Субекти

Резюме

Въведение

Лечението на затлъстяването се състои в предизвикване на отрицателен енергиен баланс в продължение на няколко месеца или години. Степента на успех с интервенции в начина на живот е разочароващо ниска, вероятно защото много пациенти не успяват да постигнат отрицателен енергиен баланс, като надценяват физическата си активност и подценяват енергийния си прием 1. В това отношение ние 2 и други 3,4 предлагаме, че наблюдението на дишането на ацетон като маркер за енергиен баланс може да бъде полезен инструмент за подобряване на ефективността на намесата в начина на живот. Кетогенезата наистина се стимулира от гладуване 5, ограничаване на калориите 6 и упражнения 7. Той обаче може да бъде стимулиран и по време на консумация на диета с много ниско съдържание на въглехидрати, независимо от отрицателния енергиен баланс 8,9. Все пак остава неизвестно дали повишената кетогенеза може да бъде открита от измерванията на ацетон на дъха, когато енергийният баланс е умерено отрицателен и дали това се влияе от съдържанието на въглехидрати в храната. Следователно ние наблюдавахме дишането на ацетон, използвайки наскоро разработен лазерен анализатор на дишането 10, при здрави доброволци след еднонощно гладуване, последвано от 4-часов период, през който доброволците остават на гладно или се хранят на час с 70% или 10% въглехидрати. След това беше проведено 2-часово упражнение с ниска интензивност.

Методи и процедури

Набрани са осем здрави доброволци (4 мъже и 4 жени, средна възраст ± SEM: 26 ± 2 години; тегло: 67,3 ± 4,0 kg; индекс на телесна маса: 22,5 ± 0,6 kg · m -2). Всички субекти са стабилни в теглото, непушачи и нямат лична или фамилна анамнеза за диабет. Протоколът е одобрен от Комитета за човешки изследвания в Кантон де Во и е регистриран в klinika.gov (NCT03390881) и участниците предоставят информирано, писмено съгласие.

Участниците бяха проучени на три различни случая в произволен, отворен, кръстосан дизайн. Двата дни преди всеки тест участниците консумираха обичайната си диета и изпълниха минимална физическа активност. В 20:00 ч. Предния ден те получиха стандартизирана храна, покриваща 30% от изчислените им енергийни нужди (55% въглехидрати, 30% липиди и 15% протеини).

В тестовия ден субектите дойдоха в лабораторията в 07:00 сутринта на гладно. Субектите са останали на гладно, докато са лежали в легло за начален двучасов период и са получени три измервания на ацетон и кръв BHOB за определяне на базалните стойности. След това и за следващите 6 часа (T120 до T480), те или остават на гладно (F), или получават на всеки час течно хранене, осигуряващо 150% от енергийната им нужда от почивка в продължение на 1 час (1,5 пъти техните RMR пъти 60 минути) с или 70% въглехидрати (30% захароза (Hänseler Swiss Pharma) и 40% малтодекстрин (Sponser, Швейцария)), 15% липиди и 15% протеин (високо въглехидрати; HC), или 70% липиди, 15% протеин и 15% захароза (ниско съдържание на въглехидрати; LC). Те останаха в условия на почивка от T120 до T360, след което се качиха с 25 W от T360 до T480. Проби от дишане и кръв се получават на всеки час, докато обменът на дихателни газове се наблюдава чрез индиректна калориметрия (Cosmed Quark RMR, Cosmed, Roma, Италия).

Пробите от дишането се събират във въздушни възглавници (Cali-5-Bond TM торбички, Calibrated Instruments Inc., Garrett Highway, САЩ) след 5-а апнея и след изхвърляне на дихателното мъртво пространство 3. Дишането на ацетон беше измерено в рамките на 12–24 часа с помощта на специално разработен лазерен спектрометър (VECSEL, Camlin Technologies, Цюрих, Швейцария), както е описано 10. Тъй като базалните стойности показват значителни вариации между отделните индивиди [коефициент на вариация между участниците (CV) = 36%] и интрадивидуални (между тестовата CV при същия пациент = 32%), концентрацията на ацетон в дъха при T120 е използвана като референт за всеки предмет. Плазмените неестерифицирани мастни киселини (NEFA), BOHB и глюкозата се измерват с помощта на ензимни методи (Randox Laboratories, Crumlin, UK) и плазмен инсулин чрез радио-имуноанализ (Millipore Corporation, Billerica, MA, USA).

Всички стойности са изразени като средна стойност ± SEM. Размерът на пробата беше произволно зададен на 8. Нормалността и хомоскедастичността на разпределенията бяха проверени чрез тестове на Shapiro-Wilk и Bartlett. Когато е необходимо, променливите се нормализират с помощта на трансформацията на Box-Cox. Промените в променливите бяха оценени с еднофакторен дисперсионен анализ (ANOVA). След това бяха извършени множество сравнения от студентски сдвоени т тестове. Линейните връзки между промените в дихателния ацетон и плазмения BOHB бяха тествани с помощта на корелацията на Spearman. Данните бяха анализирани с помощта на „R“, версия 3.3.1 (www.cran.R-project.org).

Резултати

Базални условия

Средните концентрации на ацетон в дъха са 2,04 ± 0,21 ppm, а концентрациите на BOHB в кръвта са 0,13 ± 0,02 mmol L -1 .

Състояние на гладно

Концентрациите на ацетон в дъха се увеличават постепенно в сравнение с базалните стойности и достигат своя максимум в края на упражнението. Успоредно с това плазмените концентрации на BOHB се увеличават непрекъснато с течение на времето, без да се забелязва ускорение по време на тренировка. Промените в дишането на ацетон положително корелират с промените в BOHB (ρ36 = 0,58, P -1 мин. -1 в покой и се увеличи до 4,39 ± 0,25 mg kg -1 мин. -1 по време на тренировка. Разходът на енергия съответства на 1,07 ± 0,06 kcal min 1 в покой и 4,04 ± 0,28 kcal min -1 по време на тренировка. По време на теста енергийният баланс беше отрицателен (фиг. 1). Плазмените концентрации на глюкоза и инсулин не показват промени във времето, но плазмените концентрации на NEFA се увеличават прогресивно (Фиг. 2).

като

Промени в дишането ацетон (а) и плазмени концентрации на бета-хидроксибутират (б) и енергиен баланс (° С), когато участниците остават на гладно (е) или са били хранени на час с храни с високо или ниско съдържание на въглехидрати.

Данните са изразени като средна стойност ± SEM. За всички променливи, н = 8 доброволци. BOHB бета-хидроксибутират, F на гладно, HC с високо съдържание на въглехидрати, LC с ниско съдържание на въглехидрати

Промени в плазмената глюкоза (а), инсулин (б) и концентрации на NEFA (° С), когато участниците остават на гладно (е) или са били хранени на час с храна с високо или ниско съдържание на въглехидрати.

Данните са изразени като средна стойност ± SEM. За всички променливи, н = 8 доброволци. F на гладно, HC с високо съдържание на въглехидрати, LC с ниско съдържание на въглехидрати, NEFA неестерифицирана мастна киселина

Ястия с високо съдържание на въглехидрати срещу гладуване

Когато субектите консумират ястия с HC, концентрациите на ацетон в дъха и плазмата BOHB леко намаляват, достигайки по-ниски нива, отколкото при F. Не е установена връзка между промените в дишането на ацетон и BOHB (ρ23 = -0,15, P = 0,487). Скоростта на окисление на мазнините е значително по-ниска, отколкото при F, както в покой (0.94 ± 0.04 mg kg −1 min −1, P = 0,002) и по време на тренировка (2,07 ± 0,30 mg kg −1 min −1; P -1 в покой и 3,93 ± 0,19 kcal мин -1 по време на тренировка. Енергийният баланс беше леко положителен в покой и отрицателен по време на тренировка (фиг. 1). Плазмените концентрации на глюкоза и инсулин са значително по-високи, докато NEFA в плазмата са значително по-ниски, отколкото при F (фиг. 2).

Ястия с ниско съдържание на въглехидрати срещу гладуване

Когато субектите консумират LC храна, дишането на ацетон се увеличава постепенно с течение на времето и не показва значителна разлика в сравнение с F. За разлика от това плазменият BOHB е значително намален. Промените в дишането на ацетон не корелират с промените в BOHB (ρ16 = −0.34, P = 0,164). Скоростта на окисление на мазнините е средно 1,16 ± 0,06 mg kg −1 min −1 в покой (P = 0.727) и 3.79 ± 0.20 mg kg −1 min −1 по време на тренировка (P = 0,013). Разходът на енергия съответстваше на 1,13 ± 0,07 kcal min -1 в покой и 4,06 ± 0,21 kcal min -1 по време на тренировка. Енергийният баланс е подобен на HC (фиг. 1). Плазмените концентрации на глюкоза са непроменени, докато плазменият инсулин е значително по-висок, а плазменият NEFA по-нисък, отколкото при F (фиг. 2).

Дискусия

Кетогенезата е количествено малка след бързо постигане през нощта, но концентрацията на базален ацетон може да бъде количествено определена във всички проби от дишането. Освен това, дишането на ацетон показва значителни промени за период от 6 часа според състоянието на хранене и енергийния баланс. Когато пациентите останаха на гладно, натрупаният енергиен баланс беше леко отрицателен и дъхът на ацетон и плазмен BOHB се увеличи с течение на времето. За разлика от това, дишането на ацетон и плазмен BOHB леко намалява, когато субектите се хранят с HC храна. Това показва, че кетогенезата се активира, когато енергийният баланс е отрицателен, но се потиска от положителен енергиен баланс, свързан с храненето с HC.

Нашето проучване също така идентифицира ограничения за използването на дихателен ацетон като маркер за енергиен баланс. Наистина забелязахме, че концентрациите на ацетон в дъха се увеличават, когато доброволците постигат положителен енергиен баланс чрез поглъщане на LC, а не на HC ястия. Липидното окисление и плазмените концентрации на NEFA също са по-високи при LC, отколкото при хранене с HC, в съответствие с по-малкото потискане на кетогенезата. Също така забелязахме, че двучасовият отрицателен енергиен баланс, предизвикан от физическо натоварване, не ускорява покачването на концентрациите на ацетон в дъха при гладувани лица и не го увеличава остро, когато субектите се хранят с малки HC ястия. Това предполага, че стимулирането на кетогенезата може да бъде малко забавено спрямо началото на упражнение с ниска интензивност.

Нашите резултати посочват и някои неочаквани аспекти на метаболизма на кетонните тела. Промените в дишането на ацетон корелират с промените в BOHB в кръвта в F, но не и в HC и LC. Освен това при LC дихателният ацетон се увеличава, но BOHB в кръвта намалява. Това може да се обясни с твърде често неразпознатата сложност на метаболизма на кетонните тела. Кетогенезата първоначално дава ацетоацетат, който впоследствие се редуцира до BOHB или се декарбоксилира до ацетон. След това BOHB и ацетонът се окисляват по различни пътища в екстрахепаталните тъкани 11,12. Концентрациите на ацетон и BOHB следователно ще варират в зависимост не само от промените в скоростта на производство на ацетоацетат, но и от относителните промени в превръщането на ацетоацетат в BOHB и ацетон, както и на BOHB и ацетоновото окисление. Следователно е възможно консумацията на диета с много ниско съдържание на въглехидрати да благоприятства ацетона пред образуването на BOHB или повишено окисление на BOHB спрямо това на ацетон. Това може да е свързано с малката постпрандиална секреция на инсулин след LC хранене, тъй като е показано, че инсулинът повишава клирънса и окислението на BOHB 13 .

В заключение, нашето проучване показва, че дишането на ацетон присъства в откриваеми количества при нормални субекти и се увеличава с течение на времето, когато субектите остават на гладно, но не и когато се хранят с въглехидратни ястия. Той обаче не се потиска от много нисковъглехидратни ястия, което може да ограничи употребата му като маркер на енергийния баланс при субекти на специални диети.

Препратки

Looney, S. M. & Raynor, H. A. Поведенческа интервенция в начина на живот при лечение на затлъстяване. Health Serv. Прозрения 6, 15–31 (2013).

Samudrala, D. et al. Дишане на ацетон за наблюдение на интервенции в начина на живот при полеви условия: проучвателно проучване. Обес. Сребърна пролет Md. 22., 980–983 (2014).

Anderson, J. C. Измерване на дихателен ацетон за проследяване на загубата на мазнини: Преглед. Обес. Сребърна пролет Md. 23., 2327–2334 (2015).

Güntner, A. T. et al. Неинвазивно наблюдение на изгарянето на телесни мазнини от издишан ацетон с допирани със Si наночастици, чувствителни на WO3. Анален. Chem. 89, 10578–10584 (2017).

Freund, G. Хипотезата за калориен дефицит на кетогенеза, тествана при човека. Метаболизъм 14., 985–990 (1965).

Kundu, S. K., Bruzek, J. A., Nair, R. & Judilla, A. M. Анализатор на дихателен ацетон: диагностичен инструмент за проследяване на загубата на мазнини в храната. Clin. Chem. 39, 87–92 (1993).

Toyooka, T., Hiyama, S. & Yamada, Y. Прототип преносим анализатор на ацетон за дъх за наблюдение на загубата на мазнини. J. Дъх. Рез. 7, 036005 (2013).

Freund, G. & Weinsier, R. L. Стандартизирана кетоза при човек след поглъщане на триглицериди със средна верига. Метаболизъм 15, 980–991 (1966).

Mitchell, G. A. et al. Медицински аспекти на метаболизма на кетонното тяло. Clin. Разследвайте. Med. Med. Clin. Опит. 18., 193–216 (1995).

Tuzson, B. et al. Силно селективен анализ на дишането на летливи органични съединения с помощта на широко регулируем вертикално-външен кухинен повърхностно-излъчващ лазер. Анален. Chem. 89, 6377–6383 (2017).

Balasse, E. O. & Fery, F. Производство и изхвърляне на тялото от кетони: ефекти от гладуването, диабета и упражненията. Диабет Metab. Преп. 5, 247–270 (1989).

Reichard, G. A. et al. Метаболизъм на ацетон в плазмата при човек на гладно. J. Clin. Инвестирам. 63, 619–626 (1979).

Keller, U., Lustenberger, M. & Stauffacher, W. Ефект на инсулина върху клирънса на кетонното тяло, изследван чрез техника на „клемно тяло“ при нормален човек. Диабетология 31, 24–29 (1988).

Благодарности

Авторите признават подкрепата на Филип Шайдегер за разработване на електрониката на спектрометъра и от Кърдин Флеп за анализа на дихателни проби. Empa е предоставила ресурси като част от Exhalomics в Цюрих и Hochschulmedizin Zürich.

Информация за автора

Тези автори са допринесли еднакво: Fabian Bovey, Jérémy Cros

Принадлежности

Катедра по физиология, Факултет по биология и медицина, Университет в Лозана, Лозана, Швейцария

Фабиан Бови, Джереми Крос, Кевин Сейсел, Филип Шнайтер и Люк Тапи

Empa, Лаборатория за замърсяване на въздуха/технология на околната среда, Überlandstrasse 129, 8600, Дюбендорф, Швейцария

Бела Тузсон и Лукас Еменегер

Кардио-метаболитен център, болница Брой, Estavayer-le-lac, Швейцария

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Автора за кореспонденция

Етични декларации

Конфликт на интереси

L.T. е получил консултантски такси от Takeda Pharmaceuticals U.S.A и хонорари на лектори от Soremartec Italia srl, Италия и Nestlé SA, Швейцария.

Допълнителна информация

Бележка на издателя: Springer Nature остава неутрален по отношение на юрисдикционните претенции в публикувани карти и институционални принадлежности.

Източници на подкрепа: Швейцарската национална научна фондация предоставя PNR 69-145138 за LE и LT. Безвъзмездна финансова помощ от Фондация Реймънд Бергер за l’étude sur le diabète, Лозана, за FB