Reggeli elfogyasztása és a késő esti falatozás elkerülése fenntartja a lipid oxidációt

Biológiai tudományok tagozata, Vanderbilt Egyetem, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

A Vanderbilt Egyetem Orvostudományi Karának Molekuláris Élettani és Biofizikai Tanszéke, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

Gasztroenterológiai, hepatológiai és táplálkozási osztály, Vanderbilt University Medical Center, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

Társadalmi Orvostudományi Informatikai Tanszék, Vanderbilt University Medical Center, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

A Vanderbilt Egyetem Orvosi Központjának biostatisztikai tagozatának osztálya, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

Társulás Orvostudományi Tanszék, Vanderbilt Egyetem Orvosi Központ, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok, Tennessee Valley Healthcare System geriátriai kutatási, oktatási és klinikai központ, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

Biológiai tudományok tagozata, Vanderbilt Egyetem, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

Vanderbilt Egyetem, Biológiai Tudományok Tanszék, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok, Molekuláris Élettani és Biofizikai Tanszék, Vanderbilt Egyetem Orvostudományi Kar, Nashville, Tennessee, Amerikai Egyesült Államok

Kevin Parsons Kelly,
Owen P. McGuinness,
Maciej Buchowski,
Jacob J. Hughey,
Heidi Chen,
James Powers,
Terry Page,
Carl Hirschie Johnson

Cikk
Szerzői
Metrikák
Hozzászólások
Média közvetítés
Peer Review

Ábrák

Absztrakt

Idézet: Kelly KP, McGuinness OP, Buchowski M, Hughey JJ, Chen H, Powers J és mtsai. (2020) Reggeli elfogyasztása és a késő esti falatozás elkerülése fenntartja a lipid oxidációt. PLoS Biol 18 (2): e3000622. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000622

Akadémiai szerkesztő: Achim Kramer, Charité - Universitätsmedizin Berlin, NÉMETORSZÁG

Fogadott: 2019. november 13 .; Elfogadott: 2020. január 24 .; Közzétett: 2020. február 27

Adatok elérhetősége: Minden releváns adat megtalálható a dokumentumban és a kiegészítő információkat tartalmazó fájlokban.

Finanszírozás: Ezt a tanulmányt támogatta egy Vanderbilt Discovery Grant (TP-nek), a Vanderbilt Institute for Clinical and Translational Research (VICTR) ID # VR9806 (MB-ig) díj, a Vanderbilt Diabetes Research and Training Center (a Metabolic Physiology Shared Resource segítségével) P60-DK020593; az OPM-hez), az Országos Általános Orvostudományi Intézet (R35 GM124685-től JJH-ig) és az Országos Neurológiai Rendellenességek és Stroke Intézet (R01 NS104497-től CHJ-ig). A finanszírozóknak nem volt szerepük a tanulmányok tervezésében, adatgyűjtésben és elemzésben, a közzétételre vonatkozó döntésben vagy a kézirat elkészítésében.

Versenyző érdeklődési körök: A szerzők kijelentették, hogy nincsenek versengő érdekek.

Rövidítések: BMI, testtömeg-index; CBT, a test testhőmérséklete; CO, szénhidrát oxidáció; LO, lipid oxidáció; MR, anyagcsere sebesség; RER, légzéscsere arány; SCN, szuprachiasmatikus magok; TEF, az ételek termikus hatása

Bevezetés

A fejlett országokban az elhízás járványa tapasztalható, amely számos súlyos egészségügyi problémához vezet, amelyek közül elsősorban a 2-es típusú cukorbetegség, a metabolikus szindróma, a szív- és érrendszeri betegségek és a rák aránya növekszik. Míg a súlygyarapodást és az elhízást elsősorban az étrend és a testmozgás határozza meg, óriási érdeklődés mutatkozik annak lehetősége iránt, hogy az evés napi időzítése jelentős hatással lehet a súlykezelésre [1–3]. Számos fiziológiai folyamat megjeleníti a nappali/éjszakai ritmust, beleértve az etetési viselkedést, a lipid- és szénhidrát-anyagcserét, a testhőmérsékletet és az alvást. Ezeket a napi rezgéseket a cirkadián óra vezérli, amely egy autoregulációs biokémiai mechanizmusból áll, amelyet a test szöveteiben fejeznek ki, és amelyet az agy szuprachiasmatikus magjaiban elhelyezkedő mester pacemaker koordinál (más néven SCN [1,4]). ). A cirkadián rendszer globálisan szabályozza a génexpressziós mintázatokat, így az anyagcsere útjai a nap folyamán eltérően szabályozottak, beleértve a szénhidrát és a lipid katabolizmus közötti váltást [1,3,5–9]. Ezért ugyanazon étel elfogyasztása különböző napszakokban eltérő anyagcsere-kimenetelekhez vezethet, például lipid-oxidációhoz (LO) a felhalmozódáshoz képest; hogy ez igaz-e vagy sem, nem világos.

Az endogén cirkadián rendszer nem optimális fázisa a környezeti nappali/éjszakai ciklussal káros egészségügyi következményekkel jár. A műszakmunkások különösen meggyőző példa, mert munkarendjük megzavarja a belső biológiai óra és a környezeti napi ciklus közötti optimális kapcsolatot, és ez a zavar jól dokumentált egészségügyi csökkenésekhez vezet [6,9–13]. A változó munka időbeli megzavarásában gyakran szerepet játszó bűnös az étkezési szokások és preferenciák megzavarása. Nem emberi emlősökben egy meggyőző irodalom bizonyítja, hogy az etetés biológiai órafázishoz viszonyított időzítésének manipulálása hatékonyan szabályozza az elhízást [1,14,15]. Különösen a korlátozott időtartamú, magas zsírtartalmú étrendet fogyasztó egerek megőrzik az egészséges testsúlyt, ha csak aktív fázisukban etetik őket, de elhíznak, ha a magas zsírtartalmú étrend az inaktív szakaszban van jelen, annak ellenére, hogy a hosszú távú kalóriabevitel és a mozgásszervi aktivitás szintje összehasonlítható a nappali és az éjszakai táplált egerek között [14,15].

Az emberi anyagcsere korábbi vizsgálatai rövidebb megfigyelési időszakokra (kb. 24 óra) azt sugallták, hogy a 24 órás energiafogyasztást sem a reggeli kihagyás, sem a késői vacsora nem befolyásolta jelentősen [22,23]); ezeket a korábbi vizsgálatokat azonban egészséges ázsiai fiatal felnőttekkel végezték, akiknek optimális testtömeg-indexe (BMI) (18,5–25 kg/m 2) csak körülbelül 24 órán át folytatódik, ami nem megfelelő a cirkadián ritmuson alapuló jelenség tanulmányozásához. Sőt, bár ezekben a vizsgálatokban a vércukorszint-különbségről számoltak be a reggeli kihagyás vagy a késői vacsora alkalmával, az LO-t vagy nem befolyásolta (reggeli kihagyás [23]), vagy ellenintuitívan fokozódott (késői vacsora [22]). Ebben a vizsgálatban idősebb kaukázusi felnőtteket (50 éves vagy annál idősebb) figyeltünk meg különböző BMI-vel, mert úgy véltük, hogy sokkal fejlettebb országokban reprezentatívabbak az anyagcserezavarok kockázatának kitett populációkban, mint fiatal és egészséges felnőttek. Mindegyik alany két 56 órás (2,5 d) ülésen esett át egy egész szobás légzőkamrában, és egy randomizált keresztbeépítéssel összehasonlítottuk az egyes alanyok energiakiadását (MR) és RER-jét, amikor ütemezett reggelit, ebédet és vacsora (Breakfast Session), szemben azzal, amikor ebédet, vacsorát és késő esti snacket kaptak (Snack Session).

Míg a 24 órás energiafelhasználás összességében hasonló volt ebben az idősebb alanyok csoportjában, a RER jelentősen különbözött a két ülés között. Arra számítottunk, hogy a fizikai aktivitás, az alvászavar vagy a testhőmérséklet (CBT) napi különbségei differenciális anyagcseréhez vezethetnek, amint azt a RER is tükrözi. Váratlanul azonban adatunk azt mutatta, hogy annak ellenére, hogy a teljes napi energia- és tápanyag-bevitel egyenértékű volt a foglalkozások között, a táplálkozási szempontból egyenértékű 700 kcal-os étkezés napi időzítésének átállítása "reggeliről" késő esti snackre " jelentős hatással van a szénhidrát- és lipid-anyagcserére, így az éjszakai CO-t előnyben részesítették az LO rovására, amikor az alanyok késő esti harapnivalóként ették a 700 kcal-os ételt. Ezért az anyagcsere és a tápanyagok rendelkezésre állásának napi ciklusa megváltoztatja a szubsztrátpreferenciát, így az étkezés időzítése megváltoztatja a kumulatív nettó LO értéket.

Eredmények

Az alapul szolgáló adatokat és elemzéseket lásd az S3 és S4 ábrákon, valamint az S2A és az S2D táblázaton. (A) MR közvetett kalorimetriával egy reprezentatív résztvevő számára (3. tárgy). A 3. alany adatait mozgó átlagként ábrázoljuk 180 adatpont (= 3 óra) felhasználásával, miután az összes pontot az órához igazítottuk, és 24 órás skálán integráltuk. (B) Átlagos MR az összes alanyra a modulo-24 órát ábrázolta. Az adatokat átlagoltuk 1 órás tárolókba, hibasávokkal jelezve a szórást. Az egyes alanyok MR-jeinek adatai külön-külön ábrázolva, lásd az S4 ábrát. (C) A (reggeli - uzsonna) MR-értékek átlagos óránkénti összehasonlítása minden alany esetében. A hibasávok 95% -os megbízhatósági intervallumokat jeleznek, és az értékek vegyes modellelemzésen alapulnak. A csillagok szignifikáns különbségeket jeleznek (p-érték 3. ábra. Az étkezés időzítése megváltoztatja a szubsztrát oxidációját; az alapul szolgáló adatokat és elemzéseket lásd az S5 és S6 ábrákon, valamint az S2E és S2F táblázatot.

(A) Egy reprezentatív alany CO-adatai (# 3) közvetett kalorimetriás mérésekből számítva, a leírtak szerint [26,27]. Az adatokat 3 órás mozgóátlagként ábrázoljuk (180 perc adatpont). (B) Az összes alany napi CO-értékének átlaga a közvetett kalorimetriás mérésekből számítva [26,27], és az 56 órás időbeli adatok diagram-24 órás skálán vannak ábrázolva. Az összes alany átlagolt adatai 1 órás tárolókba vannak rendezve. A 0,130 p-értéke az átlagos (reggeli - uzsonna) különbség páros összehasonlítására utal a teljes 56 órás CO időtartamra vonatkozóan. Lásd az S5 ábrát az egyes alanyok egyenként ábrázolt CO arányainak adataihoz. (C) A (reggeli - uzsonna) CO különbségek átlagos óránkénti összehasonlítása minden alany esetében. A hibasávok 95% -os megbízhatósági intervallumokat jeleznek, és az értékek vegyes modellelemzésen alapulnak. A csillagok szignifikáns különbségeket jeleznek (p-érték 4. ábra. Séma: A késő esti falatozás kölcsönhatásba lép az anyagcsere cirkadián ritmusával, hogy gátolja az LO-t.

(A és B) A szénhidrátok (A panel) és a lipidek (B panel) óránkénti oxidációs aránya a két ülésen. Ezek a görbék a 3. ábra kísérleti adatainak simított változatai. (C) A reggeli versus snack-étkezések kumulált ételfogyasztása. (D és E) A 24 órás ciklus kumulatív oxidációs sebességei az A és B panel görbéiből és a 3. ábra kísérleti adataiból származnak. A D panel kumulatív CO-t, míg az E panel kumulatív LO-t mutat. A vízszintes szaggatott vonalak a szénhidrátok (D) és a lipidek (E) napi összes bevitelét mutatják a kumulatív megfelelő oxidációkkal összehasonlítva. (F) A szénhidrátok és lipidek hozzávetőleges nettó napi tárolása a 3. ábra adataiból és az ábra többi paneljén ábrázolt elemzésekből (tetszőleges egységek) következtetett. A pozitív értékek a szubsztrát felhalmozódásának/tárolásának mértékét, a negatív értékek pedig a szubsztrát oxidációjának ("égés") mértékét jelzik. CO, szénhidrát oxidáció; LO, lipid oxidáció.

Ezeknek az adatoknak az értelmezése azon alapul, hogy a cirkadián óra a nap utolsó étkezése és a cirkadián időzített alvás kezdete között elsősorban CO és elsősorban LO közötti átkapcsolást rendezi [1,3,6,7]. A vacsora és a reggeli közötti böjt helyett, ha egy ember késő este eszik, akkor a szénhidrátok elsősorban az alvás kezdeteként metabolizálódnak, és késleltetik az áttérést elsősorban LO-ra. A 24 órás ciklus alatt a kumulatív CO az összes szénhidrátbevitelhez képest nem volt drámai különbség a két ülés között (4D. Ábra), így a 24 órás nettó szénhidráttárolás hasonló (4F. Ábra). Másrészt a kumulatív 24 órás LO arány a teljes lipidbevitelhez képest lényegesen kisebb, ha a késő esti snackelés visszatartja a lipid katabolizmusra való átmenetet (4E. Ábra), ezáltal csökkentve a lipidkészletek mobilizálódását (azaz a oxidálódó lipidek; 4F. ábra). Éjszaka egyértelmű kompromisszum van a lipid és a CO között; a reggeli ülés egyértelműen az LO-t támogatja a CO költségén (3. és 4. ábra).

Összhangban az étkezés időzítésének megváltoztatásával, a reggeli kihagyásával, az időbeli korlátozással történő etetéssel stb. [21,22,23] kapcsolatos egyéb megállapításokkal, nem találtunk szignifikáns különbséget a teljes energiafelhasználásban a munkamenetek között (2C. Ábra). Ennek ellenére az anyagcserét jelentősen befolyásolta. Különösen az átlagos napi RER magasabb értéket tartott fenn a Snack Sessionben (2E. És 2F. Ábra), ami annak tulajdonítható, hogy késleltetetten lépett be elsősorban az LO módba (2E., 3. és 4. ábra). A csökkent LO végeredménye a fokozott lipidtárolás lesz, ami idővel fokozott zsírbontást eredményez. Ezért idősebb felnőtteknél, akiknél potenciálisan fennáll az anyagcsere-rendellenességek kockázata, az esti étkezés utáni nassolás elkerülése fenntarthatja az LO-t és potenciálisan javíthatja az anyagcsere eredményeit.

Anyagok és metódusok

Etikai nyilatkozat

A vizsgálati protokollt a Vanderbilt Egyetem Humán Kutatási Védelmi Programjának Intézményi Felülvizsgálati Testülete (jóváhagyási szám: 140536) hagyta jóvá, és a ClinicalTrials.gov webhelyen (azonosító: NCT04144426) regisztrálta. A vizsgálat előtt minden alany tájékoztatott és írásbeli beleegyezést írt alá.

Tárgyak

Hat alanyot (4 férfit és 2 nőt) vettek fel először szórólapok és a Vanderbilt Kennedy Center segítségével. Az alanyok 51 és 63 év közöttiek voltak (átlagos életkor 57 év volt), a BMI pedig 22,2 és 33,4 között volt (1. táblázat). A pályázóknak legalább 50 évesnek kellett lenniük, és nem rendelkeztek olyan súlyos egészségügyi szövődményekkel vagy gyógyszerekkel, amelyek befolyásolhatták az anyagcserét (lásd a felvételi/kizárási kritériumokat az S1 szövegben). A nőknek nem kellett posztmenopauzálisnak lenniük ahhoz, hogy részt vegyenek ebben a vizsgálatban, de az életkor követelménye miatt a vizsgálatba felvett összes nő posztmenopauzás volt. Az alanyoknak nem volt korábbi tapasztalata a műszakban. Amikor megkérdezték, a kutatók kérdőívet adtak a jogosultság és az alvási/étkezési szokások felmérésére (lásd: S2 szöveg). Az alanyokat 2015. októbertől 2017. februárig vették fel.

Egész szobás légzőkamra

A Vanderbilt Egyetem szobakalorimétere egy légmentesen zárható helyiség (17,9 m 3), amely a mindennapi élethez olyan környezetet biztosít, amelynek pontosságát dokumentálták (S7 ábra [34]). A szobához van egy bejárati ajtó, egy légzsilip az ételek és egyéb tárgyak átadásához, valamint egy külső ablak. A szoba TV/média rendszerrel, WC-vel, mosdóval, íróasztallal, székkel és kihúzható ággyal rendelkezik, amely lehetővé teszi az éjszakai tartózkodást. A kaloriméter a Vanderbilt Egyetem Klinikai Kutatóközpontjában található, és kaputelefon köti össze a kamrát egy közeli állomással, ahol az ápolók heti 24 órában/héten keresztül szolgálnak. A helyiség hőmérsékletét, légköri nyomását és páratartalmát ellenőrzik és ellenőrzik. A percenkénti energiafelhasználást (kcal/perc) az O2-fogyasztás és a CO2-termelés mért mértékéből számítják ki Weir-egyenlet felhasználásával [35]. A nyers VO2/VCO2 légzési adatokról lásd az S1 adatokat.

Számszerűsítés és statisztikai elemzések

A Breakfast and Snack Session közötti különbségek számszerűsítéséhez párosított t tesztet és lineáris vegyes modellt alkalmaztunk a teljes 56 órás időtartamra a következő mérések mindegyikéhez: MR, aktivitás, CO, LO, RER és CBT . Az egyes méréseket átlagoltuk óránként, az egyes foglalkozások mindegyik alanyának. Vegyes modell alkalmazásával ki tudtuk igazítani az alanyon belüli megfigyelések függőségét. A modell tartalmazott véletlenszerű elfogást és rögzített effektusokat a munkamenethez (reggeli és harapnivaló), napot (faktorváltozóként kezelték és egy nap 15:00 órától másnap 14:59 óráig határozták meg), órát (faktorként kezelték). változó), a munkamenet és a nap, valamint a munkamenet és az óra közötti kölcsönhatás. Ha egy interakció p-értéke nagyobb volt, mint 0,2, akkor ezt a kölcsönhatást eltávolítottuk a modellből.

Óránkénti páros t teszt esetén a 6 mintaméret 80% -os teljesítménnyel képes 1,435 effektusméretet kimutatni (átlagkülönbség/szórásként definiálva), 0,050 kétoldalas szignifikanciaszinttel. Vegyes modellt alkalmaztunk egy integrált elemzés elvégzésére, amely minden órás mérést egyesített. A vegyes modell erősebb, mint egy hagyományos t teszt összehasonlítás, így tanulmányunk vegyes modellből számított effektív mintamérete megközelítőleg 21 [36].

Számítások

A napi CO-t és a napi LO-t kiszámítottuk a közvetett kalorimetriás mérésekből, a leírtak szerint [26,27]. A nitrogén kiválasztási sebesség az alanyokhoz juttatott fehérje mennyiségén, valamint a korábbi, 24 órás nitrogént hasonló paraméterek alkalmazásával végzett monitorozáson alapult [37]. Mivel a fehérjetartalom nem változott az ülések között, azt feltételeztük, hogy a 24 órás nitrogén kiválasztási arány egyenértékű a reggeli és a nassolás során.

Segítő információ

S1 ábra. Aktivitás és CBT minták.

S2. Ábra Az alany önjelölt ütemezése a kísérletbe való belépés előtt.

Az alanyok által az anyagcsere-kamrába való belépés előtti héten önállóan lefekvés és ébredés ideje azt mutatta, hogy az alvás napi fázisa hasonló volt az 56 órás kísérleti idő lefutása előtt és alatt. A fekete négyzetek meghatározzák az lefekvés és az ébredés idejét, a vízszintes vonalak az alvási epizódokat jelzik az anyagcsere-kamrába való belépés előtt (kék vízszintes vonalak) vagy az 56 órás kísérleti idő lefutása alatt (piros vízszintes vonalak). Ezért az alanyok nem tapasztalták a napi ciklusuk fáziseltolódását, amikor beléptek a kísérleti körülmények közé az anyagcsere-kamrában (összehasonlítva az 1. táblázattal).

S3 ábra: Egyedi napi RER adatok.

Az 1–6-os alanyok átlagos RER (VCO2/VO2) értéke reggeli (kék) és snack-munkamenet (piros) alkalmából átlagolva 1 órás intervallumokra. A hibasávok a szórást jelzik. RER, légzéscsere arány.

S4 ábra Egyedi napi MR adatok.

Óránkénti kcal égett az 1–6-os alanyok számára reggelizésük (kék) és snack-munkamenetük (piros) átlagában 1 órás intervallumokban. A hibasávok a szórást jelzik. MR, anyagcsere sebesség.

S5 ábra Egyéni napi CO.

Az 1–6-os alanyok óránként gramm szénhidrátot égettek el reggelizésük (kék) és harapnivalójuk (piros) alkalmukból átlagolva 1 órás intervallumokra. Közvetlen kalorimetriás mérések alapján számított napi CO-értékek a leírtak szerint [26,27]. A hibasávok a szórást jelzik. CO, szénhidrát oxidáció.

S6 ábra Egyéni napi LO.

Óránkénti gramm lipid égett az 1–6 alanyok számára reggelizésük (kék) és harapnivalók (piros) alkalmukból átlagolva 1 órás intervallumokra. Közvetlen kalorimetriás mérésekből számított napi LO-értékek a leírás szerint [26,27]. A hibasávok a szórást jelzik. LO, lipid oxidáció.

S7. Ábra: A Vanderbilt Egyetem teljes teremű kalorimetriai kamrájának konfigurálása és fényképei.

S1 táblázat.

(A) Reprezentatív étkezések, (B) Táplálkozási információk, (C) Táplálkozási információk minden alany számára.

S2 táblázat.

Óráról-órára kevert modell-elemzések az (A) RER, (B) aktivitás, (C) CBT, (D) MR, (E) CO és (F) LO. CBT, a test testhőmérséklete; CO, szénhidrát oxidáció; LO, lipid oxidáció; MR, anyagcsere sebesség; RER, légzéscsere arány.

S3 táblázat. A csúcs/mélység amplitúdó vegyes modell elemzése.

A vegyes modell analízist alkalmaztuk az illesztett maximum és az illesztett minimum közötti különbségre az egyes fiziológiai paraméterek 24 órás napján. A táblázat felsorolja a vegyes modellből származó p-értéket annak megállapítására, hogy a reggeli és a harapnivalók között nem volt statisztikailag szignifikáns változás a csúcs/mélység amplitúdóban a mért paraméterek egyikében sem.