A fenilcetonúria (PKU) é caracterizada por uma deficiente atividade da fenilalanina hidroxilase (PAH), que converte fenilalanina em tirosina. Consequentemente, pacientes fenilcetonúricos apresentam níveis aumentados de fenilalanina no sangue e em tecidos. A fenilalanina atinge níveis tóxicos no cérebro e, assim, pode levar a deficiência intelectual grave se não tratada. Hoje em dia, os pacientes fenilcetonúricos são diagnosticados através de programas de triagem neonatal e são colocados em tratamento imediatamente. O tratamento da PKU é baseado em uma dieta restrita em fenilalanina juntamente com uma mistura de aminoácidos, que visa reduzir a ingestão de fenilalanina ao mesmo tempo em que fornece todos os outros aminoácidos e nutrientes essenciais. Apesar de eficiente, o tratamento é extremamente difícil de seguir e, portanto, os pacientes ainda apresentam altos níveis de fenilalanina e seus problemas associados, tais como estresse oxidativo, distúrbios motores e cognitivos. Ainda, a dieta em si é tão restritiva que a completa adesão pode levar a problemas nutricionais como obesidade e perturbações hormonais. A fim de abordar estas questões na PKU, é necessário compreender os mecanismos pelos quais a fenilalanina perturba homeostasia, bem como propor novas estratégias de tratamento para a doença. Portanto, esta tese teve como objetivo verificar o estado metabólico basal e em exercício aeróbico em pacientes fenilcetonúricos, além de avaliar possíveis benefícios do treinamento físico em camundongos PAHenu2. Para tanto, foram avaliados composição basal, estado nutricional, taxa metabólica basal, bem como a resposta ventilatória e bioquímica a uma sessão de exercício aeróbico em pacientes fenilcetonúricos em comparação com controles pareados, por bioimpedância elétrica e calorimetria indireta, respectivamente. Foram encontrados resultados similares entre pacientes e controles para todos os marcadores antropométricos e nutricionais, mostrando, assim, que os pacientes fenilcetonúricos têm a mesma composição corporal e perfil metabólico que controles. Além disso, os níveis de fenilalanina não se modificaram imediatamente após o exercício em comparação com a condição de repouso, demonstrando assim que o exercício aeróbico é seguro para pacientes fenilcetonúricos. No modelo animal de PKU, este estudo avaliou os efeitos crônicos do exercício aeróbico voluntário no cérebro de camundongos PAHenu2. Apesar de correrem menores distâncias do que os controles, os camundongos PKU apresentaram melhoras em parâmetros de estresse oxidativo no cérebro, embora os níveis de fenilalanina no sangue e no cérebro permanecessem inalterados. Os animais PKU apresentaram habilidades motoras e de equilíbrio deficientes em comparação com os controles, enquanto o exercício não afetou esses parâmetros comportamentais. Adicionalmente, os aminoácidos gliconeogênicos e os relacionados com o ciclo da ureia foram encontrados em níveis inferiores no plasma dos animais PKU que se exercitaram em comparação com os sedentários. Por outro lado, os camundongos selvagens não apresentaram nenhuma alteração causada pelo exercício. Assim, os fenilcetonúricos não apresentam distúrbios em marcadores metabólicos tanto em repouso como durante exercício aeróbico. Por conseguinte, os fenilcetonúricos devem ser encorajados a praticar exercício para, possivelmente, beneficiarem-se das adaptações positivas geradas pelo treinamento físico. No entanto, o pequeno número de pacientes avaliados em nossos estudos destaca a necessidade de mais pesquisas para descrever o exercício mais adequado para pacientes com PKU. / Phenylketonuria (PKU) is characterized by poor phenylalanine hydroxylase (PAH) activity, which acts converting phenylalanine into tyrosine. Consequently, PKU patients show increased levels of phenylalanine in the blood and tissues. Phenylalanine reaches toxic levels in the brain and therefore can lead to severe mental retardation, if untreated. Nowadays, PKU patients are diagnosed through newborn screening programs and are put on treatment immediately. PKU treatment is based on a phenylalanine-restricted diet along with an amino acid mixture, which aims to reduce the intake of phenylalanine while providing other essential amino acids and nutrients. Despite efficient, the treatment is extremely hard to follow so that PKU patients show high levels of phenylalanine and related issues such as oxidative stress, motor and cognitive disturbances. Moreover, the diet itself is so restrictive that adhering to it may lead to nutritional problems like obesity and hormonal disruptions. In order to tackle these issues in PKU, it is necessary to understand the mechanisms in which phenylalanine disturbs homeostasis as well as propose new treatment strategies for the disease. Therefore, this thesis aimed to evaluate metabolic markers in rest and exercise in PKU patients, as well as to verify the possible benefits of exercise in the brain of PAHenu2 mice. For that, we evaluated basal body composition, nutritional status, basal metabolic rate, as well as ventilatory and biochemical response to an aerobic exercise session in PKU patients and matched-controls using electrical bioimpedance analysis and indirect calorimetry, respectively. The groups did not differ for anthropometric and nutritional markers, thus showing that PKU patients have the same body and metabolic profiles as controls. Moreover, phenylalanine levels were not modified immediately after exercise in comparison to rest condition, thus proving that aerobic exercise is safe for PKU patients. In the animal model of PKU, we evaluated the effects of voluntary training in the brain of PAHenu2 mice. Despite running less distances than the controls, the PKU mice showed improved oxidative stress parameters although phenylalanine levels in the blood and in brain remained unchanged. PKU animals showed poor motor and balance skills than controls while exercise did not affect these behavioral markers. In addition, gluconeogenic and urea cycle-related amino acids were found in lower levels in the plasma of the exercised PKU animals in comparison to the sedentary PKU group. On the other hand, wild-type mice did not show any of those changes. Taken together, we conclude that PKU patients do not show disturbed metabolism in rest and during aerobic exercise. Therefore, PKU patients have to be encouraged to exercise in order to possibly benefit from long-term exercise-related adaptations. Nevertheless, the small number of patients evaluated in our studies highlights the need of further research to describe the most suitable exercise for PKU patients.

A fenilcetonúria (PKU) é caracterizada por uma deficiente atividade da fenilalanina hidroxilase (PAH), que converte fenilalanina em tirosina. Consequentemente, pacientes fenilcetonúricos apresentam níveis aumentados de fenilalanina no sangue e em tecidos. A fenilalanina atinge níveis tóxicos no cérebro e, assim, pode levar a deficiência intelectual grave se não tratada. Hoje em dia, os pacientes fenilcetonúricos são diagnosticados através de programas de triagem neonatal e são colocados em tratamento imediatamente. O tratamento da PKU é baseado em uma dieta restrita em fenilalanina juntamente com uma mistura de aminoácidos, que visa reduzir a ingestão de fenilalanina ao mesmo tempo em que fornece todos os outros aminoácidos e nutrientes essenciais. Apesar de eficiente, o tratamento é extremamente difícil de seguir e, portanto, os pacientes ainda apresentam altos níveis de fenilalanina e seus problemas associados, tais como estresse oxidativo, distúrbios motores e cognitivos. Ainda, a dieta em si é tão restritiva que a completa adesão pode levar a problemas nutricionais como obesidade e perturbações hormonais. A fim de abordar estas questões na PKU, é necessário compreender os mecanismos pelos quais a fenilalanina perturba homeostasia, bem como propor novas estratégias de tratamento para a doença. Portanto, esta tese teve como objetivo verificar o estado metabólico basal e em exercício aeróbico em pacientes fenilcetonúricos, além de avaliar possíveis benefícios do treinamento físico em camundongos PAHenu2. Para tanto, foram avaliados composição basal, estado nutricional, taxa metabólica basal, bem como a resposta ventilatória e bioquímica a uma sessão de exercício aeróbico em pacientes fenilcetonúricos em comparação com controles pareados, por bioimpedância elétrica e calorimetria indireta, respectivamente. Foram encontrados resultados similares entre pacientes e controles para todos os marcadores antropométricos e nutricionais, mostrando, assim, que os pacientes fenilcetonúricos têm a mesma composição corporal e perfil metabólico que controles. Além disso, os níveis de fenilalanina não se modificaram imediatamente após o exercício em comparação com a condição de repouso, demonstrando assim que o exercício aeróbico é seguro para pacientes fenilcetonúricos. No modelo animal de PKU, este estudo avaliou os efeitos crônicos do exercício aeróbico voluntário no cérebro de camundongos PAHenu2. Apesar de correrem menores distâncias do que os controles, os camundongos PKU apresentaram melhoras em parâmetros de estresse oxidativo no cérebro, embora os níveis de fenilalanina no sangue e no cérebro permanecessem inalterados. Os animais PKU apresentaram habilidades motoras e de equilíbrio deficientes em comparação com os controles, enquanto o exercício não afetou esses parâmetros comportamentais. Adicionalmente, os aminoácidos gliconeogênicos e os relacionados com o ciclo da ureia foram encontrados em níveis inferiores no plasma dos animais PKU que se exercitaram em comparação com os sedentários. Por outro lado, os camundongos selvagens não apresentaram nenhuma alteração causada pelo exercício. Assim, os fenilcetonúricos não apresentam distúrbios em marcadores metabólicos tanto em repouso como durante exercício aeróbico. Por conseguinte, os fenilcetonúricos devem ser encorajados a praticar exercício para, possivelmente, beneficiarem-se das adaptações positivas geradas pelo treinamento físico. No entanto, o pequeno número de pacientes avaliados em nossos estudos destaca a necessidade de mais pesquisas para descrever o exercício mais adequado para pacientes com PKU. / Phenylketonuria (PKU) is characterized by poor phenylalanine hydroxylase (PAH) activity, which acts converting phenylalanine into tyrosine. Consequently, PKU patients show increased levels of phenylalanine in the blood and tissues. Phenylalanine reaches toxic levels in the brain and therefore can lead to severe mental retardation, if untreated. Nowadays, PKU patients are diagnosed through newborn screening programs and are put on treatment immediately. PKU treatment is based on a phenylalanine-restricted diet along with an amino acid mixture, which aims to reduce the intake of phenylalanine while providing other essential amino acids and nutrients. Despite efficient, the treatment is extremely hard to follow so that PKU patients show high levels of phenylalanine and related issues such as oxidative stress, motor and cognitive disturbances. Moreover, the diet itself is so restrictive that adhering to it may lead to nutritional problems like obesity and hormonal disruptions. In order to tackle these issues in PKU, it is necessary to understand the mechanisms in which phenylalanine disturbs homeostasis as well as propose new treatment strategies for the disease. Therefore, this thesis aimed to evaluate metabolic markers in rest and exercise in PKU patients, as well as to verify the possible benefits of exercise in the brain of PAHenu2 mice. For that, we evaluated basal body composition, nutritional status, basal metabolic rate, as well as ventilatory and biochemical response to an aerobic exercise session in PKU patients and matched-controls using electrical bioimpedance analysis and indirect calorimetry, respectively. The groups did not differ for anthropometric and nutritional markers, thus showing that PKU patients have the same body and metabolic profiles as controls. Moreover, phenylalanine levels were not modified immediately after exercise in comparison to rest condition, thus proving that aerobic exercise is safe for PKU patients. In the animal model of PKU, we evaluated the effects of voluntary training in the brain of PAHenu2 mice. Despite running less distances than the controls, the PKU mice showed improved oxidative stress parameters although phenylalanine levels in the blood and in brain remained unchanged. PKU animals showed poor motor and balance skills than controls while exercise did not affect these behavioral markers. In addition, gluconeogenic and urea cycle-related amino acids were found in lower levels in the plasma of the exercised PKU animals in comparison to the sedentary PKU group. On the other hand, wild-type mice did not show any of those changes. Taken together, we conclude that PKU patients do not show disturbed metabolism in rest and during aerobic exercise. Therefore, PKU patients have to be encouraged to exercise in order to possibly benefit from long-term exercise-related adaptations. Nevertheless, the small number of patients evaluated in our studies highlights the need of further research to describe the most suitable exercise for PKU patients.

A fenilcetonúria (PKU) é caracterizada por uma deficiente atividade da fenilalanina hidroxilase (PAH), que converte fenilalanina em tirosina. Consequentemente, pacientes fenilcetonúricos apresentam níveis aumentados de fenilalanina no sangue e em tecidos. A fenilalanina atinge níveis tóxicos no cérebro e, assim, pode levar a deficiência intelectual grave se não tratada. Hoje em dia, os pacientes fenilcetonúricos são diagnosticados através de programas de triagem neonatal e são colocados em tratamento imediatamente. O tratamento da PKU é baseado em uma dieta restrita em fenilalanina juntamente com uma mistura de aminoácidos, que visa reduzir a ingestão de fenilalanina ao mesmo tempo em que fornece todos os outros aminoácidos e nutrientes essenciais. Apesar de eficiente, o tratamento é extremamente difícil de seguir e, portanto, os pacientes ainda apresentam altos níveis de fenilalanina e seus problemas associados, tais como estresse oxidativo, distúrbios motores e cognitivos. Ainda, a dieta em si é tão restritiva que a completa adesão pode levar a problemas nutricionais como obesidade e perturbações hormonais. A fim de abordar estas questões na PKU, é necessário compreender os mecanismos pelos quais a fenilalanina perturba homeostasia, bem como propor novas estratégias de tratamento para a doença. Portanto, esta tese teve como objetivo verificar o estado metabólico basal e em exercício aeróbico em pacientes fenilcetonúricos, além de avaliar possíveis benefícios do treinamento físico em camundongos PAHenu2. Para tanto, foram avaliados composição basal, estado nutricional, taxa metabólica basal, bem como a resposta ventilatória e bioquímica a uma sessão de exercício aeróbico em pacientes fenilcetonúricos em comparação com controles pareados, por bioimpedância elétrica e calorimetria indireta, respectivamente. Foram encontrados resultados similares entre pacientes e controles para todos os marcadores antropométricos e nutricionais, mostrando, assim, que os pacientes fenilcetonúricos têm a mesma composição corporal e perfil metabólico que controles. Além disso, os níveis de fenilalanina não se modificaram imediatamente após o exercício em comparação com a condição de repouso, demonstrando assim que o exercício aeróbico é seguro para pacientes fenilcetonúricos. No modelo animal de PKU, este estudo avaliou os efeitos crônicos do exercício aeróbico voluntário no cérebro de camundongos PAHenu2. Apesar de correrem menores distâncias do que os controles, os camundongos PKU apresentaram melhoras em parâmetros de estresse oxidativo no cérebro, embora os níveis de fenilalanina no sangue e no cérebro permanecessem inalterados. Os animais PKU apresentaram habilidades motoras e de equilíbrio deficientes em comparação com os controles, enquanto o exercício não afetou esses parâmetros comportamentais. Adicionalmente, os aminoácidos gliconeogênicos e os relacionados com o ciclo da ureia foram encontrados em níveis inferiores no plasma dos animais PKU que se exercitaram em comparação com os sedentários. Por outro lado, os camundongos selvagens não apresentaram nenhuma alteração causada pelo exercício. Assim, os fenilcetonúricos não apresentam distúrbios em marcadores metabólicos tanto em repouso como durante exercício aeróbico. Por conseguinte, os fenilcetonúricos devem ser encorajados a praticar exercício para, possivelmente, beneficiarem-se das adaptações positivas geradas pelo treinamento físico. No entanto, o pequeno número de pacientes avaliados em nossos estudos destaca a necessidade de mais pesquisas para descrever o exercício mais adequado para pacientes com PKU. / Phenylketonuria (PKU) is characterized by poor phenylalanine hydroxylase (PAH) activity, which acts converting phenylalanine into tyrosine. Consequently, PKU patients show increased levels of phenylalanine in the blood and tissues. Phenylalanine reaches toxic levels in the brain and therefore can lead to severe mental retardation, if untreated. Nowadays, PKU patients are diagnosed through newborn screening programs and are put on treatment immediately. PKU treatment is based on a phenylalanine-restricted diet along with an amino acid mixture, which aims to reduce the intake of phenylalanine while providing other essential amino acids and nutrients. Despite efficient, the treatment is extremely hard to follow so that PKU patients show high levels of phenylalanine and related issues such as oxidative stress, motor and cognitive disturbances. Moreover, the diet itself is so restrictive that adhering to it may lead to nutritional problems like obesity and hormonal disruptions. In order to tackle these issues in PKU, it is necessary to understand the mechanisms in which phenylalanine disturbs homeostasis as well as propose new treatment strategies for the disease. Therefore, this thesis aimed to evaluate metabolic markers in rest and exercise in PKU patients, as well as to verify the possible benefits of exercise in the brain of PAHenu2 mice. For that, we evaluated basal body composition, nutritional status, basal metabolic rate, as well as ventilatory and biochemical response to an aerobic exercise session in PKU patients and matched-controls using electrical bioimpedance analysis and indirect calorimetry, respectively. The groups did not differ for anthropometric and nutritional markers, thus showing that PKU patients have the same body and metabolic profiles as controls. Moreover, phenylalanine levels were not modified immediately after exercise in comparison to rest condition, thus proving that aerobic exercise is safe for PKU patients. In the animal model of PKU, we evaluated the effects of voluntary training in the brain of PAHenu2 mice. Despite running less distances than the controls, the PKU mice showed improved oxidative stress parameters although phenylalanine levels in the blood and in brain remained unchanged. PKU animals showed poor motor and balance skills than controls while exercise did not affect these behavioral markers. In addition, gluconeogenic and urea cycle-related amino acids were found in lower levels in the plasma of the exercised PKU animals in comparison to the sedentary PKU group. On the other hand, wild-type mice did not show any of those changes. Taken together, we conclude that PKU patients do not show disturbed metabolism in rest and during aerobic exercise. Therefore, PKU patients have to be encouraged to exercise in order to possibly benefit from long-term exercise-related adaptations. Nevertheless, the small number of patients evaluated in our studies highlights the need of further research to describe the most suitable exercise for PKU patients.

The traditional treatment for phenylketonuria (PKU) is a phenylalanine (Phe)-restricted diet, supplemented with a Phe-free/low-Phe protein substitute. Pharmaceutical treatment with synthetic tetrahydrobiopterin (BH4), an enzyme cofactor, allows a patient subgroup to relax their diet. However, dietary protocols guiding the adjustments of protein equivalent intake from protein substitute with BH4 treatment are lacking. We systematically reviewed protein substitute usage with long-term BH4 therapy. Electronic databases were searched for articles published between January 2000 and March 2020. Eighteen studies (306 PKU patients) were eligible. Meta-analyses demonstrated a significant increase in Phe and natural protein intakes and a significant decrease in protein equivalent intake from protein substitute with cofactor therapy. Protein substitute could be discontinued in 51% of responsive patients, but was still required in 49%, despite improvement in Phe tolerance. Normal growth was maintained, but micronutrient deficiency was observed with BH4 treatment. A systematic protocol to increase natural protein intake while reducing protein substitute dose should be followed to ensure protein and micronutrient requirements are met and sustained. We propose recommendations to guide healthcare professionals when adjusting dietary prescriptions of PKU patients on BH4. Studies investigating new therapeutic options in PKU should systematically collect data on protein substitute and natural protein intakes, as well as other nutritional factors.