Дейвид С. Ниман

1 Лаборатория за човешко представяне, Държавен университет в Апалачи, Изследователски кампус в Северна Каролина, Канаполис, Северна Каролина, Съединени американски щати,

като

Николас Д. Гилит

2 Dole Nutrition Research Laboratory, North Carolina Research Campus, Kannapolis, Северна Каролина, Съединени американски щати,

Дру А. Хенсън

3 Катедра по биология, Апалачкия държавен университет, Бун, Северна Каролина, Съединени американски щати,

Вей Ша

4 Отдел за биоинформатични услуги, Университет на Северна Каролина в Шарлот, Изследователски кампус в Северна Каролина, Канаполис, Северна Каролина, Съединени американски щати,

Р. Андрю Шейни

1 Лаборатория за човешко представяне, Държавен университет в Апалачи, Изследователски кампус в Северна Каролина, Канаполис, Северна Каролина, Съединени американски щати,

Ейми М. Кнаб

1 Лаборатория за човешка ефективност, Държавен университет в Апалачи, Изследователски кампус в Северна Каролина, Канаполис, Северна Каролина, Съединени американски щати,

Лин Сиалдела-Кам

1 Лаборатория за човешко представяне, Държавен университет в Апалачи, Изследователски кампус в Северна Каролина, Канаполис, Северна Каролина, Съединени американски щати,

Фуксия Джин

2 Dole Nutrition Research Laboratory, North Carolina Research Campus, Kannapolis, Северна Каролина, Съединени американски щати,

Замислени и проектирани експерименти: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ. Извършва експериментите: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ. Анализирани данни: DCN WS. Реактиви/материали/инструменти за анализ, допринесени: NDG DAH RAS AMK LCK FJ. Написа хартията: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ.

Резюме

Въведение

Силното натоварване предизвиква преходно възпаление и оксидативен стрес и широкообхватни смущения в имунната система [1] - [7]. Различни хранителни агенти са тествани за способността им да отслабят тези показатели на физиологичен стрес, като същевременно подпомагат изпълнението на упражненията и възстановяването [2].

Бананите са рентабилен енергиен източник и се използват от спортисти за издръжливост поради усещането, че те са добър източник на въглехидрати и калий. Един среден банан (~ 118 g) съдържа около 27 g въглехидрати (наполовина като захари), 3,1 g диетични фибри, 105 килокалории и е добър източник на калий (422 mg) и витамин B6 (0,43 mg) [8]. Захарите от 14,4 g в среден банан са смес от глюкоза (5,9 g), фруктоза (5,7 g) и захароза (2,8 g) [8]. Гликемичният индекс на бананите е 51 (нисък до среден рейтинг), подобно на гроздето, манго, ананаси, стафиди, макарони, портокалов сок и мед [9]. Антиоксидантната стойност на бананите, описана в ORAC единици, е 1037 µmol TE, което е подобно на плодовете киви и портокалов сок [10]. По този начин бананите изглеждат уникална смес от въглехидрати, хранителни вещества и антиоксиданти, които могат да осигурят добра хранителна подкрепа по време на продължителни и интензивни упражнения, но публикувани данни от проучвания с човешки спортисти липсват [11].

В предишни проучвания, проведени от нашата изследователска група, ние показахме, че 60 g въглехидрати на час под формата на напитка спрямо плацебо, частично противодействащи повишени цитокини и промени в вродения имунитет [3] - [5], предизвикани от упражнения. Целта на това проучване беше да се сравни острият ефект от поглъщането на банани спрямо 6% въглехидратна напитка върху 75-километровата продължителност на изпитването на колоездене, предизвикано от упражнения възпаление, оксидативен стрес и капацитет и промени в имунната функция при обучени велосипедисти. Метаболомиката е измерването на малки молекули или метаболити, присъстващи в биологични проби, за да се изясни ефектът на даден стимул върху метаболитните пътища и се използва все повече в изследванията на спортното хранене [2] - [18]. Сложните връзки между употребата на пълнозърнести храни или хранителни коктейли от спортисти по време на тренировка се изследват най-добре с помощта на инструмента за метаболомика. За да се подобри интерпретацията на основните метаболитни процеси в сравнението между бананите и 6% въглехидратната напитка, кръвните проби преди и след тренировка бяха анализирани за нецелеви промени в метаболитите с помощта на масова спектрометрия с газова хроматография.

Методи

Субекти

Темите включват 14 мъже велосипедисти (на възраст 18–45 години), които редовно се състезават в състезания по пътищата (категория 1 до 5) и имат опит с колоездачни изпитания по време. Субектите се обучават нормално, поддържат тегло и избягват употребата на големи дози витамини и минерални добавки, билки и лекарства, за които е известно, че влияят на възпалението и имунната функция по време на проучването. Всички субекти подписаха информирано съгласие и всички учебни процедури бяха одобрени от Институционалния съвет за преглед в Апалашкия държавен университет.

Изследователски дизайн

Една седмица преди първото 75-километрово изпитване всеки състезател завърши тестове за ориентация/изходно ниво в лабораторията за човешко представяне в изследователския кампус на Северна Каролина, управлявана от Апалашкия държавен университет в Канаполис, Северна Каролина. Демографските истории и историята на обучение бяха получени с въпросници. По време на ориентация диетолог инструктира субектите да спазват диета с умерено съдържание на въглехидрати (използвайки предоставен списък с храни) по време на 3-ия период преди всяко 75-километрово изпитание. Субектите регистрираха приема на храна в триизмерни записи на храни и след това бяха анализирани с помощта на компютъризирана програма за оценка на диетата за съдържание на енергия и макроелементи (Food Processor; ESHA Research, Salem, OR).

По време на изходното тестване максималната мощност, консумацията на кислород, вентилацията и сърдечната честота бяха измерени по време на градуиран тест за упражнения (25 вата се увеличават на всеки две минути, започвайки от 150 вата) с метаболитна количка Cosmed Quark CPET (Рим, Италия) и Lode велоергометър (Lode Excaliber Sport, Lode BV, Гронинген, Холандия). Съставът на тялото беше измерен с анализатор за състав на тялото Bod Pod (Life Measurement, Concord, CA).

Една седмица след изходното тестване, субектите завършиха първото 75-километрово изпитание. Субектите бяха рандомизирани на условия за банани и 6% въглехидратни напитки и след това преминаха в противоположното състояние по време на второто 75-километрово изпитание три седмици по-късно. На датата на всяка 75-километрова сесия за изпитване на време участниците консумираха стандартизирано хранене в 12:00 часа на обяд, състоящо се от Boost Plus при 10 kcal/kg (41,9 kJ/kg) (Boost Plus; Mead Johnson Nutritionals, Evansville, IN). Субектите са докладвали в лабораторията в 14:45 ч. И са предоставили кръвна проба. В 14:50 ч. Субектите поглъщат 0,4 g/kg въглехидрати от банани (BAN) или от стандартна 6% въглехидратна напитка (CHO) (Gatorade ™, Чикаго, Илинойс). Субектите поглъщат 0,2 g/kg телесно тегло на всеки 15 минути BAN или CHO по време на 75-километровите изпитания. BAN са били консумирани с вода, равна на консумираната с CHO. BAN са предоставени от Dole Foods (Westlake Village, Калифорния) и са били на етап узряване на шесто ниво (напълно жълто, без кафяви петна).

Субектите са карали велосипед (старт от 15:00 ч.) На собствените си велосипеди на обучители CompuTrainer Pro Model 8001 (RacerMate, Сиатъл, Вашингтон) със сърдечна честота и рейтинг на възприемано усилие (RPE), записани на всеки 30 минути, и натоварване, непрекъснато наблюдавано с помощта на CompuTrainer MultiRider софтуерна система (версия 3.0, RacerMate, Сиатъл, Вашингтон). Планински 75-километров курс с умерена трудност беше избран и програмиран в софтуерната система за използване във всеки хронометър. Взети са проби от капилярна кръв на върха на пръста, като се използват микрокапиларни тръби, облицовани с хепарин, преди тренировка, 1 час след 75-километрова проба и след тренировка. Кръвните проби веднага се поставят в епруветки за микрофуги, облицовани с EDTA дикалиева сол (RAM Scientific Inc., Германия), и се анализират с помощта на анализатор за глюкоза и лактат YSI 2300 STAT Plus (Yellow Springs, OH).

Взети са кръвни проби чрез венепункция веднага след завършване на 75-километровото изпитание и след това 1 час след тренировка. Субектите са попълвали регистрите на симптомите, които включват въпроси за здравето на храносмилателната система (киселини, подуване на корема, диария и гадене). Субектите са посочили отговори, използвайки 12-степенна скала на Ликерт, като 1 се отнася до „изобщо няма“, 6 „умерени“ и 12 „много високи“.

Пълна кръвна картина

Рутинната пълна кръвна картина беше извършена от нашата клинична хематологична лаборатория с помощта на Coulter Ac.TM 5Diff хематологичен анализатор (Beckman Coulter, Inc., Маями, Флорида) и осигури хемоглобин и хематокрит за определяне на промяната в плазмения обем [19].

Плазмени цитокини

Общите плазмени концентрации на девет възпалителни цитокини (IL-6, TNFα, гранулоцит-макрофаги стимулиращ фактор на колонията [GM-CSF], IFNγ, IL-1β, IL-2, IL-8, IL-10 и IL-12p70) определя се с помощта на електрохимилуминесцентна основа на твърдофазен сандвич имуноанализ (Meso Scale Discovery, Gaithersburg, MD, USA). Всички проби и предоставените стандарти бяха анализирани в два екземпляра, а интра-тестовата CV варираше от 1,7 до 7,5%, а межпробната CV от 2,4 до 9,6% за всички измерени цитокини. Минималната откриваема концентрация на IL-6 е 0,27 pg/ml, TNFα 0,50 pg/ml, GM-CSF 0,20 pg/ml, IFNγ 0,53 pg/ml, IL-1β 0,36 pg/ml, IL-2 0,35 pg/ml, IL-8 0,09 pg/ml, IL-10 0,21 pg/ml и IL-12p70 1,4 pg/ml. Проби преди и след тренировка за цитокини бяха анализирани на една и съща плака за анализ, за ​​да се намали вариабилността на анализа в комплекта.

Оксидативен стрес и антиоксидантна способност

Плазмените F2-изопростани се определят с помощта на масова спектрометрия с газова хроматография (GC-MS) [20]. Плазмата се събира от хепаринизирана кръв, незабавно се замразява в течен азот и се съхранява при -80 ° C. Непосредствено преди анализа плазмените проби бяха размразени. Пробите бяха използвани за извличане на свободни F2-изопростани с деутериран [2H4] простагландин F2α (PGF2α), добавен като „вътрешен“ стандарт. След това сместа се добавя към колона C18 Sep Pak, последвана от екстракции на твърда фаза от силициев диоксид. F2-изопростаните се превръщат в пентафлуорбензилови естери, подлагат се на тънкослойна хроматография и се превръщат в производни на триметилсилил етер. Пробите се анализират чрез отрицателна йонна химическа йонизация GC-MS, като се използва газова хроматография Agilent 6890N, свързана с инертен масспектрометър Agilent 5975B MSD (Agilent Technologies, Inc. Санта Клара, Калифорния).

Общата плазмена антиоксидантна мощност се определя чрез анализ на железо-редуциращата способност на плазмата (FRAP), реакция на един електронен трансфер [21]. Този анализ използва водоразтворими антиоксиданти, родени в плазмата, събрана от третираната с EDTA кръв, за да се редуцира железното желязо до железната форма, като впоследствие се получава хромоген, идентифицируем при 593 nm. Пробите и стандартите се изразяват като аскорбатни еквиваленти на базата на стандартна крива на аскорбат. Коефициентите на вариация в рамките на анализа и между анализа са по-малко от 5% и 7%, съответно.

Анализ на допамина в бананите от Кавендиш

Допамин хидрохлорид (4- (2-аминоетил) бензен-1,2-диол хидрохлорид, 99%) е закупен от Acros Organics (Ню Джърси). Бананите Cavendish (етап 6 на зреене) са получени от местен хранителен магазин и са анализирани в деня на покупката. Приблизително 50 грама месо от банан се смесват със 150 ml 70% воден метанол в продължение на три минути и се анализират за съдържание на допамин с помощта на течна хроматография електроспрей йонизация тандем мас спектрометрия (LC-ESI-MS-MS) (система Thermo Scientific LTQ Velos, West Палм Бийч, Флорида).

Гранулоцитна и моноцитна фагоцитоза, окислителна експлозивна активност

Метаболомика

Всички проби (както плазмени екстракти, така и стандарти за вътрешната библиотека) бяха анализирани на GC система Agilent 7890A, свързана с Agilent 5975C EI/CI Mass Selective Detector. Файловете с необработени данни, генерирани от GC-MS, бяха преобразувани във формат NetCDF. Преобразуваните данни бяха обработени с помощта на софтуера на Leco ChromaTOF v4.24 (St. Joseph, MI), включително изчезване на изходно ниво, изглаждане, пиково избиране и подравняване на пиковия сигнал (сигнал към шум ≥30). Анотирането на метаболита се извършва чрез сравняване на неизвестни сигнални модели от изследваните проби с тези на референтните стандарти от вътрешна библиотека, съдържаща приблизително 600 човешки метаболита (Sigma-Aldrich, Сейнт Луис, Мисури), установени в системата GC-MS. Търговските библиотеки, включително библиотеката NIST 2008 и LECO/Fiehn Metabolomics Library за данни за метаболоми на GC-MS (праг на сходство от 70%), също бяха използвани за допълнителна анотация на съединението. Хептадеканова киселина беше добавена към изследваните проби като вътрешен стандарт за проследяване на аналитичните вариации по време на целия процес на подготовка и анализ на пробите и точността беше изчислена чрез инжектиране на шест произволно избрани проби пет пъти. Средната CV за хептадеканова киселина е по-малка от 5%, а средната CV за целия анализ на пробата е 15,3%.

Статистически анализ

Резултати

Четиринадесет участници са завършили всички аспекти на проучването и характеристиките на субекта показват, че са добре обучени и опитни велосипедисти (средна възраст 37,0 ± 7,1 години, телесни мазнини 17,8 ± 4,5%, максимална мощност 379 ± 46,8 вата, VO2макс 58,6 ± 5,2 ml. Kg. . − 1 мин −1, история на тренировки и състезания 8.4 ± 6.4 y). Субектите са средно 272 ± 86,1 km/wk през 3-месечния период преди проучването. Тридневните записи на храната преди всяко от двете времеви проучвания не показват значителни разлики в приема на енергия или макронутриенти. Енергийният прием е 2486 ± 625 kcal/ден (10,5 ± 2,47 MJ/ден) и 2539 ± 662 kcal/ден (10,2 ± 2,66 MJ/ден), като въглехидратите представляват 60,4 ± 5,6% и 59,4 ± 6,0%, протеини 15,9 ± 2,2 % и 16,1 ± 3,4%, и мазнини 23,7 ± 5,6% и 24,5 ± 5,2% от общата енергия, съответно за BAN и CHO условия. Тридневните записи за храна също не разкриват значителни разлики в калий 2041 ± 700 mg и 2454 ± 625 mg, витамин С 102 ± 58,0 и 115 ± 76,0 mg и фибри 30,5 ± 10,3 g и 33,8 ± 11,0 g прием за BAN и CHO, съответно.

Средна мощност (225 ± 43,0, 233 ± 43,8 вата, P = 0,178), сърдечна честота (91,1 ± 4,9, 89,3 ± 3,4% HRmax, P = 0,096), рейтинг на възприемано усилие (14,6 ± 1,5, 14,4 ± 1,1 RPE единици, P = 0,613) и общото време (2,41 ± 0,22, 2,36 ± 0,19 h, P = 0,258) не се различават съответно между BAN и CHO 75-километрови изпитания за колоездене. Моделите на нарастване с течение на времето по време на 75-километровите колоездачни опити са сходни между BAN и CHO за серумна глюкоза (23% и 19%, съответно, ефект на взаимодействие, P = 0,849) и кръвен лактат (съответно 220% и 227%, ефект на взаимодействие, P = 0,439). Средният прием на въглехидрати по време на изпитвания BAN и CHO е 150 ± 19,5 грама. Пациентите съобщават, че се чувстват значително по-пълни (P = 0,003) и подути (P = 0,014) по време на проучването BAN срещу CHO. Субектите са загубили 0,4 kg повече телесно тегло по време на изпитването BAN спрямо CHO (средно изменение на теглото, -1,5 ± 0,7, -1,1 ± 1,1 kg, съответно, P = 0,015). Изместването на плазмения обем е по-малко от 2% след упражнение и не се различава между опитите (P = 0,711).

Моделите на увеличаване на плазмените F2-изопростани не се различават между BAN и CHO проучванията (Таблица 1). Моделът на увеличаване на FRAP упражненията преди пост-пост е по-висок при BAN в сравнение със CHO (31% срещу 18%, съответно, ефект на взаимодействие, P = 0,012) (Таблица 1). Увеличенията, предизвикани от упражнения, бяха измерени за пет от девет цитокини, със значително по-високи нива на колоездене след 75 км в BAN за IL-8 и IL-10 (Таблица 1).

маса 1

ПроменливаПредварително упражнениеСлед упражнение1-часово след упражнениеВреме; взаимодействие Р стойности
TNFα (pg/ml)
БАН6,03 ± 1,688,82 ± 2,028,70 ± 2,17 * 8,82 ± 3,14 * * 13,2 ± 12,3 * 0,003; 0,003
CHO2,24 ± 1,765,98 ± 3,526,96 ± 7,82
GR-PHAG (MFI)
БАН270 ± 71,1373 ± 134435 ± 1710,001; 0,215
CHO284 ± 134321 ± 164346 ± 147
MO-PHAG (MFI)
БАН137 ± 50,9233 ± 104281 ± 117 * 575 ± 76,0 * * P Таблица 1). GR и MO оксидативната експлозивна активност (OBA) не се променя след тренировка и не са измерени пробни разлики.

От 103 метаболита, открити чрез нашата метаболомична система GC-MS, 56 са имали значителни времеви ефекти след 75-километровите колоездене. Само един (допамин) от 56 метаболита има модел на промяна, който се различава между BAN и CHO и общите ефекти на лечението не се разделят чрез PLS-DA моделиране. Допаминът значително се повишава в BAN в сравнение със CHO, както е показано на фигура 1 (ефект на взаимодействие, P Фигура 2 визуализира глобалните метаболитни разлики между преди тренировка, непосредствено след тренировка и 1 h след тренировка, което показва ясно разделение между времето точки с известно припокриване между точките след две тренировки [R 2 Y (cum) = 0,869, Q 2 (cum) = 0,766]. От 56 метаболита със значителни (FDR коригирана p-стойност Таблица 2. От 15 метаболити, пет (2-хидроксимаслена киселина, 2-аминомаслена киселина, L-глутаминова киселина, L-метионин и L-пролин) са свързани с производството на глутатион в черния дроб, четири (палмитолеинова киселина, палмитинова киселина, олеинова киселина и хептадеканова киселина) до метаболизма на липидите, три (2,3,4-трихидроксибутанова киселина, D-фруктоза и пировиноградна киселина) до метаболизма на въглехидратите, две (ябълчна киселина и янтарна киселина) са междинни в цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA цикъл) и един ( L-изолевцин) е аминокиселина с разклонена верига.