Het gebruik van een complex koolhydraatmix in combinatie met een eiwitrijk dieet om fermentatie te sturen met als doel metabole, darm en breingezondheid te verbeteren

De wereldwijde prevalentie van obesitas is in de afgelopen 40 jaar bijna
verdrievoudigd tot meer dan 650 miljoen volwassenen in 2016. Obesitas en
hieraan gerelateerde aandoeningen, zoals metabool syndroom, diabetes mellitus
type 2 (T2DM), non-alcoholische leververvetting en cardiovasculaire
aandoeningen. Deze aandoeningen zijn geassocieerd met een hoge morbiditeit en
mortaliteit. Naast een hoge ziektelast voor patiënten, veroorzaken deze
aandoeningen een grote globale gezondheids- en sociaaleconomische belasting.

Het menselijk dieet speelt een grote rol in (metabole) gezondheid en kan van
grote invloed zijn op het ontstaan van obesitas, T2DM en non-alcoholische
leververvetting. Het westers dieet, dat energierijk en relatief vezelarm is, is
van belang bij het ontstaan van deze aandoeningen. De inhoud van dit dieet
heeft invloed op de manier waarop het wordt verteerd en gefermenteerd, dat
zowel positieve als negatieve effecten kan hebben op het menselijk metabolisme
en gezondheid. Kennis over het darm microbioom, dat bestaat uit miljarden
microben die verantwoordelijk zijn voor fermentatie van onverteerbare
dieetcomponenten, wordt steeds uitgebreider. Het microbioom speelt een
belangrijke rol in darmgezondheid, mucosa-immuniteit en -integriteit en in
metabole en psychologische gezondheid.

Het microbioom is in staat om onverteerbare voedselcomponenten, zoals
prebiotica, vezels en resistent zetmeel. Fermentatie van deze koolhydraten, ook
wel saccharolytische fermentatie genoemd, treedt met name op in het proximale
colon, waarbij korte-keten vetzuren (KKVZ) worden geproduceerd, waarvan
acetaat, propionaat en butyraat de meest voorkomende zijn. Deze KKVZ zijn de
belangrijkste brandstofbron van colonocyten en worden snel geabsorbeerd,
waardoor er nagenoeg geen KKVZ meer aanwezig zijn in het colon transversum. In
afwezigheid van KKVZ gaan de microbiota over op het fermenteren van eiwitten in
het colon transversum en het distale colon, waarbij stoffen als indolen,
tryptofaan, ammonia en waterstofsulfide worden geproduceerd.

Over het algemeen hebben KKVZ een positief effect op het menselijk lichaam. Ze
dragen bij aan het verbeteren van darmgezondheid door verbeterde
epitheelfunctie, intestinale barrière functie en mucosakwaliteit, en
verminderde darmpermeabiliteit. KKVZ hebben daarnaast een positief effect op
metabole gezondheid, leidend tot afname van lichaamsgewicht, verhoging van
energieverbruik, verzadiging, insulinegevoeligheid en lipide buffercapaciteit
van vetweefsel, en verlaging van laaggradige inflammatie en ectopische
vetaccumulatie. Verder is aangetoond dat KKVZ inflammatie remmen in de darm,
pancreas en het gehele lichaam en stress verminderen in knaagdieren.

Proteolytische fermentatie, dat met name optreedt in het colon transversum en
distale colon, produceert substraten zoals vertakte-keten vetzuren, ammonia en
fenolen, die een negatief effect hebben op het menselijk lichaam. Anderzijds is
aangetoond dat eiwitvertering in de dunne darm wel positieve effecten heeft op
de dunne darm, waarbij inflammatie wordt verminderd, darmbarrière functie wordt
verbeterd en verzadiging en gewichtsverlies wordt verhoogd. In het algemeen is
de balans tussen saccharolytische en proteolytische fermentatie in
verschillende delen van het maag-darmkanaal van groot belang voor metabole
gezondheid.

Onze recente studies hebben aangetoond dat het toedienen van KKVZ, met name
acetaat, in het distale colon positieve effecten veroorzaakt, zoals verhoogde
vetoxidatie, verminderde lipolyse, verhoogde concentraties verzadingshormonen
en afname van ontstekingscytokines. Daarnaast hebben andere studies aangetoond
dat aanvoer van KKVZ direct in het distale colon het humane metabolisme
verbetert, en energieverbruik en concentraties verzadigingshormonen verhoogt.
Dit wordt mogelijk gedeeltelijk veroorzaakt doordat een deel van de KKVZ de
lever ontloopt en direct de perifere circulatie bereikt. Deze effecten zijn
niet aangetoond nadat acetaat werd toegediend aan het proximale colon. Hierdoor
veronderstellen we dat een verhoogde toevoer van onverteerbare koolhydraten in
het gehele colon de grootste gezondheidseffecten kan veroorzaken door een
verhoging van distale saccharolytische fermentatie en KKVZ productie en
daardoor vermindering van proteolytische fermentatie.

Verhoging van KKVZ concentraties in het distale colon kan worden bereikt door
het gebruik van complexe koolhydraten, zoals resistent zetmeel en vezels. Deze
complexe, onverteerbare koolhydraten worden niet gefermenteerd in de dunne
darm, aangezien de compositie van de microbiota aldaar verschilt van de
microbiota in het colon, die niet in staat is deze koolhydraten te fermenteren.

De enkele humane studies die lange-termijnseffecten van het introduceren van
KKVZ in het colon onderzochten, zijn met name verricht in gezonde volwassenen,
en data is niet consistent. Dit kan mogelijk worden verklaard door
interindividuele variatie in respons. We veronderstellen dat dit mogelijk wordt
verklaard door een verschil in samenstelling van microbioom en in metabool
fenotype (zoals aanwezigheid van insulineresistentie of prediabetes).

Het doel van dit project is om lange-termijn effecten (12 weken) te bepalen van
een optimale balans tussen producten van saccharolytische en proteolytische
fermentatie op de darmgezondheid, het humane metabolisme en psychologische
status van mensen met prediabetes en overgewicht. Deze studie kan zodoende
mogelijk nieuwe preventieve en therapeutische mogelijkheden bieden voor
obesitas en daaraan gerelateerde aandoeningen, zoals metabool syndroom, T2DM en
non-alcoholische leververvetting. Daarnaast verwachten we dat verbetering van
de microbiële compositie en functionaliteit ook kan leiden tot verbeterde
breingezondheid door het ondersteunen van cognitief functioneren en
eetlustregulatie, het veranderen van reacties of voedselsignalen en het
verminderen van stress.

Primair onderzoeksdoel:
Het primaire doel van deze studie is om bewijs te leveren dat het beïnvloeden
van saccharolytische en proteolytische fermentatie door middel van een
specifiek onverteerbaar vezelsupplement, tegen de achtergrond van eiwitrijk
dieet, de productie van positieve substraten verhoogd en negatieve substraten
vermindert. Dit wordt gemeten middels veranderingen in perifere
insulinegevoeligheid.

Secundaire onderzoeksdoelen:
Naast het primaire onderzoeksdoel, worden volgende onderdelen ook geanalyseerd:
- Lever en vetweefsel insulinegevoeligheid
- Energie en substraatmetabolisme (energieproductie, energie inname,
energieverbruik, vet en koolhydraat oxidatie)
- Circulerende metabolieten, ontstekingsfactoren en lipide spectrum
- Darmpermeabiliteit
- Hersengezondheid (neurocognitief functioneren en voedselbeloning-gerelateerde
breinactiviteit)
- Vetweefsel en skeletspiermetabolisme
- Compositie en functionaliteit van het microbioom
- Gastro-intestinale bijwerkingen van het voedingssupplement


Secondary Objectives:
Apart from determining possible effects on insulin sensitivity, we will also
investigate the following parameters and analyse whether steering fermentation
can influence the following secondary outcomes:
1. Hepatic and adipose tissue insulin sensitivity
2. Energy and substrate metabolism (energy harvest, energy intake, energy
expenditure, fat and carbohydrate oxidation).
3. Circulating metabolites, inflammatory factors and blood lipid spectrum
4. Gut permeability
5. Brain health (neurocognitive functioning and food reward-related brain
activity)
6. Adipose tissue and skeletal muscle metabolism
7. Composition and functionality of microbiome
8. Gastro-intestinal side-effects of provided dietary supplement against the
background of a high-protein diet

Additionally, we will explore possible correlations in the gathered data,
including anthropometric measurements, physical activity, dietary intake,
glucose sensitivity, composition of gut microbiota, etc.

De studie zal een dubbel-blind, gerandomiseerde placebo-gecontroleerde trial
zijn om de effecten van het voedingssupplement op darm, metabole en
breingezondheid en op immuniteit te analyseren door de balans tussen
saccharolytische en proteolytische fermentatie te optimaliseren. Personen
tussen 30 en 70 jaar oud met overgewicht of obesitas (BMI tussen 28 en 40
kg/m2) en prediabetes (nuchter glucose tussen 5.6 en 6.9 mmol/l of HbA1c 42-47
mmol/mol of HOMA-IR >1.85) worden geïncludeerd.
Alle onderzoeken vinden plaats in de faciliteiten van de afdeling Humane
Biologie of het Metabolism Research Unit Maastricht van Maastricht University,
of in de klinische faciliteiten van Maastricht Universitair Medisch Centrum+.

Na aanmelding door een persoon via (e-)mail of telefoon zal de onderzoeker
contact opnemen met de mogelijke deelnemer via email of telefoon om aanvullende
informatie te verschaffen, vragen te beantwoorden en eventuele toelaatbaarheid
te beoordelen, waarna een week bedenktijd wordt gegeven. Na een week wordt
opnieuw contact opgenomen met de potentiële proefpersoon en zal, zodra zij
willen meedoen aan het onderzoek, een geschiktheidsonderzoek gepland worden.

Het eerste bezoek aan onze instelling zal bestaan uit de volgende onderdelen:
- Aanvullende informatie verschaffen, vragen beantwoorden en controleren
of alle informatie correct is begrepen, vaststellen dat deelnemers nog steeds
willen deelnemen.
- Tekenen en geven van informed consent
- Het bepalen van een deelnemers gezondheidsstatus, medische voorgeschiedenis
en toelaatbaarheid en veiligheid.
- Meten van vitale parameters en lichaamsafmetingen (gewicht, lengte,
middel-heup ratio, bloeddruk)
- Bloedafname om toelaatbaarheid te testen (glucose, HbA1c, insuline, ALAT,
kreatitine)
Deelnemers dienen minimaal 10 uur nuchter te zijn tijdens dit bezoek.
Alle mogelijke deelnemers zullen gelijkmatig worden gerandomiseerd over beide
onderzoeksarmen (voedselsupplement versus placebo) met minimisatie voor
leeftijd, geslacht en BMI. De gehele studieperiode na screening en randomisatie
duurt 13 weken.

Deze gerandomiseerde klinische trial met als primaire uitkomstmaat
weefselspecifieke insulinegevoeligheid heeft een placebo-gecontroleerd,
dubbelblind, gerandomiseerd, parallel ontwerp, waardoor de rol van het
voedingssupplement tegen de achtergrond van een eiwitrijk dieet in het
metabolisme in volwassen mannelijke en vrouwelijke vrijwilligers met
obesitas/overgewicht en prediabetes kan worden bepaald.

De opzet is als volgt:
1. Voorafgaand aan de humane interventiestudie heeft reeds een pilotstudie
plaatsgevonden om te bepalen welke vezelcombinatie optimaal is om
saccharolytische fermentatie in het distale colon te verhogen en proteolytische
fermentatie te verminderen. Ontlasting werd verzameld van 13 personen met
overgewicht en insuline resistentie en gezamenlijk ingebracht in TIM-2 model om
productie van KKVZ en vertakte-keten vetzuren te bepalen na het fermenteren van
verschillende vezelcombinaties (aardappel, inuline, pectine) gedurende 24 uur
tegen de achtergrond van een eiwitrijk mengsel. Dit heeft aangetoond dat het in
de huidige humane interventie gebruikte vezelsupplement de meeste KKVZ en
minste vertakte-keten vetzuren produceerde, te weten aardappel-pectine vezels.
2. Na randomisatie zal het effect van het gebruik van het vezelsupplement
gedurende 12 weken op weefselspecifieke insulinegevoeligheid worden bepaald in
de huidige studie.

Voor de interventie start, bezoeken proefpersonen onze instelling voor twee
klinische testdagen (KT 1 en 2). Deze dagen bestaan uit de volgende tests:
- Aanleveren van feces door deelnemer
- Afname van skeletspier en subcutaan vetweefsel biopten
- Verrichten van twee-staps hyperinsulinemische-euglycemische clamp
- Uitvoeren van indirecte calorimetrie tijdens clamp
- Uitvoeren van darmdoorlaatbaarheidstest
- Verrichten van functionele MRI
- Uitvoeren van DEXA-scan
- Invullen van vragenlijsten en uitvoeren van neuropsychologische tests
- Uitgifte van en uitleg over de toegewezen interventie

Na KT1 krijgen de proefpersonen een standaardmaaltijd mee. Dit moet worden
genuttigd de avond voorafgaand aan KT2 in de thuissituatie, waarna
proefpersonen nuchter moeten blijven tot de clamp tijdens KT2. KT2 zal
plaatsvinden minimaal 2 dagen na en binnen 2 weken na KT1. Na de interventie
van 12 weken vinden KT 3 en 4 plaats, die inhoudelijk volledig overeenkomen met
KT 1 en 2.

Na het voltooien van de screening en KT1 en 2, zal de interventie starten en
bestaan uit ofwel het vezelsupplement of de placebo. Deze moeten worden
dagelijks ingenomen tijdens gedurende 12 aaneengesloten weken. Daarnaast zullen
alle deelnemers een eiwitrijk dieet moeten volgen met 25 energieprocent (E%)
eiwit, 30% vet en 45% koolhydraten. Eiwitten zullen 45-50% plantaardig en
50-55% dierlijk zijn. Het vezelsupplement en de placebo kunnen gemakkelijk met
dit eiwitrijk dieet worden genuttigd. De precieze samenstelling van het
eiwitrijk dieet wordt bepaald op basis van de behoefte en voorkeuren van de
deelnemers. De energiebehoefte van deelnemers wordt berekend middels indirecte
calorimetrie, energieverbruik in rust en een activiteitsfactor.

Zowel de deelnemers als de onderzoekers zijn geblindeerd voor de behandeling.
De studie is ontworpen om het effect van het vezelsupplement tegen de
achtergrond van een eiwitrijk dieet te bepalen, onafhankelijk van overige
dieet- of fysieke activiteitinterventies.
In week 2, 6 en 9 bezoeken deelnemers onze instelling of worden zij telefonisch
gecontacteerd voor een kort gesprek om hun gezondheid en compliantie te
bepalen, enkele vragenlijsten in te vullen en eventuele vragen te beantwoorden.
In week 2 en 6 leveren proefpersonen ontlasting in en in week 6 wordt bloed
afgenomen.
Om de dieet en activiteitsgewoonten van deelnemers in kaart te brengen worden
vragenlijsten (SQUASH) en een drie-daags eetdagboek ingevuld voor KT 1 en 3 en
in week 6. De Gastrointestinal Symptom Rating Scale (GSRS) wordt gebruikt voor
KT 1 en 3 en in week 2 en 6 van de interventie. Verder wordt de Bristol Stool
Scale (BSS) gebruikt voor KT 1 en 3 en tijdens week 2 en 6.

Na het afronden van de trial wordt alle data verzameld en geanalyseerd.
Deelnemers ontvangen een financiële compensatie voor hun medewerking en een
vergoeding van de gemaakte reiskosten. De totale tijd die deelnemers in onze
instellingen zal doorbrengen is ongeveer 40 uur (Screening: 0.5u; KT 1+2:
2x9.5u; gesprek week 2, 6 en 9: 3x0.5u; KT 3+4: 2x9.5u)

Zoals eerder benoemd zal KT3 plaatsvinden 12 weken na het starten van de
interventie. Het voedingssupplement en het eiwitrijk dieet dienen te worden
gecontinueerd tot de dag voorafgaand aan KT3, wat inhoudt dat in sommige
gevallen de interventieperiode niet exact 12 weken is, maar enkele dagen langer
of korter, afhankelijk van beschikbaarheid van de deelnemers. Logischerwijs
zullen de onderzoekers streven naar het plannen van KT3 precies 12 weken na
aanvang van de studie. De reden dat de interventie dient te worden
gecontinueerd tot KT3 is om te garanderen dat de mogelijke acute effecten van
de interventie in vergelijkbare mate aanwezig zijn tijdens de tests/uitkomsten
tussen de deelnemers. Er wordt verondersteld dat de kleine verschillen in
totale interventieduur niet substantieel zullen bijdragen aan de uitkomstmaten.

Alle deelnemers ontvangen een eiwitrijk dieet gedurende de gehele interventieperiode (12 aaneengesloten weken, beginnend de dag na KT2 tot de dag voorafgaand aan KT3). Het dieet zal bestaan uit 25 energie procent (E%) eiwit, 30E% vet en 45E% koolhydraten. Eiwitten bestaan uit 45-50% plantaardige en 50-55% dierlijke eiwitten, om het westerse dieet, dat grotendeels bestaat uit dierlijke eiwitten, te simuleren en tegelijkertijd de maatschappelijke verschuiving naar meer plantaardige eiwitten te implementeren. Verder ontvangt, afhankelijk van randomisatie, een groep het vezelsupplement en de andere groep een placebo. Het vezelsupplement zal bestaan uit een combinatie van aardappelvezel met suikerbietpectine. Dit wordt met de maaltijd genuttigd. Deelnemers die het vezelsupplement niet ontvangen, krijgen een placebo op een isocalorische wijze. Dit placebo is maltodextrine (Maltodextrin Glucidex IT 12 (Roquette Freres, Lestrem, Frankrijk) en is een volledig verteerbaar koolhydraat. Daarnaast is het vergelijkbaar tot het vezelsupplement wat betreft smaak, mondgevoel en uiterlijk.

Over het algemeen veroorzaken obesitas en hieraan gerelateerde een grote last
voor patiënten en de kwaliteit van leven. Verder zijn deze aandoeningen een van
de meest voorkomende doodsoorzaken wereldwijde, hebben ze een hoge
maatschappelijke socio-economische impact en verhogen daarmee
gezondheidskosten. Door mogelijke strategieën om metabole, darm en brein
gezondheid te onderzoeken, willen we bijdragen aan een gezondere leefstijl, en
een afname in obesitas, obesitas-gerelateerde aandoeningen en de
socio-economische impact van deze aandoeningen.

Door het eerder vastgestelde voedingssupplement te testen, verschaffen we
inzichten in specifieke metabole mechanismen, analyseren we interacties tussen
voedsel, de darm en het brein, en vinden we potentiële manieren om het
menselijk verteringsstelsel te sturen om substraten te verkrijgen met een
positieve invloed op het menselijk lichaam en gelijktijdig substraten met een
negatieve invloed te verminderen. Naast het fundamentele bewijs om verdere
preventieve en therapeutische mogelijkheden te ondersteunen, kunnen deelnemers
ook profiteren van de interventie. Het voordeel van de interventie voor
individuen zal kunnen bestaan uit kleine, korte-termijns verbeteringen in
lichaamsgewicht, lichaamssamenstelling en koolhydraat- en vetmetabolisme.

Noch het onderzochte supplement, de placebo of het eiwitrijke dieet veroorzaken
enig risico voor de gezondheid van deelnemers, aangezien dit allemaal
natuurlijk, veel gebruikte onderdelen van ons dieet zijn en eventuele
allergieën of intoleranties voor deze middelen zijn uitgesloten met de
exclusiecriteria. Deze bestanddelen kunnen daarentegen milde gastro-intestinale
klachten veroorzaken. Daarnaast vereist het volgen van een dieet, bestaande uit
relatief hoge hoeveelheden eiwit en het voedingssupplement, gedurende 12 weken
motivatie, therapietrouwheid, tijdsinvestering en de bereidheid om de normale
leefstijl te veranderen naar een tijdelijke leefstijl die overeenkomstig is met
het voorgeschreven dieet. Dit veroorzaakt ook een belasting voor de deelnemers,
die noodzakelijk is om de effecten op de primaire en secundaire uitkomstmaten
te kunnen meten.

Alle andere tests veroorzaken geen gevaar voor de gezondheid van deelnemers,
maar kunnen wel bijwerkingen of complicaties met zich meebrengen. Het
lichamelijk onderzoek, alle vragenlijsten, het verzamelen en aanleveren van
feces en urine, het neuropsychologische onderzoek, MRI en DEXA scan, het
darmdoorlaatbaarheidsonderzoek en de indirecte calorimetrie veroorzaken geen
schade. Alle deelnemers moeten hiertoe wel bereid coöperatief en gemotiveerd te
zijn om alle tests en interventies correct en volledig te voltooien en een
relatief grote hoeveelheid tijd te besteden in onze instelling (40 uur in
totaal). Deze tests veroorzaken geen risico's voor deelnemers. Desalniettemin
vormen deze wel een mentale belasting. Met name de cognitieve tests kunnen een
impact hebben op mentale/psychologische gezondheid wat betreft vermoeidheid en
de mogelijkheid tot het ontvangen/ervaren van confronterende resultaten indien
de tests niet optimaal worden voltooid.
De straling waaraan proefpersonen worden blootgesteld tijdens de DEXA scan
(<0.02mSv) is een kleine hoeveelheid van de straling waaraan een inwoner van
Nederland standaard jaarlijks wordt blootgesteld (2.5mSv). Hierdoor worden geen
extra gezondheidseffecten veroorzaakt.
De MRI wordt verricht in een kleine ruimte en veroorzaakt lawaai. Deelnemers
kunnen claustrofobie ervaren, wat reeds wordt opgemerkt tijdens de screening.
De invasieve tests (zoals bloedafname, weefselbiopten, twee-staps clamp)
veroorzaken een hogere last voor deelnemers. Bloedafnames en het plaatsen van
intraveneuze infusen worden afgenomen of geplaatst op meerdere momenten,
waarbij een scherpe naald wordt gebruikt om de huidweefsel te passeren. Dit kan
pijn, bloeding en hematomen veroorzaken, maar dit is in het algemeen van kleine
aard.
Weefselbiopten (vetweefsel en skeletspier) zijn de meest invasieve tests en
kunnen pijn, bloeding, en hematomen veroorzaken, met name tijdens en na het
spierbiopt. Na afname van het spierbiopt wordt een drukverband aangebracht om
de kans op hematomen te verlagen. De insertieplaats van de bioptnaald laat een
klein litteken achter (circa 3mm bij vetweefsel en 8mm bij spierweefsel)
Tijdens de twee-staps clamp is er een klein risico op hypo- en hyperglycemie.
Dit wordt echter, in onze ervaring, zeer zelden gezien en hierop kan direct
worden gehandeld. Een arts is altijd beschikbaar tijdens deze onderzoeken.
Alle onderzoeken worden verricht in Metabolic Research Unit Maastricht (MRUM)
van de Universiteit Maastricht of de faciliteiten van Maastricht Universitair
Medisch Centrum+. Alle onderzoeken worden verricht met in acht name van
algemene veiligheids- en gezondheidsvoorschriften en Standard Operating
Procedures. Strenge richtlijnen in geval van nood zijn aanwezig. Daarnaast is
er te allen tijde een arts beschikbaar (fysiek of telefonisch) tijdens de
tests.