Effects of dairy proteins and calcium on diet-induced obesity in mice

Abstract

Diet high in dairy products is inversely associated with body mass index, risk of metabolic syndrome and prevalence of type 2 diabetes in several populations. Also a number of intervention studies support the role of increased dairy intake in the prevention and treatment of obesity. Dairy calcium has been suggested to account for the effect of dairy on body weight, but it has been repeatedly shown that the effect of dairy is superior to the effect of supplemental calcium. Dairy proteins are postulated to either enhance the effect of calcium or have an independent effect on body weight, but studies in the area are scarce. The aim of this study was to evaluate the potential of dairy proteins and calcium in the prevention and treatment of diet-induced obesity in C57Bl/6J mice. The effect of dairy proteins and calcium on the liver and adipose tissue was also investigated in order to characterise the potential mechanisms explaining the reduction of risk for metabolic syndrome and type 2 diabetes.

A high-calcium diet (1.8%) in combination with dietary whey protein inhibited body weight and fat gain and accelerated body weight and fat loss in high-fat-fed C57Bl/6J mice during long-term studies of 14 to 21 weeks. α-lactalbumin, one of the major whey proteins, was the most effective whey protein fraction showing significantly accelerated weight and fat loss during energy restriction and reduced the amount of visceral fat gain during ad libitum feeding after weight loss. The microarray data suggest sensitisation of insulin signalling in the adipose tissue as a result of a calcium-rich whey protein diet. Lipidomic analysis revealed that weight loss on whey protein-based high-calcium diet was characterised by significant decreases in diabetogenic diacylglycerols and lipotoxic ceramide species.

The calcium supplementation led to a small, but statistically significant decrease in fat absorption independent of the protein source of the diet. This augments, but does not fully explain the effects of the studied diets on body weight. A whey protein-containing high-calcium diet had a protective effect against a high-fat diet-induced decline of β3 adrenergic receptor expression in adipose tissue. In addition, a high-calcium diet with whey protein increased the adipose tissue leptin expression which is decreased in this obesity-prone mouse strain. These changes are likely to contribute to the inhibition of weight gain. The potential sensitisation of insulin signalling in adipose tissue together with the less lipotoxic and diabetogenic hepatic lipid profile suggest a novel mechanistic link to explain why increased dairy intake is associated with a lower prevalence of metabolic syndrome and type 2 diabetes in epidemiological studies.

Taken together, the intake of a high-calcium diet with dairy proteins has a body weight lowering effect in high-fat-fed C57Bl/6J mice. High-calcium diets containing whey protein prevent weight gain and enhance weight loss, α-lactalbumin being the most effective whey protein fraction. Whey proteins and calcium have also beneficial effects on hepatic lipid profile and adipose tissue gene expression, which suggest a novel mechanistic link to explain the epidemiological findings on dairy intake and metabolic syndrome. The clinical relevance of these findings and the precise mechanisms of action remain an intriguing field of future research.

Heraproteiineilla ja kalsiumilla suotuisia vaikutuksia kehon painoon ja koostumukseen lihavuuden kokeellisessa tutkimusmallissa

Kehon koostumuksen lisäksi heraproteiinit ja kalsium vaikuttavat edullisesti lihavuuden aiheuttamiin haittoihin maksassa ja rasvakudoksessa selviää ETM Taru Pilven tuoreesta väitöstutkimuksesta. Tämä tarkoittaa, että proteiinin laadulla voi olla tärkeä vaikutus painonhallinnan kannalta.

ETM Taru Pilvi on selvittänyt väitöskirjassaan maidon proteiinien ja kalsiumin vaikutusta lihavuuden ehkäisyssä ja hoidossa käyttäen tutkimusmallina ravintoperäisen lihavuuden hiirimallia. Lisäksi väi-töskirjassa tutkittiin maidon proteiinien ja kalsiumin vaikutusta maksaan ja rasvakudokseen. Aiemmin on havaittu, että ihmisillä, jotka käyttävät runsaasti maitotuotteita on pienempi painoindeksi ja pie-nempi riski sairastua metaboliseen oireyhtymään ja 2 tyypin diabetekseen kuin vähän maitotuotteita käyttävillä yksilöillä. Maidon kalsiumin ja proteiinien on ehdotettu vaikuttavan kehon painoon, mutta maidon proteiinien vaikutuksista ja vaikutusmekanismeista on niukasti tutkimuksia.

Lihavuuden kokeellisessa tutkimusmallissa havaittiin maidon eri proteiinien poikkeavan toisistaan vai-kutuksiltaan kehon painoon tai rasvakudoksen määrään. Runsaasti kalsiumia ja heraproteiinia sisäl-tävä ruokavalio esti kehon painon ja rasvakudoksen määrän nousua ja lisäsi painonpudotusta ja rasvakudoksen menetystä laihdutuksen aikana. Alfalaktalbumiini, yksi heran pääproteiinikomponen-teista oli tehokkain heraproteiini lisäten merkitsevästi painon ja rasvakudoksen menetystä energiara-joituksen aikana. Lisäksi alfalaktalbumiini vähensi rasvan kertymistä sisäelinten ympärille laihdutuksen jälkeisen painonnousun aikana.

Mikrosiruanalyysi paljasti rasvakudoksen insuliinireitin herkistymisen runsaasti kalsiumia sisältäneen heraproteiinipohjaisen ruokavalion seurauksena. Maksan rasvaprofiilin analysointi puolestaan osoitti että heraproteiinipohjaisen, runsaasti kalsiumia sisältävän ruokavalion nauttiminen laihdutuksen aikana johti haitallisten rasvayhdisteiden merkitsevään vähenemiseen maksassa.

Kalsiumin lisääminen ruokavalioon aiheutti pienen, mutta merkitsevän vähenemisen rasvan imeytymisessä. Tämä ei kuitenkaan täysin selitä kehon painossa ja rasvakudoksen määrässä havaittuja eroja. Runsaasti kalsiumia sisältänyt heraproteiinipohjainen ruoka lisäsi mm. β3-adrenergisen reseptorin ja leptiinin ilmenemistä rasvakudoksessa, mikä voi osaltaan vaikuttaa kehon painossa havaittuihin muutoksiin. Insuliinisignaalireitin herkistyminen rasvakudoksessa yhdessä maksan rasvaprofiilin korjaantumisen kanssa voivat tarjota mekanistisen selityksen sille miksi lisääntynyt maitotuotteiden käyttö on yhteydessä metabolisen oireyhtymän ja tyypin 2 diabeteksen vähentyneeseen ilmaantuvuuteen väestötutkimuksissa. Nämä kokeelliset tulokset luovat hyvän perustan tarkempien vaikutusmekanismien ja maitoproteiinien kliinisten vaikutusten tutkimiselle tulevaisuudessa.

ETM Taru Pilven väitöskirja Effects of dairy proteins and calcium on diet-induced obesity in mice tar-kastetaan Helsingin yliopiston Lääketieteellisessä tiedekunnassa perjantaina 31.10.2008 klo 12 (Biomedicum Helsinki, luentosali 2, Haartmaninkatu 8, Helsinki). Vastaväittäjänä toimii professori Hannu Mykkänen, Kuopion yliopistosta ja kustoksena professori Riitta Korpela Helsingin yliopiston Lääketie-teellisestä tiedekunnasta.