Association between carotenoid intake and bone mineral density and major food sources of carotenoid in the Korean population

Abstract

Bone loss related with ageing is caused by decreased bone formation and increased bone resorption, leading to risk for bone fracture, thus impacting public health care. Risk factors such as BMI, gender, menopause status, family history, medical comorbidities, insufficient physical activity, alcohol consumption, cigarette smoking, low vitamin D, and diet are associated with bone mineral loss. In recent years, functional foods and their bioactive components have proposed for health benefit and risk reduction of different diseases, including bone health. Carotenoids are one of the candidate that have an impact on age related bone loss by increasing osteoblastogenesis and suppressing osteoclastogenesis. This study hypothesized that there might be a relationship between the dietary carotenoid intake and bone mineral density. To prove this hypothesis, the relationship between dietary carotenoid intake and bone mineral density was assessed according to gender and menopausal status in the Korean population. Study subjects were men and women with their age between 30 to 75 years using data obtained from the fourth and fifth Korean National Health and Nutrition Examination Survey (KNHANES, 2008-2011). Participants who had missing data for 24 hour dietary recall, dual-energy X-ray absorptiometry (DXA), BMI, serum 25-hydroxyvitamin D, menopausal status, had ovariectomy, arthritis, bone arthritis, rheumatism, renal failure, thyroid dysfunction, cancer, hepatitis (Type B and C), and used estrogen were excluded. The subjects were divided according to gender as men (n = 3763) and women (n = 4259) and, menopausal status as premenopausal (n = 2966) and postmenopausal (n = 1293). Men consumed high cereals, grains, mushrooms, vegetables, meat, egg, fish, milk, fat and oils, and beverage than premenopausal and postmenopausal women. While postmenopausal women consumed high potatoes, starch, seaweeds, fruits, fiber, vitamin C, α-carotene, β-carotene, β-cryptoxanthin, lycopene, and lutein and zeaxanthin than men and premenopausal women. The bone mineral density (BMD) of femur neck, total hip, lumbar spine, and whole body were lower in postmenopausal women than men and premenopausal women. Higher prevalence of osteopenia at femur neck, lumbar spine, and total hip were also observed in postmenopausal women than men. In multiple linear regression analysis after adjusting for age, BMI, smoking behavior, alcohol consumption, physical activity, education level, supplement use, energy adjusted intake of fiber, vitamin C, calcium, sodium, and serum 25 (OH)D, the daily lutein and zeaxanthin intake was positively related with total hip BMD (β = 0.0015, P = 0.032) and total hip T-score (β = 0.0117, P = 0.039) in men. Though, the daily α-carotene intake was inversely associated with the femur neck T-score (β = -0.0328, P = 0.024). In premenopausal women after adjusting for age, BMI, alcohol consumption, physical activity, education level, supplement use, energy-adjusted intake of fiber, vitamin C, calcium, sodium, and serum 25(OH)D, the daily β-cryptoxanthin intake was positively related with femur neck T-score (β = 0.0309, P = 0.013), and total hip BMD (β = 0.0032, P = 0.026). Unlikely, the daily α-carotene intake inversely associated with total hip T-score (β = -0.0244, P = 0.049). In postmenopausal women, the daily β-carotene intake was positively associated with femur neck BMD (β = 0.0012, P = 0.035), total hip BMD (β = 0.0012, P = 0.036), whole body BMD (β = 0.0021, P = 0.027). In multiple logistic regression analysis, risk of osteopenia at lumbar spine was significantly lower (OR: 0.35, 95% CI: 0.16-0.79; P trend = 0.009) in the highest quintile of β-carotene intake than in the lowest quintile of postmenopausal women. As per 1mg β-cryptoxanthin intake increased, the risk of osteopenia was significantly lower (24%) at total hip [OR: 0.76, 95% CI: 0.59-0.97], (21%) at lumbar spine [OR: 0.79, 95% CI: 0.70-0.89] and (15%) at total osteopenia [OR: 0.85, 95% CI: 0.75-0.97]. The major food source for β-carotene and β-cryptoxanthin was pepper and persimmon in postmenopausal women respectively. For lutein + zeaxanthin intake it was pepper in men. These results suggested that higher consumption of β-carotene and β-cryptoxanthin have an impact on the bone loss especially in post-menopausal women than men.;노화에 의한 뼈 손실은 뼈 조직 형성 감소 및 재흡수 증가로 골절의 위험을 초래하며 이는 공중 보건에 영향을 준다. BMI, 성별, 폐경 상태, 음주, 흡연, 신체 활동 부족, 가족력, 낮은 비타민 D, 의료 합병증 및 식이 요법과 같은 위험 요소는 뼈의 미네랄 손실과 관련이 있는 것으로 알려져 있다. 최근 연구에 따르면 기능성 식품과 그 생체 활성 성분이 뼈 건강을 비롯한 건강상의 이득을 증가시키고 여러 질병의 발생위험을 감소시키는 것으로 보고되고 있다. 카로티노이드는 골아 세포 생성을 증가시키고 파골 세포 형성을 억제함으로써 노화 관련 골 손실에 영향을 주는 후보 물질 중 하나이다. 이를 검증하기 위해 한국인의 성별과 폐경 상태에 따라 카로티노이드 섭취와 골밀도의 연관성을 조사하였다. 연구 대상은 한국의 4, 5 차 국민 건강 영양 조사 (KNHANES, 2008-2011)에서 30-70세의 남성과 폐경기 전후 여성으로 설정하였다. 24 시간 회상 식사평가, 이중 에너지 X 선 흡광도 측정법 (DXA), BMI, 혈청 25-하이드 록시 비타민 D, 폐경 상태의 데이터가 누락되거나 난소 절제술, 관절염, 뼈 관절염, 류마티즘, 신부전, 갑상선 기능 장애, 암, 간염 (B 형과 C 형)이 있는 대상자 및 에스트로겐을 사용한 대상자는 제외되었다. 카로티노이드 섭취와 골밀도의 연관성이 성별과 폐경 상태에 영향을 받는 지를 평가하기 위해 대상자를 남성 (n = 3763 명)과 여성 (n = 4259 명), 그리고 폐경 전(n = 2966)과 폐경 후 (n = 1293)로 분류하였다. 남성은 폐경 전 및 폐경 후 여성보다 곡물, 곡물, 버섯, 야채, 육류, 계란, 생선, 우유, 지방, 오일 및 음료의 섭취량이 높은 반면, 폐경 후 여성은 남성과 폐경 전 여성보다 감자, 전분, 해조류 및 과일의 섭취량이 높았다. 또한, 폐경 후 여성은 높은 식이 섬유, 비타민 C, α-카로틴, β-카로틴, β-크립토잔틴, 리코펜, 루테인과 제아잔틴 섭취를 보였다. 대퇴골 경부, 총 고관절, 요추 및 전신의 골밀도는 폐경 후 여성이 남성 및 폐경 전 여성보다 낮았으며, 대퇴 경부, 요추 및 총 고 관절에서의 골감소증 유병률 또한 남성보다 높았다. 다중 회귀 분석을 통해 루테인과 제아잔틴의 일일 섭취량은 남자에서 총 고관절 골밀도(β = 0.0015, P = 0.032)와 총 고관절T- 점수 (β = 0.0117, P = 0.039)와 양의 상관 관계가 있으나, 일일 α-카로틴 섭취량은 대퇴 경부 T-점수와 역의 상관 관계가 있었음을 알 수 있었다(β = -0.0328, P = 0.024). 폐경 전 여성의 경우 일일 β-크립토잔틴 섭취량이 대퇴 경부 T-점수 (β = 0.0309, P = 0.013)와 총 고관절 골밀도 (β = 0.0032, P = 0.026)와 양의 관계가 있었다. 폐경 후 여성에서는 일일 β-카로틴 섭취가 대퇴 경부 골밀도 (β = 0.0012, P = 0.035), 총 고관절 고밀도 (β = 0.0012, P = 0.036), 전신 골밀도 (β = 0.0021, P = 0.027)와 양의 상관관계가 있었다. 다중 로지스틱 회귀 분석을 통해 폐경 후 여성 중 β-카로틴 섭취량의 최고 5분위수의 요추 골감소증 위험이 최저 5분위수에 비해 유의하게 낮음을 알 수 있었다 (OR: 0.35, 95 % CI: 0.16-0.79; P = 0.009). 또한, 폐경 후 여성에서 β-크립토잔틴 섭취량이 1mg 증가함에 따라, 총 고관절과 요추의 골감소 위험도가 각각 24%, [OR: 0.76, 95 % CI: 0.59-0.97), 21% [OR: 0.79, 95 % CI: 0.70-0.89] 씩 감소하였으며, 총 골감소증 위험도 또한 15% [OR: 0.85, 95 % CI: 0.75-0.97]씩 감소하였다. β-카로틴, β-크립토잔틴, 루테인과 제아잔틴의 주된 식품 공급원은 각각 고구마, 감, 민들레였다. 이러한 결과는 카로티노이드의 높은 섭취가 남성보다 폐경 후 여성에서 골 건강에 영향을 미친다는 것을 시사한다.