The relevance of dietary insulin demand and dietary protein intake during adolescence for the development of body composition and the adult GH-IGF axis

Abstract

Obese children are likely to stay obese, resulting comorbidities may emerge already in childhood and tend to persist until adulthood. So-called critical periods for overweight development are early life, the time around the adiposity rebound, and puberty. The growth hormone insulin-like growth factor (GH-IGF) axis plays an important role during growth. It remains to be clarified whether it can be programmed by protein intake during growth. The<strong> first aim</strong> of this thesis was to examine the associations between dietary insulin demand during adolescence and its relevance for both adult body composition among healthy individuals and weight loss among obese adolescents with clinical features of insulin resistance. Under the <strong>second aim</strong>, prospective relations between dietary protein intake during different potentially critical, developmental periods and body composition as well as the GH-IGF axis in adulthood were investigated. Data came from two studies conducted in Germany and Australia; an ongoing, open cohort study, the DOrtmund Nutritional and Anthropometric Longitudinally Designed (DONALD) study and a randomised controlled trial, the Researching Effective Strategies to Improve Insulin Sensitivity in Children and Teenagers (RESIST) study, respectively.<br /><strong>Study I</strong> revealed that among 262 DONALD participants, a higher pubertal dietary insulin demand was associated with higher body fat percentage in young adulthood. In <strong>Study II</strong>, a higher dietary insulin demand was related to less weight loss expressed as BMI as percentage of the 95th percentile (BMI %95 centile) among 91 RESIST participants. Inclusion of total energy intake in the model explained the observed associations between dietary insulin demand and change in BMI %95 centile. <strong>Study III</strong>, including 262 DONALD participants, indicated that a higher pubertal animal protein intake was independently associated with higher adult fat-free mass index (FFMI), but not fat mass index (FMI), in women. Among men, a higher pubertal animal protein intake was related to higher FFMI and lower FMI only after adjusting FFMI for FMI levels in young adulthood and vice versa. Plant protein intake was not associated with adult body composition among either sex. <strong>Study IV</strong>, also based on data from the DONALD study (n=213 and n=201, respectively), showed that a habitually higher animal protein intake during puberty was related to higher levels of adult IGF-I, IGFBP-3, and lower IGFBP-2, but not to IGFBP-1 among women. In turn, animal protein intake in early life (n=130) was inversely related to IGF-I levels in younger adulthood among males only. However, no association was observed between animal protein intake around adiposity rebound (n=179) and IGF-I in younger adulthood. No relations were observed between plant protein intakes in all three periods and adult GH-IGF axis.<br /><strong>In conclusion</strong>, results indicate that a lower dietary insulin demand and a higher dietary protein intake may be favourably related to adult body composition. Among women, a higher pubertal animal protein intake may induce an up-regulation of the GH-IGF axis which persists until adulthood. By contrast, inverse associations between higher animal protein intakes in early life and IGF-I concentrations among men support the idea that habitually higher animal protein intakes in this period may trigger an early programming of the GH-IGF axis. Although these findings need to be confirmed in other populations, a reduction of dietary insulin demand and a moderate increase in dietary protein intake may have beneficial effects in the prevention of obesity. Moreover, it needs to be identified which mechanisms lie behind observed associations between dietary animal protein intake and the GH-IGF axis so as to determine to what extent they reflect physiological adaptations or whether these associations indicate higher or lower risks of future diseases.

<strong>Die Relevanz des ernährungsbedingten Insulinbedarfs und der Proteinaufnahme in der Jugend für die Entwicklung der Körperzusammensetzung und der GH-IGF Achse</strong><br /> Adipöse Kinder und Jugendliche haben ein hohes Risiko adipös zu bleiben und sind zudem anfälliger, bereits in jungen Jahren chronische Erkrankungen zu entwickeln, die bis ins Erwachsenenalter bestehen bleiben. Als sogenannte kritsche Phasen der Adipositasentwicklung werden die frühe und mittlere Kindheit sowie die Pubertät diskutiert. <strong>Erstes Ziel </strong>dieser Arbeit war Assoziationen zwischen dem ernährungsbedingten Insulinbedarf und der Körperzusammensetzung von gesunden Erwachsenen sowie der Gewichtsreduktion bei adipösen Jugendlichen mit Insulinresistenz und/oder Prädiabetes zu untersuchen. <strong>Zweites Ziel </strong>war, den prospektiven Zusammenhang zwischen der Proteinzufuhr in verschiedenen, potentiell kritischen Entwicklungsphasen und der Körperzusammensetzung sowie der Wachstumshormon-<em>insulin-like growth factor </em>(GH-IGF) Achse bei gesunden Erwachsenen zu untersuchen. Als Datengrundlage dienten sowohl die deutsche DOrtmund Nutritional and Anthropometric Longitudinally Designed (DONALD) Studie, eine offene, prospektive Kohortenstudie, als auch die australische Researching Effective Strategies to Improve Insulin Sensitivity in Children and Teenagers (RESIST) Studie, eine randomisierte, kontrollierte Interventionsstudie zur Gewichtsreduktion.<br /><strong>Studie I</strong> zeigte, dass bei 262 Probanden der DONALD Studie ein höherer ernährungsbedingter Insulinbedarf in der Pubertät mit einem höheren Körperfettanteil im jungen Erwachsenenalter assoziiert war. In <strong>Studie II</strong> war bei 91 Probanden der RESIST Studie ein höherer ernährungsbedingter Insulinbedarf mit weniger Gewichtsverlust ausgedrückt als BMI in Prozent der 95. Perzentile (BMI %95 Perzentile) assoziiert. Dieser Zusammenhang wurde durch die Berücksichtigung der Gesamtenergieaufnahme im Modell erklärt. <strong>Studie III </strong>zeigte an 262 DONALD Probanden, dass eine höhere Aufnahme an tierischem Protein während der Pubertät bei Frauen mit einem höheren Fettfreie-Masse- Index (FFMI), aber nicht dem Fettmasse-Index (FMI) im jungen Erwachsenenalter assoziiert war. Bei Männern hing eine höhere Aufnahme an tierischem Protein mit einem höheren FFMI und niedrigerem FMI nur nach Adjustierung des FFMI für FMI im jungen Erwachsenenalter und vice versa zusammen. Die Aufnahme von pflanzlichem Protein in der Pubertät war dagegen weder bei Frauen noch bei Männern mit der Körperzusammensetzung assoziiert. <strong>Studie IV </strong>basierte ebenso auf Daten der DONALD Studie (n=213 bzw. n=201) und zeigte, dass nur bei Frauen eine höhere Aufnahme an tierischem Protein während der Pubertät mit höheren IGF-I und IGF-Bindungsprotein(BP)-3, niedrigeren IGFBP-2, aber nicht IGFBP-1 Konzentrationen im frühen Erwachsenenalter zusammenhing. Die Aufnahme von tierischem Protein in der frühen Kindheit (n=130) war wiederum nur bei Männern invers mit IGF-I Konzentrationen im frühen Erwachsenenalter assoziiert.<br /><strong>Zusammenfassend</strong> legen die Resultate nahe, dass ein geringerer Insulinbedarf und eine höhere tierische Proteinaufnahme in der Pubertät vorteilhaft mit der Körperzusammensetzung im jungen Erwachsenenalter assoziiert sind. Bei Frauen bedingte ein höherer Verzehr an tierischem Protein in der Pubertät eine Hochregulation der GH-IGF Achse bis ins frühe Erwachsenenalter. Bei Männern hingegen deutet der inverse Zusammenhang zwischen einer höheren tierische Proteinaufnahme in der frühen Kindheit und niedrigeren IGF-I Spiegeln im frühen Erwachsenalter auf eine langfristige Program-mierung der GH-IGF Achse hin. Obwohl diese Ergebnisse noch in anderen Populationen bestätigt werden müssen, könnten eine Reduktion des Insulinbedarfs und eine moderate Erhöhung der Proteinaufnahme positive Auswirkungen in der Adipositasprävention haben.