Study of lutein and zeaxanthin content in the diet with the assessment of the relationship between the level of alimentary intake of non-vitamin carotenoids and the density of the macular region of the retina at a young age

Abstract

Lutein and zeaxanthin are carotenoid pigments that affect the function of the visual analyzer. They selectively accumulate in the yellow spot of the retina, form macular pigment and determine the density of the retina macula. Lutein and zeaxanthin slow down the progression of age-related macular degeneration, a leading cause of senior-age blindness. The main food sources of non-vitamin carotenoids are green leafy vegetables, zucchini, pumpkin, green peas, broccoli. The aim of the study is a retrospective assessment of the levels and sources of alimentary intake of lutein and zeaxanthin in young people and research of the effect of lutein and zeaxanthin in the diet on macula density. A specially designed questionnaire was used to quantify the content of lutein and zeaxanthin in the diet, reflecting the amount of consumption of the main sources of these carotenoids on the day preceding the survey. A non-invasive non-contact method of optical coherence tomography of the retina was used to determine the density of the macula. The study involved 96 students of Sechenov University at the age of 21-27 years. The study found that only 6.25% of the respondents had daily intake of lutein and zeaxanthin of 6 mg or more, 8.33% had 4.6-5.9 mg, 8.33% had 3.0-4.5 mg, in 18.75% - 1.5-2.9 mg, in 45.83% <1.4 mg. 12.5% of respondents didn't include sources of lutein and zeaxanthin in the diet. The more common sources of lutein and zeaxanthin in the diet were eggs and fresh tomatoes. Retinal density indices corresponded to the age standards in the majority of the examined. In 8.3% surveyed the thickness of the retina was decreased, and 4.2% had higher thickness of the retina in comparison with the standards. Significant differences in the Central subfield thickness in men and women were revealed. There was no dependence of the levels of lutein and zeaxanthin coming from food sources on the retina thickness indicators.

Keywords:carotenoids, lutein, zeaxanthin, optical coherence tomography, macular area of the retina

Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2018; 87 (5): 20-6. doi: 10.24411/0042-8833-2018-10049. (in Russian)

Лютеин и зеаксантин являются каротиноидными пиг­ментами и принадлежат к группе ксантофиллов. По химической структуре лютеин и зеаксантин представ­ляют собой тетратерпены и относятся к дигидроксипроизводным α-каротина (лютеин) и β-каротина (зеаксантин) [1]. С гигиенических позиций они являются важнейшими невитаминными каротиноидами, обладающими опреде­ленным биологическим потенциалом, связанным с функ­ционированием зрительного анализатора [2].

Лютеин и зеаксантин избирательно накапливаются в желтом пятне сетчатки, формируя макулярный пигмент. При этом концентрация зеаксантина в центральной части макулы значительно превышает количество лютеина, ко­торый преимущественно содержится в периферической части макулы. Наибольшие концентрации каротиноидов отмечены в слое волокон Генле и в аксонах фоторецепторов [3]. Кроме того, лютеин и зеаксантин являются единс­твенными пигментами, обнаруженными в хрусталике, но в более низкой концентрации по сравнению с макулой [4]. На клеточном уровне пигменты распределены между липидным и протеиновым компонентами мембран [5]. Лютеин и зеаксантин оказывают защитное действие в отно­шении фоторецепторов сетчатки, эффективно поглощая световые волны длиной 446 нм (синюю часть спектра), которые оказывают прямое повреждающее воздейс­твие на чувствительные рецепторы макулы. Кроме того, благодаря наличию двух гидроксильных групп лютеин способен захватывать свободные радикалы, в первую очередь кислородные, тормозя механизм апоптоза фо­торецепторов [6].

Содержание лютеина и зеаксантина в тканях сет­чатки определяет оптическую плотность макулярногопигмента и зависит в свою очередь от алиментарного поступления данных каротиноидов. Их основными пи­щевыми источниками являются овощи и фрукты [7], а также биологически активные добавки к пище [8].

Всасывание каротиноидов происходит в двенадцати­перстной кишке, их биодоступность определяется степенью кулинарной обработки пищевого источника и наличием совместно поступающих жиров и пищевых волокон [9].

Среди пищевых источников лютеина и зеаксантина важное значение имеют зеленые листовые овощи (ка­пуста кале, шпинат, петрушка, листовой салат), кабачки, тыква, зеленый горошек, брокколи. В качестве рас­пространенных источников исследуемых каротиноидов также рассматриваются томаты красного цвета; данные о наличии лютеина и зеаксантина в желтых, оранжевых и зеленых томатах отсутствуют (табл. 1) [10]. В таких европейских странах, как Франция и Испания, основную роль играют такие источники, как шпинат и листовой салат, в Великобритании и Ирландии - зеленый горошек и брокколи, в Нидерландах - шпинат и брокколи [11]. Ис­следования подтверждают, что концентрация лютеина и зеаксантина в крови прямо пропорциональна количес­тву потребляемых овощей и фруктов [12].

Следует отметить, что большинство овощных источ­ников невитаминных каротиноидов содержит только лютеин, в то время как кукуруза, желтки яиц и сладкий перец оранжевого цвета являются основными источниками зеаксантина. Биодоступность лютеина и зеаксантина из желтков яиц значительно выше по сравнению с источ­никами растительного происхождения, что объясняется наличием в желтке компонентов липидной природы [13].

Связь между концентрацией в сыворотке лютеина и зеаксантина, оптической плотностью макулярного пигмента и риском развития возрастной дегенерации сетчатки у людей старшего возраста была неоднократно подтверждена различными исследованиями [14]. Кроме того, подтверждены генетический риск и влияние об­раза жизни на скорость развития ранних стадий возрас­тной макулодистрофии [15].

Многоцентровое рандомизированное клиничес­кое исследование AREDS II (Age-Related Eye Disease Study) показало, что ежедневное применение 10 мг лю­теина и 2 мг зеаксантина в сочетании с витаминами С, Е и цинком существенно снизило риск развития неоваскулярной стадии возрастной макулодистрофии [16].

Рандомизированное плацебо-контролируемое двой­ное слепое исследование CARMA (The Carotenoids in Age-Related Maculopathy) подтвердило замедление прогрессирования возрастной дегенерации сетчатки при приеме лютеина (6 мг/сут), зеаксантина (0,3 мг/сут) в комплексе с витаминами С и Е, цинком и медью [17].

В Российской Федерации рекомендуемый суточный уровень поступления лютеина составляет 5 мг, зеаксантина - 1 мг [18].

Цель настоящего исследования - гигиеническая оценка уровня и источников алиментарного поступле­ния лютеина и зеаксантина с изучением взаимосвязи количества каротиноидов в рационе и плотности макулярной области сетчатки в молодом возрасте.

Материал и методы

Для количественной оценки содержания лютеина и зеаксантина в рационе была использована специ­ально разработанная анкета-опросник. Из списка пи­щевой продукции с высоким содержанием лютеина и зеаксантина [10] были отобраны и внесены в анкету-опросник продукты, наиболее распространенные на про­довольственном рынке Москвы: зеленый горошек, ка­бачки, брокколи, кукуруза, тыква, брюссельская капуста, шпинат, петрушка, зеленый лук, листовой салат, яйца, томаты (томатпродукты), морковь, апельсиновый сок, киви. Анкета предусматривала регистрацию количества их потребления в день, предшествующий опросу.

Для определения плотности макулы применялся неинвазивный бесконтактный метод оптической когерент­ной томографии сетчатки глаза, выполненный на базе ФГБУ "Национальный медицинский исследовательский центр эндокринологии" Минздрава России с помощью бесконтактного оптического когерентного томографа с высоким разрешением и высокой четкостью "CirrusHD-OCT" модель 5000 (производитель Carl Zeiss Meditec AG, Германия). Данный прибор позволяет визуализи­ровать передний и задний сегменты глазного яблока и содержит нормативные базы данных для слоя нервных волокон и макулярной области. С помощью исследо­вания был проведен высокоточный анализ толщины сетчатки и построены послойные топографические карты на основе анализа более 100 топографических срезов. В проведенном исследовании использовалсяпротокол Macula Cube 512x128 (512 сканов в 128 линиях в квадрате 6x6 мм). Для последовательного анализа были использованы следующие параметры: централь­ная толщина сетчатки (мкм), объем сетчатки (мм3) и средняя толщина сетчатки (мкм).

В ретроспективном исследовании приняли участие 96 студентов ФГАОУ ВО "Первый Московский государс­твенный медицинский университет им. И.М. Сеченова" Минздрава России (Сеченовский университет) в воз­расте 21-27 лет (средний возраст 22±1,1 года), из них 78 женщин в возрасте 21-25 лет (22±0,9 года) и 18 муж­чин в возрасте 21-27 лет (средний возраст 22±1,6 года). Анкетирование проведено в сентябре 2016 г.

Исследование проведено в соответствии с требовани­ями Хельсинкской декларации для врачей, проводящих медико-биологические исследования с участием людей (пересмотр 59-й Генеральной ассамблеи Всемирной ме­дицинской ассоциации, Сеул, 2008 г.).

Статистическая обработка полученных данных вы­полнена с использованием пакета Microsoft Excel 2007. Достоверность различий между гендерными группами определяли с помощью критерия Фишера и двухвыборного f-критерия Стьюдента.

Результаты и обсуждение

В ходе исследования установлено, что у 6 (6,3%) опрошенных уровни поступления лютеина и зеаксантина соответствовали рекомендуемому количеству и составляли 6 мг/сут и более. Потребление лютеина и зеаксантина в количестве, составляющем 75,0-99,9% от рекомендуемого уровня, наблюдалось у 8 (8,3%) студентов. Поступление исследуемых каротиноидов на уровне 50,0-74,9% от рекомендуемого отмечено у 8 (8,33%) респондентов, а на уровне 25,0-49,9% от ре­комендуемого - у 18 (18,75%) участников исследования. У большинства студентов (56 человек, 58,33%) поступле­ние невитаминных каротиноидов было на крайне низком уровне: у 44 (45,83%) - менее 24,9% от рекомендуемого количества, а 12 (у 12,5%) - полностью отсутствовали значимые источники в рационе.

Источники лютеина и зеаксантина в каждой группе потребления оказались различны (табл. 2).

При анализе полученных результатов установлено, что у студентов с низким уровнем поступления каротиноидов (5-я группа) основными источниками лютеина и зеаксантина в рационе являются яйца и свежие то­маты, т.е. продукты с невысоким содержанием лютеина и зеаксантина. В то же время продукты, богатые лютеином и зеаксантином, либо присутствуют в ра­ционе в недостаточном количестве (шпинат, листовой салат, зеленый горошек, кабачки, брокколи, хурма), либо отсутствуют в рационе большинства студентов (базилик, брюссельская капуста, фисташки, тыква, зеленый лук).

Сравнительный анализ уровней поступления лютеина и зеаксантина в зависимости от пола не выявил статистически значимых различий между процентными долями участников исследования во всех группах пот­ребления (см. рисунок).

В результате исследований выявлены различия в ис­точниках лютеина и зеаксантина, включаемых в рацион мужчин и женщин во всех группах по уровням потребле­ния (табл. 3). У женщин отмечено большее разнообразие включаемых в рацион пищевых источников лютеина и зеаксантина, что, однако, может быть связано с боль­шим объемом выборки. Высокие уровни поступления лютеина и зеаксантина (1-я и 2-я группы) обусловлены главным образом включением в рацион продуктов с вы­соким содержанием данных каротиноидов: хурмы, шпи­ната, брокколи, петрушки, тыквы в значимых количест­вах. В то же время потребление яиц и свежих томатов в качестве основных источников каротиноидов в раци­оне 5-й группы не приводит к достижению рекомендуе­мого суточного уровня вследствие невысокого содержа­ния в них лютеина и зеаксантина.

С целью оценки взаимосвязи уровня поступления лютеина и зеаксантина и плотности макулярной области сетчатки всем участникам исследования была прове­дена оптическая когерентная томография (табл. 4).

Оцениваемые параметры сетчатки соответствовали возрастным референсным значениям у большинства обследованных. Лишь у 12 (12,5%) студентов были отме­чены симметричные изменения данных показателей по сравнению со средними значениями, причем у 8 (8,3%) -снижение толщины сетчатки, а у 4 (4,2%) - более высо­кие показатели толщины сетчатки.

Анализ зависимости толщины сетчатки от пола рес­пондентов выявил статистически значимые (р<0,05) различия в центральной толщине сетчатки. Гендерные различия по показателям объема и средней толщины сетчатки статистически незначимы (табл. 5).

Среди студентов с измененными показателями пре­обладали женщины (у 3 отмечено увеличение толщины сетчатки, у 5 - снижение данных показателей).

Зависимость показателей толщины сетчатки от уров­ней лютеина и зеаксантина, поступающих с пищевыми источниками, не выявлена (табл. 6).

При этом у участников исследования, потребляющих данные каротиноиды в количестве 100% и более от реко­мендуемого уровня, не обнаружены отклонения от нор­мативных параметров по всем изученным показателям.

Выводы

1. Более чем у половины (58,3%) студентов поступ­ление невитаминных каротиноидов (лютеина и зеаксантина) с рационом было на крайне низком уровне -менее 24,9% от рекомендуемого количества, что главным образом связано связано с ограниченным ассорти­ментом источников лютеина и зеаксантина (в основном яйца и свежие томаты) и малым размером порций ис­пользуемых продуктов в их рационах.

2. Среди пищевых источников, вносящих наиболь­ший вклад в общее количество лютеина и зеаксантина в рационе студентов, получающих более 75% от адек­ватного суточного потребления каротиноидов, нами ус­тановлены брокколи, листовой салат, зеленый горошек, хурма, петрушка, тыква, шпинат.

3. Во всех группах, ранжированных по уровню пот­ребления лютеина и зеаксантина, не зафиксировано патологических изменений в макулярной области. Тен­денция к снижению толщины сетчатки отмечена у 8,3% респондентов, представляющих различные группы по уровню поступления каротиноидов. Таким образом, у людей данной возрастной категории не выявлена до­стоверная зависимость показателей толщины и объема сетчатки от уровней лютеина и зеаксантина, поступаю­щих с пищевыми источниками.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутс­твии конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Литература

1. Бриттон Г. Биохимия природных пигментов. М. : Мир, 1986. 422 с.

2. Королев А.А. Гигиена питания : руководство для врачей. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2016. 624 с.

3. Егоров Е.А., Романенко И.А. Возрастная макулярная дегенерация. Вопросы патогенеза, диагностики и лечения // РМЖ. Клиническая офтальмология. 2009. № 1. С. 42.

4. Дадали, В. А., Дадали Ю.В., Тутельян В.А., Кравченко Л.В. Каротиноиды. Биологическая активность // Вопр. питания. 2011. № 4. С. 4-18.

5. Grudzinski W., Nierzwicki L., Welc R., Reszczynska E., Luchowski R., Czub J., Gruszecki W. Localization and orientation of xanthophylls in a lipid bilayer // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, N 1. P. 1-10.

6. Koushan K., Rusovici R., Li W., Ferguson L., Chalam K. The role of lutein in eye-related disease // Nutrients. 2013. Vol. 5, N 5. P. 1823-1839.

7. Khoo H.-E., Prasad K.N., Kong K.-W., Jiang Y., Ismail A. Carotenoids and their isomers: color pigments in fruits and vegetables // Mol­ecules. 2011. Vol. 16, N 2. P. 1710-1738.

8. Ma L., Liu R., Du J.H., Liu T., Wu S.S., Liu X.H. Lutein, zeaxanthin and meso-zeaxanthin supplementation associated with macular pigment optical density // Nutrients. 2016. Vol. 8, N 7. P. 426.

9. Abdel-Aal el S.M., Akhtar H., Zaheer K., Ali R. Dietary sources of lutein and zeaxanthin carotenoids and their role in eye health //Nutrients. 2013. Vol. 5, N 4. P. 1169-1185.

10. US Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Nutri­ent Data Laboratory. USDA National Nutrient Database for Stan­dard Reference. URL: http://www.ars.usda.gov/ba/bhnrc/ndl. (date of access March 15, 2016).

11. O'Neill M., Carroll Y., Corridan B., Olmedilla B., Granado F., Blanco I. et al. A European carotenoid database to assess carotenoid intakes and its use in a five-country comparative study // Br. J. Nutr. 2001. Vol. 85, N 4. P. 499-507.

12. Couillard C., Lemieux S., Vohl M., Couture P., Lamarche B. Carotenoids as biomarkers of fruit and vegetable intake in men and women // Br. J. Nutr. 2016. Vol. 116, N 7. P. 1206-1215.

13. Eisenhauer B, Natoli S, Liew G, Flood V.M. Lutein and zeaxanthin -food sources, bioavailability and dietary variety in age-related macular degeneration protection // Nutrients. 2017. Vol. 9, N 2. P. 120.

14. Moeller S., Jacques P., Blumberg J. The potential role of dietary xanthophylls in cataract and age-related macular degeneration // J. Am. Coll. Nutr. 2000. Vol. 19, suppl. 5. P. 522-527.

15. Meyers K., Liu Z., Millen A., Iyengar S., Blodi B., Johnson E. et al. Joint associations of diet, lifestyle, and genes with age-related macular degeneration // Ophthalmology. 2015. Vol. 122, N 11. P. 2286-2294.

16. Chew E., Clemons T., Sangiovanni J., Danis R., Ferris F., Elman M. et al. Secondary analyses of the effects of lutein/zeaxanthin on age-related macular degeneration progression: AREDS2 report No. 3 // JAMA Ophthalmol. 2014. Vol. 132, N 2. P. 142-149.

17. Neelam K., Hogg R., Stevenson M., Johnston E., Anderson R., Beatty S. et al. Carotenoids and co-antioxidants in age-related maculopathy: design and methods // Ophthalmic Epidemiol. 2008. Vol. 15, N 6. P. 389-401.

18. Рекомендуемые уровни потребления пищевых и биологически активных веществ: Методические рекомендации МР 2.3.1.1915-04 М. : Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2004. 46 с.

References

1. Britton G. The biochemistry of natural pigments. Moscow: Mir, 1986: 422 p. (in Russian)

2. Korolev A.A. Food hygiene. Guide for doctors. Moscow: GEOTAR-Media, 2016: 624 p. (in Russian)

3. Egorov E.A., Romanenko I.A. Age-related macular degeneration. Questions of its pathogenesis, diagnostics and treatment. RMZH. Klinicheskaya oftal'mologiya [RMJ. Clinical Ophthalmology]. 2009; (1): 42. (in Russian)

4. Dadali V.A., Tutel'yan V.A., Dadali U.V., et al. Carotenoids. Biological activity. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2011: (4): 4-18. (in Russian)

5. Grudzinski W., Nierzwicki L., Welc R., Reszczynska E., Luchowski R., Czub J., Gruszecki W. Localization and orientation of xanthophylls in a lipid bilayer. Sci Rep. 2017; 7 (1): 1-10.

6. Koushan K., Rusovici R., Li W., Ferguson L., Chalam K. The role of lutein in eye-related disease. Nutrients. 2013; 5 (5): 1823-39.

7. Khoo H.-E., Prasad K.N., Kong K.-W., Jiang Y., Ismail A. Carotenoids and their isomers: color pigments in fruits and vegetables. Mole­cules. 2011; 16 (2): 1710-38.

8. Ma L., Liu R., Du J.H., Liu T., Wu S.S., Liu X.H. Lutein, zeaxanthin and meso-zeaxanthin supplementation associated with macular pigment optical density. Nutrients. 2016; 8 (7): 426.

9. Abdel-Aal el S.M., Akhtar H., Zaheer K., Ali R. Dietary sources of lutein and zeaxanthin carotenoids and their role in eye health. Nutri­ents. 2013; 5 (4): 1169-85.

10. US Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Nutri­ent Data Laboratory. USDA National Nutrient Database for Standard Reference. URL: http://www.ars.usda.gov/ba/bhnrc/ndl. (date of access March 15, 2016).

11. O'Neill M., Carroll Y., Corridan B., Olmedilla B., Granado F., Blanco I., et al. A European carotenoid database to assess carotenoid intakes and its use in a five-country comparative study. Br J Nutr. 2001; 85 (4): 499-507.

12. Couillard C., Lemieux S., Vohl M., Couture P., Lamarche B. Carotenoids as biomarkers of fruit and vegetable intake in men and women. Br J Nutr. 2016; 116 (7): 1206-15.

13. Eisenhauer B, Natoli S, Liew G, Flood V.M. Lutein and zeaxanthin -food sources, bioavailability and dietary variety in age-related macu­lar degeneration protection. Nutrients. 2017; 9 (2): 120.

14. Moeller S., Jacques P., Blumberg J. The potential role of dietary xanthophylls in cataract and age-related macular degeneration. J Am Coll Nutr. 2000; 19 (5): 522-7.

15. Meyers K., Liu Z., Millen A., Iyengar S., Blodi B., Johnson E., et al. Joint associations of diet, lifestyle, and genes with age-related macular degeneration. Ophthalmology. 2015; 122 (11): 2286-94.

16. Chew E., Clemons T., Sangiovanni J., Danis R., Ferris F., Elman M., et al. Secondary analyses of the effects of lutein/zeaxanthin on age-related macular degeneration progression: AREDS2 report No. 3. JAMA Ophthalmol. 2014; 132 (2): 142-9.

17. Neelam K., Hogg R., Stevenson M., Johnston E., Anderson R., Beatty S., et al. Carotenoids and co-antioxidants in age-related maculopathy: design and methods. Ophthalmic Epidemiol. 2008; 15 (6): 389-401.

18. Recommended levels of consumption of food and biologically active substances: Guidelines. 2.3.1.1915-04. Moscow: Federal'niy tsentr gossanepidnadzora Minzdrava Rossii, 2004: 46 p. (in Russian)