A lélegző aceton, mint az energiaegyensúly markere: feltáró vizsgálat egészséges embereken

Tárgyak

Absztrakt

Bevezetés

Az elhízás kezelése negatív energiamérleg kiváltásában áll több hónap vagy év alatt. Az életmódbeli beavatkozások sikere azonban csalódást keltően alacsony, valószínűleg azért, mert sok beteg nem képes negatív energiaegyensúlyt elérni fizikai aktivitásának túlbecsülésével és az energiafogyasztás alulbecsülésével 1. Ebben a tekintetben 2 és mások 3,4 javaslatot tettünk arra, hogy a lehelet-aceton monitorozása az energiaegyensúly jelölőjeként hasznos eszköz lehet az életmódbeli beavatkozás hatékonyságának javításához. A ketogenezist valóban az 5-ös éhezés, a 6-os kalória-korlátozás és a 7-es testmozgás stimulálja. Ugyanakkor a nagyon alacsony szénhidráttartalmú étrend fogyasztása során is stimulálható, függetlenül a negatív energiamérlegtől 8,9. Hogy a megnövekedett ketogenezis kimutatható-e a lehelet-aceton mérésekből, ha az energiaegyensúly mérsékelten negatív, és hogy ezt befolyásolja-e az étrend szénhidráttartalma, az még nem ismert. Ezért egy nemrégiben kifejlesztett lézer alapú légzéselemzővel 10 figyeltük meg a légzési acetont egészséges önkéntesekben egy éjszakai böjt után, amelyet 4 órás periódus követett, amelynek során az önkéntesek éheztek vagy 70% vagy 10% szénhidrátot fogyasztottak óránként. Ezt követően 2 órás alacsony intenzitású gyakorlatot hajtottak végre.

Módszerek és eljárások

Nyolc egészséges önkéntest (4 férfit és 4 nőt, átlagéletkor ± SEM: 26 ± 2 év; súly: 67,3 ± 4,0 kg; testtömeg-index: 22,5 ± 0,6 kg · m −2) vettek fel. Valamennyi alany súlystabil volt, nem dohányzott, és személyi vagy családi kórtörténetében nem volt cukorbetegség. A protokollt a Canton de Vaud Humán Kutatási Bizottság hagyta jóvá, és a clins.gov (NCT03390881) címen regisztrálták, és a résztvevők tájékoztatott, írásos beleegyezéssel szolgáltak.

A résztvevőket három különböző alkalommal tanulmányozták randomizált, nyílt, keresztezett tervezéssel. Az egyes tesztek előtti két napon a résztvevők a szokásos étrendet fogyasztották és minimális fizikai aktivitást végeztek. Előző nap 20:00 órakor standardizált étkezést kaptak, amely a számított energiaigény 30% -át fedezi (55% szénhidrát, 30% lipid és 15% fehérje).

A tesztnapon az alanyok éhomi állapotban 07: 00-kor érkeztek a laboratóriumba. Az alanyok éhezés közben ágyban feküdtek egy kezdeti két órás periódus alatt, és három lélegzetvételű aceton- és vér BHOB-mérést kaptak az alapértékek meghatározásához. Ezt követően és a következő 6 órában (T120-tól T480-ig) vagy éheztek (F), vagy óránként folyékony ételt kaptak, amely az 1 órás pihenő energiaigényük 150% -át biztosította (az RMR-szorzatuk 60-szorosának 1,5-szerese) vagy 70% szénhidrát (30% szacharóz (Hänseler Swiss Pharma) és 40% maltodextrin (Sponser, Svájc)), 15% lipid és 15% fehérje (magas szénhidráttartalmú; HC), vagy 70% lipid, 15% fehérje és 15% szacharóz (alacsony szénhidráttartalom; LC). T120 és T360 között maradtak nyugalmi körülmények között, majd 25 W-on bicikliztek T360 és T480 között. Óránkénti lélegzet- és vérmintákat vettünk, míg a légzési gázcserét közvetett kalorimetriával követtük nyomon (Cosmed Quark RMR, Cosmed, Roma, Olaszország).

A légzésmintákat légzsákokban (Cali-5-Bond TM táskák, Calibrated Instruments Inc., Garrett Highway, USA) gyűjtöttük egy 5 másodperces apnoe után és a légzési holttér eldobása után 3. A légzési acetont 12–24 órán belül mértük egyedi fejlesztésű lézerspektrométerrel (VECSEL, Camlin Technologies, Zürich, Svájc), a 10. leírás szerint. Mivel az alapértékek jelentős egyénközi [alanyok közötti variációs koefficiens (CV) = 36%] és egyénen belüli (ugyanazon alany vizsgálati CV között = 32%) eltéréseket mutattak, a T120-nál a lehelet aceton-koncentrációját használtuk referenciaként minden tantárgyhoz. A plazma nem észterezett zsírsavat (NEFA), a BOHB-t és a glükózt enzimes módszerekkel (Randox Laboratories, Crumlin, Egyesült Királyság) és plazma inzulint mértük rádióimmunológiai módszerrel (Millipore Corporation, Billerica, MA, USA).

Valamennyi értéket átlag ± SEM-ben fejeztük ki. A minta méretét tetszőlegesen 8-ra állítottuk. Az eloszlások normalitását és homoszkedaszticitását Shapiro-Wilk és Bartlett tesztekkel ellenőriztük. Szükség esetén a változókat a Box-Cox transzformációval normalizáltuk. A változók változását egy faktoros varianciaanalízissel (ANOVA) értékeltük. Ezután több összehasonlítást hajtottak végre Student párosával t tesztek. A légzési aceton és a plazma BOHB változásai közötti lineáris összefüggéseket Spearman korrelációjával teszteltük. Az adatokat „R” 3.3.1-es verzióval elemeztük (www.cran.R-project.org).

Eredmények

Alapfeltételek

Az átlagos lehelet aceton koncentrációja 2,04 ± 0,21 ppm, a vér BOHB koncentrációja pedig 0,13 ± 0,02 mmol L-1 volt. .

Böjt állapot

A légzési aceton koncentrációja fokozatosan nőtt az alapértékekhez képest, és a gyakorlat végén elérte a maximumot. Ezzel párhuzamosan a plazma BOHB koncentrációja az idő múlásával folyamatosan nőtt, anélkül, hogy bármilyen edzés közben észlelhető gyorsulás lenne. A légzési aceton változásai pozitívan korreláltak a BOHB változásával (ρ36 = 0,58, P −1 perc −1 nyugalmi állapotban és edzés közben 4,39 ± 0,25 mg kg −1 perc −1 értékre nőtt. Az energiafogyasztás 1,07 ± 0,06 kcal min 1-nek felel meg nyugalmi állapotban és 4,04 ± 0,28 kcal min-1-nek edzés közben. Az energiamérleg negatív volt a teszt során (1. ábra). A plazma glükóz- és inzulinkoncentrációja nem mutatott változásokat az idő múlásával, de a plazma NEFA-koncentrációja fokozatosan nőtt (2. ábra).

A légzési aceton változásai (a) és a plazma béta-hidroxi-butirát-koncentráció (b) és az energiamérleg (c), amikor a résztvevők böjtöltek (f), vagy óránként magas vagy alacsony szénhidráttartalmú étellel etették őket.

Az adatokat átlag ± SEM-ben fejezzük ki. Minden változóra, n = 8 önkéntes. BOHB béta-hidroxi-butirát, F éhgyomorra, magas HC szénhidráttartalmú, LC alacsony szénhidráttartalmú

A plazma glükóz változásai (a), inzulin (b) és a NEFA-koncentrációk (c), amikor a résztvevők böjtöltek (f), vagy óránként magas vagy alacsony szénhidráttartalmú étellel etették őket.

Az adatokat átlag ± SEM-ben fejezzük ki. Minden változóra, n = 8 önkéntes. F-éhgyomor, magas szénhidráttartalmú HC-tartalom, alacsony szénhidráttartalmú LC-tartalom, NEFA nem észterezett zsírsav

Magas szénhidráttartalmú ételek az éhezéssel szemben

Amikor az alanyok HC-ételt fogyasztottak, a lehelet aceton és a plazma BOHB-koncentrációja kissé csökkent, alacsonyabb szintet ért el, mint F-ben. Nem találtunk összefüggést a lehelet aceton és a BOHB között (ρ23 = −0,15, P = 0,487). A zsír oxidációs sebessége nyugalmi állapotban egyaránt szignifikánsan alacsonyabb volt, mint az F-ben (0,94 ± 0,04 mg kg −1 perc −1, P = 0,002) és edzés közben (2,07 ± 0,30 mg kg −1 perc -1; P −1 nyugalmi állapotban és 3,93 ± 0,19 kcal min −1 edzés közben. Az energiaegyensúly nyugalmi állapotban kissé pozitív, edzés közben negatív volt (1. ábra). A plazma glükóz- és inzulinkoncentrációja szignifikánsan magasabb volt, míg a plazma NEFA szignifikánsan alacsonyabb volt, mint az F-ben (2. ábra).

Alacsony szénhidráttartalmú ételek az éhezéssel szemben

Amikor az alanyok LC étkezéseket fogyasztottak, a levegő acetonja az idő előrehaladtával fokozatosan növekedett, és nem mutatott szignifikáns különbséget F.-hez képest. Ezzel szemben a plazma BOHB jelentősen csökkent. A légzési aceton változásai nem voltak összefüggésben a BOHB változásával (ρ16 = −0,34, P = 0,164). A zsír oxidációs sebessége nyugalmi állapotban átlagosan 1,16 ± 0,06 mg kg −1 perc −1 volt (P = 0,727) és 3,79 ± 0,20 mg kg −1 perc −1 edzés közben (P = 0,013). Az energiafogyasztás 1,13 ± 0,07 kcal min –1 nyugalmi, 4,06 ± 0,21 kcal min –1 mozgás közben felelt meg. Az energiamérleg hasonló volt a HC-hez (1. ábra). A plazma glükózkoncentrációja nem változott, míg a plazma inzulin szignifikánsan magasabb volt, és a plazma NEFA alacsonyabb, mint az F-ben (2. ábra).

Vita

A ketogenezis egy éjszakán át tartó gyors böjt után kvantitatívan kicsi, de az alap-aceton koncentráció minden légzésmintában meghatározható volt. Ezenkívül a lehelet-aceton 6 óra alatt jelentős változásokat mutatott az etetési állapot és az energiaegyensúly függvényében. Amikor az alanyok éheztek, a kumulált energiamérleg enyhén negatív volt, és a levegő acetonja és a plazma BOHB idővel megnőtt. Ezzel szemben a lehelet aceton és a plazma BOHB kissé csökkent, ha az alanyokat HC-étkezéssel etették. Ez azt jelzi, hogy a ketogenezis akkor aktiválódik, ha az energiamérleg negatív, de a HC étkezéshez kapcsolódó pozitív energiamérleg elnyomja.

Tanulmányunk a légzési acetonnak az energiaegyensúly jelölőjeként történő alkalmazásának korlátait is meghatározza. Valóban megfigyeltük, hogy a lehelet aceton koncentrációja akkor nőtt, amikor az önkéntesek pozitív energiamérleget értek el LC-vel, nem pedig HC-étkezéssel. A lipid-oxidáció és a plazma NEFA-koncentrációk szintén magasabbak voltak LC-vel, mint HC-étkezésekkel, összhangban a ketogenezis kisebb szuppressziójával. Megfigyeltük azt is, hogy a testmozgás által kiváltott két órás negatív energiaegyensúly nem gyorsította fel az éhgyomri alanyok légzési aceton-koncentrációjának emelkedését, és nem növelte azt akutan, amikor az alanyokat kis HC-étkezéssel etették. Ez arra utal, hogy a ketogenezis stimulálása némileg késhet az alacsony intenzitású edzés kezdetéhez képest.

Eredményeink a keton testek anyagcseréjének néhány váratlan aspektusára is rámutatnak. A légzési aceton változásai korreláltak a vér BOHB változásával F-ben, de nem HC-ban és LC-ben. Továbbá, LC-ben a légzési aceton növekedett, de a vér BOHB csökkent. Ez a keton testek anyagcseréjének túl gyakran fel nem ismert összetettségével magyarázható. A ketogenezis kezdetben acetoacetátot eredményez, amelyet vagy BOHB-ra redukálnak, vagy dekarboxileznek acetonná. A BOHB-t és az acetont ezután külön utakon oxidálják az extrahepatikus szövetekben 11, 12. Az aceton és a BOHB koncentrációja tehát nemcsak az acetoacetát termelési sebességének változásától, hanem az acetoacetát BOHB-vá és acetonná történő átalakulásának, valamint a BOHB és az aceton oxidációjának relatív változásától is függ. Ezért lehetséges, hogy egy nagyon alacsony szénhidráttartalmú étrend fogyasztása az acetont részesítette előnyben a BOHB képződéssel szemben, vagy megnövelte a BOHB oxidációját az acetonhoz képest. Ez összefüggésben lehet az étkezés utáni kis étkezés utáni inzulinszekrécióval, mivel az inzulinról kimutatták, hogy növeli a BOHB-clearance-t és az oxidációt 13 .

Összefoglalva, tanulmányunk azt jelzi, hogy a lehelet-aceton kimutatható mennyiségben van jelen normál személyeknél, és idővel növekszik, ha az alanyok éheznek, de nem akkor, ha szénhidrátot tartalmazó étkezéseket adnak nekik. Ezt azonban nem gátolják a nagyon alacsony szénhidráttartalmú ételek, amelyek korlátozhatják az energiamérleg jelzőjeként történő alkalmazását a speciális diétás alanyokban.

Hivatkozások

Looney, S. M. és Raynor, H. A. Viselkedési életmódbeli beavatkozás az elhízás kezelésében. Health Serv. Betekintés 6., 15–31 (2013).

Samudrala, D. és mtsai. Lélegző aceton az életmódbeli beavatkozások monitorozásához terepi körülmények között: feltáró tanulmány. Obes. Ezüst tavasz Md. 22., 980–983 (2014).

Anderson, J. C. A kilégzési aceton mérése a zsírvesztés nyomon követésére: Felülvizsgálat. Obes. Ezüst tavasz Md. 23, 2327–2334 (2015).

Güntner, A. T. és mtsai. Nem invazív testzsírégés monitorozása kilélegzett acetonból Si-adalékolt WO3-érzékelő nanorészecskékkel. Anális. Chem. 89, 10578–10584 (2017).

Freund, G. Az emberben tesztelt ketogenezis kalóriahiány-hipotézise. Anyagcsere 14, 985–990 (1965).

Kundu, S. K., Bruzek, J. A., Nair, R. & Judilla, A. M. légzési aceton analizátor: diagnosztikai eszköz az étrendi zsírvesztés nyomon követésére. Clin. Chem. 39, 87–92 (1993).

Toyooka, T., Hiyama, S. és Yamada, Y. A hordozható légzés aceton analizátor prototípusa a zsírvesztés nyomon követésére. J. Breath. Res. 7, 036005 (2013).

Freund, G. & Weinsier, R. L. standardizált ketózis emberben közepes láncú triglicerid lenyelés után. Anyagcsere 15, 980–1991 (1966).

Mitchell, G. A. és mtsai. A keton test metabolizmusának orvosi vonatkozásai. Clin. Vizsgálat. Med. Med. Clin. Exp. 18., 193–216 (1995).

Tuzson, B. és mtsai. Rendkívül szelektív illékony szerves vegyületek lélegzetelemzése széles körben hangolható függőleges-külső üregű felületet kibocsátó lézerrel. Anális. Chem. 89, 6377–6383 (2017).

Balasse, E. O. & Fery, F. Keton testgyártás és ártalmatlanítás: az éhezés, a cukorbetegség és a testmozgás hatása. Diabetes Metab. Fordulat. 5., 247–270 (1989).

Reichard, G. A. és mtsai. Plazma-aceton anyagcsere az éhező embernél. J. Clin. Invest. 63, 619–626 (1979).

Keller, U., Lustenberger, M. & Stauffacher, W. Az inzulin hatása a ketontest clearance-ére egy keton test «bilincs» technikával tanulmányozva normális emberben. Diabetologia 31, 24–29 (1988).

Köszönetnyilvánítás

A szerzők elismerik Philipp Scheidegger támogatását a spektrométer elektronikájának fejlesztésében és Curdin Flepp által a légzési minták elemzéséhez. Empa a Zürich Exhalomics és a Hochschulmedizin Zürich részeként járult hozzá forrásokhoz.

Szerzői információk

Ezek a szerzők egyformán járultak hozzá: Fabian Bovey, Jérémy Cros

Hovatartozások

Élettani Tanszék, Biológiai és Orvostudományi Kar, Lausanne-i Egyetem, Lausanne, Svájc

Fabian Bovey, Jérémy Cros, Kevin Seyssel, Philippe Schneiter és Luc Tappy

Empa, a légszennyezés/környezettechnika laboratóriuma, Überlandstrasse 129, 8600, Dübendorf, Svájc

Tuzson Béla & Lukas Emmenegger

Kardio-Metabolikus Központ, Broye Kórház, Estavayer-le-lac, Svájc

A PubMed Google Scholar alkalmazásban is kereshet erre a szerzőre

Levelezési cím

Etikai nyilatkozatok

Összeférhetetlenség

L.T. tanácsadói díjakat kapott a Takeda Pharmaceuticals U.S.A.-tól és az előadó tiszteletdíját az olasz Soremartec Italia srl-től és a svájci Nestlé SA-tól.

További információ

Kiadói megjegyzés: A Springer Nature semleges marad a közzétett térképeken és az intézményi kapcsolatokban szereplő joghatósági igények tekintetében.

Támogatási források: A svájci Nemzeti Tudományos Alapítvány PNR 69-145138 támogatása LE és LT számára. A Fondation Raymond Berger pour l’étude sur le diabète (Lausanne) támogatása az FB-nek