La stimulation de la cétogenèse chez l'humain par une supplémentation en triglycérides de moyennes chaînes

Le vieillissement de la population est relié à l’augmentation de la présence de certaines maladies comme les déclins cognitifs ou les démences de type Alzheimer. Chez les personnes à risques de développer ces démences, une diminution précoce du métabolisme cérébral du glucose peut être observée avant même l’apparition des premiers symptômes. Ce déficit énergétique pourrait expliquer la cascade qui mène au développement des déclins cognitifs. Les cétones sont des molécules produites par le corps à partir de la lipolyse des acides gras qui ont déjà démontré leur efficacité comme substrat énergétique de substitution pour le cerveau. L’utilisation de triglycérides de moyennes chaînes (MCT), des acides gras facilement absorbables et oxydables, est un moyen efficace pour augmenter les cétones rapidement mais transitoirement. Notre objectif était de voir s’il était possible d’augmenter les cétones plasmatiques et de maintenir une concentration modérée sur 24 h avec une supplémentation quotidienne en MCT. Dix participants ont d’abord reçu une supplémentation de 2 semaines d’une émulsion de MCT (3 fois par jour). Leur concentration plasmatique de cétones mais aussi de glucose, de cholestérol, de triglycérides et d’acides gras libres était mesurée au début et à la fin de la supplémentation. Huit participants ont par la suite reçu une supplémentation de 4 semaines de l’émulsion de MCT (4 fois par jour). En plus des paramètres mentionnés précédemment, des mesures d’oxydation de MCT, à l’aide d’un traceur 13C-trioctanoate, d’oxydation des cétones, à l’aide d’un traceur de 13C-bêta-hydroxybutyrate ((30Hb), et des mesures de composition corporelle étaient effectuées. Dans les deux études, les analyses plasmatiques ont démontré une augmentation significative des cétones plasmatiques (jusqu’à 0,47 ± 0 ,1 5 mM), qui semblait plus soutenue lors de la deuxième étude. Aucune autre modification n’a été observée dans les analyses plasmatiques. Une diminution de l’oxydation du traceur 13C-trioctanoate dans les heures suivant la prise puis une hausse à 24 h suivant la supplémentation montre un changement dans l’utilisation des MCT, donc une plus grande conversion en cétones. Aucun changement n’a été observé avec le traceur 13C-(30Hb. Aucune variation de la composition corporelle n’a été observée. Ces études montrent la capacité des MCT à augmenter et à maintenir une concentration de cétones durant 24 h à des niveaux légers chez un adulte en santé.Abstract : Aging leads to the development of many diseases among which is cognitive decline associated with dementia and Alzheimer's disease (AD). In populations who are at risk of developing cognitive decline, it has been noted that a marked brain glucose hypometabolism precedes the onset of other clinical symptoms such as [beta]-amyloid accumulation. This hypometabolism could therefore be responsible for the development of AD. Ketone bodies are energetic molecules that are produced by the liver following the (3-oxidation of fatty acids. They already have been showed to be able to sustain brain metabolism as the principal energy source. Medium chain triglycerides (MCT) are easily absorbed and metabolised fatty acids. They can raise plasma ketones rapidly but transiently. Our objective was to determine whether it was possible to raise and maintain a moderate plasma ketone concentration over 24 h in healthy adults. Ten participants were first given a 2 week supplementation of MCT (3 times a day). Plasma ketone, glucose, cholesterol, triglyceride and free fatty acids were measured. Another 8 participants were given a 4 week supplementation of MCT (4 times a day). In addition to the measures taken in the first project, MCT oxidation; with [indice supérieur 13] C-trioctanoate, ketone oxidation; with [indice supérieur 13] C-beta-hydroxybutyrate and body composition were measured. In both projects, plasma ketone concentration were raised (to a maximum of 0.48 ± 0.15 mM) and appeared to be more stable in the second project. All other plasma measures were unchanged. Significantly lower [indice supérieur 13] C-trioctanoate oxidation was detected during the 2 to 5 hours following the tracer absorption after the supplementation and a marked augmentation was detected 24 h following the supplementation. This indicates a shift in MCT utilization by the body from immediate energy source to ketone precursor. No changes were noted in [beta]OHb oxidation or in body composition. These studies show the ability of MCT to raise and maintain a moderate level of ketones in plasma when taken daily in healthy adults

Study of a ketogenic stimulation in healthy adults : effect of ketosis on brain energy metabolism

Le cerveau humain est un organe très métaboliquement actif. Cet énorme besoin énergétique l’expose à un risque accru de détérioration causée par un dérèglement de ce métabolisme. Dans la phase précoce de la maladie d’Alzheimer, un hypométabolisme cérébral du glucose est observé. Cette carence énergétique serait à l’origine des détériorations observée lors du développement de cette maladie. Le cerveau a accès à une autre source endogène d’énergie : les cétones. Les cétones sont particulièrement importantes pour le cerveau puisqu’il ne possède pas la capacité d’utiliser les acides gras comme source énergétique à l’instar des autres organes. Les cétones sont issues de la β-oxydation hépatique des acides gras. Ils sont produits en situation de jeûne lorsque les niveaux circulants de glucose et d’insuline sont bas. Les cétones se sont déjà montré efficaces dans le traitement de divers troubles neurologiques comme l’épilepsie. Par contre, outre les diètes cétogènes et le jeûne prolongé, il n’existe pas de traitement efficace pour maintenir une cétonémie modérée chez l’adulte. Le métabolisme énergétique cérébral en situation de cétose modérée reste encore mal compris dans cette population. Les travaux de cette thèse se sont donc concentrés à étudier la possibilité d’une combinaison d’approche nutritionnelle et pharmacologique afin de stimuler la cétogenèse chez l’adulte. Ils ont aussi exploré les changements de métabolisme cérébral chez l’adulte durant une cétose modérée. L’objectif de la première étude était d’étudier le potentiel du bezafibrate à stimuler la cétogenèse induite par une supplémentation en triglycérides de moyennes chaînes (MCT). Cette première étude a démontré que le bezafibrate avait peu d’effet sur la stimulation de la cétogenèse induite par les MCT et que le facteur limitant dans cette stimulation était donc la disponibilité des substrats et non la capacité cétogène des cellules hépatiques. L’objectif de la seconde étude était d’étudier les changements de capture des cétones et du glucose au cerveau durant un état de cétose modérée chez l’adulte. Les résultats de cette deuxième étude ont montré que la capture des cétones au cerveau est directement proportionnelle à leur concentration plasmatique. Cette étude a aussi démontré que la capture cérébrale des cétones était directement reliée à leur concentration plasmatique alors que la capture cérébrale du glucose est modulée par les besoins énergétiques du cerveau. Une stimulation cétogénique chez des personnes atteintes de déclin cognitif pourrait donc aider à rétablir la balance énergétique et ralentir l’apparition des symptômes chez ces personnes mais cet effet devra être étudié dans une étude ultérieure.Abstract : The human brain is the most metabolically active organ of the body. This high need for energy exposes it to an increase risk in case of hypometabolism. Such a glucose hypometabolism is seen during the early stages of Alzheimer’s disease. This factor is believed to be one of the cause of the disease. Ketones are the main alternate substrate for the human brain. Ketones are particularly important since, unlike other organs, the brain can not use fatty acids as alternative fuel. Ketones are mainly produce through β-oxidation of fatty acid by the liver. This happens mainly during fasting when circulating levels of glucose and insulin are low. Studies have shown that ketones can have a therapeutic effect in a variety of neurological diseases, mainly epilepsy and Alzheimer’s disease. Nevertheless, apart from ketogenic diet and prolonged fasting, there is currently no effective ways to induce and maintain moderate ketosis in adults. Brain energy metabolism under moderate ketosis remains also misunderstood in this population. This thesis aimed look at the effect of a combination of a pharmacological treatment and a nutritional supplementation to induce moderate sustain ketosis in adults. It also studied the effect of a moderate ketosis on brain energy metabolism in adults. The aim of the first study was to study the effect of a pharmacological treatment, bezafibrate, on the potentiation of the ketogenic effect induced by a medium-chain triglycerides (MCT) supplementation. The results of this study that bezafibrate had little effect on the ketosis induced by a MCT supplementation and, therefore, that the limiting factor in human ketosis was not the liver cells capacity to produce ketones but the availability of substrates for ketogenesis. The aim of the second study was to study the impact of a nutritional moderate ketosis on brain glucose and ketone uptake. The results of this study showed a direct correlation between brain ketone uptake and plasma ketone concentrations. This study also showed that brain ketone uptake is regulated by blood ketone concentration whereas brain glucose uptake is regulated by the brain energy needs. Further studies should then look if such a moderate ketosis induced in cognitively impaired patients could re-equilibrate the energy balance in the brain and then slow the apparition of clinical symptoms in this population

La stimulation de la cétogenèse chez l'humain par une supplémentation en triglycérides de moyennes chaînes

Résumé : Le vieillissement de la population est relié à l’augmentation de la présence de certaines maladies comme les déclins cognitifs ou les démences de type Alzheimer. Chez les personnes à risques de développer ces démences, une diminution précoce du métabolisme cérébral du glucose peut être observée avant même l’apparition des premiers symptômes. Ce déficit énergétique pourrait expliquer la cascade qui mène au développement des déclins cognitifs. Les cétones sont des molécules produites par le corps à partir de la lipolyse des acides gras qui ont déjà démontré leur efficacité comme substrat énergétique de substitution pour le cerveau. L’utilisation de triglycérides de moyennes chaînes (MCT), des acides gras facilement absorbables et oxydables, est un moyen efficace pour augmenter les cétones rapidement mais transitoirement. Notre objectif était de voir s’il était possible d’augmenter les cétones plasmatiques et de maintenir une concentration modérée sur 24 h avec une supplémentation quotidienne en MCT. Dix participants ont d’abord reçu une supplémentation de 2 semaines d’une émulsion de MCT (3 fois par jour). Leur concentration plasmatique de cétones mais aussi de glucose, de cholestérol, de triglycérides et d’acides gras libres était mesurée au début et à la fin de la supplémentation. Huit participants ont par la suite reçu une supplémentation de 4 semaines de l’émulsion de MCT (4 fois par jour). En plus des paramètres mentionnés précédemment, des mesures d’oxydation de MCT, à l’aide d’un traceur 13C-trioctanoate, d’oxydation des cétones, à l’aide d’un traceur de 13C-bêta-hydroxybutyrate ((30Hb), et des mesures de composition corporelle étaient effectuées. Dans les deux études, les analyses plasmatiques ont démontré une augmentation significative des cétones plasmatiques (jusqu’à 0,47 ± 0 ,1 5 mM), qui semblait plus soutenue lors de la deuxième étude. Aucune autre modification n’a été observée dans les analyses plasmatiques. Une diminution de l’oxydation du traceur 13C-trioctanoate dans les heures suivant la prise puis une hausse à 24 h suivant la supplémentation montre un changement dans l’utilisation des MCT, donc une plus grande conversion en cétones. Aucun changement n’a été observé avec le traceur 13C-(30Hb. Aucune variation de la composition corporelle n’a été observée. Ces études montrent la capacité des MCT à augmenter et à maintenir une concentration de cétones durant 24 h à des niveaux légers chez un adulte en santé. // Abstract : Aging leads to the development of many diseases among which is cognitive decline associated with dementia and Alzheimer's disease (AD). In populations who are at risk of developing cognitive decline, it has been noted that a marked brain glucose hypometabolism precedes the onset of other clinical symptoms such as [beta]-amyloid accumulation. This hypometabolism could therefore be responsible for the development of AD. Ketone bodies are energetic molecules that are produced by the liver following the (3-oxidation of fatty acids. They already have been showed to be able to sustain brain metabolism as the principal energy source. Medium chain triglycerides (MCT) are easily absorbed and metabolised fatty acids. They can raise plasma ketones rapidly but transiently. Our objective was to determine whether it was possible to raise and maintain a moderate plasma ketone concentration over 24 h in healthy adults. Ten participants were first given a 2 week supplementation of MCT (3 times a day). Plasma ketone, glucose, cholesterol, triglyceride and free fatty acids were measured. Another 8 participants were given a 4 week supplementation of MCT (4 times a day). In addition to the measures taken in the first project, MCT oxidation; with [indice supérieur 13] C-trioctanoate, ketone oxidation; with [indice supérieur 13] C-beta-hydroxybutyrate and body composition were measured. In both projects, plasma ketone concentration were raised (to a maximum of 0.48 ± 0.15 mM) and appeared to be more stable in the second project. All other plasma measures were unchanged. Significantly lower [indice supérieur 13] C-trioctanoate oxidation was detected during the 2 to 5 hours following the tracer absorption after the supplementation and a marked augmentation was detected 24 h following the supplementation. This indicates a shift in MCT utilization by the body from immediate energy source to ketone precursor. No changes were noted in [beta]OHb oxidation or in body composition. These studies show the ability of MCT to raise and maintain a moderate level of ketones in plasma when taken daily in healthy adults

Study of a ketogenic stimulation in healthy adults : effect of ketosis on brain energy metabolism

Le cerveau humain est un organe très métaboliquement actif. Cet énorme besoin énergétique l’expose à un risque accru de détérioration causée par un dérèglement de ce métabolisme. Dans la phase précoce de la maladie d’Alzheimer, un hypométabolisme cérébral du glucose est observé. Cette carence énergétique serait à l’origine des détériorations observée lors du développement de cette maladie. Le cerveau a accès à une autre source endogène d’énergie : les cétones. Les cétones sont particulièrement importantes pour le cerveau puisqu’il ne possède pas la capacité d’utiliser les acides gras comme source énergétique à l’instar des autres organes. Les cétones sont issues de la β-oxydation hépatique des acides gras. Ils sont produits en situation de jeûne lorsque les niveaux circulants de glucose et d’insuline sont bas. Les cétones se sont déjà montré efficaces dans le traitement de divers troubles neurologiques comme l’épilepsie. Par contre, outre les diètes cétogènes et le jeûne prolongé, il n’existe pas de traitement efficace pour maintenir une cétonémie modérée chez l’adulte. Le métabolisme énergétique cérébral en situation de cétose modérée reste encore mal compris dans cette population. Les travaux de cette thèse se sont donc concentrés à étudier la possibilité d’une combinaison d’approche nutritionnelle et pharmacologique afin de stimuler la cétogenèse chez l’adulte. Ils ont aussi exploré les changements de métabolisme cérébral chez l’adulte durant une cétose modérée. L’objectif de la première étude était d’étudier le potentiel du bezafibrate à stimuler la cétogenèse induite par une supplémentation en triglycérides de moyennes chaînes (MCT). Cette première étude a démontré que le bezafibrate avait peu d’effet sur la stimulation de la cétogenèse induite par les MCT et que le facteur limitant dans cette stimulation était donc la disponibilité des substrats et non la capacité cétogène des cellules hépatiques. L’objectif de la seconde étude était d’étudier les changements de capture des cétones et du glucose au cerveau durant un état de cétose modérée chez l’adulte. Les résultats de cette deuxième étude ont montré que la capture des cétones au cerveau est directement proportionnelle à leur concentration plasmatique. Cette étude a aussi démontré que la capture cérébrale des cétones était directement reliée à leur concentration plasmatique alors que la capture cérébrale du glucose est modulée par les besoins énergétiques du cerveau. Une stimulation cétogénique chez des personnes atteintes de déclin cognitif pourrait donc aider à rétablir la balance énergétique et ralentir l’apparition des symptômes chez ces personnes mais cet effet devra être étudié dans une étude ultérieure.Abstract : The human brain is the most metabolically active organ of the body. This high need for energy exposes it to an increase risk in case of hypometabolism. Such a glucose hypometabolism is seen during the early stages of Alzheimer’s disease. This factor is believed to be one of the cause of the disease. Ketones are the main alternate substrate for the human brain. Ketones are particularly important since, unlike other organs, the brain can not use fatty acids as alternative fuel. Ketones are mainly produce through β-oxidation of fatty acid by the liver. This happens mainly during fasting when circulating levels of glucose and insulin are low. Studies have shown that ketones can have a therapeutic effect in a variety of neurological diseases, mainly epilepsy and Alzheimer’s disease. Nevertheless, apart from ketogenic diet and prolonged fasting, there is currently no effective ways to induce and maintain moderate ketosis in adults. Brain energy metabolism under moderate ketosis remains also misunderstood in this population. This thesis aimed look at the effect of a combination of a pharmacological treatment and a nutritional supplementation to induce moderate sustain ketosis in adults. It also studied the effect of a moderate ketosis on brain energy metabolism in adults. The aim of the first study was to study the effect of a pharmacological treatment, bezafibrate, on the potentiation of the ketogenic effect induced by a medium-chain triglycerides (MCT) supplementation. The results of this study that bezafibrate had little effect on the ketosis induced by a MCT supplementation and, therefore, that the limiting factor in human ketosis was not the liver cells capacity to produce ketones but the availability of substrates for ketogenesis. The aim of the second study was to study the impact of a nutritional moderate ketosis on brain glucose and ketone uptake. The results of this study showed a direct correlation between brain ketone uptake and plasma ketone concentrations. This study also showed that brain ketone uptake is regulated by blood ketone concentration whereas brain glucose uptake is regulated by the brain energy needs. Further studies should then look if such a moderate ketosis induced in cognitively impaired patients could re-equilibrate the energy balance in the brain and then slow the apparition of clinical symptoms in this population

Caffeine intake increases plasma ketones: an acute metabolic study in humans

Brain glucose uptake declines during aging and is significantly impaired in Alzheimerâ s disease. Ketones are the main alternative brain fuel to glucose so they represent a potential approach to compensate for the brain glucose reduction. Caffeine is of interest as a potential ketogenic agent owing to its actions on lipolysis/ lipid oxidation but whether it is ketogenic in humans is unknown. This study aimed to evaluate the acute ketogenic effect of two doses of caffeine in healthy adults (2.5; 5.0 mg/kg) during a 4-hour metabolic study period. Caffeine given at breakfast significantly stimulated ketone production in a dose-dependent manner (+88%; +116%) and also raised plasma free fatty acids. Whether caffeine has long-term ketogenic effects or could enhance the ketogenic effect of medium chain triglycerides remains to be determined. NCT 02694601The accepted manuscript in pdf format is listed with the files at the bottom of this page. The presentation of the authors' names and (or) special characters in the title of the manuscript may differ slightly between what is listed on this page and what is listed in the pdf file of the accepted manuscript; that in the pdf file of the accepted manuscript is what was submitted by the author

Ketones and brain development: Implications for correcting deteriorating brain glucose metabolism during aging

Brain energy metabolism in Alzheimer’s disease (AD) is characterized mainly by temporo-parietal glucose hypometabolism. This pattern has been widely viewed as a consequence of the disease, i.e. deteriorating neuronal function leading to lower demand for glucose. This review will address deteriorating glucose metabolism as a problem specific to glucose and one that precedes AD. Hence, ketones and medium chain fatty acids (MCFA) could be an alternative source of energy for the aging brain that could compensate for low brain glucose uptake. MCFA in the form of dietary medium chain triglycerides (MCT) have a long history in clinical nutrition and are widely regarded as safe by government regulatory agencies. The importance of ketones in meeting the high energy and anabolic requirements of the infant brain suggest they may be able to contribute in the same way in the aging brain. Clinical studies suggest that ketogenesis from MCT may be able to bypass the increasing risk of insufficient glucose uptake or metabolism in the aging brain sufficiently to have positive effects on cognition

Ketones and brain development: Implications for correcting deteriorating brain glucose metabolism during aging

Brain energy metabolism in Alzheimer’s disease (AD) is characterized mainly by temporo-parietal glucose hypometabolism. This pattern has been widely viewed as a consequence of the disease, i.e. deteriorating neuronal function leading to lower demand for glucose. This review will address deteriorating glucose metabolism as a problem specific to glucose and one that precedes AD. Hence, ketones and medium chain fatty acids (MCFA) could be an alternative source of energy for the aging brain that could compensate for low brain glucose uptake. MCFA in the form of dietary medium chain triglycerides (MCT) have a long history in clinical nutrition and are widely regarded as safe by government regulatory agencies. The importance of ketones in meeting the high energy and anabolic requirements of the infant brain suggest they may be able to contribute in the same way in the aging brain. Clinical studies suggest that ketogenesis from MCT may be able to bypass the increasing risk of insufficient glucose uptake or metabolism in the aging brain sufficiently to have positive effects on cognition

Emulsification Increases the Acute Ketogenic Effect and Bioavailability of Medium-Chain Triglycerides in Humans: Protein, Carbohydrate, and Fat Metabolism

BACKGROUND: Lower-brain glucose uptake is commonly present before the onset of cognitive deterioration associated with aging and may increase the risk of Alzheimer disease. Ketones are the brain's main alternative energy substrate to glucose. Medium-chain triglycerides (MCTs) are rapidly β-oxidized and are ketogenic but also have gastrointestinal side effects. We assessed whether MCT emulsification into a lactose-free skim-milk matrix [emulsified MCTs (MCT-Es)] would improve ketogenesis, reduce side effects, or both compared with the same oral dose of MCTs consumed without emulsification [nonemulsified MCTs (MCT-NEs)]. OBJECTIVES: Our aims were to show that, in healthy adults, MCT-Es will induce higher ketonemia and have fewer side effects than MCT-NEs and the effects of MCT-NEs and MCT-Es on ketogenesis and plasma medium-chain fatty acids (MCFAs) will be dose-dependent. METHODS: Using a metabolic study day protocol, 10 healthy adults were each given 3 separate doses (10, 20, or 30 g) of MCT-NEs or MCT-Es with a standard breakfast or no treatment [control (CTL)]. Blood samples were taken every 30 min for 4 h to measure plasma ketones (β-hydroxybutyrate and acetoacetate), octanoate, decanoate, and other metabolites. Participants completed a side-effects questionnaire at the end of each study day. RESULTS: Compared with CTL, MCT-NEs increased ketogenesis by 2-fold with no significant differences between doses. MCT-Es increased total plasma ketones by 2- to 4-fold in a dose-dependent manner. Compared with MCT-NEs, MCT-Es increased plasma MCFA bioavailability (F) by 2- to 3-fold and decreased the number of side effects by ∼50%. CONCLUSIONS: Emulsification increased the ketogenic effect and decreased side effects in a dose-dependent manner for single doses of MCTs ≤30 g under matching conditions. Further investigation is needed to establish whether emulsification could sustain ketogenesis and minimize side effects and therefore be used as a treatment to change brain ketone availability over a prolonged period of time. This trial was registered at clinicaltrials.gov as NCT02409927

Brain fuel metabolism, aging, and Alzheimer’s disease

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