Индиректната калориметрия, използваща системи с вентилирани абсорбатори, е популярна алтернатива, която корелира добре с измерванията на цялото тяло на разхода на енергия в покой и е полезна за извършване на краткосрочни измервания на RMR и термичния ефект на храната.

Свързани термини:

  • Дихателен коефициент
  • Почивка на енергийни разходи
  • Глюкоза
  • Въглехидрати
  • Протеин
  • Калоричен прием
  • Разход на енергия
  • Въглероден двуокис

Изтеглете като PDF

За тази страница

Разходи за енергия: непряка калориметрия

Обобщение

Непряката калориметрия е неинвазивен, надежден и ценен инструмент за оценка на енергийните разходи и използването на гориво от организма. Учени от различни дисциплини са го използвали за измерване на енергийните разходи, установяване на нуждите от хранителни вещества, измерване на физическата годност и оценка на използването на макронутриенти по време на тренировка и почивка. Клиницистите са използвали индиректна калориметрия за оптимизиране на хранителната подкрепа при метаболитни нарушения и за количествено определяне на енергийните нужди на пациентите. Непряката калориметрия има толкова универсална привлекателност, защото животните и хората черпят енергията си за препитание, като трансформират химическата енергия от хранителни вещества, консумирани в топлина чрез дишане, и съществуването им зависи от способността им да балансират енергийния прием и разходите.

Метаболитни и хранителни усложнения при остра бъбречна травма

Изисквания за енергия

Диетични фибри: енергийна стойност

Калориметрични измервания на цялото тяло: лактитол като модел

Непряката калориметрия (вид калориметрия на цялото тяло, при която непрекъснато се следи цялото потребление на газ и издишването на газ) може да се използва за определяне на енергийните разходи чрез използване на уравнения, свързани с общото потребление на O 2, изтичането на CO2 и отделянето на азот в урината с използването на енергия. Едно такова уравнение е

В допълнение към общото производство на енергия, индиректната калориметрия предоставя информация за използването на макроелементи чрез непротеиновия коефициент на дишане (RQ). RQ е съотношението на CO2, изтекъл към O2, изразходван през определен период. Теоретичните RQ стойности са известни за окисляването на мазнини, въглехидрати и протеини, което позволява да се определи общото окисление на мазнините, въглехидратите и протеините. Когато се изчислява окисляването на протеини от екскрецията на азот, окисляването на мазнини и въглехидрати може да се изчисли, както следва:

Необходимо е обаче повишено внимание при оценяване на окисляването на горивата от непротеиновите RQ стойности, тъй като самият RQ може да варира значително в зависимост от окисляващата се маслена и протеинова смес. В допълнение към проблема с получаването на точна картина на окисляването на мазнините и въглехидратите от непротеиновите RQ стойности, също така не е възможно да се направи разлика между окислението въглехидрати + мазнини и окисляването на SCFAs, получени от ферментация на въглехидрати. Когато се измерва привидната метаболизираща се енергийна стойност на макронутриент, който представлява малка част от общата диета, съществува голям потенциал за грешка при измерване на профилите на окисление на макронутриентите. Теоретичните изчисления обаче показват, че има много по-малко грешки, свързани с измерването на загубите на енергия.

Пример за използване на индиректна калориметрия за измерване на метаболитната енергия на напълно ферментиращи вещества е определянето на нетната енергийна стойност за лактитол, дисахариден захарен алкохол (4-O- (β- d -галактопиранозил) - d-сорбитол). Общият енергиен баланс беше измерен по време на експерименталния период в калориметъра. След това задържаната енергия на всеки обект се изчислява като

Тогава енергията, необходима за поддържане на енергийния баланс (метаболизираща енергия за поддръжка; MEm), може да бъде определена като

Факторът 1.11 представлява разходите за отлагане на телесна енергия и е измерен в по-ранен експеримент. Разликата в MEm при диета, допълнена със захароза, спрямо тази, допълнена с лактитол, е мярка за загубената енергия от лактитол и може да бъде изразена като промяна в MEm, коригирана спрямо метаболитното тегло на индивидите (тегло 0,75):

и NME след това може да се изчисли като

където MEpart се получава от eqn [10], а IS е погълнатата маса на добавката (лактитол). Стойностите на MEm се разделят на метаболитното тегло, за да се отчетат разликите в метаболитната маса. Използвайки тази процедура, беше получена стойност от 2,4 kcal g - 1 (10 kJ g - 1) за лактитол. Имайте предвид, че в този експеримент се изисква известна мярка за енергийните разходи (уравнение [15]). Авторите са разчитали на дневници и актометри на глезена и са коригирали еднакво отчитане на актометри. Те признаха, че това не е много задоволително; има потенциална 15% грешка в крайната нетна енергийна стойност за лактитол.

ЕНЕРГИЙЕН МЕТАБОЛИЗЪМ

Разход на енергия за почивка

непряка

Фигура 1 . Картина на измерване на разхода на енергия в покой.

Известни са малко проучвания за разпространението на хиперметаболизма при ХОББ. Хиперметаболизъм в покой се съобщава при около 25% от стабилните пациенти с ХОББ. Освен маса без мазнини (FFM) се съобщават и други фактори като дишане, медикаменти и системно възпаление, за да се обясни интерсубектната вариабилност в REE при пациенти с ХОББ.

Увеличението на разходите за дишане с кислород (OCB) се приема като едно от основните обяснения за повишената REE, наблюдавана при пациенти, страдащи от ХОББ. Няколко проучвания са изследвали OCB при пациенти с ХОББ и всички са установили по-висок OCB при пациенти в сравнение със здравите контроли. Тази OCB обикновено се измерва чрез увеличаване на вентилацията или усилията за вентилация: добре е прието, че увеличаването на вентилацията представлява допълнително еластично натоварване на дихателната система поради прогресивна динамична хиперинфлация.

Друго възможно обяснение за повишената РЗЕ, наблюдавана при пациенти с ХОББ, може да бъде термогенетичният ефект на фармакологичното поддържащо лечение като част от симптоматичната терапия при пациенти с хронични респираторни заболявания като ХОББ. Бронходилататиращи агенти като теофилини и β2-симпатикомиметици се предписват широко на тези пациенти, за да намалят задуха и да подобрят толерантността към упражненията. И двете лекарства показват повишаващ ефект върху REE при по-млади здрави индивиди, докато увеличението на REE при пациенти с ХОББ е много ограничено (Фигура 2). И накрая, е показано, че пациентите с ХОББ демонстрират притъпен β-адренорецептор-медииран термогенен отговор в сравнение с контролните субекти, съобразени с възрастта и телесния състав. Заедно тези леки ефекти на β-адренергичната стимулация върху РЗЕ не могат напълно да обяснят повишената РЗЕ при тези пациенти.

Фигура 2. Промяна в енергийния разход в покой (оста y) по време на 45 минути (оста x) след пулверизиране на 5 mg β2-симпатикомиметично лекарство в три групи. Горната линия са млади здрави субекти, долните редове са пациентите с ХОББ и здрави субекти в напреднала възраст.

Друг допринасящ фактор за хиперметаболизма може да е свързан със системно възпаление. Полипептидният цитокинов тумор некротизиращ фактор алфа (TNF-α) е провоинфламаторен медиатор, произведен от различни клетъчни типове. TNF-α инхибира липопротеин липазната активност и е пирогенен. Той също така задейства освобождаването на други цитокини, които сами по себе си медиират увеличаване на енергийните разходи, както и мобилизирането на аминокиселини и катаболизма на мускулните протеини. Използвайки различни маркери, няколко проучвания предоставят ясни доказателства за участие на системно възпаление, свързано с TNF-α, в патогенезата на тъканното изчерпване. Доказано е, че хиперметаболизмът в покой е свързан с плазмените концентрации на TNF-α, както и с нивото на остра фазова реакция при пациенти с ХОББ. Обобщение на възможните фактори, допринасящи за повишен РЗЕ в разпространението на хиперметаболизма, е показано на Фигура 3 .

Фигура 3. Обобщение на възможните фактори, допринасящи за увеличения разход на енергия в покой при ХОББ.

Глад

Същността и количеството горива, окислени по време на глад

Фигура 2. Естеството и количеството горива, окислени от хората след 12–14-часов пост. Окисляването на мазнините се увеличава с увеличаване на размера на тялото.

Абсолютните минимални норми за основното използване на гориво преди смъртта не са определени. Минималното изискване за окисляване на мазнини и протеини в g d −1 kg − 1 FFM е приблизително, както следва: 2,98 ± 0,21 g kg –1 d – 1 FFM за мазнини; 0,52 ± 0,10 g kg –1 d –1 FFM за протеин. Глюкозата се получава от глицерид-глицерол, аминокиселини, пропионат и рециклиран лактат и пируват. Синтезират се около 1,91 ± 1,04 g kg –1 d – 1 FFM. Повечето от глюкозата, която се синтезира по време на гладуване, обаче се рециклира от лактат и пируват (цикълът на Кори) или се произвежда от глицерол, аланин и глутамин. Количеството глюкоза, което претърпява окисляване до CO2 и H2O, се определя главно от катаболизма на глюкозата в централната нервна система (ЦНС) и в по-малка степен от червените кръвни клетки. Това количество не е тясно свързано с FFM, тъй като размерът на мозъка не е свързан с FFM. Крайното окисление на глюкозата е 40–45 g d –1, което се получава главно от глюконеогенезата от аминокиселини (аланин и глутамин) и глицерол.

Том I

Сравняване на енергийните разходи между отделни субекти

За да се демонстрират промени в ЕЕ сред субектите, или ЕЕ трябва да се измери директно, или трябва да се вземат предвид теглото и телесният състав. Освен това трябва да се извършват внимателни експерименти с PF и да се свързват с констатациите, наблюдавани при непряка калориметрия.

Патофизиология на действието на инсулина при хората

Гликолитични потоци

Както индиректната калориметрия, така и измерванията на проследяващите фактори са документирали намалено окисление на глюкоза при пациенти с диабет тип 2 17 и лица със затлъстяване без диабет 27. Този дефект е независим от съжителстващите дефекти нагоре по веригата, тъй като се наблюдава постоянно намаляване на окисляването на глюкозата, дори след съвпадение на скоростта на окисление на глюкозата с тази на контролните индивиди 29. Фосфофруктокиназата (PFK) и пируватовата дехидрогеназа (PDH) са основните регулатори на гликолизата и окисляването на глюкозата, съответно. Определянето на активността на двата ензима в мускулни биопсии, взети в края на хиперинсулинемична скоба, разкрива умерено участие на PFK 67 и дефектно активиране на PDH (68). Дефектът в активността на PDH обаче се нормализира напълно при нормализиране на усвояването на мускулната глюкоза от хипергликемия 69. Едновременно с нарушено окисление на глюкозата, неоксидативната гликолиза се засилва при инсулиноустойчиви пациенти с диабет тип 2, 70-72 и корелира с активността на цикъла на Кори 29. Следователно дефектното окисляване на глюкозата отразява нарушената активност на цикъла на Кребс, позволявайки на повече 3 въглеродни атомни съединения да рециркулират обратно в черния дроб и да захранват неограничена глюконеогенеза (виж по-долу).

До каква степен дефектите на активността на PDH могат да се считат за първични при инсулинорезистентни индивиди, остава да се определи. Метаболитните промени и по-специално прекомерното окисляване на FFA, състояние, често срещано при диабет и затлъстяване, могат вторично да нарушат активността на ензима 73. В съответствие с придобития характер на PDH дефекта е наблюдението, че се съобщава за нормално окисление на глюкоза при нормално поносими потомци на двама родители с диабет 54 и при роднини от първа степен на пациенти с диабет тип 2 .

Методология за енергийни изисквания

2. ИЗМЕРВАНЕ НА РАЗХОДИ ЗА ЕНЕРГИЯ ЗА ПОКУПВАНЕ: НЕПРЯКА КАЛОРИМЕТРИЯ

Техниката на индиректната калориметрия се превърна в метод на избор в повечето случаи, когато е необходимо измерване на REE. Терминът непряко се отнася до факта, че производството на енергия (топлина) се определя чрез измерване на потреблението на O2 и производството на CO2, вместо директно измерване на топлопреминаването. Оборудването варира, но най-често се използва вентилирана система за абсорбатор. Ясна пластмасова качулка се поставя над главата на обекта и се прави херметично затворена около врата (фиг. 3; вижте цветната плоча в задната част на книгата). Непряката калориметрия има предимството на мобилността и ниските разходи за оборудване и често се използва в клинични условия за оценка на енергийните нужди на пациентите. Индиректната калориметрия също така предоставя количествена информация за видовете субстрати, които са окислени [19]. Предварително тестващата среда влияе върху измерването на RMR. Доказано е, че експерименталните условия при амбулаторни тестове надценяват RMR с приблизително 8% в сравнение с измерванията на RMR в болница [20]. Този фактор трябва да се вземе предвид, когато резултатите се сравняват между лабораториите и когато се оценяват дневните енергийни нужди въз основа на измерванията на REE.

ФИГУРА 3. Измерване на скоростта на метаболизма в покой с помощта на индиректна калориметрия.

Том I

Окислителен и неокислителен метаболизъм на глюкозата в скелетните мускули