A hosszú távú emberi fogyás dinamikájának szimulálása a kalória korlátozásra válaszul

Juen Guo

1 Biológiai Modellezési Laboratórium, Országos Cukorbetegség és Emésztőrendszeri és Vesebetegségek Intézete, Bethesda, MD

Danielle C Brager

2 Matematikai és Statisztikai Tudományok Iskolája, Arizona Állami Egyetem, Tempe, AZ

Kevin D Hall

1 Biológiai Modellezési Laboratórium, Országos Cukorbetegség és Emésztőrendszeri és Vesebetegségek Intézete, Bethesda, MD

Társított adatok

ABSZTRAKT

Háttér

Matematikai modelleket fejlesztettek ki a testtömeg (BW) és az összetétel változásainak előrejelzésére az életmódbeli beavatkozásokra reagálva, de ezeket a modelleket hosszú távon nem igazolták megfelelően.

Célkitűzés

Összehasonlítottuk az emberi testtömeg-dinamika matematikai modelljeit, amelyek 2 népszerű, webalapú súlycsökkenés-előrejelző eszköz, az Országos Egészségügyi Intézet testtömeg-tervezője (NIH BWP) és a Pennington Biomedical Research Center Súlycsökkenés-előrejelzője (PBRC WLP) alapját képezték, a 2 éves átfogó értékelés az energiafelhasználás csökkentésének hosszú távú hatásairól (CALERIE).

Tervezés

A matematikai modelleket a kiindulási CALERIE adatok felhasználásával inicializálták, és a testtömeg (ΔBW), a zsírtömeg (ΔFM) és az energiafelhasználás (ΔEE) változásait szimulálták az energiabevitel (ΔEI) időben változó változásaira válaszul, objektíven mérve a bevitelt. -egyensúly módszer. Egyetlen modellparamétert sem módosítottak a korábban publikált értékeikhez képest.

Eredmények

A PBRC WLP modell az EE túlzott korai csökkenését szimulálta a kalória korlátozásra reagálva, ami a megfigyelt átlagos (95% CI) testtömeg-veszteség 3,8 (3,5, 4,2) kg-mal történő alábecsülését eredményezte. Az NIH WLP szimulációk sokkal közelebb voltak az adatokhoz, az átlagos átlagos ΔBW torzítás –0,47 (–0,92, –0,015) kg volt. A linearizált modellelemzésből kiderült, hogy a PBRC WLP modell torzításának fő oka egy olyan paraméterérték volt, amely meghatározta, hogy hogyan csökken a spontán fizikai aktivitás ráfordítása a kalóriakorlátozással. Mindkét modell jelentős változékonyságot mutatott azon képességükben, hogy az egyedi eredményeket szimulálják a kalória korlátozásra reagálva. Monte Carlo szimulációk kimutatták, hogy az ΔEI mérési bizonytalanságok nagyban hozzájárultak az NIH BWP modellszimulációk egyéni változékonyságához.

Következtetések

Az NIH BWP felülmúlta a PBRC WLP-t, és pontosan szimulálta az átlagos súlycsökkenés és az energiaegyensúly dinamikáját, válaszul a hosszú távú kalória-korlátozásra. Az NIH BWP-modell előrejelzéseinek jelentős változékonysága azonban az egyéni szintre utal az egyéni szintű szimulációk óvatos értelmezésére. Ezt a vizsgálatot a klinikai vizsgálatokon regisztráltuk, mint NCT00427193.

BEVEZETÉS

Mennyi súlyváltozás várható egy étrenddel vagy fizikai aktivitással kapcsolatos adott beavatkozás esetén? Ezt a kérdést évtizedek óta vizsgálják. Az 1950-es években a népszerű 3500 kcal/lb súlycsökkentési szabály a lefogyott energia átlagos energiasűrűségének számszerűsítéséből származott (1, 2). Míg a súlycsökkenés előrejelzéseit könnyedén kiszámíthatták ezen ökölszabály alkalmazásával, az előrejelzések drámai módon eltúlozták a várható súlyveszteséget, mert az egyszerű számítás nem vette figyelembe az energiafelhasználás dinamikus változását (EE) (3–7) és azt a tényt, hogy a a lefogyott tényezők olyan tényezőktől függenek, mint a test zsírossága (8–10).

A pontos súlycsökkenési előrejelzések az emberi testsúly dinamikájának matematikai modelljeihez szükségesek, amelyek figyelembe veszik az EE és az energia felosztásának adaptációit, és az 1970-es évek óta számos ilyen modellt fejlesztettek ki (11). Az emberi testsúly változásának matematikai modelljeit azonban nem alkalmazták rendszeresen a klinikai gyakorlatban, illetve a táplálkozást vagy elhízást kutató közösségekben, valószínűleg azért, mert a modelleket nehéz volt használni. Az elmúlt években az emberi testtömeg (BW) dinamikájának matematikai modelljeinek használatát nagymértékben megkönnyítette a modellek webalapú eszközként történő megvalósítása, például az NIH Body Weight Planner (NIH BWP; https: //www.niddk. nih.gov/health-information/weight-management/body-weight-planner) és a Penningtoni Orvostudományi Kutatóközpont fogyás előrejelzője (PBRC WLP; http://www.pbrc.edu/research-and-faculty/calculators/weight -veszteség-előrejelző /). Ezeket az eszközöket emberek milliói használták azóta, hogy 2011-ben közzétették az ezeket a szimulátorokat meghatározó matematikai modelleket (5, 12).

Bár mind az NIH BWP, mind a PBRC WLP modelleket validálták, és úgy tűnik, hogy rövid távon hasonló előrejelzéseket nyújtanak, az NIH BWP nagyobb hosszú távú súlyváltozásokat jósol, mint a PBRC WLP ugyanarra a beavatkozásra (6, 13). Az NIH BWP és a PBRC WLP relatív hosszú távú pontosságának tesztelését bonyolította az a humán tanulmány hiánya, amely hosszú időn keresztül tartalmazta az energiafelvétel (EI) pontos mérését. A közelmúltban publikálták az energiafogyasztás csökkentésének hosszú távú hatásainak átfogó értékelése (CALERIE) elnevezésű, 2 éves emberi kalória-korlátozási vizsgálat (CALERIE) eredményeit (14), ahol az EI-t objektíven mérték a bevitel-egyensúly módszerével (15). Itt a CALERIE tanulmány adatait használtuk a NIH BWP és PBRC WLP modellek érvényességének tesztelésére a hosszú távú testtömeg, testzsír és energiaegyensúly dinamikájának szimulálására a kalória korlátozásra reagálva, a mért időváltozó EI időfolyamatokat használva, mint általános modell bemenetek.

MÓD

A közzétett NIH BWP (5) és PBRC WLP (12) modelleket inicializálták az életkor (A), a nem, a magasság (H), a BW és az összes EE CALERIE-ben mért alapértékeinek felhasználásával. Mindkét modell azonos, időben változó, mért EI változásokat használt a kiindulási értékhez képest (ΔEI), hogy szimulálja a BW, a zsírtömeg (FM) és az EE időbeli alakulását, összehasonlítva a CALERIE adataival. Megvalósítottuk a PBRC WLP modell (12) közzétett változatát, amely nem vette figyelembe az öregedés nyugalmi anyagcserére és testösszetételre gyakorolt hatását, mivel ezeknek a hatásoknak elhanyagolható hatása van a CALERIE beavatkozás 2 éves időtartama alatt.

Összehasonlítottuk a modell által előre jelzett változásokat (Δ) a BW, FM és EE-ben a CALERIE-adatokkal, mind a férfiak, mind a nők szintjén. Csak az EI, BW, FM és EE teljes adatait tartalmazó CALERIE alanyokat használták. Az állandó előírt 25% kalória-korlátozás ellenére a beavatkozás nem eredményezett állandó átlagos változást az EI-ben (14), és a csoportszintű szimulációk exponenciális függvényeket alkalmaztak a CALERIE férfiak és nők mért átlagos ΔEI időbeli lefutásának illesztésére (folytonos fekete görbék a 1.ábra A). Megvizsgáltuk a csoport átlagos modellszimulációinak érzékenységét a mért átlag ΔEI bizonytalanságaira a mért 95% CI felső és alsó végén lévő ΔEI exponenciális időfolyamatokra adott válasz szimulálásával (szaggatott szürke görbék az 1. A ábrán). Egyéni szinten az egyes alanyok mért ΔEI-jét lépésváltozásként szimulálták minden 6 hónapos mérési periódus alatt. Az alanyok között jelentős eltérés volt az étrend betartása tekintetében (14).

A CALERIE vizsgálat női (n = 78, bal oldali oszlop) és férfi (n = 35, jobb oldali oszlop) résztvevőinek átlagos adatai, akik teljes adatokkal (•) rendelkeztek az (A) energia bevitelről, (B) testtömegről, (C) zsírtömeg, és (D) az energiafogyasztás változása 2 év kalória-korlátozást követően. Az NIH BWP modell (folytonos fekete görbék) és a PBRC WLP modell (szaggatott fekete görbék) szimulációit a legjobban illeszkedő exponenciális idő lefutása és annak 95% -os CI (folytonos fekete görbék és szaggatott szürke görbék az A panelen, ill. Az NIH BWP modell esetében a testtömeg, a zsírtömeg és az energiafelhasználás változásának szimulált tartományait a folytonos szürke görbék határolják, a megfelelő szimulált PBRC modelltartományokat pedig a szürke pontozott görbék határolják. A hibasávok ± 95% CI. CALERIE, az energiafogyasztás csökkentésének hosszú távú hatásainak átfogó értékelése; NIH BWP, Országos Egészségügyi Intézetek Testtömeg-tervező; PBRC WLP, Pennington Biomedical Research Center Fogyás előrejelző; Δ, változás az alapvonaltól.

Az objektív EI méréseket a CALERIE-ben a bevitel-egyensúly módszerével (15) hajtották végre, amely többszörös EE-értéket igényelt a kettősen jelölt víz (DLW) módszer alkalmazásával, valamint a test energiatárolóinak ismételt kettős energiájú röntgenabszorpciós módszerrel végzett becsléseivel. (DXA) mérések. Míg a beviteli egyenleg módszer a szabadon élõ EI objektív mérésének arany standardja, a CALERIE tanulmány csak egyetlen becslést adott az EI-rõl minden 6 hónapos idõszakban. Ezenkívül az EE mérések az időszak kezdetén és végén eltelt 2 hétre korlátozódtak, és nem feltétlenül tükrözik az átlagos EE értéket, különösen a kalória korlátozás korai szakaszában (15). A beviteli egyensúly-módszer szisztematikus torzítása valószínűleg a DLW-módszer pontatlan feltételezéseiből (16), valamint a DXA-ból eredő szisztematikus hibákból származhat, amely egy két rekeszes testösszetétel-módszer, amely feltételezéseket tesz a hidratáltság állapotáról, amelyet a fogyás (17). Feltételeztük, hogy az ilyen szisztematikus torzítások elhanyagolhatóak voltak a CALERIE tanulmányban.

Az átlagos exponenciális ΔEI idő lefutása a mért 95% -os CI-n belül (szaggatott szürke görbék az 1 A ábrán) a szimulált ΔBW, ΔFM és ΔEE pályák tartományát eredményezte a szilárd és pontozott szürke által határolt NIH BWP és PBRC modellek számára. görbék az 1. ábrán B, C és D, ill. Míg az NIH BWP modell szimulációs tartománya átfedte a mért 95% -os CI-t az összes változó átlagértékének minden idõpontban mind a nõk, mind a férfiak esetében, a PBRC WLP modell szimulációs tartománya a mért 95% CI-n kívül volt az összes, kivéve az átlagos ΔEE alatt a második évben.

2. ábra mutatja az egyes CALERIE alanyok szimulációs eredményeit, mind NIH BWP, mind PBRC WLP modelleket használva. Az NIH BWP modellszimulációk sokkal szorosabb egyetértést mutattak az adatokkal, mint a PBRC WLP modell, amelynek eredményei szignifikánsan különböztek az összes változó adataitól, kivéve a ΔEE-t a nők 18. és 24. hónapjában, valamint a 12., 18. és 24. hónapban. férfiaknak. Ezzel szemben az NIH BWP egyedi szimulációk szignifikánsan különböztek csak a nőknél kapott adatoktól 6 hónapos ΔBW, ΔFM és ΔEE esetén, valamint 12 és 18 hónapos időpontokban ΔFM esetében.

A CALERIE vizsgálatban az egyes női (n = 78, bal oszlop) és férfi (n = 35, jobb oszlop) alanyokat az NIH BWP modell (nyitott sávok) és a PBRC WLP modell (szürke sávok) segítségével szimulálták, és összehasonlították az adatokkal ( fekete sávok) (A) ΔBW, (B) ΔFM és (C) ΔEE adott ΔEI esetén a beviteli egyensúly mérési módszerével mérve. Különböző betűk jelzik a modellek és az adatok közötti jelentős különbségeket minden egyes időpontban, páros, kétoldalas t tesztekkel meghatározva. A hibasávok ± 95% CI. ΔBW, a testsúly változása; CALERIE, az energiafogyasztás csökkentésének hosszú távú hatásainak átfogó értékelése; ΔEE, az energiafelhasználás változása; ΔFM, a zsírtömeg változása; NIH BWP, Országos Egészségügyi Intézetek Testtömeg-tervező; PBRC WLP, Pennington Biomedical Research Center fogyás előrejelző.

A lineáris modellanalízis feltárta, hogy a legnagyobb eltérés az NIH BWP és a PBRC WLP modellek között az ε paraméter különbségéből adódott. Az ε értéke a PBRC WLP modellben érzékenyen függ attól, hogy a SPA kiadások hogyan változtak az energia korlátozásával. A PBRC BWP modell azt feltételezte, hogy a teljes EE változás kétharmada a SPA csökkenésének eredménye. Ha azonban ennek a SPA-paraméternek az értéke 25% -kal csökken, így a teljes EE-változás fele csökkenő SPA-ból származik, akkor a PBRC WLP-modell jobban hasonlít az NIH BWP-re, így a nők és a férfiak felülvizsgált ε értékei 23, illetve 26 kcal · kg –1 · d –1.

VITA

A PBRC WLP és NIH BWP modelleket embereken végzett ellenőrzött táplálkozási vizsgálatok adatainak felhasználásával dolgozták ki, jellemzően viszonylag rövid, több hét vagy hónapos időszakokban. Itt értékeltük ezeket a modelleket, összehasonlítva a CALERIE humán kalória-korlátozási vizsgálat hosszú távú adataival, az időtartamokban változó ΔEI objektív mérésével mint modell bemenettel. Mivel a CALERIE adatait több évvel az NIH BWP és a PBRC WLP teljes kifejlesztése és paraméterezése után tették közzé, a modell által szimulált súlyváltozások és a CALERIE adatok összehasonlítása a modell hosszú távú érvényességének valódi tesztje. Kimutattuk, hogy az NIH BWP lényegesen jobban teljesített, mint a PBRC WLP, hogy pontosan szimulálhassa a BW, FM és EE átlagváltozásait a kalória korlátozásra adott válaszként 2 év alatt.

Az NIH BWP modell nagyobb hosszú távú pontossága valószínűleg abból adódott, hogy a fogyás hosszú távú fenntartásának periódusait pontosan szimuláló eszközként származott olyan tanulmányok adatainak felhasználásával, amelyekben a résztvevők stabil egyensúlyi állapotban változtak (23). Ezzel szemben a PBRC WLP modellt nem hosszú távú mérésekkel vagy egyensúlyi állapot változásaival végzett vizsgálatok adatainak felhasználásával fejlesztették ki. Ennek ellenére a PBRC WLP modellt számos alkalommal alkalmazták hosszú távú energiamérleg-számítások elvégzésére (24–27). A jelen jelentésben feltárt elfogultságok indokolttá teszik az ilyen hosszú távú PBRC WLP modellszámításokon alapuló következtetések gondos átgondolását.

A linearizált modellek elemzéséből kiderült, hogy az NIH BWP és a PBRC WLP modellek közötti ellentétes eredmények mögött álló kulcsfontosságú tényező magában foglalja a különböző feltételezéseket arról, hogy a kalóriakorlátozás hogyan befolyásolja a fizikai aktivitást. Az NIH BWP modell (5) a priori feltételezéseket nem tartalmaz a fizikai aktivitás változásairól. Mindazonáltal, mivel a fizikai aktivitásra fordított kiadásokat súlyt feltételeztük, az NIH BWP modellben az összes fizikai aktivitásra fordított kiadás az elveszített testsúly arányában csökken akkor is, ha a fizikai aktivitás mennyisége változatlan. Ezzel szemben a PBRC WLP azt feltételezte, hogy a SPA-kiadások azonnal és lényegesen csökkennek a kalória-korlátozást követően, ideértve az aktív súlycsökkenést követő későbbi súlystabilitási periódusokat is (12). Azonban ezt a feltételezést alátámasztó bizonyítékok vegyesek, és egy nemrégiben készült felülvizsgálat szerint az EI korlátozása általában nem vezet az általános fizikai aktivitás jelentős csökkenéséhez (28).

Érdekes módon azt tapasztaltuk, hogy a PBRC modell szorosabban összehangolható az NIH BWP modellel azáltal, hogy a SPA modell paraméterét egyszerűen 25% -kal csökkenti, így az alultáplálás során a teljes EE változás mintegy fele a fizikai aktivitás EE csökkenésének tudható be. Ez az érték a 3 alultápláltsági vizsgálatban megfigyelt átlagos fizikai aktivitás EE-hatást is tükrözi, bár az eredmények nagyon változóak (29–31). Javasoljuk a PBRC WLP modell ennek megfelelő frissítését.

Míg az NIH BWP szimulációk átlagos átlagos torzítása jóval alacsonyabb volt, mint a PBRC WLP, a modell kissé alábecsülte az FM veszteségét és túlbecsülte a BW veszteségét, különösen a nők korai időpontjában. A nagyobb testtömeg-veszteség valószínűleg a test szimulált nagyobb vízveszteségeinek volt köszönhető, amelyek az 1B. Ábrán bemutatott szimulációk nagyon korai szakaszában bekövetkeztek az étrend nátrium- és szénhidrát-tartalmának feltételezett csökkenése miatt. Az FM veszteségnek az NIH BWP általi enyhe alábecsülése annak köszönhető, hogy a bevitel-egyensúly módszerrel mért korai kalóriakorlátozás mértékét szisztematikusan alábecsülik. Egy korábbi tanulmány szerint az EE gyors csökkenése következett be a kalóriakorlátozás indukciója miatt, és az EE ilyen korai csökkenésének közvetlen mérésének elmulasztása valószínűleg az EI túlbecsülését eredményezte a beviteli egyensúlyi módszerrel a CALERIE vizsgálat első 6 hónapjában (15). . Más szavakkal, a tényleges EI valószínűleg valamivel alacsonyabb volt, mint a becsült EI, amelyet modell bemenetként használtak, és ezért az NIH BWP modell valamivel kisebb FM veszteséget szimulált, mint azt megfigyelték.

Hisszük, hogy az NIH BWP modell ésszerű magabiztossággal pontosan megjósolható az átlagos testtömeg, testzsír és energiaegyensúly dinamikájának hosszú távú változásaira embercsoportok számára, reagálva az EI adott változásaira. Például az NIH BWP modelljét népességi szinten alkalmazták az elhízási beavatkozások értékelésére (32, 33), és megvizsgálták az összefüggést a nemzet élelmiszer-ellátottságában bekövetkezett változások, az elhízás prevalenciája és az élelmiszer-pazarlás fokozatos növekedése, valamint annak a természetes hatásra gyakorolt hatása között. erőforrások és a környezet (34, 35). Az NIH BWP modellt arra is használták, hogy megbecsüljék az EI átlagos kompenzációs növekedését a 2-es típusú nátrium-glükóz transzport inhibitorokkal végzett cukorbetegség kezelésére adott válaszként (36), és ezáltal biztosítják az emberi EI visszacsatolás-kontrolljának első mennyiségi meghatározását csoportszinten (37).

Annak ellenére, hogy az NIH BWP modell csoportszintű ésszerű pontossággal rendelkezik, az NIH BWP modellt használó korábbi publikációk hangsúlyozták a modell előrejelzéseinek várható pontatlanságát az egyes betegek számára, ugyanakkor elismerték, hogy az ilyen egyéni szintű szimulációknak klinikai haszna lehet (5, 38). Ezzel szemben a PBRC WLP modell megalkotói azt állították, hogy „pontos becsléseket nyújt mind a csoportszintű, mind az egyéni szintű adatokra, bemutatva azt a képességet, hogy a modell segítségével pontosan előre jelezhetik az egyes betegek testsúlycsökkenését és objektíven mérhetik a kalória előírások betartását. ”(12). Eredményeink mást javasolnak. Inkább az egyéni szintű modellszimulációkat alapvetően korlátozzák a szabadon élő EE és EI mérésének bizonytalanságai, még akkor is, ha a legjobb módszereket alkalmazzák.

Amint azt korábban bemutattuk (22), a CALERIE vizsgálatban a beviteli egyensúlyi módszerrel egyéni szinten mért ΔEI bizonytalansága több száz kcal/d értéket ölel fel. Az NIH BWP-t használó Monte Carlo-szimulációk kimutatták, hogy az ΔEI variációi az egyéni szintű mérési bizonytalanságon belül az egyes ΔBW, ΔFM és ΔEE időfolyamatok lényeges variációihoz vezetnek, ami megmagyarázta az adatok és a modellszimulációk közötti megfigyelt változékonyság nagy részét. A fennmaradó változékonyság valószínűleg az egyéni fiziológiai és viselkedési különbségeknek volt köszönhető, amelyeket az NIH BWP modell nem vett fel, például a metabolikus alkalmazkodás változó foka vagy a fizikai aktivitás változásai.

Összefoglalva, a CALERIE tanulmány adatait használtuk annak bizonyítására, hogy a PBRC WLP modell lényegesen alulbecsülte a BW és FM veszteségét, elsősorban az EE túlzott csökkenése miatt, a kalória korlátozással járó csökkent SPA-n keresztül. Ezzel szemben a CALERIE adatok hosszú távú validálást nyújtottak az NIH BWP modell számára csoportszinten, de a modell előrejelzéseinek pontosságát egyéni szinten alapvetően korlátozták az EI mérési bizonytalanságai, és az egyes betegmodell-szimulációk óvatos értelmezését javasolják.