Effects of nutritive antioxidants on bone during immobility

Abstract

Age and disease related inactivity in older people and inactivity during space flight and in ground-based analogs, such as 6° head-down tilt bed rest (HDBR) are associated with bone loss. This bone loss is mainly induced by decreased mechanical loading. Additionally, oxidative stress resulting from excessive formation of reactive oxygen species (ROS) or dysfunction of the antioxidant defense systems leads to increased bone resorption processes. Antioxidants like polyphenols, omega-3-fatty acids, vitamins and micronutrients may mitigate the damaging effects of ROS on bone turnover and mediate the scavenging of free radicals. <br /> To get an overview of the current state of research a literature search was conducted, with focus on the effects of nutritive polyphenols on bone metabolism. Based on these results a randomized, controlled, intervention study, in a parallel design was conducted at the Institute for Space Medicine and Physiology, Toulouse, France with 20 healthy male volunteers (age 34 ± 8 y, weight 74 ± 6 kg). We hypothesized that antioxidant supplementation during 60 days of HDBR would positively affect bone markers, bone mineral content (BMC) bone mineral density (BMD) and bone structure parameters compared to non-supplemented controls. The study was divided into two campaigns and each campaign consisted of a 14-d adaptation (BDC), a 60-d HDBR and a 14 d recovery (R) phase. Ten volunteers participated in each campaign. In both campaigns, five volunteers were randomly allocated to the intervention group and five volunteers to the control group. In the intervention group volunteers received an antioxidant cocktail, consisting of 741 mg polyphenols, 2.1 g omega-3-fatty acids, 168 mg vitamin E and 80 µg selenium. In the control group volunteers received no supplement. All volunteers received an individually tailored and strictly controlled diet. BMC, lumbar spine, femur and whole body BMD, BMD of the cortical and trabecular compartments of the distal radius and tibia and cortical and trabecular thickness, as well as serum calcium, parathyroid hormone, osteocalcin, and bone formation markers aminoterminal propeptide of type I collagen (P1NP) and bone alkaline phosphatase (bAP) were measured at different time points during BDC, HDBR and R, along with urinary calcium and bone resorption markers C-telopeptide of type I collagen (CTX) and N-telopeptide of type I collagen (NTX). <br /> The antioxidant supplement did not affect BMC, lumbar spine, femr and whole-body BMD, cortical and trabecular BMD or thickness in the radius or tibia, calcium homeostasis (serum calcium and parathyroid hormone); bone resorption markers (urinary CTX, urinary NTX, and serum β-CTX); bone formation markers (bAP, P1NP and osteocalcin); or urinary calcium excretion. In both groups, typical bed rest related changes were observed (increase of bone resorption markers, unchanged bone formation makers, decrease of BMC, BMD and changes in bone structure). <br /> Supplementation of an antioxidant cocktail to a diet matching the DRIs did not affect bone turnover during 60-d HDBR in young, healthy, male subjects.

Alters- und krankheitsbedingte Inaktivität bei älteren Menschen sowie Immobilität während des Aufenthalts in Schwerelosigkeit und in bodengebundenen Analogstudien, wie z. B. der 6°-Kopftielflage (HDBR), sind mit Knochenverlust verbunden. Dieser Knochenverlust wird vor allem durch verminderte mechanische Belastung hervorgerufen. Zusätzlich führt oxidativer Stress, der aus einer übermäßigen Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) oder einer Fehlfunktion des antioxidativen Abwehrsystems resultiert, zu erhöhten Knochenresorptionsprozessen. Antioxidantien wie Polyphenole, Omega-3-Fettsäuren, Vitamine und Mikronährstoffe scheinen die schädigenden Auswirkungen von ROS auf den Knochenumsatz mildern zu können. <br /> Um einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung zu erhalten, wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, wobei der Fokus auf den Auswirkungen von nutritiven Polyphenolen auf den Knochenstoffwechsel lag. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine randomisierte, kontrollierte Interventionsstudie im Parallel-Design im Institut für Raumfahrtmedizin und Physiologie, Toulouse, Frankreich, mit 20 gesunden männlichen Probanden (Alter 34 ± 8 Jahre, Gewicht 74 ± 6 kg) durchgeführt. Die Hypothese war, dass eine Antioxidantien-Supplementierung während einer 60-tägigen HDBR Knochenmarker, Knochenmineralgehalt (BMC), Knochendichte (BMD) und Knochenstrukturparameter positiv beeinflusst. Die Studie war in zwei Kampagnen unterteilt, und jede Kampagne bestand aus einer 14-tägigen Anpassungs- (BDC), einer 60-tägigen 6° Kopftieflage-Phase (HDBR) und einer 14-tägigen Erholungsphase (R). An jeder Kampagne nahmen zehn Probanden teil. In beiden Kampagnen wurden fünf Probanden nach dem Zufallsprinzip in die Interventionsgruppe und fünf Probanden in die Kontrollgruppe eingeteilt. In der Interventionsgruppe erhielten die Probanden einen Antioxidantien-Cocktail, bestehend aus 741 mg Polyphenolen, 2,1 g Omega-3-Fettsäuren, 168 mg Vitamin E und 80 µg Selen. In der Kontrollgruppe erhielten die Probanden kein Supplement. Alle Probanden erhielten eine individuell abgestimmte und streng kontrollierte Diät. Ledenwirbelsäule, Femur und Ganzkörper BMD und BMC, BMD der kortikalen und trabekulären Kompartimente des distalen Radius und der Tibia und die kortikale und trabekuläre Dicke, sowie Serum-Calcium, Parathormon, Osteocalcin, und die Knochenformationsmarker aminoterminales Propeptid von Typ-I-Kollagen (P1NP) und alkalische Knochenphosphatase (bAP) wurden zusammen mit der Calciumausscheidung und den Knochenresorptionsmarkern C-Telopeptid des Typ-I-Kollagens (CTX) und N-Telopeptid des Typ-I-Kollagens (NTX) im 24 h Urin zu verschiedenen Zeitpunkten während BDC, HDBR und R gemessen. <br /> Die Antioxidantiengabe hatte keinen Einfluss auf die Ledenwirbelsäule, Femur und Ganzkörper Knochendichte und den Knochenmineralgehalt, die kortikale und trabekuläre Knochendichte und Dicke im Radius und der Tibia, Calciumhomöostase (Serum Calcium- und Parathormonkonzentrationen), Exkretion der Knochenresorptionsmarker (CTX im Urin, NTX im Urin und Serum β-CTX), Serumkonzentrationen der Knochenaufbaumarker (bAP, P1NP und Osteocalcin) oder die Calciumausscheidung im Urin. In beiden Gruppen wurden typische bettruhebedingte Veränderungen beobachtet (Anstieg der Knochenresorptions-marker, unveränderte Konzentrationen der Knochenformationsmarker, Reduktion der BMC, BMD und Veränderungen der Knochenstruktur). <br /> Die Supplementierung eines Antioxidantien-Cocktails zu einer Diät, die den Referenzwerten entsprach, hatte keinen Einfluss auf den Knochenumsatz gesunder, junger Männer während einer 60-tägigen 6° Kopftieflage.