Час правильно передбачити величину схуднення за допомогою дієти

Діана М. Томас

Професор математики та директор Центру кількісних досліджень ожиріння в Університеті штату Монтлер, Монклер, Нью-Джерсі.

М. Крістіна Гонсалес

Ад'юнкт-професор аспірантури в галузі охорони здоров'я та поведінки, Католицький університет Пелотас, Пелотас, РС, Бразилія.

Андреа З. Перейра

координатор відділу харчування, ожиріння та баріатричної хірургії у відділі ендокринології UNIFESP та лікар з питань харчування у відділі онкології HIAE, Сан-Паулу, Бразилія.

Леан М. Редман

член лабораторії репродуктивної ендокринології та здоров'я жінок, Біомедичний дослідницький центр Пеннінгтона, Батон-Руж, штат Лос-Анджелес.

Стівен Б. Хеймсфілд

Професор і Джордж А. Брей-молодший кафедра харчування в Біомедичному дослідницькому центрі Пеннінгтона, Батон-Руж, штат Лос-Анджелес. Він також є Почесним членом Американської дієтичної асоціації.

Розробка правила Вішнофського

Макс Вішнофскі запитав у доповіді 1958 року "Що таке калорійний еквівалент одного фунта набраної або втраченої ваги?" 1 Після вдумливого аналізу існуючої літератури Вішнофський дійшов висновку, що "калорійний еквівалент одного фунта втраченої маси тіла" або "набраної маси становитиме 3500". П’ятдесят років потому, з тисячами цитат у науковій літературі та непрофесійній пресі, Хілл та його колеги повторили часто вживане твердження "для втрати маси тіла на 1 фунт необхідний дефіцит енергії приблизно 3500 ккал" в авторитетному підручнику "Сучасна" Харчування в галузі здоров'я та хвороб. 2 Хілл не один, з тим самим правилом, розміщеним нещодавно на клініках Мейо 3, Livestrong 4 та безлічі інших веб-сайтів. Але застосовуване Правило Вішнофського є неточним, тому багато пацієнтів, що консультуються, дивуються, чому призначена ними втрата ваги набагато менша, ніж очікувалося, навіть якщо вони суворо дотримуються рекомендацій дієтолога.

Лише в рідкісних випадках фактичний звіт Вішнофського 1 посилається належним чином, а оригінальна концепція часто мутується (наприклад, "вага" замінюється "збільшенням або втратою жиру"), оскільки він вірусно поширюється в Інтернеті. Що саме є неточним і навіть науково неправильним із цим піввіковим висловом?

Застосувати Правило Вішньофського для прогнозування величини втрати ваги у фунтах в результаті зменшення споживання енергії (ЕІ, ккал/д) або збільшення виробленої енергії при фізичному навантаженні (ЕО, ккал/д) просто: помножте накладений дефіцит у запасах енергії (ES, ккал/г) за тривалістю дієти (у днях) і розділити на 3500 ккал/фунт. Кілька фундаментальних припущень складають основу Правила Вішнофського: те, що суб'єкт підтримує постійну прописану ЕІ; що на втрату ваги не впливають зміни ЕО; що при низькокалорійному збалансованому харчуванні основна втрата маси тіла походить від жирової тканини; а енергетичний вміст втрати ваги постійний і становить 3500 ккал/фунт або 7700 ккал/кг. За яких умов виконуються ці припущення? Зараз ми критично розглядаємо це питання на шляху до виявлення, чому сучасні програми Правила Вішнофського дають неповний опис кінетики схуднення.

Чому Правило Вішнофського неточне

Щоб зрозуміти, чому застосовуване Правило Вішньофського (дефіцит 3500 ккал → втрата ваги на 1 фунт або 7700 ккал → втрата ваги на 1 кг) застаріле та неточне, нам слід спочатку розглянути те, що ми знаємо про енергетичний баланс та втрату ваги за низькокалорійної дієти сьогодні. Коли суб’єкт у рівновазі ваги зменшує споживання енергії, не змінюючи добровільних витрат енергії (наприклад, за рахунок збільшення або зменшення фізичної активності), настає період негативного енергетичного балансу, який спирається на запаси енергії. Якщо припустити, що суб'єкт споживає низькокалорійну збалансовану макроелементи, втрата ваги триватиме у дві різні фази; фаза швидкої втрати ваги протягом перших кількох днів або тижнів, а потім більш повільна фаза втрати ваги, яка триває до двох років 7,8 .

Втрачена вага ≠ 3500 ккал/фунт, і вихід енергії не є постійним

Хоча терміни метаболічних адаптацій при низькокалорійній дієті не зовсім чіткі щодо ранньої фази схуднення, з часом розвиваються гормональні та нервові регуляторні механізми, які викликають зменшення витрат енергії у спокої, обміну білка та інших метаболічних процесів 10, 11. Знижене споживання енергії також призводить до зниження теплових ефектів годування і, можливо, до рівня термогенезу активності, що не пов’язана з фізичними вправами 10. У сукупності вичерпання наявного глікогенного пулу та метаболічні адаптації знижують швидкість катаболізму білка та витрату енергії з переходом на підвищення рівня окислення жиру 7. Сукупний вплив цих процесів уповільнює швидкість схуднення і переходить до другої фази повільнішого схуднення.

Друга фаза схуднення триває місяцями або роками, хоча дуже мало контрольованих досліджень переходять від шести місяців до одного року, які можуть бути використані для критичної оцінки теоретично отриманих співвідношень енергетичного балансу 7. Оскільки глікоген значною мірою виснажений, окислені вуглеводи в основному надходять із дієти та глюкогенних амінокислот у білках. Баланс азоту (тобто білка) наближається до нуля, рівень стійкого стану залежить від споживання енергії та білка 12. Тригліцериди жирової тканини є основним джерелом енергії в цей період, оскільки швидкість втрати ваги істотно знижується порівняно з раннім періодом дієти. До 24 тижнів виміряний вміст енергії у зміні ваги, який спостерігався у CALERIE I, збільшився із середнього 4-тижневого значення (4858 ± 388 ккал/кг) до 6569 ± 272 ккал/кг (2986 ккал/фунт) 8,9 .

Як і на ранній фазі дієти, склад (і енергетичний вміст) зміни ваги на пізній фазі схуднення змінюється відповідно до базових характеристик суб'єкта, ступеня дефіциту енергії та тривалості дієти 12,13. Важливою особливістю цієї фази схуднення є уповільнення виходу енергії 10. Як зазначалося раніше, споживання енергії в спокої, тепловий ефект годування, термогенез активності без фізичних вправ і навіть термогенез активності зменшуються або можуть бути зменшені порівняно з базовим рівнем. Крім того, зменшення маси тіла супроводжується зменшенням кількості метаболічно активної тканини та меншими енергетичними витратами на діяльність. Тепер обстежуваний помічає поступове уповільнення втрати ваги, у якийсь момент майже непомітне, і врешті припинення схуднення відбувається, коли енергетична рівновага відновлюється на новому нижчому рівні.

Сучасні підходи до прогнозування схуднення

Погляди Вішнофського на динаміку зміни ваги грунтувались на обмеженому розумінні фундаментальних метаболічних процесів того часу, і його просте формулювання було обрамлено враженнями, отриманими в результаті короткочасних досліджень дієт, проведених у невеликих зразках жінок із ожирінням 6 .

Сьогодні ми розглядаємо кінетику зміни ваги при низькокалорійній дієті або переїданні у більш широкому контексті енергетичного обміну та термодинаміки. Трьома основними компонентами простих термодинамічних моделей є EI, EO та ES. Основна увага Вішнофського була зосереджена на взаємозв'язку між ES (тобто EI - EO) та змінами маси тіла з ES/ΔВагою = 3500 ккал/фунт на основі хімічного аналізу жирової тканини Бозенрада 5. Давайте візьмемо приклад з Інтернету, щоб побачити, як зазвичай застосовується Правило Вішнофського та чому воно є неточним:

“Щоб отримати уявлення про те, скільки ваги ви можете схуднути, пам’ятайте, що щоб схуднути на один кілограм, потрібно зменшити споживання калорій на 3500 калорій. Отже, якщо ви заміните соду водою і не заміните ці калорії в іншому місці дієти, ваша потенційна втрата ваги може бути значною ». "Щодня замінюйте банку кока-колу на 12 унцій водою та заощаджуйте 51 100 калорій на рік або близько 15 фунтів на рік 14".

Банка коксу на 12 унцій становить 140 ккал, отже, через 365 днів (1 рік) без цієї банки соди ES становить -51 100 ккал (-140 ккал/д × 365 д), і це значення, поділене на 3500 ккал/фунт, дорівнює до

15 фунтів, округлених до найближчого цілого числа. Почнемо наш критичний аналіз із припущення, що ЕІ обстежуваного зменшується на 140 ккал/добу за рахунок зменшення споживання однієї банки підсолодженої цукрової соди щодня. За цих умов EI є постійним (тобто базовий EI мінус 140 ккал/д), але замість EO та ES/We Вага є постійним, як передбачає Вішнофський, обидва змінюються з часом. По-перше, ЕО зменшується під час негативного енергетичного балансу з причин, згаданих раніше: наявність метаболічних адаптацій, зменшений термічний ефект їжі та термогенез активності, що не пов’язані з фізичними вправами, можливе зниження фізичної активності; і втрата тепла тіла, що утворює нежирні тканини. Коли зниження EO від вихідного рівня досягне рівно 140 ккал/добу, втрата ваги обстежуваного стане плато при новій зниженій вазі. Щоб досягти стабільного вагового плато, часто потрібні місяці або навіть роки 10 .

Подібним чином, вміст енергії у зміні ваги (ES/ΔW) не є постійним на рівні 3500 ккал/фунт, але змінюється з часом. Значення значно нижчі за 3500 ккал/фунт під час ранньої фази швидкої втрати ваги і наближаються до 3500 ккал/фунтів або 7700 ккал/г під час другої фази повільнішого схуднення 8. І жирова, і нежирна тканини втрачаються і роблять це передбачувано, коли організм переходить на нове плато для схуднення 13,15 .

З часів піонерської роботи Антонетті інші почали використовувати більш досконалі моделі динамічного прогнозування втрати ваги. Дві широко застосовувані моделі, засновані на термодинамічних принципах, легкодоступні для дієтологів. Обидві моделі розроблені навколо першого закону термодинаміки, який на практиці стверджує, що швидкість зміни запасів енергії тіла дорівнює різниці між швидкістю споживання та виходу енергії (тобто ES = EI - EO). Енергетична рівновага, стабільні запаси енергії та постійна вага тіла досягаються з часом, коли енергія, яка потрапляє в організм, вживає баланс втрат енергії через тепло, шкіру, сечу та стілець.

Наявні динамічні моделі прогнозування втрати ваги сформульовані навколо цих термодинамічних концепцій і розроблені з використанням класичних математичних інструментів, що включають числення. Щоб зрозуміти основу цих моделей, ми можемо повернутися до нашого попереднього веб-прикладу та вивчити фізіологічні події, що відбуваються, коли людина знижує щоденне споживання рідини, замінюючи одну банку газованої води еквівалентною кількістю води. Зменшення споживання енергії на 140 ккал/день призведе до негативного негативного енергетичного балансу. Вага гіпотетично зменшиться протягом першої доби, і ця зміна ваги матиме низьку щільність енергії, оскільки пропорційно велика кількість глікогену, білка та води катаболізується, щоб заповнити дефіцит калорій. Щільність енергії зміни ваги з часом поступово збільшуватиметься із вичерпанням доступних запасів глікогену, а в міру активації адаптацій у білковому та енергетичному обміні рухається до пізньої фази схуднення. Моделісти будують свої динамічні рівняння з розумінням цих процесів разом із впливом індивідуального базового складу тіла, статі, віку та зросту і не покладаються на передбачуване стабільне значення щільності енергії в 3500 ккал/фунт (7700 ккал/кг).

Очевидно, що доступні моделі набагато складніші, ніж просте формулювання, задумане Вішнофським 1. Моделі Thomas 10,18 та Hall 19,20 припускають, що вага тіла розподілена на жир і знежирену масу, і вони пов'язують зміни маси цих двох відділень із відповідними змінами в запасах енергії. Модельні терміни енерговитрат розробляються з деякими відмінностями між двома моделями, враховуючи зміни у споживанні енергії у спокої, добровільній фізичній активності, спонтанній фізичній активності, тепловому ефекті годування та біохімічній ефективності, пов’язаній із синтезом жиру та білка. Виведення термінів моделі Томаса та Холла з'являється в більш пізніх публікаціях 20,21. Обидві моделі перевірені посиланням на експериментальні дані 18–21, і користувачі можуть імітувати оцінку моделі зміни ваги за допомогою вільно доступних та завантажуваних веб-програм 22,23 .

величину

Прогнозовано в порівнянні з фактичною вагою на 12 тижні для моделей Томаса та Вішнофського (верхні панелі) серед учасників дослідження CALERIE I 8,9. Прості результати лінійної регресії (суцільна лінія та рівняння) включені у кожну верхню панель; пунктирна лінія представляє лінію ідентифікації. Ділянки Бленда-Альтмана представлені на нижніх фігурних панелях суцільною горизонтальною лінією, що представляє зміщення (середнє відхилення прогнозованої ваги від фактичної ваги). Пунктирні горизонтальні лінії представляють 95% довірчі інтервали.

Прогнозовано щодо фактичної ваги на 24 тижні для моделей Томаса та Вішнофського (верхні панелі) серед учасників дослідження CALERIE I 8,9. Прості результати лінійної регресії (суцільна лінія та рівняння) включені у кожну верхню панель; пунктирна лінія представляє лінію ідентифікації. Ділянки Бленда-Альтмана представлені в нижній частині фігурних панелей суцільною горизонтальною лінією, що представляє середнє відхилення прогнозованої ваги від фактичної ваги. Пунктирні горизонтальні лінії представляють 95% довірчі інтервали.

Модель Вішнофського передбачала втрату ваги на 15 кг протягом року для нашого попереднього веб-прикладу заміни води калорійною содою (рис. 3). На відміну від цього, динамічні рівняння в цьому прикладі передбачають втрату ваги на 5,7 фунтів за моделлю Томаса 10,24, 8,2 фунтів за моделлю Холла 19,20 та 8,4 фунтів для моделі Антонетті 16 для представницької жінки із зайвою вагою (30 років) років, зріст 1,68 м, вага 76 кг і ІМТ 27 кг/м 2).

Зміна маси тіла (виражена у фунтах), передбачена моделями Thomas 10, Hall 19,20, Antonetti 16 та Wishnofsky 1, коли жінка із зайвою вагою (вік 30 років, зріст 168 см, вага 76 кг, ІМТ 27 кг/м 2) зменшує її споживання однією содою (140 ккал) на день. Дисперсія при зменшенні споживання для моделі Томаса виражається довірчими інтервалами Бленда Альтмана, розрахованими для дослідження CALERIE, як представлено на малюнках 1 та та 2 2 9,24 .

Як показано на прикладах CALERIE та соди, концептуальні та математичні недоліки в моделі Вішнофського стають більш вираженими із більшими екстраполяціями зміни ваги з часом.

Висновки

Чи можна закони термодинаміки з математикою, що застосовуються у фізиці та хімії, взяти на консультацію для пацієнтів, яка включає забезпечення очікувань щодо схуднення за допомогою дієти? З одного боку, у нас є Правило Вішнофського, яке є простим у застосуванні, але йому бракує сучасної наукової основи і веде до великої помилки в прогнозуванні втрати ваги, навіть у короткостроковій перспективі. З іншого боку, ми маємо складні перевірені динамічні рівняння втрати ваги, які мають міцні наукові основи і мають більш точне та реалістичне прогнозне значення втрати ваги. Інтуїтивний шлях вперед полягає у застосуванні цих моделей динамічного прогнозування на безлічі веб-сайтів з питань харчування, додатків стільникових телефонів та портативних комп’ютерних пристроїв, які тепер стають загальнодоступними.

Замість того, щоб просувати ці новіші моделі динамічного прогнозування втрати ваги як остаточні, ми лише розпочали складний процес побудови та перевірки. Моделі, що базуються на термодинаміці, покладаються на дані про енергію та метаболізм, що містять похибку вимірювань, і ця похибка поширюється на моделі. Більше того, завжди існує ступінь індивідуальних біологічних варіацій, яку неможливо визначити за допомогою моделі, побудованої частково із середніх показників популяції. Потрібно набагато більше досліджень щодо вдосконалення модельних термінів, надання більш точних емпірично отриманих коефіцієнтів, включаючи дозозалежний вплив фізичних вправ або вплив зміни ваги при наявності хвороби, а також ефективну доставку через програмне забезпечення, розроблене для клінічних застосувань. Просування цього підходу вперед посилить зв’язок між сучасною дієтологією та основними харчовими та фізичними науками.

Подяки

ФІНАНСУВАННЯ/ПІДТРИМКА:

Один автор підтримується стипендією Інституту фармацевтичних наук про життя Германа і Маргрет Сокол, грант NIH R15 DK090739, а інший грантами NIH R00HD060762 та U01> DK094418.

Скорочення

Виноски

Заява видавця: Це PDF-файл нередагованого рукопису, який прийнято до друку. Як послуга для наших клієнтів ми надаємо цю ранню версію рукопису. Рукопис пройде копіювання, набір версій та перегляд отриманого доказу, перш ніж він буде опублікований у остаточній формі. Зверніть увагу, що під час виробничого процесу можуть бути виявлені помилки, які можуть вплинути на вміст, і всі юридичні застереження, що стосуються журналу, стосуються.

ЗАЯВА ПРО ПОТЕНЦІАЛЬНИЙ КОНФЛІКТ ІНТЕРЕСІВ: Один автор - консультант Дженні Крейг. Жоден зі слідчих не повідомляє про конфлікт інтересів для цього дослідження.

Інформація про учасника

Діана М. Томас, професор математики та директор Центру кількісних досліджень ожиріння, Державний університет Монтлера, Монклер, Нью-Джерсі.

М. Крістіна Гонсалес, ад'юнкт-професор аспірантури в галузі охорони здоров'я та поведінки, Католицький університет Пелотас, Пелотас, РС, Бразилія.

Андреа З. Перейра, координатор відділу з питань харчування, ожиріння та баріатричної хірургії в Ендокринологічному відділі UNIFESP та лікар з питань харчування в онкологічному відділі HIAE, Сан-Паулу, Бразилія.

Лін М. Редман, член лабораторії репродуктивної ендокринології та здоров'я жінок, Біомедичний дослідницький центр Пеннінгтона, Батон-Руж, штат Лос-Анджелес.

Стівен Б. Хеймсфілд, професор і Джордж А. Брей-молодший, кафедра харчування в Біомедичному дослідницькому центрі Пеннінгтона, Батон-Руж, штат Лос-Анджелес. Він також є Почесним членом Американської дієтичної асоціації.