohl eine logische Erklärung als auch den Anreiz, diese Aspekte in Interventionsstudien zu überprüfen. Nach den Resultaten der Framingham Osteoporosis Study an Erwachsenen vermuteten Tucker et al Ähnliches über die relativen Effekte des Nahrungsproteingehalts und der Säurelast auf die Knochen.
Es sollte nicht überraschen, daß Protein einen mengenabhängigen anabolen Effekt auf die Knochen hat, da Protein die Aminosäuren-Substrate zum Aufbau der Knochenmatrix liefert. Bei Tieren erhöht die Supplementation von essentiellen Aminosäuren die Architektur der Knochenbälkchen, den Durchmesser der Knochenrinde und die Knochenstärke. Ferner erhöht beim Menschen die Supplementation von essentiellen Aminosäuren die Blutkonzentrationen von IGF-I(Insulin-like-growth-factor)-Wachstumshormon, welches bekanntlich das Knochenwachstum fördert. Proteinreiche Diäten erhöhen typischerweise die Blutkonzentrationen von IGF-I.
Querschnittsstudien an postmenopausalen Frauen zeigten eine positive Beziehung zwischen Blut-IGF-I-Konzentrationen und Knochenmineraliendichte oder verringerten IGF-I-Konzentrationen bei Patienten mit Osteoporose - die niedrigsten Konzentrationen fanden sich bei Personen, die an Knochenbrüchen litten. Andere Untersuchungen haben ergeben, daß kurzfristige Verabreichung (über 2 Monate) von rekombinantem menschlichem IGF-I nach Hüftfrakturen das Wachstum der Knochenmasse fördert. Daher mögen die proteininduzierten Anstiege in der IGF-I-Konzentration zumindest teilweise für den anabolen Effekt des Nahrungsproteins auf die Knochen verantwortlich sein.
Ferner sollte es nicht überraschen, dass die Netto-Säurelast einer Diät einen mengenabhängigen katabolen Effekt auf die Knochen hat. Eine positive Netto-Säurelast bewirkt eine geringgradige metabolische Azidose. Bei postmenopausalen Frauen fördert die Verabreichung von alkalisierenden Kaliumsalzen, welche die Netto-Säurelast verringern und die systemische Azidose abmildern, das Calcium-Phosphor-Gleichgewicht und reduziert die Knochenresorption. Die Beobachtung von Alexy und al, dass ein in Verhältnis mit der Höhe der Netto-Säurelast in der Nahrung stehender kataboler Effekt auf die Knochen zumindest teilweise den anabolen Effekt der höheren Proteinaufnahme zunichte machen kann, inspiriert zu einer Hypothese, die erklären würde, warum manche Studien auf günstige Auswirkungen einer hohen Proteinaufnahme auf die Knochen hinweisen, während andere nachteilige Effekte ergeben. Wir stellen die Hypothese auf, dass das Gleichgewicht zwischen der Proteinmenge in der Nahrung (anaboler Effekt) und der Netto-Säurelast der Nahrung (kataboler Effekt) teilweise bestimmt, ob die Diät insgesamt eine anabole oder katabole Wirkung auf die Knochen hat.
Wenn eine geringere Netto-Säurelast in der Nahrung einen größeren anabolen Effekt des Proteins auf die Knochen ermöglicht, sollten wir vielleicht erwägen, ob eine negative Netto-Säurelast (z.B. durch basenerzeugende/alkalisierende Diäten) die anabolen Effekte des Proteins auf die Knochen optimieren könnte. Die metabolische Alkalose, die bei einer basenerzeugenden Diät zu erwarten ist, hat schon für sich genommen einen anabolen Effekt auf die Knochen. Die metabolische Azidose, die bei einer säurenerzeugenden Diät zu erwarten ist, verringert (zusammen mit negativen Effekten auf die Calciumausnutzung des Körpers) die IGF-I-Konzentration im Serum. Daher könnte die Kombination einer basen- und alkaloseerzeugenden Diät mit einer proteinreichen Diät das Erreichen der optimalen Knochenmasse während des Wachstums ermöglichen und auch altersbedingte Abnahmen der Knochenmasse abschwächen oder eliminieren. Aus evolutionärer Sicht könnte die natürliche Selektion die Physiologie des Menschen dahingehend geformt haben, daß eine Ernährung mit hoher Proteinaufnahme und Netto-Basenproduktion am besten für sie paßt.
Damit Amerikaner und die Bewohner anderer industrialisierter Länder die Kombination einer proteinreichen und basenerzeugenden Ernährung erreichen, wären beträchtliche Veränderungen in den Eßgewohnheiten erforderlich. Diese Veränderungen umfassen den Verzehr weit größerer Mengen von bikarbonatvorläuferreichen pflanzlichen Nahrungsmitteln (z.B. grünes Blattgemüse, Stengel, Wurzeln und Knollen sowie Obst) und den Verzehr weit geringerer Mengen energiereicher, aber nährstoffarmer Nahrungsmittel (z.B. Fette, Öle und raffinierte Kohlenhydrate) sowie von säureerzeugendem Getreide. Eine solche Ernährung würde der von prähistorischen Jägern und Sammlern ähneln. Wie man im 21. Jahrhundert zu einem städtischen Jäger und Sammler wird, erfordert Überlegungen, welche die Möglichkeiten dieses Artikels übersteigen.