A banán mint energiaforrás a testmozgás során: Metabolomikai megközelítés

David C. Nieman

1 Emberi teljesítmény laboratórium, Appalachi Állami Egyetem, Észak-Karolinai Kutató Campus, Kannapolis, Észak-Karolina, Amerikai Egyesült Államok,

Nicholas D. Gillitt

2 Dole táplálkozási kutatólaboratórium, Észak-Karolinai Kutató Campus, Kannapolis, Észak-Karolina, Amerikai Egyesült Államok,

Dru A. Henson

3 Biológiai Tanszék, Appalachi Állami Egyetem, Boone, Észak-Karolina, Amerikai Egyesült Államok,

Wei Sha

4 Bioinformatikai Szolgáltatások Osztály, University of North Carolina, Charlotte, North Carolina Research Campus, Kannapolis, North Carolina, Amerikai Egyesült Államok,

R. Andrew Shanely

1 Emberi teljesítmény laboratórium, Appalachi Állami Egyetem, Észak-Karolinai Kutatóközpont, Kannapolis, Észak-Karolina, Amerikai Egyesült Államok,

Amy M. Knab

1 Emberi teljesítmény laboratórium, Appalachi Állami Egyetem, Észak-Karolinai Kutató Campus, Kannapolis, Észak-Karolina, Amerikai Egyesült Államok,

Lynn Cialdella-Kam

1 Emberi teljesítmény laboratórium, Appalachi Állami Egyetem, Észak-Karolinai Kutató Campus, Kannapolis, Észak-Karolina, Amerikai Egyesült Államok,

Fuxia Jin

2 Dole táplálkozási kutatólaboratórium, Észak-Karolinai Kutató Campus, Kannapolis, Észak-Karolina, Amerikai Egyesült Államok,

A kísérletek megtervezése és megtervezése: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ. Végezte a kísérleteket: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ. Elemezte az adatokat: DCN WS. Hozzájáruló reagensek/anyagok/elemző eszközök: NDG DAH RAS AMK LCK FJ. Írta az írást: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ.

Absztrakt

Bevezetés

A nagy erőfeszítések átmeneti gyulladást és oxidatív stresszt, valamint az immunrendszer széleskörű zavarait váltják ki [1] - [7]. Különböző táplálkozási szereket teszteltek a fiziológiai stressz ezen mutatóinak csillapítására irányuló képességük tekintetében, miközben támogatják a testmozgás teljesítményét és helyreállítását [2].

A banán költséghatékony energiaforrás, amelyet az állóképességű sportolók használnak, mivel úgy vélik, hogy jó szénhidrát- és káliumforrás. Egy közepes banán (~ 118 g) körülbelül 27 g szénhidrátot tartalmaz (fele cukor), 3,1 g élelmi rostot, 105 kilokalóriát, és jó kálium- (422 mg) és B6-vitamin (0,43 mg) forrás [8]. A közepes banánban található 14,4 g cukor 5,9 g glükóz, 5,7 g fruktóz és 2,8 g szacharóz keveréke [8]. A banán glikémiás indexe 51 (alacsony-közepes besorolás), hasonló a szőlőhöz, a mangóhoz, az ananászhoz, a mazsolához, a makarónihoz, a narancsléhez és a mézhez [9]. Az ORAC egységekben leírt antioxidáns értéke a banánnak 1037 µmol TE, amely hasonló a kivihoz és a narancsléhez [10]. A banán tehát a szénhidrátok, a tápanyagok és az antioxidánsok egyedülálló keverékének tűnik, amely jó táplálkozási támogatást nyújthat tartós és intenzív testmozgás során, de hiányoznak az emberi sportolókkal végzett vizsgálatok publikált adatai [11].

A kutatócsoportunk által végzett korábbi tanulmányokban kimutattuk, hogy 60 g szénhidrát/óra ital formájában a placebóhoz képest részben ellensúlyozta a testmozgás okozta citokinek növekedését és a veleszületett immunitás változását [3] - [5]. Ennek a tanulmánynak az volt a célja, hogy összehasonlítsa a banánfogyasztás és a 6% -os szénhidrátos ital akut hatását a 75 km-es kerékpáros időfutam teljesítményére, a testmozgás által kiváltott gyulladásra, az oxidatív stresszre és a kapacitásra, valamint a képzett kerékpárosok immunfunkciójának változására. A metabolomika a biológiai mintákban jelen lévő kis molekulák vagy metabolitok mérése, hogy tisztázza egy adott inger metabolikus utakra gyakorolt hatását, és egyre inkább alkalmazzák a sporttáplálkozási kutatásokban [2] - [18]. A teljes ételek vagy a tápanyag-koktélok sportolók általi testmozgás közbeni használata közötti összetett kapcsolatokat a legjobban a metabolomika eszközével lehet feltárni. A banán és a 6% -os szénhidrátos ital összehasonlításában az alapul szolgáló metabolikus folyamatok értelmezésének javítása érdekében az edzés előtti és utáni vérmintákat gázkromatográfiás tömegspektrometriával elemeztük a metabolitok nem célzott eltolódásaira.

Mód

Tárgyak

Az alanyok között 14 férfi kerékpáros (18–45 éves) szerepelt, akik rendszeresen versenyeztek országúti versenyeken (1–5. Kategória), és tapasztalattal rendelkeztek a kerékpáros időfutamokkal kapcsolatban. Az alanyok normálisan edzettek, fenntartották a testsúlyukat, és a vizsgálat ideje alatt elkerülték a nagy dózisú vitamin- és ásványianyag-kiegészítők, gyógynövények és olyan gyógyszerek alkalmazását, amelyekről ismert, hogy befolyásolják a gyulladást és az immunfunkciókat. Valamennyi alany megalapozott beleegyezést írt alá, és az összes tanulmányi eljárást az Appalachi Állami Egyetem Intézményi Felülvizsgálati Testülete jóváhagyta.

Kutatási terv

Egy héttel az első 75 km-es időmérő edzés előtt minden sportoló kitöltötte a tájékozódási/kiindulási teszteket az észak-karolinai kutatási campus humán teljesítmény-laboratóriumában, amelyet az appalachi Állami Egyetem működtet Kannapolisban, NC. A demográfiai és képzési előzményeket kérdőívekkel gyűjtöttük össze. A tájékozódás során egy dietetikus utasította az alanyokat, hogy kövessenek közepes szénhidráttartalmú étrendet (a rendelkezésre álló tápláléklista felhasználásával) minden 75 km-es időmérő edzés előtti háromnapos időszak alatt. Az alanyok az étrend-bevitelt háromdimenziós élelmiszer-nyilvántartásokban rögzítették, majd elemezték az energia- és makrotápanyag-tartalom számítógépes étrend-kiértékelő programjának felhasználásával (Food Processor; ESHA Research, Salem, OR).

A kiindulási teszt során a maximális teljesítményt, oxigénfogyasztást, szellőztetést és pulzusszámot fokozatos testgyakorlati teszt során (25 W-os növekedés két percenként, 150 W-tól kezdődően) mértük a Cosmed Quark CPET anyagcsere-kocsival (Róma, Olaszország) és a Lode-tal. kerékpár-ergométer (Lode Excaliber Sport, Lode BV, Groningen, Hollandia). A testösszetételt a Bod Pod testösszetétel-analizátorral mértük (Life Measurement, Concord, CA).

Egy héttel a kiindulási teszt után az alanyok teljesítették az első 75 km-es időmérést. Az alanyokat randomizálták banán- és 6% szénhidráttartalmú italok körülményeire, majd három héttel később a második 75 km-es időfutam során átálltak az ellenkező állapotba. Minden egyes 75 km-es időmérő edzés időpontjában az alanyok 12:00 órakor standardizált ételt fogyasztottak, amely Boost Plus-t tartalmaz 10 kcal/kg (41,9 kJ/kg) adagban (Boost Plus; Mead Johnson Nutritionals, Evansville, IN). Az alanyok 14: 45-kor jelentkeztek a laboratóriumban, és vérmintát szolgáltattak. 14:50 órakor az alanyok 0,4 g/kg szénhidrátot fogyasztottak banánból (BAN) vagy standard 6% -os szénhidráttartalmú italból (CHO) (Gatorade ™, Chicago, IL). Az alanyok 15 percenként 0,2 g/testtömeg-kilogrammot bevittek BAN-ból vagy CHO-ból a 75 km-es időmérés során. A BAN-t vízzel annyival fogyasztották, mint a CHO-val. A BAN-t a Dole Foods (Westlake Village, Kalifornia) biztosította, és érési szintjük hat volt (teljesen sárga, barna foltok nélkül).

A CompuTrainer Pro Model 8001 edzőgépeken (RacerMate, Seattle, WA) saját kerékpárjain (15:00 kezdés) kerékpároztak 30 percenként rögzített pulzusszámmal és az észlelt erőfeszítéssel (RPE), és a CompuTrainer MultiRider segítségével folyamatosan figyelték a terhelést szoftverrendszer (3.0 verzió, RacerMate, Seattle, WA). Mérsékelt nehézségekkel járó, hegyvidéki 75 km-es pályát választottak ki, és programozták be a szoftverrendszerbe, hogy minden időmérőn használhatók legyenek. Ujjbegyű kapilláris vérmintákat vettünk heparinnal bélelt mikrokapilláris csövek segítségével az edzés előtt, 1 órával a 75 km-es időmérésbe és a testgyakorlat után. A vérmintákat azonnal EDTA-dikálium-sóval (RAM Scientific Inc., Németország) bélelt mikrotárcsákba helyezték, és az YSI 2300 STAT Plus glükóz- és laktát-analizátorral (Yellow Springs, OH) elemezték.

A vérmintákat vénaszúrás útján vették közvetlenül a 75 km-es időmérés befejezése után, majd 1 órával a testgyakorlat után. Az alanyok kitöltötték a tünetek naplóit, amelyek az emésztés egészségi állapotával kapcsolatos kérdéseket (gyomorégés, puffadás, hasmenés és hányinger) jelentették. Az alanyok 12 pontos Likert-skála alapján jelezték a válaszokat, amelyek közül az egyik „egyáltalán nincs”, 6 „mérsékelt” és 12 „nagyon magas”.

Teljes vérkép

A rutin teljes vérképeket klinikai hematológiai laboratóriumunkban Coulter Ac.TTM 5Diff hematológiai elemzővel (Beckman Coulter, Inc., Miami, FL) végeztük, és hemoglobint és hematokritot biztosítottunk a plazma térfogatváltozásának meghatározásához [19].

Plazma citokinek

Kilenc gyulladásos citokin (IL-6, TNFα, granulocita-makrofág kolóniastimuláló faktor [GM-CSF], IFNγ, IL-1β, IL-2, IL-8, IL-10 és IL-12p70) teljes plazmakoncentrációja elektrokémilumineszcencia alapú szilárd fázisú szendvics immunoassay (Meso Scale Discovery, Gaithersburg, MD, USA) alkalmazásával meghatároztuk. Az összes mintát és a rendelkezésre bocsátott standardokat két példányban elemeztük, és a vizsgálaton belüli CV 1,7 és 7,5%, az inter-ass CV 2,4 és 9,6% között változott az összes mért citokin esetében. Az IL-6 minimális kimutatható koncentrációja 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 és IL-12p70 1,4 pg/ml. A citokinek edzés előtti és utáni mintáit ugyanazon a vizsgálati lemezen elemeztük, hogy csökkentsük a kitek közötti teszt változékonyságát.

Oxidatív stressz és antioxidáns kapacitás

Az F2-izoprostánok plazmáját gázkromatográfiás tömegspektrometriával (GC-MS) határoztuk meg [20]. A heparinizált vérből a plazmát összegyűjtöttük, folyékony nitrogénben azonnal gyorsfagyasztottuk, és -80 ° C-on tároltuk. Közvetlenül a vizsgálat előtt a plazma mintákat felolvasztották. A mintákat a szabad F2-izoprostánok extrahálására használták, deuterált [2 H4] prosztaglandin F2a (PGF2α) hozzáadásával „belső” standardként. Az elegyet ezután C18 Sep Pak oszlophoz adtuk, majd szilícium-dioxid szilárd fázisú extrakciókat végeztünk. Az F2-izoprostánokat pentafluor-benzil-észterekké alakítjuk, vékonyréteg-kromatográfiának vetjük alá és trimetil-szilil-éter-származékokká alakítjuk. A mintákat negatív ionos kémiai ionizációval, GC-MS-sel analizáltuk, Agilent 6890N gázkromatográfiával, Agilent 5975B inert MSD tömegspektrométerrel összekötve (Agilent Technologies, Inc. Santa Clara, Kalifornia).

A teljes plazma antioxidáns hatást a plazma ferr redukáló képességével (FRAP) határoztuk meg, egyetlen elektrontranszfer reakcióval [21]. Ez a vizsgálat az EDTA-val kezelt vérből összegyűjtött plazmában honos, vízben oldódó antioxidánsokat alkalmazza a vas-vas redukálására, majd 593 nm-en azonosítható kromogént eredményez. A mintákat és a standardokat aszkorbát-ekvivalensként fejezzük ki az aszkorbát-standard görbe alapján. A vizsgálaton belüli és az inter-assay variációs együtthatók 5, illetve 7% alatt voltak.

A dopamin elemzése a Cavendish banánban

Dopamin-hidrokloridot (4- (2-amino-etil) -benzol-1,2-diol-hidroklorid, 99%) az Acros Organics-tól (New Jersey) vásároltunk. A Cavendish banánt (6. érési szakasz) a helyi élelmiszerboltból szerezték be, és a vásárlás napján vizsgálták. Körülbelül 50 gramm banánhúst elkevertünk 150 ml 70% -os vizes metanollal három percig, és folyadékkromatográfiás elektrospray ionizációs tandem tömegspektrometriával (LC-ESI-MS-MS) (Thermo Scientific LTQ Velos system, West) elemeztük a dopamin-tartalmat. Palm Beach, Florida).

Granulocita és monocita fagocitózis, oxidatív burst aktivitás

Metabolomika

Az összes mintát (mind a plazmakivonatokat, mind a belső könyvtár standardjait) egy Agilent 7890A GC rendszeren elemeztük, egy Agilent 5975C EI/CI tömegszelektív detektorral összekapcsolva. A GC-MS által generált nyers adatfájlokat NetCDF formátumba konvertáltuk. Az átalakított adatokat a Leco ChromaTOF szoftver v4.24 (St. Joseph, MI) alkalmazásával dolgoztuk fel, ideértve az alapvonal kiiktatását, simítását, csúcsfelvételét és csúcsjel igazítását (jel-zaj ≥30). A metabolit annotációt úgy hajtottuk végre, hogy összehasonlítottuk a vizsgálati minták ismeretlen szignálmintáit a GC-MS rendszeren létrehozott, körülbelül 600 humán metabolitot (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO) tartalmazó belső könyvtár referencia standardjaival. Kereskedelmi könyvtárakat, köztük a NIST library 2008-at és a LECO/Fiehn Metabolomics Library-t a GC-MS metabolomadatokhoz (70% -os hasonlósági küszöb) szintén használtuk a vegyületek további megjegyzéséhez. A vizsgálati mintákba belső standardként heptadekánsavat adtak, hogy figyelemmel kísérjék az analitikai variációkat a teljes minta-előkészítési és elemzési folyamat során, és kiszámították a pontosságot úgy, hogy hat véletlenszerűen kiválasztott mintát ötször injektáltak. A heptadekánsav átlagos CV-je kevesebb volt, mint 5%, és az átlagos CV a teljes minta-elemzés során 15,3% volt.

Statisztikai analízis

Eredmények

Tizennégy alany teljesítette a vizsgálat minden szempontját, és az alany jellemzői azt jelezték, hogy jól képzett és tapasztalt kerékpárosok voltak (átlagéletkor 37,0 ± 7,1 év, testzsír 17,8 ± 4,5%, maximális teljesítmény 379 ± 46,8 Watt, VO2max 58,6 ± 5,2 ml. Kg . − 1 perc −1, edzés- és versenyelőzmények 8,4 ± 6,4 év). Az alanyok átlagosan 272 ± 86,1 km/hét volt a vizsgálatot megelőző 3 hónapos időszak alatt. A két időmérés előtti háromnapos ételrekordok nem mutattak ki jelentős különbségeket az energia vagy a makrotápanyagok bevitelében. Az energiafogyasztás 2486 ± 625 kcal/nap (10,5 ± 2,47 MJ/nap) és 2539 ± 662 kcal/nap (10,2 ± 2,66 MJ/nap) volt, szénhidrát 60,4 ± 5,6% és 59,4 ± 6,0%, fehérje 15,9 ± 2,2 % és 16,1 ± 3,4%, valamint a zsír a teljes energia 23,7 ± 5,6% és 24,5 ± 5,2% -a BAN és CHO körülmények között. A háromnapos ételrekordok szintén nem mutattak ki szignifikáns különbséget a kálium 2041 ± 700 mg és 2454 ± 625 mg, a C-vitamin 102 ± 58,0 és 115 ± 76,0 mg, a rosttartalom 30,5 ± 10,3 g és 33,8 ± 11,0 g bevitelében BAN és CHO esetében. ill.

Átlagos teljesítmény (225 ± 43,0, 233 ± 43,8 W, P = 0,178), pulzus (91,1 ± 4,9, 89,3 ± 3,4% HRmax, P = 0,096), az észlelt erőfeszítések értékelése (14,6 ± 1,5, 14,4 ± 1,1 RPE egységek), P = 0,613), és a teljes idő (2,41 ± 0,22, 2,36 ± 0,19 óra, P = 0,258) nem különbözött a BAN és a CHO 75 km-es kerékpáros időpróbák között. A 75 km-es kerékpáros vizsgálatok során az idő múlásával a növekedés mintázata hasonló volt a BAN és a CHO között a szérum glükóz (23%, illetve 19%, interakciós hatás, P = 0,849) és a vér laktát (220%, illetve 227%) között, interakciós hatás, P = 0,439). Az átlagos szénhidrátbevitel a BAN és a CHO vizsgálatok során 150 ± 19,5 gramm volt. Az alanyok a BAN kontra CHO vizsgálat során szignifikánsan teljesebbnek (P = 0,003) és duzzadtnak (P = 0,014) érezték magukat. Az alanyok 0,4 kg-kal több testsúlyt vesztettek a BAN-val összehasonlítva a CHO-vizsgálat során (átlagos súlyváltozás, -1,5 ± 0,7, -1,1 ± 1,1 kg, P = 0,015). A plazma mennyiségének elmozdulása 2% -nál kevesebb volt a testmozgást követően, és nem különbözött a vizsgálatok között (P = 0,711).

A plazma F2-izoprostánok növekedésének mintázatai nem különböztek a BAN és a CHO vizsgálatok között (1. táblázat). A FRAP előtti és utáni testmozgás növekedésének mintázata magasabb volt a BAN-ban a CHO-val összehasonlítva (31%, illetve 18%, illetve interakciós hatás, P = 0,012) (1. táblázat). A testmozgás okozta növekedést kilenc citokin közül ötnél mértük, szignifikánsan magasabb BAN-ban a 75 km utáni kerékpáros szintek IL-8 és IL-10 esetében (1. táblázat).

Asztal 1

Változó	Pre-Exercise	Testgyakorlás	1 órás testgyakorlás	Idő; interakció P értékek
TNFα (pg/ml)
TILALOM	6,03 ± 1,68	8,82 ± 2,02	8,70 ± 2,17	*	8,82 ± 3,14 *	*	13,2 ± 12,3 *	0,003; 0,003
CHO	2,24 ± 1,76	5,98 ± 3,52	6,96 ± 7,82
GR-PHAG (MPI)
TILALOM	270 ± 71,1	373 ± 134	435 ± 171	0,001; 0,215
CHO	284 ± 134	321 ± 164	346 ± 147
MO-PHAG (MPI)
TILALOM	137 ± 50,9	233 ± 104	281 ± 117	*	575 ± 76,0 *	* P 1. táblázat). A GR és MO oxidatív burst aktivitása (OBA) nem változtatta meg a testgyakorlást, és nem mértek próbakülönbségeket.

A GC-MS metabolomikai rendszerünkön keresztül detektált 103 metabolit közül 56-nak volt jelentős időhatása a 75 km-es kerékpáros rohamok után. Az 56 metabolit közül csak egynek (dopamin) volt változási mintázata, amely különbözött a BAN és a CHO között, és az általános kezelési hatásokat nem választották el egymástól a PLS-DA modellezés. A dopamin a BAN-ban szignifikánsan megnőtt a CHO-hoz képest, amint az az 1. ábrán látható (interakciós hatás, P 2. ábra a testmozgás előtti, közvetlenül a testgyakorlatot követő és az 1 órás testmozgás utáni globális anyagcsere-különbségeket jelenítette meg, jelezve az idő közötti egyértelmű elkülönülést pontok némi átfedéssel a két edzés utáni időpont között [R 2 Y (cum) = 0,869, Q 2 (cum) = 0,766]. Az 56 metabolit közül a szignifikáns (FDR-korrigált p-érték 2. táblázat. A 15 metabolitok, öt (2-hidroxi-vajsav, 2-amino-vajsav, L-glutaminsav, L-metionin és L-prolin) a máj glutationtermeléséhez kapcsolódtak, négy (palmitoleinsav, palmitinsav, olajsav és heptadekánsav) a lipid-anyagcseréhez három (2,3,4-trihidroxi-butánsav, D-fruktóz és piroszav) szénhidrát-anyagcseréig, kettő (almasav és borostyánkősav) a trikarbonsav-ciklusban (TCA-ciklus) és egy ( L-izoleucin) elágazó láncú aminosav volt.