Application and perspectives of non-invasive urinary biomarker measurements in epidemiological research on child nutrition: hydration and iodine status, two health-relevant examples

Abstract

Non-invasive biomarkers of nutritional status provide a promising and alternative measure of dietary intakes in epidemiological research. Hydration and Iodine Status are two examples of important predictors of long-term health and cognitive performance, especially in children, for which urinary biomarkers exist. The aim of the present thesis was to exemplarily examine the application of these urinary biomarkers for the investigation of the interactions with dietary patterns in children and also to methodologically check long-term stability of urinary parameters used for the present and for additional biomarker analyses. Databases for the four consecutively conducted studies were the prospective Dortmund Nutritional and Anthropometric Longitudinally Designed (DONALD) Study, which collects data on diet, growth and metabolism in healthy children from birth until young adulthood.<br /> To provide information on possible analytical measurement errors, the stability and validity of ca. 20 chemical urinary analytes frequently measured in the DONALD Study were evaluated at baseline and after 12 or 15 yr of storage under moderate freezing conditions (-22º C) and without use of preservatives (Study I). 24-h Urinary concentrations of most of the analyzed metabolites were stable after the particular collection and storage conditions. The application of the hydration status biomarker “free water reserve” (a parameter comprising osmolality, urine volume) was investigated in Study II. The physiological effect of consuming fruit and vegetables (F&V) on hydration status in healthy children was analysed. The results showed that an additional intake of 100 g of F&V (in solid form), or 100 mL F&V (as juice) would increase the total body water by ~ 40 mL, independent of the intake of other important dietary water sources. In Studies III and IV, iodine status assessment using urinary iodine excretion was explored. Study III assesses the suitability of the currently recommended epidemiological parameter urinary iodine concentration measured in spot urines in 6-18 y-old children, who concomitantly collected one spot and one 24-h urine sample. Results strongly suggest that spot urine iodine concentration relevantly depending on hydration status, reasonably reflects true 24-h iodine excretion only when scaled to parallel creatinine excretion. The longitudinal analyses of Study IV in 6-12 y-olds, demonstrated that an increase in dietary animal to plant protein ratio was significantly associated with an increase in 24-h urinary iodine excretion. Although this association was partially mediated by salt intake, it underlines one of the positive aspects of a limited, not exclusively plant-based nutrition. <br /> The results of the present thesis have shown in four studies the high potential but also the pit-falls in the application of urinary biomarker measurements in epidemiological research. In large epidemiological studies where only spot urines instead of 24-h urines can be collected, hydration status can strongly affect renal concentration parameters and requires a correction by creatinine measurement. A high F&V intake provides a high potential to improve hydration status of child-ren, however at the same time, a more plant based diet may somehow negatively affect their iodine status. Future application of the nutritional biomarkers in a broader context may open new possibilities for researchers to explore non-invasively the role of diet for disease prevention.

<strong>Anwendung und Perspektiven nichtinvasiver Urin-Biomarker in epidemiologischen Untersuchungen zur Kinderernährung: Flüssigkeitsversorgung und Jodstatus, zwei gesundheitsrelevante Beispiele </strong><br /> Nicht-invasive Biomarker des Ernährungsstatus sind ein viel-versprechendes und alternatives Maß für die Ernährungszufuhr in der Epidemiologie. Hydratations- und Jodstatus sind Beispiele für wichtige Prädiktoren der langfristigen Gesundheit und kognitiven Leistungsfähigkeit insbesondere von Kindern. Das Ziel der vorliegenden These war es, exemplarisch die Anwendung entsprechender Urin-Biomarker zu untersuchen, um Interaktionen mit den Ernährungsgewohnheiten von Kindern zu charakterisieren. Die Datengrundlage für die vier durchgeführten Studien war die Dortmund Nutritional and Anthropometric Longitudinally Designed (DONALD) Studie, welche Daten zu Ernährung, Wachstum und Metabolismus von gesunden Kindern von der Geburt bis ins junge Erwachsenenalter sammelt.<br /> Um Informationen über potentielle analytische Messfehler zu erlangen, wurden die Stabilität und die Validität von ca. 20 chemischen Urin-Analyten, welche häufig in der DONALD Studie gemessen werden, zu Beginn und nach 12 oder 15 Jahren Lagerung unter moderaten Tieffrier-Bedingungen (-22° C) und ohne Nutzung von Konservierungsmitteln (Studie I) evaluiert. Die 24-Stunden Konzentrationen der meisten analysierten Metabolite erwiesen sich auch nach lang­jähriger Lagerzeit als stabil. Die Anwendung des Biomarkers Osmolalität für die Ermittlung der „freien Wasser Reserve“, einem Marker des Hydratations-Status, wurde in der Studie II bei 4-10-jährigen Teilnehmern der DONALD Studie untersucht. Es zeigte sich, dass ein zusätzlicher Verzehr von 100 g Obst&Gemüse (O&G) in fester Form oder als Saft das Gesamt-Körper­wasser um ca. 40 mL erhöhen kann, unabhängig von der Aufnahme von Trinkwasser, Wasser aus sonstigen Getränken und Milch. In den Studien III und IV wurde die Messung des Jod-Status anhand der Jodausscheidung im Urin untersucht. Studie III überprüfte, ob die Jod-Konzentration im Spontanurin die tatsächliche 24-Stunden-Jodurie reflektiert, wie von der WHO postuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Jod-Konzentration im Spontan-Urin maßgeblich vom Hydratations-Status abhängt und die wahre 24-Stunden-Jod-Ausscheidung deutlicher besser reflektiert wird, wenn gleichzeitig die Kreatinin-Ausscheidung berücksichtigt wird. Die Analyse der Studie IV ergab, dass ein Anstieg des Verhältnisses von tierischem zu pflanzlichem Protein in einem signifikanten Zusammenhang mit einem Anstieg der 24-Stunden-Jodurie steht. Obwohl dieser Zusammenhang teilweise durch die Salz-Aufnahme erklärt werden konnte, unterstreicht er einen der positiven Aspekte einer nicht ausschließlich pflanzen-basierten Ernährung.<br /> Schlussfolgerungen: Es konnte gezeigt werden, dass eine langfristige Lagerung bestimmter Urin-Biomarker mit akzeptabler Stabilität möglich ist und sich der Hydratations-Status stark auf renale Konzentrations-Parameter auswirken kann, was bei Sammlung von Spontanurinen eine Korrektur etwa durch Kreatininmesswerte erforderlich macht. Während eine O&G-reiche Ernährung maßgeblich zu einem verbesserten Hydratations-Status beitragen kann, so ergeben sich für diese Ernährungsform jedoch offensichtlich auch negative Konsequenzen für die Jod­versorgung. Die gezielte Anwendung von Ernährungs-Biomarkern (wie den hier untersuchten) wird in der epidemiologischen Präventionsforschung künftig noch an Bedeutung gewinnen.