The Impact of Plant-Based Diets on Maternal and Offspring Health : A Health Technology Assessment

Abstract

Abstract The number of women choosing a plant-based diet or a diet with reduced amounts of foods of animal origin increases. Vegetarian diet forms showed beneficial effects on coronary heart disease, certain types of cancer, and type 2 diabetes in adults, but the recommen- dations regarding critical stages of life such as pregnancy, lactation, and childhood are inconsistent due to potential nutrient deficiencies. The objective was to conduct a Health Technology Assessment to evaluate the evidence in terms of harms and benefits of plant- based diets and provide guidelines for health care professionals. A literature search in PubMed was carried out, including the keywords related to the forms of nutrition (vegetarian diet, vegan diet, macrobiotic diet, low meat diet, and Mediterranean diet) and the stages of life of mother and child which were relevant for the research ques- tion. Outcomes of interest in the mother were early abortion, preeclampsia, gestational diabetes, anemia, neurological and neuropsychiatric symptoms. Outcomes of interest in the child were preterm birth, low birth weight, small for gestational age/intrauterine growth restriction, congenital heart defects, neural tube defects, hypospadias, feeding difficulties, neurological symptoms, anemia, physical growth markers, fine and gross motor skills, asthma and wheezing, and cognitive functions. A systematic review of evidence was per- formed. Meta-analyses were conducted to generate a pooled effect size if study designs allowed it. 113 publications met the inclusion criteria. The results of the meta-analyses showed a significantly lower risk of gestational diabetes mellitus and preterm delivery in women with high Mediterranean diet adherence. Women who followed a Mediterranean diet were less likely to develop other pregnancy-related outcomes such as hypertensive disorders and small for gestational age fetuses/intrauterine growth retardation/fetal growth restriction/low birth weight, but these associations were not statistically significant. Moreover, the findings indicated that a high Mediterranean diet adherence correlated with lower risks of over- weight and obesity. Additionally, a trend towards a lower body mass index, a lower risk of asthma and wheezing and higher scores in cognitive functions in children who followed a Mediterranean diet was observed. Analyses investigating the associations between vegetarian, vegan and low meat diet and maternal and offspring health yielded no clear results. Only the association between vege- tarian diet and a lower mean BMI in children and adolescents was statistically significant. The results suggest that the Mediterranean diet could be an essential component of metabol- ically healthy pregnancies and the basis of early prevention of metabolic disorders in chil- dren and adolescents. The Mediterranean diet as a cost-effective, low-risk intervention should not be neglected in future dietary recommendations and guidelines. Considering the present evidence regarding vegetarian diet forms, it would be inappropriate to discourage pregnant women from following a vegetarian or vegan diet as long as macronutrient and micronutrient requirements are fulfilled. Further research is needed to confirm the findings.

Abstract: Die Anzahl der Frauen, die sich für die Reduktion oder den Verzicht auf tierische Lebens- mittel in der Ernährung entscheiden, wächst stetig. In Studien zeigten vegetarische Ernährungsformen protektive Effekte auf die Entstehung von koronarer Herzerkrankung, Krebserkrankungen und Typ 2 Diabetes bei Erwachsenen. Jedoch sind die Empfehlun- gen verschiedener Fachgesellschaften für kritische Lebensphasen wie Schwangerschaft, Stillzeit und Kindheit widersprüchlich aufgrund möglicher Nährstoffmängel. Das Ziel der Untersuchung war die Bewertung der aktuellen Evidenzlage in Form eines Health Technol- ogy Assessments, um Risiken und Nutzen pflanzlicher Ernährungsformen abzuwägen und Leitlinien für Fachleute im Gesundheitswesen zu erstellen. Für die Literaturrecherche bei PubMed wurde ein Term generiert, der die Schlüsselbe- griffe in Bezug auf Ernährungsform (vegetarische, vegane, makrobiotische und fleischarme Ernährung sowie Mediterrane Diät) und für unsere Fragestellung relevanten Lebensphasen von Mutter und Kind enthielt. Outcomes von Interesse bei der Mutter waren frühzeitige Aborte, Präeklampsie, Gestationsdiabetes, Anämie und neurologische und neuropsychia- trische Symptome. Outcomes von Interesse beim Kind waren Frühgeburtlichkeit, niedriges Geburtsgewicht, Small-for-Gestational-Age, intrauterine Wachstumsretardierung, ange- borene Herzfehler, Neuralrohrdefekte, Hypospadie, Fütterungsprobleme, neurologische Symptome, Anämie, Wachstum, fein- und grobmotorische Fähigkeiten, Asthma und kogni- tive Funktionen. Es wurde ein systematischer Review der Literatur durchgeführt. Im Falle von ausreichender Studienzahl und geeignetem Studiendesign wurden Metaanalysen für die jeweiligen Outcomes erstellt. 113 Publikationen erfüllten die Einschlusskriterien. Die Ergebnisse der Metaanalysen zeigten eine signifikante Assoziation zwischen Einhaltung der mediterranen Diät und einem verringerten Risiko für Gestationsdiabetes und Frühgeburtlichkeit. Frauen, die einer mediterranen Diät folgten, entwickelten außerdem seltener weitere Komplikatio- nen wie Schwangerschaftshypertonie oder Small-for-Gestational-Age-Feten, intrauterine Wachstumsretardierung und niedriges Geburtsgewicht. Allerdings waren diese Assozia- tionen nicht statistisch signifikant. Es konnte ein Zusammenhang zwischen Einhaltung der mediterranen Diät und einem verringerten Risiko für Übergewicht und Adipositas bei Kindern und Jugendlichen gezeigt werden. Zudem konnte bei Kindern, die einer mediterra- nen Diät folgten, eine Tendenz zu einem geringerem Body Mass Index, einem verminderten Risiko für die Entwicklung von Asthma und bessere kognitive Funktionen ermittelt werden. Unsere Analysen zu vegetarischer, veganer und fleischarmer Ernährung und der Gesund- heit von Mutter und Kind kamen zu keinen eindeutigen Ergebnissen. Nur die Assoziation zwischen vegetarischer Ernährung und einem niedrigeren mittleren BMI bei Kindern und Jugendlichen war statistisch signifikant. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die mediterrane Diät ein wesentlicher Bestandteil einer stoffwechselgesunden Schwangerschaft und die Grundlage für eine frühzeitige Prävention von Stoffwechselerkrankungen bei Kindern und Jugendlichen sein könnte. Die mediterrane Diät als kosteneffiziente, risikoarme Intervention sollte in künftigen Empfehlungen und Leitlinien nicht vernachlässigt werden. In Anbetracht der vorliegenden Erkenntnisse über vegetarische Ernährungsformen wäre es unangebracht, schwangeren Frauen von einer ve- getarischen oder veganen Ernährung abzuraten, solange der Bedarf an Nährstoffen gedeckt ist. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die Ergebnisse zu bestätigen.

The Ca2+ channel β subunits (Cavβs) 1, 2, 3 and 4 are essential for trafficking the poreforming Cavα1 subunit to the plasma membrane and for modulation of Ca2+ currents. We identified the Cavβ3 protein in embryonic fibroblasts (MEFs) isolated from wildtype mice but we did not detect any functional depolarization-induced Ca2+ influx into these cells. Subcellular fractionation and confocal imaging of MEFs and Cavβ3 cDNA expressing HEK293 and Cos-7 cells reveal a localization of Cavβ3 all over the cytoplasm even when the Cav1.2 cDNA had been co-expressed. Fura-2 measurements during agonist-induced IP3 generation and flash photolysis of cagedIP3 show that IP3-dependent Ca2+ release was significantly increased in β3-deficient MEFs compared to wild-type cells. Vice versa, expression of Cavβ3 cDNA in cells which hardly express Cavβ3 gene endogenously like Cos-7 cells and HEK293 cells decreases significantly the IP3-dependent Ca2+ release. Using the anti-Cavβ3 antibody, the Cavβ3 protein was precipitated, and among the proteins associated with the retained Cavβ3 were the IP3R and vice versa. Cavβs contain two conserved regions, C1 and C2, essential for Cav channel regulation, which share homology with Src homology (SH) 3 domains (C1) and guanylate kinase (GK, C2). Results obtained with SH3- and GK-deficient and plasma-membrane targeted β3-protein show that i) the SH3-domain and ii) the localization within the cytoplasm are required for Cavβ3- IP3R interaction and for the β3-dependent decrease of agonist-induced Ca2+ release. Using glutathione S-transferase-pull-down experiment two novel binding sites for Cavβ3 protein were mapped to amino acid residues 346-917 and 1387-2249 of the IP3R type 3. MEFs obtained from Cavβ3-deficient mice revealed significant differences in migration compared to wild-type cells. By transferring this behavior into an in vivo integrative pathophysiological response we studied skin wound healing which occurred significantly faster in β3-deficient mice than in wild-type mice. In summary, we discovered a novel Cav-independent function of the Cavβ3 protein, which desensitizes cells to low IP3 concentrations apparently by interacting with the internal coupling domain of IP3R via its SH3 domain. This novel Cavβ3 function has a significant impact on fibroblasts migration in vitro and skin wound closure in vivo.

Die β Untereinheiten Spannungs-aktivierter Kalzium (Ca2+) Kanäle, Cavβ 1, 2, 3 und 4, sind verantwortlich für den Transport der Poren-bildenden Cavα1 Untereinheit zur Plasmamembran und sie beeinflussen die Kinetik der Ca2+ -Ströme. In primären embryonalen Fibroblasten der Maus (MEFs) konnten wir Cavβ3 identifizieren, aber nach Depolarisation war kein Ca2+ -Einstrom in diesen Zellen zu detektieren. Subzelluläre Fraktionierung und konfokale Fluoreszenzaufnahmen der Fibroblasten und von Cavβ3 cDNA exprimierenden HEK293 und Cos-7 Zellen zeigen eine Lokalisation von Cavβ3 in Zytoplasma auch nach Koexpression der Cavα1.2 cDNA. Fura-2 Messungen während einer Agonisten-induzierten IP3 Bildung und FlashPhotolyse von „caged“ IP3 ergaben, dass β3-defiziente Fibroblasten im Vergleich zu Wildtyp Zellen eine signifikant erhöhte IP3-abhängige Ca2+ -Freisetzung aufweisen. Andererseits führt die Expression von Cavβ3 cDNA in Cos-7 und HEK293 Zellen, Zellen, die das Cavβ3 gen normalerweise nicht (Cos-7) oder nur sehr schwach exprimieren (HEK293), zu einer Reduktion der IP3-abhängigen Ca2+ -Freisetzung. Mithilfe von anti-Cavβ3 Antikörpern wurde das Cavβ3 Protein präzipitiert und unter den Proteinen, die mit dem präzipitierte Cavβ3 assoziiert sind, befand sich der IP3 Rezeptor. Die Koimmunpräzipitation funktioniert auch umgekehrt. Cavβ Proteine besitzen zwei konservierte Regionen, C1 und C2, die essentiell zur Regulation der Cav Kanäle sind und Homologien zur Src-Homologiedomäne 3 (SH3, C1) sowie Guanylatkinase (GK, C2) aufweisen. Experimente mit SH3- und GK-defizienten sowie mit Plasmamembran-assoziierten β3 Proteinen, die jeweils nach Mutation der cDNA erhalten wurden, zeigen, dass die SH3 Domäne und die zytosolische Lokalisation von β3 notwendig für die Interaktion von Cavβ3 und IP3 Rezeptoren sowie die β3- abhängige Reduktion der Agonisten-induzierten Ca2+ -Freisetzung sind. Mithilfe von Glutathion S-Transferase "Pull Down" Experimenten wurden zwei neue Bindestellen für Cavβ3 im Bereich der Aminosäurereste 346-917 und 1387-2249 des IP3R3 lokalisiert. Die Migration der Fibroblasten, die aus Cavβ3-defizienten Tieren präpariert werden, war signifikant verändert gegenüber Fibroblasten von Wildtyp-Tieren. Diese in vitro Experimente haben wir versucht in ein in vivo Experiment zu übertragen und haben die Wundheilung von Wildtyp Mäusen und β3-defizienten Mäusen vergleichend untersucht. Die Wundheilung der Haut verlief signifikant schneller bei β3-defizienten Mäusen im Vergleich zu Wildtyp Mäusen. Zusammenfassend haben wir eine bisher unbekannte Cav-unabhängige Funktion des Cavβ3 Proteins entdeckt: In Gegenwart Cavβ3 sind Zellen weniger sensitiv gegenüber niedrigen IP3 Konzentrationen, wahrscheinlich indem Cavβ3 über seine SH3-Domaine mit der internen Bindedomäne des IP3-Rezeptors interagiert. Dies hat eine signifikanten Einfluss auf die Migration von Fibroblasten in vitro und die Wundheilung der Haut in vivo.