Банани як джерело енергії під час фізичних вправ: підхід до метаболоміки

Девід С. Німан

1 Лабораторія людської діяльності, Аппалачський державний університет, Дослідницький містечко Північної Кароліни, Каннаполіс, Північна Кароліна, Сполучені Штати Америки,

Ніколас Д. Гілліт

2 Дольська лабораторія з питань харчування, Північна Кароліна, Кампус, Каннаполіс, Північна Кароліна, Сполучені Штати Америки,

Дру А. Хенсон

3 Департамент біології Аппалачського державного університету, Бун, Північна Кароліна, Сполучені Штати Америки,

Вей Ша

4 Відділ послуг з біоінформатики, Університет Північної Кароліни в Шарлотті, Дослідницький містечко Північної Кароліни, Каннаполіс, Північна Кароліна, Сполучені Штати Америки,

Р. Ендрю Шанелі

Емі М. Кнаб

Лін Сіальделла-Кам

Фуксія Джин

2 Дольська дослідницька лабораторія харчування, Північна Кароліна, Кампус, Каннаполіс, Північна Кароліна, Сполучені Штати Америки,

Задумав та спроектував експерименти: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ. Виконував експерименти: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ. Проаналізовано дані: DCN WS. Внесені реактиви/матеріали/інструменти для аналізу: NDG DAH RAS AMK LCK FJ. Написав папір: DCN NDG DAH WS RAS AMK LCK FJ.

Анотація

Вступ

Сильні навантаження спричиняють тимчасове запалення та окислювальний стрес, а також широкі порушення в імунній системі [1] - [7]. Різні харчові агенти були протестовані на їх здатність послаблювати ці показники фізіологічного стресу, одночасно підтримуючи фізичні вправи та відновлення [2].

Банани є економічно ефективним джерелом енергії і використовуються спортсменами на витривалість через уявлення, що вони є хорошим джерелом вуглеводів та калію. Один середній банан (~ 118 г) містить близько 27 г вуглеводів (вдвічі менше цукру), 3,1 г харчових волокон, 105 кілокалорій і є хорошим джерелом калію (422 мг) і вітаміну В6 (0,43 мг) [8]. 14,4 г цукру в середньому банані - це суміш глюкози (5,9 г), фруктози (5,7 г) та сахарози (2,8 г) [8]. Глікемічний індекс бананів становить 51 (низький і середній рейтинг), як і виноград, манго, ананаси, родзинки, макарони, апельсиновий сік і мед [9]. Антиоксидантна цінність бананів, описана в одиницях ORAC, становить 1037 мкмоль TE, що схоже на фрукти ківі та апельсиновий сік [10]. Таким чином, банани представляються унікальною сумішшю вуглеводів, поживних речовин та антиоксидантів, які можуть забезпечити хорошу підтримку харчування під час тривалих та інтенсивних фізичних навантажень, однак опублікованих даних досліджень, проведених серед людей-спортсменів, бракує [11].

У попередніх дослідженнях, проведених нашою дослідницькою групою, ми показали, що 60 г вуглеводів на годину у формі напою відносно плацебо частково протидіяло збільшенню цитокінів та змінам вродженого імунітету, викликаному фізичними вправами [3] - [5]. Метою цього дослідження було порівняння гострого ефекту прийому всередину бананів проти 6% вуглеводного напою на 75-кілометрові результати випробувань на час їзди на велосипеді, запалення, спричинене фізичними вправами, окислювальний стрес та здатність, а також зміни імунної функції у підготовлених велосипедистів. Метаболоміка - це вимірювання малих молекул або метаболітів, присутніх у біологічних зразках, для з’ясування ефекту певного стимулу на метаболічні шляхи, і все частіше використовується в дослідженнях спортивного харчування [2] - [18]. Складні взаємозв'язки між вживанням цілісних продуктів або поживних коктейлів спортсменами під час фізичних вправ найкраще вивчити, використовуючи інструмент метаболоміки. Для поліпшення інтерпретації основних метаболічних процесів у порівнянні між бананами та 6% вуглеводним напоєм аналізували зразки крові до та після тренування на нецільові зрушення метаболітів за допомогою мас-спектрометрії газової хроматографії.

Методи

Предмети

Серед випробовуваних було 14 велосипедистів чоловічої статі (віком від 18 до 45 років), які регулярно брали участь у дорожніх перегонах (категорія від 1 до 5) та мали досвід проведення велопроб. Випробовувані нормально тренувались, підтримували вагу та уникали вживання великих доз вітамінно-мінеральних добавок, трав та ліків, які, як відомо, впливають на запалення та імунну функцію протягом усього дослідження. Усі випробувані підписали інформовану згоду, і всі процедури навчання були затверджені Інституційною комісією з розгляду в Аппалачському державному університеті.

Дизайн досліджень

За тиждень до першого випробування на 75 км, кожен спортсмен пройшов орієнтаційне/базове тестування в лабораторії людських показників у дослідницькому містечку Північної Кароліни, що управляється Аппалачським державним університетом у Каннаполісі, штат Північна Кароліна. Демографічні та навчальні історії отримували за допомогою анкет. Під час орієнтації дієтолог вказував випробовуваним дотримуватися дієти з помірним вмістом вуглеводів (використовуючи наданий список продуктів харчування) протягом 3-х періодів перед кожним 75-кілометровим випробуванням. Випробовувані фіксували споживання їжі у тривимірних записах про їжу, а потім аналізували за допомогою комп’ютеризованої програми оцінки дієти щодо вмісту енергії та макроелементів (Кухонний комбайн; ESHA Research, Салем, ОР).

Під час базового тестування вимірювали максимальну потужність, споживання кисню, вентиляцію та частоту серцевих скорочень під час градуйованого фізичного навантаження (25 Вт збільшуються кожні дві хвилини, починаючи з 150 Вт) за допомогою метаболічного візка Cosmed Quark CPET (Рим, Італія) та Lode велоергометр (Lode Excaliber Sport, Lode BV, Гронінген, Нідерланди). Склад тіла вимірювали за допомогою аналізатора складу тіла Bod Pod (Life Measurement, Concord, CA).

За тиждень після базового тестування випробовувані пройшли перше 75-метрове випробування. Випробовуваних рандомізували на бананові та 6% вуглеводні напої, а потім переправляли на протилежні умови під час другого 75-кілометрового випробування через три тижні. На дату кожної 75-км сеансу хронометражу випробовувані споживали стандартизовану їжу о 12:00 опівдні, що складалася з Boost Plus по 10 ккал/кг (41,9 кДж/кг) (Boost Plus; Mead Johnson Nutritionals, Evansville, IN). Випробовувані звітувались у лабораторію о 14:45 вечора та надавали зразок крові. О 14:50 випробовувані вживали 0,4 г/кг вуглеводів з бананів (BAN) або зі стандартного 6% вуглеводного напою (CHO) (Gatorade ™, Чикаго, Іллінойс). Випробовувані поглинали 0,2 г/кг маси тіла кожні 15 хвилин BAN або CHO під час 75-часових випробувань. БАН були спожиті з водою, щоб дорівнювати спожитому з СНО. БАН були надані Dole Foods (село Вестлейк, Каліфорнія) і знаходились на стадії дозрівання шостого рівня (повністю жовті без коричневих плям).

Суб'єкти їздили на велосипеді (старт о 15:00) на власних велосипедах на тренажерах CompuTrainer Pro Model 8001 (RacerMate, Сіетл, Вашингтон) з частотою серцевих скорочень та рейтингом сприйняття навантажень (RPE), що реєструються кожні 30 хвилин, а робоче навантаження постійно контролюється за допомогою CompuTrainer MultiRider програмна система (версія 3.0, RacerMate, Сіетл, Вашингтон). Гірський 75-кілометровий шлях із помірною складністю був обраний і запрограмований в програмну систему для використання в кожному часовому випробуванні. Зразки капілярної крові пальця на пальці відбирали за допомогою мікрокапілярних пробірок, викладених гепарином, перед вправою, через 1 годину на 75-кілометровому випробуванні та після тренування. Зразки крові негайно поміщали в пробірки для мікрофуг, вистелені дикалієвою сіллю ЕДТА (RAM Scientific Inc., Німеччина), та аналізували за допомогою аналізатора глюкози та лактату YSI 2300 STAT Plus (Yellow Springs, OH).

Зразки крові відбирали за допомогою венепункції відразу після завершення 75-метрового випробування, а потім 1 годину після тренування. Випробовувані заповнювали журнали симптомів, до яких входили питання про стан травлення (печія, здуття живота, діарея та нудота). Випробовувані вказували відповіді за допомогою 12-бальної шкали Лікерта, причому 1 відноситься до "взагалі немає", 6 "помірний" і 12 "дуже високий".

Повний аналіз крові

Рутинний загальний аналіз крові проводився нашою клінічною гематологічною лабораторією з використанням гематологічного аналізатора Coulter Ac.TTM 5Diff (Beckman Coulter, Inc., Miami, FL) та забезпечував гемоглобін та гематокрит для визначення зміни обсягу плазми [19].

Цитокіни плазми

Загальна концентрація дев'яти запальних цитокінів у плазмі крові (IL-6, TNFα, фактор стимулювання колонії гранулоцитів-макрофагів [GM-CSF], IFNγ, IL-1β, IL-2, IL-8, IL-10 та IL-12p70) визначали за допомогою твердофазного імуноаналізу на основі твердофазної електрохімілюмінесценції (Meso Scale Discovery, Гейтерсбург, штат Меріленд, США). Всі зразки та наведені стандарти аналізували у двох примірниках, а коефіцієнт CV у межах аналізу коливався від 1,7 до 7,5%, а CV між тестами - від 2,4 до 9,6% для всіх виміряних цитокінів. Мінімальна виявляється концентрація IL-6 становила 0,27 пг/мл, TNFα 0,50 пг/мл, GM-CSF 0,20 пг/мл, IFNγ 0,53 пг/мл, IL-1β 0,36 пг/мл, IL-2 0,35 пг/мл, IL-8 0,09 пг/мл, IL-10 0,21 пг/мл та IL-12p70 1,4 пг/мл. Зразки до та після вправ на цитокіни аналізували на одній і тій же планшеті для зменшення варіабельності аналізу між наборами.

Окислювальний стрес та антиоксидантна здатність

F2-ізопростати плазми визначали за допомогою мас-спектрометрії газової хроматографії (GC-MS) [20]. Плазму збирали з гепаринізованої крові, негайно заморожували у рідкому азоті і зберігали при -80 ° C. Безпосередньо перед аналізом зразки плазми розморожували. Зразки використовувались для вилучення вільних F2-ізопростанов з дейтерованим [2 H4] простагландином F2α (PGF2α), доданим як “внутрішній” стандарт. Потім суміш додавали до колонки C18 Sep Pak, після чого проводили екстракцію твердофазним діоксидом кремнію. F2-ізопростани перетворювали на пентафторбензилові ефіри, піддавали тонкошаровій хроматографії та перетворювали на похідні триметилсилилового ефіру. Зразки аналізували за допомогою хімічної іонізації з негативним іоном GC-MS, використовуючи газову хроматографію Agilent 6890N, пов’язану з інертним мас-спектрометром Agilent 5975B (Agilent Technologies, Inc. Санта-Клара, Каліфорнія).

Загальну потужність антиоксидантів у плазмі визначали за допомогою аналізу заліза на зниження здатності плазми (FRAP), одиничної реакції переносу електронів [21]. Цей аналіз використовує водорозчинні антиоксиданти, природні для плазми, зібраної з крові, обробленої ЕДТА, для відновлення заліза із заліза до залізної форми, що згодом виробляє хромоген, який можна ідентифікувати при 593 нм. Зразки та стандарти виражаються як еквіваленти аскорбату на основі стандартної кривої аскорбату. Коефіцієнти варіації між аналізами та між аналізами були менше 5% та 7% відповідно.

Аналіз дофаміну в бананах Кавендіш

Гідрохлорид дофаміну (4- (2-аміноетил) бензол-1,2-діол гідрохлорид, 99%) був придбаний у Acros Organics (Нью-Джерсі). Банани Cavendish (стадія дозрівання 6) отримували у місцевому продуктовому магазині та аналізували їх у день покупки. Приблизно 50 грам м'якоті банана змішували зі 150 мл 70% -ного водного метанолу протягом трьох хвилин і аналізували на вміст дофаміну за допомогою рідинної хроматографії електророзпилювальної іонізаційної тандемної мас-спектрометрії (LC-ESI-MS-MS) (система Thermo Scientific LTQ Velos, West Палм-Біч, Флорида).

Гранулоцитарний та моноцитарний фагоцитоз, окислювальна активність

Метаболоміка

Усі зразки (як екстракти плазми, так і стандарти для внутрішньої бібліотеки) аналізували на системі GC Agilent 7890A, поєднаній з мас-селективним детектором Agilent 5975C EI/CI. Файли необроблених даних, створені GC-MS, були перетворені у формат NetCDF. Перетворені дані обробляли за допомогою програмного забезпечення Leco ChromaTOF v4.24 (Сент-Джозеф, Мічиган), включаючи зниження рівня шуму, згладжування, збір піків та вирівнювання пікових сигналів (сигнал-шум ≥30). Анотацію метаболітів проводили, порівнюючи невідомі схеми сигналів з досліджуваних зразків із типовими еталонами з внутрішньої бібліотеки, що містить приблизно 600 метаболітів людини (Sigma-Aldrich, Сент-Луїс, Міссурі), встановлених на системі GC-MS. Комерційні бібліотеки, включаючи бібліотеку NIST 2008 та LECO/Fiehn Metabolomics Library для даних метаболомів GC-MS (поріг подібності 70%), також використовувались для додаткової анотації складових. Гептадеканова кислота була додана до досліджуваних зразків як внутрішній стандарт для моніторингу аналітичних змін протягом усього процесу підготовки та аналізу зразків, і точність була розрахована шляхом ін'єкції шести випадково відібраних проб п'ять разів. Середнє значення CV для гептадеканової кислоти становило менше 5%, а середнє значення CV для всього аналізу зразків становило 15,3%.

Статистичний аналіз

Результати

Чотирнадцять випробовуваних завершили всі аспекти дослідження, а характеристики випробовуваних свідчили про те, що вони були добре підготовленими та досвідченими велосипедистами (середній вік 37,0 ± 7,1 року, жир у тілі 17,8 ± 4,5%, максимальна потужність 379 ± 46,8 Вт, VO2max 58,6 ± 5,2 мл. Кг. . − 1 хв -1, історія тренувань та перегонів 8,4 ± 6,4 у). У середньому обстежувані випромінювали 272 ± 86,1 км/тиждень за 3 місяці до дослідження. Триденні записи про їжу перед кожним із двох часових випробувань не виявили суттєвих відмінностей у споживанні енергії та макроелементів. Споживання енергії становило 2486 ± 625 ккал/добу (10,5 ± 2,47 МДж/добу) та 2539 ± 662 ккал/добу (10,2 ± 2,66 МДж/добу), при цьому вуглеводи становили 60,4 ± 5,6% та 59,4 ± 6,0%, білки 15,9 ± 2,2 % та 16,1 ± 3,4%, а жиру 23,7 ± 5,6% та 24,5 ± 5,2% загальної енергії для умов БАН та СНО відповідно. Триденні записи про їжу також не виявили суттєвих відмінностей у вмісті калію 2041 ± 700 мг та 2454 ± 625 мг, вітаміну С 102 ± 58,0 та 115 ± 76,0 мг та клітковини 30,5 ± 10,3 г та 33,8 ± 11,0 г для БАН та CHO відповідно.

Середня потужність (225 ± 43,0, 233 ± 43,8 Вт, P = 0,178), частота серцевих скорочень (91,1 ± 4,9, 89,3 ± 3,4% HRmax, P = 0,096), рейтинг сприйманого навантаження (14,6 ± 1,5, 14,4 ± 1,1 одиниць RPE, P = 0,613), а загальний час (2,41 ± 0,22, 2,36 ± 0,19 год, P = 0,258) не відрізнялись між випробуваннями на час велосипедного руху на БАН та CHO на 75 км відповідно. Структури збільшення з плином часу під час 75-кілометрових випробувань були подібними між BAN та CHO для глюкози в сироватці крові (23% та 19% відповідно, ефект взаємодії, P = 0,849) та лактату крові (220% та 227%, відповідно, ефект взаємодії, P = 0,439). Середнє споживання вуглеводів під час випробувань BAN та CHO становило 150 ± 19,5 грам. Суб'єкти повідомляли, що відчували себе значно ситішими (P = 0,003) та роздутими (P = 0,014) під час дослідження BAN проти CHO. Випробовувані втратили на 0,4 кг більшої маси тіла під час дослідження BAN проти CHO (середня зміна ваги, -1,5 ± 0,7, -1,1 ± 1,1 кг, відповідно, P = 0,015). Зміщення обсягу плазми становило менше 2% після фізичних вправ і не відрізнялося між випробуваннями (P = 0,711).

Структури збільшення плазмових F2-ізопростанов не відрізнялися між дослідженнями BAN та CHO (табл. 1). Структура збільшення фізичних вправ FRAP була вищою у BAN порівняно з CHO (31% проти 18%, відповідно, ефект взаємодії, P = 0,012) (Таблиця 1). Збільшення, спричинене фізичними вправами, вимірювали для п’яти з дев’яти цитокінів, з значно вищими рівнями велосипедного руху після 75 км у БАН для IL-8 та IL-10 (табл.

Таблиця 1

Змінна	Попередньо вправа	Після вправи	1 год після вправ	Час; значення взаємодії Р
TNFα (пг/мл)
БАН	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 (MFI)
БАН	270 ± 71,1	373 ± 134	435 ± 171	0,001; 0,215
CHO	284 ± 134	321 ± 164	346 ± 147
MO-PHAG (MFI)
БАН	137 ± 50,9	233 ± 104	281 ± 117	*	575 ± 76,0 *	* P Таблиця 1). Активність окисного вибуху GR та MO (OBA) не змінювалась після тренування, і різниці в дослідженні не вимірювали.

З 103 метаболітів, виявлених за допомогою нашої системи метаболоміки GC-MS, 56 мав значний часовий ефект після 75-кілометрових велосипедних сутичок. Лише один (дофамін) з 56 метаболітів мав характер змін, який відрізнявся між BAN і CHO, і загальні ефекти лікування не відокремлювались за допомогою моделювання PLS-DA. Дофамін значно збільшився в БАН порівняно з СНО, як показано на малюнку 1 (ефект взаємодії, Р Малюнок 2 візуалізував загальні метаболічні відмінності між вправою, безпосередньо після тренування та 1 год після вправи, вказуючи на чітке розмежування часу пункти з деяким перекриттям між часовими моментами після двох вправ [R 2 Y (сперма) = 0,869, Q 2 (сперма) = 0,766]. З 56 метаболітів зі значними (рН-значення, скориговане з урахуванням FDR Таблиця 2. З 15 метаболітів, п'ять (2-гідроксимасляна кислота, 2-аміномасляна кислота, L-глутамінова кислота, L-метіонін та L-пролін) були пов'язані з виробництвом глутатіону в печінці, чотири (пальмітолеєва кислота, пальмітинова кислота, олеїнова кислота та гептадеканова кислота) до метаболізму ліпідів три (2,3,4-тригідроксибутанова кислота, D-фруктоза та піровиноградна кислота) до метаболізму вуглеводів, дві (яблучна кислота та бурштинова кислота) були проміжними в циклі трикарбонової кислоти (цикл ТСА), а одна ( L-ізолейцин) був амінокислотою з розгалуженим ланцюгом.