Haemodynamic influences of liquorice and fermented milk products containing lactotripeptides and plant sterol esters

Abstract

Kohonnut verenpaine on merkittävä riskitekijä sydän- ja verisuonisairauksille sekä ennenaikaiselle kuolemalle maailmanlaajuisesti. Kohonnut verenpaine esiintyy usein yhdessä keskivartalolihavuuden, dyslipidemian ja insuliiniresistenssin kanssa. Metabolinen oireyhtymä on näiden poikkeavuuksien kasauma ja tärkeä riskitekijä sekä sydän- ja verisuonitautien että tyypin 2 diabeteksen synnylle. Ruokavalio yhdessä muiden elämäntapamuutosten kanssa on avainasemassa kohonneen verenpaineen ja siihen liittyvien häiriötilojen ehkäisyssä ja hoidossa. Elintarvikkeiden, jotka sisältävät maitoproteiinista peräisin olevia biologisesti aktiivisia laktotripeptidejä, on havaittu laskevan verenpainetta kliinisissä tutkimuksissa. Kaikki julkaistut tutkimukset eivät kuitenkaan ole yhdenmukaisesti osoittaneet verenpainetta alentavaa vaikutusta. Laktotripeptidien vaikutustavan on arveltu perustuvan angiotensiiniä konvertoivan entsyymin estoon.

Lakritsivalmisteiden nauttiminen voi tunnetusti nostaa verenpainetta. Lakritsin sisältämä glykyrritsiini metaboloituu suolistossa glykyrretiinihapoksi, joka vaikuttaa kortisolin aineenvaihduntaan estämällä 11-α-hydroksisteroidi-dehydrogenaasityyppi- 2 (11α-HSD2) -entsyymiä, joka hajottaa biologisesti aktiivista kortisolia inaktiiviseksi kortisoniksi. Liiallinen lakritsin nauttiminen lisää kortisolin sitoutumista mineralokortikoidireseptoreihin, joita esiintyy useissa kudoksissa kuten munuaisissa, verisuonten seinämissä, sydämessä ja keskushermostossa. Täten mahdollisia lakritsihypertension taustalla olevia mekanismeja ovat solunulkoisen nestetilavuuden kasvu, ääreisverenkierron vastuksen nousu, lisääntynyt valtimojäykkyys tai muutokset sydämen tai autonomisen hermoston toiminnassa.

Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää reniini-angiotensiini-aldosteroni - järjestelmää mahdollisesti estävien laktotripeptidien sekä kolesterolin imeytymistä estävän kasvisteroliesterin yhteiskäytön vaikutusta hemodynamiikkaan ja plasman lipideihin henkilöillä, joilla on metabolinen oireyhtymä. Lakritsin aiheuttama verenpaineen nousu on aikaisemmin liitetty solunulkoisen nestetilavuuden lisääntymiseen, joka esiintyy tyypillisesti yhdessä reniini-angiotensiini-aldosteroni - järjestelmän vaimenemisen kanssa. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli selvittää minkälaiset muutokset verenkiertoelimistön toiminnassa johtavat verenpaineen nousuun lakritsin nauttimisen jälkeen.

Ensimmäisessä osatyössä 104 henkilöä, joilla oli metabolinen oireyhtymä, satunnaistettiin nauttimaan 12 viikon ajaksi hapanmaitovalmistetta, joka sisälsi lakrotripeptidejä joko 5 tai 25 mg/pv yhdessä kasvisteroliesterin (2 g/pv) kanssa, tai hapanmaitovalmistetta ilman tutkittavia yhdisteitä (placebo-valmiste) (I). Osatyö I toteutettiin kaksoissokkoutettuna 3 ryhmän rinnakkaistutkimuksena. Lakritsin vaikutuksia selvittävissä osatöissä (II-IV) verenpaineeltaan normaalit henkilöt (n=22) söivät päivittäin kahden viikon ajan 120-300 g lakritsivalmistetta sisältäen 290-370 mg glykyrritsiiniä vuorokaudessa, ja verrokkeina toimivat henkilöt jatkoivat tavanomaisen ruokavalionsa noudattamista. Verenkiertoelimistön toimintaa tutkittiin kajoamattomalla menetelmällä makuulla ja passiivisen kallistuskokeen aikana käyttäen impedanssikardiografiaa, tonometristä radialispaineiden mittausta ja pulssiaallon analyysimenetelmää. Lisäksi ensimmäisessä osatyössä verenpainetta seurattiin kotimittausten avulla.

Laktotripeptidejä ja kasvisteroliesteriä sisältävän hapanmaitovalmisteen nauttiminen ei laskenut verenpainetta tai sen osatekijöitä ääreisverenkierron vastusta tai minuuttitilavuutta placebo-valmisteeseen verrattuna henkilöillä, joilla oli metabolinen oireyhtymä. Tulokset olivat yhdenmukaisia sekä laboratorio- että kotimittauksissa. Tutkimusvalmisteen käytön havaittiin kuitenkin laskevan hieman plasman LDL-kolesterolipitoisuutta.

Kahden viikon lakritsialtistus lisäsi solunulkoista nestetilavuutta sekä sentraalista pulssipainetta ja augmentaatioindeksiä osoittaen voimistunutta ääreisverisuonista takaisin heijastuvaa paineaaltoa, ja nosti sekä perifeeristä että sentraalista verenpainetta. Lakritsin nauttimisen havaittiin lisäävän myös ääreisverenkierron vastusta ja suurten valtimoiden jäykkyyttä. Lisäksi osoitettiin, että kallistuskokeen aikana augmentaatioindeksin nousu korostui ja sydämen sykkeen nousu jäi vähäisemmäksi lakritsia nauttineilla henkilöillä. Osatyö IV osoitti, että lakritsin aiheuttama heikentynyt kronotrooppinen vaste pystyasentoon noustessa oli yhteydessä pienentyneeseen virtsan kortisoni:kortisoli -suhteeseen, joka kuvaa 11α- HSD2-entsyymin estoa. Lisäksi lakritsialtistuksen aiheuttaman ääreisverenkierron vastuksen nousun havaittiin liittyvän heikentyneeseen typpioksidiperäiseen verisuonten laajentumiseen.

Lakritsin aiheuttama verenpaineen nousu ei aiheudu yksinomaan suolan ja nesteen kertymisestä elimistöön vaan vaikutus välittyy usean mekanismin kautta. Verenkiertoelimistön toiminnan mittaaminen pelkästään levossa huomattavasti aliarvioi lakritsin aiheuttamia muutoksia, koska tutkimuksessa havaittu sydämen sykkeen säätelyn muutos ja takaisin heijastuvan paineaallon kasvu korostuivat pystyasennossa.

Hypertension is a significant predisposing factor for cardiovascular disease, which is a leading cause for death worldwide. Elevation of blood pressure (BP) often coincides with abdominal obesity, insulin resistance, and dyslipidaemia known as the metabolic syndrome (MetS), which is associated with increased risk of cardiovascular disease and type 2 diabetes. Lifestyle modifications including a healthy balanced dietary pattern is central for both prevention and treatment of hypertension and related risk factors. As possible functional foods with antihypertensive properties, milk casein-derived lactotripeptides (LTPs) isoleucine-proline-proline and valineproline- proline have been suggested for the dietary treatment of prehypertension and mild hypertension together with other lifestyle changes. The proposed mechanism of action includes inhibition of the angiotensin-converting enzyme. However, the BP lowering efficacy of LTPs has not been consistent in all studies.

Liquorice ingestion has been recognised as a dietary-based reason for elevation of BP. The active metabolite of liquorice products, glycyrrhetic acid, inhibits the enzyme 11α-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (11α-HSD2), which degrades active cortisol to inactive cortisone. Thus, liquorice ingestion results in enhanced activation of the mineralocorticoid receptor (MR) by cortisol, although the physiologic agonist of the MR is aldosterone. The MRs are co-expressed with the 11α-HSD2 in tissues involved in the regulation of BP including the kidneys, vascular wall, central nervous system, and the heart. Thus, the elevation of BP following liquorice ingestion could be mediated via sodium and water retention, increased peripheral arterial resistance and large arterial stiffness, or changes in the autonomic tone and cardiac function.

The aim of the present thesis was to study the influences of simultaneous intake of LTPs that have been previously suggested to inhibit the renin-angiotensinaldosterone system (RAAS), and plant sterol esters (PSe) that are known to decrease the absorption of dietary and endogenous cholesterol, on haemodynamics and plasma lipids in subjects with the MetS. In addition, the detailed haemodynamic changes underlying the liquorice-induced elevation of BP, which is characterised by the suppression of the RAAS, were investigated in healthy volunteers.

A study population of 104 subjects with the MetS were randomised to three parallel groups to consume fermented milk product containing either 5 or 25 mg/d of LTPs combined with 2 g/d of PSe, or placebo for 12 weeks, in a double-blind fashion (I). In addition, 22 normotensive subjects consumed 120-300 g/d of liquorice (corresponding to 290-370 mg/d glycyrrhizin) for two weeks in parallel with a control group maintaining their habitual diet (II-IV). Haemodynamics were measured non-invasively at rest (II) and during orthostatic challenge (I, III, IV) in the laboratory, and brachial BP at home (I). In study IV, the haemodynamic recordings were performed in the absence and presence of sublingual nitroglycerin and inhaled salbutamol to investigate the possible alterations in the vasodilatory responses induced by the aforementioned drugs after liquorice intake. Also, the urinary ratio of cortisone to cortisol metabolites, a marker of the inhibition of the enzyme 11α-HSD2, was examined in relation to the haemodynamic findings (IV). In study I, the test products induced no significant effect on home BP measurements, or on BP, cardiac index, and systemic vascular resistance index (SVRI) in the laboratory during the haemodynamic recording protocol compared to placebo. However, a slight reduction in plasma LDL-cholesterol was observed following intake of fermented milk products containing LTPs and PSe.

In study II, liquorice ingestion was found to increase extracellular water volume, elevate central pulse pressure and augmentation index indicating enhanced central wave reflection, and elevate peripheral and central BP. The findings of study III indicated that liquorice exposure also elevated SVRI and increased large arterial stiffness. In addition, enhanced augmentation index and reduced heart rate was especially observed in the upright position (III). The liquorice-induced impairment in cardiac chronotropic response to upright posture was found to correlate with the decrease in urinary ratio of cortisone to cortisol metabolites (IV). Also, the liquoriceinduced increase in SVRI was detected in the absence and presence of nitroglycerin, while in the presence of salbutamol there were no differences between the level of SVRI measured before and after liquorice exposure (IV).

In conclusion, in subjects with the MetS, intake of fermented milk products containing LTPs and PSe showed no antihypertensive effect, while a mild LDLcholesterol lowering effect was detected. Two weeks of daily liquorice intake elevated BP through multiple mechanisms including increased extracellular water volume, amplified pressure wave reflection from the periphery especially in the upright position, increased large arterial stiffness, and elevated peripheral arterial resistance via impaired response to nitric oxide. The measurement of mere supine haemodynamics would significantly underestimate the cardiovascular influences of liquorice intake.