Отдел за биологични науки, Университет Вандербилт, Нашвил, Тенеси, Съединени американски щати

яденето

Отделение за молекулярна физиология и биофизика, Медицински факултет на Университета Вандербилт, Нешвил, Тенеси, Съединени американски щати

Отделение за гастроентерология, хепатология и хранене, Медицински център на Университета Вандербилт, Нешвил, Тенеси, Съединени американски щати

Отделение по биомедицинска информатика, Университетски медицински център Вандербилт, Нашвил, Тенеси, Съединени американски щати

Отдел по биостатистика, Университетски медицински център Вандербилт, Нашвил, Тенеси, Съединени американски щати

Медицински отдел, Медицински център на Университета Вандербилт, Нашвил, Тенеси, Съединени американски щати, Генеатрични изследвания, образование и клиничен център на здравната система на Тенеси долина, Нешвил, Тенеси, САЩ

Отдел за биологични науки, Университет Вандербилт, Нашвил, Тенеси, Съединени американски щати

Отдел по биологични науки, Университет Вандербилт, Нашвил, Тенеси, Съединени американски щати, Катедра по молекулярна физиология и биофизика, Медицински факултет на Университета Вандербилт, Нешвил, Тенеси, Съединени американски щати

  • Кевин Парсънс Кели,
  • Оуен П. Макгинес,
  • Мацей Буховски,
  • Джейкъб Дж. Хюи,
  • Хайди Чен,
  • Джеймс Пауърс,
  • Тери Пейдж,
  • Карл Хирши Джонсън
  • Член
  • Автори
  • Метрика
  • Коментари
  • Медийно покритие
  • Партньорска проверка

Фигури

Резюме

Цитат: Kelly KP, McGuinness OP, Buchowski M, Hughey JJ, Chen H, Powers J, et al. (2020) Яденето на закуска и избягването на закуски късно вечер поддържа липидното окисление. PLoS Biol 18 (2): e3000622. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000622

Академичен редактор: Ахим Крамер, Charité - Universitätsmedizin Berlin, ГЕРМАНИЯ

Получено: 13 ноември 2019 г .; Прието: 24 януари 2020 г .; Публикувано: 27 февруари 2020 г.

Наличност на данни: Всички релевантни данни се намират в хартията и нейните поддържащи информационни файлове.

Финансиране: Това проучване беше подкрепено от грант Vanderbilt Discovery (за TP), институт за клинични и транслационни изследвания (VICTR) ID ID VR9806 (за MB), Център за изследване и обучение на диабет Vanderbilt (чрез Споделен ресурс на метаболитната физиология, подкрепен от P60-DK020593; към OPM), Националния институт по общи медицински науки (R35 GM124685 до JJH) и Националния институт по неврологични разстройства и инсулт (R01 NS104497 до CHJ). Финансистите не са играли роля в дизайна на проучването, събирането и анализа на данни, решението за публикуване или подготовката на ръкописа.

Конкуриращи се интереси: Авторите са декларирали, че не съществуват конкуриращи се интереси.

Съкращения: ИТМ, индекс на телесна маса; CBT, основна телесна температура; CO, окисляване на въглехидрати; LO, липидно окисление; MR, скорост на метаболизма; RER, коефициент на дихателен обмен; SCN, супрахиазматични ядра; TEF, термичен ефект на храната

Въведение

Развитите страни изпитват епидемия от затлъстяване, което води до много сериозни здравословни проблеми, най-вече сред които са нарастващите нива на диабет тип 2, метаболитен синдром, сърдечно-съдови заболявания и рак. Докато наддаването на тегло и затлъстяването се определят предимно от диетата и упражненията, съществува огромен интерес от възможността ежедневното определяне на времето за хранене да има значително влияние върху управлението на теглото [1–3]. Много физиологични процеси показват дневен/нощен ритъм, включително поведение при хранене, липиден и въглехидратен метаболизъм, телесна температура и сън. Тези ежедневни трептения се контролират от циркадния часовник, който е съставен от авторегулиращ биохимичен механизъм, който се изразява в тъканите в цялото тяло и се координира от главен пейсмейкър, разположен в супрахиазматичните ядра на мозъка (известен още като SCN [1,4] ). Циркадната система в световен мащаб контролира моделите на генна експресия, така че метаболитните пътища се регулират диференцирано през деня, включително превключване между въглехидратен и липиден катаболизъм [1,3,5–9]. Следователно поглъщането на една и съща храна по различно време на деня може да доведе до диференцирани метаболитни резултати, например липидно окисление (LO) спрямо натрупване; обаче дали това е вярно или не е неясно.

Неоптималната фаза на ендогенната циркадна система с екологичния цикъл ден/нощ има неблагоприятни последици за здравето. Работниците на смени са особено убедителен пример, тъй като работният им график нарушава оптималната връзка между вътрешния биологичен часовник и ежедневния цикъл на околната среда и това нарушение води до добре документирани здравни декрети [6,9–13]. Допринасящ виновник, който често е замесен във временното разстройство на работната смяна, е нарушаването на хранителните режими и предпочитания. При нечовешки бозайници убедителната литература показва, че манипулирането на времето за хранене спрямо биологичната фаза на часовника ефективно контролира затлъстяването [1,14,15]. По-специално, мишките, хранени с диета с високо съдържание на мазнини, поддържат здравословно тегло, когато се хранят само по време на активната си фаза, но затлъстяват, ако диетата с високо съдържание на мазнини присъства по време на неактивната фаза, въпреки че дългосрочният прием на калории и нивата на двигателна активност са сравними между дневните и нощните мишки [14,15].

Предишни проучвания на човешкия метаболизъм за по-кратки периоди на наблюдение (приблизително 24 часа) предполагат, че общите 24-часови енергийни разходи не се влияят значително нито от пропускане на закуска, нито от късна вечеря [22,23]); тези предишни проучвания обаче са проведени върху здрави азиатски млади хора с оптимален индекс на телесна маса (ИТМ) (18,5–25 kg/m 2) само за приблизително 24 часа, което е недостатъчно за изследване на феномен, основан на циркадна ритмичност. Освен това, докато в тези проучвания се съобщава за разлики в нивата на кръвната глюкоза между сесии за пропускане на закуска или късно вечеря, LO или не е засегната (пропускане на закуска [23]), или контраинтуитивно засилена (късна вечеря [22]). В това разследване ние наблюдавахме възрастни кавказки възрастни (на възраст 50 или повече години) с различен ИТМ, тъй като сметнахме, че те са по-представителни за популациите с риск от метаболитни нарушения в много развити страни, отколкото младите и здрави възрастни. Всеки субект претърпя две 56-часови (2.5-d) сесии в дихателна камера на цяла стая и с рандомизиран дизайн на кросоувър, сравнихме енергийните разходи (MR) и RER на всеки субект, когато получихме планирана закуска, обяд и вечеря (сесия за закуска) спрямо това, когато им е даден обяд, вечеря и късна вечеря (лека закуска).

Докато общите 24-часови енергийни разходи са сходни при тази група възрастни субекти, RER е значително различен между двете сесии. Очаквахме, че дневните разлики във физическата активност, нарушаването на съня или основната телесна температура (CBT) могат да доведат до диференциален метаболизъм, както е отразено в RER. Неочаквано обаче нашите данни показаха, че въпреки че общият дневен прием на енергия и хранителни вещества е еквивалентен между сесиите, превключването на дневното време на хранително еквивалентно хранене от 700 ккал от „закуска“ на „закуска късно вечерта“ имаше значително въздействие върху въглехидратния и липидния метаболизъм, така че нощният CO е бил предпочитан за сметка на LO, когато субектите са яли 700-ккал хранене като късна вечерна закуска. Следователно дневният цикъл на метаболизма и наличността на хранителни вещества превключва предпочитанията на субстрата, така че кумулативната нетна LO да се променя от времето на хранене.

Резултати

Вижте фигури S3 и S4 и таблица S2A и S2D за основните данни и анализи. (A) MR чрез непряка калориметрия за представителен участник (Тема # 3). Данните за Subject # 3 се нанасят като плъзгаща се средна, като се използват 180 точки от данни (= 3 h) след подравняване на всички точки от времето към часовника и се интегрират в 24-часов мащаб. (B) Средна MR за всички субекти, нанесени по модул-24 часа. Данните бяха осреднени в 1-часови контейнери с ленти за грешки, показващи стандартно отклонение. Вижте S4 Фигура за данни за индивидуално нанесени MR на всички субекти. (C) Средно почасово сравнение по двойки на MR (закуска - закуска) стойности за всички субекти. Лентите за грешки показват 95% доверителни интервали и стойностите се основават на анализ на смесен модел. Звездичките показват значителни разлики (р-стойност Фиг. 3. Времето за хранене променя окисляването на субстрата; виж S5 и S6 Фиг. И S2E и S2F Таблица за основните данни и анализи.

(A) Данни за CO на представителен субект (# 3), изчислени от индиректни калориметрични измервания, както е описано [26,27]. Данните са нанесени като 3-часова пълзяща средна (180-минутни точки от данни). (B) Средна стойност на всички субекти за дневна CO, изчислена от косвени измервания на калориметрията, както е описано [26,27], и данните за 56-часовия курс са нанесени по модул-24 часа. Средните данни за всички субекти са организирани в 1-часови кошчета. Стойността на р 0,130 се отнася до двойно сравнение на стойностите на разликата в средната стойност (закуска - закуска) през целия 56-часов курс за CO. Вижте фигура S5 за данни за нивата на CO на всички субекти, нанесени индивидуално. (C) Средно почасово сравнение по двойки на стойностите на CO (разлика за закуска - закуска) за всички субекти. Лентите за грешки показват 95% доверителни интервали и стойностите се основават на анализ на смесен модел. Звездичките показват значителни разлики (р-стойност Фигура 4. Схема: Снекването късно вечер взаимодейства с циркадния ритъм на метаболизма, за да инхибира LO.

(A и B) Часови скорости на окисляване на въглехидратите (панел A) и липидите (панел B) през двете сесии. Тези криви са изгладени версии на експерименталните данни на фиг. 3. (C) Кумулативен прием на храна в сесиите закуска срещу закуска. (D и E) Кумулативни скорости на окисление през 24-часовия цикъл, получени от кривите в панели A и B и експерименталните данни от фигура 3. Панел D показва кумулативна CO, докато панел E показва кумулативна LO. Хоризонталните пунктирани линии показват общия дневен прием на въглехидрати (D) и липиди (E) за сравнение с кумулативните съответни окисления. (F) Приблизително нетно относително дневно съхранение на въглехидрати и липиди, изведено от данните на фигура 3 и анализите, изобразени в другите панели на тази фигура (произволни единици). Положителните стойности показват степента на натрупване/съхранение на субстрата, а отрицателните стойности показват степента на окисление на субстрата ("изгаряне"). CO, окисляване на въглехидрати; LO, липидно окисление.

Нашата интерпретация на тези данни се основава на циркадния часовник, организиращ превключване между предимно CO към предимно LO между последното хранене за деня и настъпването на циркаден сън по време [1,3,6,7]. Вместо да гладува между вечерята и закуската, ако човек яде през късната вечер, въглехидратите ще се метаболизират за предпочитане при иницииране на съня, забавяйки времето на превключване в предимно LO. По време на 24-часовия цикъл кумулативният CO в сравнение с общия прием на въглехидрати не се различава драстично между двете сесии (фиг. 4D), така че нетното 24-часово съхранение на въглехидрати е подобно (фиг. 4F). От друга страна, кумулативната 24-часова скорост на LO в сравнение с общия прием на липиди е значително по-малка, когато късните вечерни закуски задържат прехода към липиден катаболизъм (Фиг. 4Е), като по този начин намаляват мобилизацията на липидните запаси (т.е. степента на липиди, които се окисляват; Фиг. 4F). Има ясен компромис между липидите и CO през нощта; сесията за закуска явно благоприятства LO за сметка на CO (Фигури 3 и 4).

В съответствие с констатациите от други разследвания на променено време за хранене, пропускане на закуска, ограничено във времето хранене и др. [21,22,23], не открихме значителни разлики в общите енергийни разходи между сесиите (Фигура 2C). Независимо от това, метаболизмът е бил значително повлиян. По-специално, средният дневен RER поддържа по-висока стойност в сесията за закуска (фиг. 2E и 2F), което може да се отдаде на забавено влизане в предимно LO режим (фиг. 2E и 3 и 4). Крайният резултат от намалената LO ще бъде засилено съхранение на липиди, което с течение на времето ще доведе до повишено затлъстяване. Следователно, при възрастни възрастни, които са потенциално изложени на риск от метаболитни нарушения, избягването на закуски след вечеря може да поддържа LO и потенциално да подобри метаболитните резултати.

Материали и методи

Декларация за етика

Протоколът за изследването е одобрен от Институционалния съвет за преглед на Програмата за защита на човешките изследвания на университета Вандербилт (номер на одобрение: 140536) и регистриран на ClinicalTrials.gov (идентификатор: NCT04144426). Преди проучването всеки субект е подписал информирано и писмено съгласие.

Субекти

Шест субекта (4 мъже и 2 жени) бяха наети за първи път чрез листовки и Център „Вандербилт Кенеди“. Субектите са били между 51 и 63 (средната възраст е 57) с ИТМ между 22,2 и 33,4 (Таблица 1). Кандидатите трябва да са на възраст 50 години или повече и да нямат сериозни здравословни усложнения или лекарства, които биха могли да повлияят на метаболизма (вижте критериите за включване/изключване в S1 Текст). Жените не са били длъжни да бъдат в постменопауза за включване в това проучване, но поради изискването за възраст всички жени, наети в проучването, са били в постменопауза. Субектите нямат предишен опит на смяна. При интервюто изследователите са въвели въпросник, за да оценят допустимостта и навиците за сън/хранене (вж. S2 Текст). Субектите бяха наети от октомври 2015 г. до февруари 2017 г.

Дихателна камера за цяла стая

Стайният калориметър в университета Вандербилт е херметична стая (17,9 m 3), осигуряваща среда за ежедневие, чиято точност е документирана (S7 Фиг. [34]). Стаята разполага с входна врата, шлюз за подаване на храна и други предмети и външен прозорец. Стаята е оборудвана с телевизор/медийна система, тоалетна, мивка, бюро, стол и разтегателно легло, позволяващи нощувки. Калориметърът се намира в Центъра за клинични изследвания в университета Вандербилт, а домофонът свързва камерата с близката станция, където медицинските сестри дежурят 24 часа в денонощието 7 дни в седмицата. Температурата, барометричното налягане и влажността на помещението се контролират и наблюдават. Ежеминутните енергийни разходи (kcal/min) се изчисляват от измерените норми на потребление на O2 и производство на CO2, като се използва уравнението на Weir [35]. За необработени данни за дишането на VO2/VCO2 вижте S1 данни.

Количествено определяне и статистически анализи

За да определим количествено разликите между сесиите за закуска и закуска, ние приложихме както сдвоен t тест, така и линеен смесен модел към пълния 56-часов курс за всяко от следните измервания: MR, активност, CO, LO, RER и CBT . Всяко измерване беше осреднено с помощта на почасови бункери за всеки обект във всяка сесия. Използвайки смесен модел, успяхме да се приспособим към зависимостта на наблюденията в рамките на обекта. Моделът включва произволно прихващане и фиксирани ефекти за сесията (закуска срещу закуска), ден (третиран като факторна променлива и дефиниран като 15:00 ч. В един ден до 14:59 ч. На следващия ден), час (третиран като фактор променлива), взаимодействие между сесия и ден и взаимодействие между сесия и час. Ако р-стойността на взаимодействието е по-голяма от 0,2, ние премахнахме това взаимодействие от модела.

За почасов сдвоен t тест, размерът на извадката от 6 има 80% мощност за откриване на размер на ефекта от 1,435 (дефиниран като средна разлика/стандартно отклонение) с 0,050 двустранно ниво на значимост. Приложихме смесен модел, за да извършим интегриран анализ, комбиниращ всички почасови измервания заедно. Смесеният модел е по-мощен от традиционното сравнение на t тест, така че ефективният размер на извадката от нашето изследване, изчислен от смесения модел, е приблизително 21 [36].

Изчисления

Дневният CO и дневният LO се изчисляват от косвени калориметрични измервания, както е описано [26,27]. Скоростта на екскреция на азот се основава на количеството протеин, предоставено на субектите, както и предишни изследвания, които наблюдават 24-часов азот, използвайки подобни параметри [37]. Тъй като съдържанието на протеин не се променя между сесиите, предположихме, че 24-часовата екскреция на азот е еквивалентна за сесиите за закуска срещу закуска.

Подкрепяща информация

S1 Фиг. Активност и модели на CBT.

S2 Фиг. Графици за самоотчитане на субекта преди влизане в експеримент.

Самоотчитането на времето за сън и събуждане на субектите за седмицата преди влизане в метаболитната камера показва, че ежедневното постепенно сън е било подобно преди и по време на 56-часовия експериментален курс. Черните квадратчета определят времето за лягане и събуждане, като хоризонталните линии показват епизодите на съня преди влизане в метаболитната камера (сини хоризонтални линии) или по време на 56-часовия експериментален курс (червени хоризонтални линии). Следователно субектите не са имали фазово изместване на дневния си цикъл, когато са влезли в експерименталните условия в метаболитната камера (сравнете с Таблица 1).

S3 Фиг. Индивидуални дневни RER данни.

Средни стойности на RER (VCO2/VO2) за субекти 1–6 от тяхната сесия за закуска (синьо) и сесия за закуска (червено), осреднени в интервали от 1 час. Лентите за грешки показват стандартно отклонение. RER, коефициент на дихателен обмен.

S4 Фиг. Индивидуални дневни MR данни.

Почасови kcals изгорени за субекти 1–6 от тяхната сесия за закуска (синьо) и сесия на закуска (червено), осреднени в интервали от 1 h. Лентите за грешки показват стандартно отклонение. MR, скорост на метаболизма.

S5 Фиг. Индивидуален дневен CO.

Часови грамове въглехидрати, изгорени за субекти 1–6 от тяхната сесия за закуска (синьо) и закуска (червено), осреднени в интервали от 1 час. Дневни стойности на CO, изчислени от косвени калориметрични измервания, както е описано [26,27]. Лентите за грешки показват стандартно отклонение. CO, окисляване на въглехидрати.

S6 Фиг. Индивидуален дневен LO.

Часови грамове липиди, изгорени за субекти 1–6 от тяхната сесия за закуска (синьо) и закуска (червено), осреднени в интервали от 1 час. Ежедневни LO стойности, изчислени от косвени калориметрични измервания, както е описано [26,27]. Лентите за грешки показват стандартно отклонение. LO, липидно окисление.

S7 Фиг. Конфигурация и снимки на човешката камера за цялостна калориметрия в университета Вандербилт.

S1 Таблица.

(A) Представителни ястия, (B) хранителна информация, (C) хранителна информация за всеки субект.

Таблица S2.

Часови анализи на смесен модел за (A) RER, (B) активност, (C) CBT, (D) MR, (E) CO и (F) LO. CBT, основна телесна температура; CO, окисляване на въглехидрати; LO, липидно окисление; MR, скорост на метаболизма; RER, коефициент на дихателен обмен.

S3 Таблица. Анализ на смесен модел на амплитуда на пик/дъно.

Анализът на смесения модел се прилага за разликата между монтирания максимум и фиксирания минимум през 24-часовия ден за всеки физиологичен параметър. Таблицата изброява р-стойността от смесения модел, за да се установи, че няма статистически значими промени в амплитудата на пик/дъно между сесиите за закуска и закуска в нито един от измерените параметри.