Сніданок та уникання перекусів пізно ввечері підтримують окислення ліпідів

Афілійований відділ біологічних наук, Університет Вандербільта, Нашвілл, штат Теннессі, Сполучені Штати Америки

Афілійований відділ молекулярної фізіології та біофізики Медичної школи Університету Вандербільта, Нашвілл, штат Теннессі, Сполучені Штати Америки

Афілійований відділ гастроентерології, гепатології та харчування, Медичний центр університету Вандербільта, Нашвілл, Теннессі, Сполучені Штати Америки

Афілійований відділ біомедичної інформатики, Медичний центр Університету Вандербільта, Нашвілл, Теннессі, Сполучені Штати Америки

Афілійований відділ біостатистики, Медичний центр університету Вандербільта, Нашвілл, штат Теннессі, Сполучені Штати Америки

Медичний факультет Медичного центру Університету Вандербільта, Нашвілл, штат Теннессі, Сполучені Штати Америки, Система охорони здоров'я долини Теннессі, геріатричні дослідження, освіта та клінічний центр, Нашвілл, штат Теннессі, Сполучені Штати Америки

Відділення біологічних наук, Університет Вандербільта, Нашвілл, штат Теннессі, Сполучені Штати Америки, Департамент молекулярної фізіології та біофізики, Медичний факультет Університету Вандербільта, Нашвілл, штат Теннессі, Сполучені Штати Америки

Кевін Парсонс Келлі,
Оуен П. Макгінес,
Мацей Буховський,
Джейкоб Дж. Хьюгі,
Хайді Чен,
Джеймс Пауерс,
Террі Пейдж,
Карл Гірші Джонсон

Стаття
Автори
Метрики
Коментарі
Висвітлення в ЗМІ
Експертна оцінка

Цифри

Анотація

Цитування: Келлі К.П., Макгіннес О.П., Буховскі М., Хьюї Дж. Дж., Чен Х., Пауерс Дж. Та ін. (2020) Сніданок та уникання перекусів пізно ввечері підтримують окислення ліпідів. PLoS Biol 18 (2): e3000622. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3000622

Академічний редактор: Ахім Крамер, Charité - Universitätsmedizin Berlin, НІМЕЧЧИНА

Отримано: 13 листопада 2019 р .; Прийнято: 24 січня 2020 р .; Опубліковано: 27 лютого 2020 р

Наявність даних: Усі відповідні дані знаходяться в газеті та в допоміжних файлах.

Фінансування: Це дослідження було підтримано грантом Vanderbilt Discovery (для ТП), Інститутом клінічних та поступальних досліджень (VICTR) ID ID VR9806 (для МБ), Центром досліджень та підготовки діабету Вандербільта (через спільний ресурс Метаболічної Фізіології, спільний P60-DK020593; до OPM), Національного інституту загальних медичних наук (R35 GM124685 до JJH) та Національного інституту неврологічних розладів та інсульту (R01 NS104497 до CHJ). Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Скорочення: ІМТ, індекс маси тіла; CBT, температура тіла; СО, окислення вуглеводів; LO, окислення ліпідів; МР, швидкість метаболізму; RER, коефіцієнт дихального обміну; SCN, супрахіазматичні ядра; ТЕФ, термічний ефект їжі

Вступ

Розвинені країни переживають епідемію ожиріння, яка призводить до багатьох серйозних проблем зі здоров’ям, серед яких головним є збільшення рівня діабету 2 типу, метаболічного синдрому, серцево-судинних захворювань та раку. Хоча збільшення ваги та ожиріння в основному визначаються дієтою та фізичними вправами, існує величезний інтерес до можливості того, що щоденні терміни прийому їжі можуть мати значний вплив на управління вагою [1–3]. У багатьох фізіологічних процесах спостерігаються денні/нічні ритми, включаючи поведінку годування, ліпідний та вуглеводний обмін, температуру тіла та сон. Ці добові коливання контролюються циркадним годинником, який складається з авторегуляторного біохімічного механізму, який експресується в тканинах у всьому тілі і координується головним кардіостимулятором, розташованим у супрахіазматичних ядрах мозку (він же SCN [1,4] ). Добова система глобально контролює моделі експресії генів, так що метаболічні шляхи диференційовано регулюються протягом дня, включаючи перехід між вуглеводним та ліпідним катаболізмом [1,3,5–9]. Отже, прийом однієї і тієї ж їжі в різний час доби може призвести до різного результату метаболізму, наприклад, окислення ліпідів (LO) проти накопичення; однак, правда це чи ні, незрозуміло.

Неоптимальна фаза ендогенної циркадної системи з екологічним циклом день/ніч має несприятливі наслідки для здоров'я. Змінні працівники є особливо вагомим прикладом, оскільки їх графік роботи порушує оптимальний взаємозв'язок між внутрішнім біологічним годинником та екологічним добовим циклом, і це порушення призводить до добре задокументованих вказівок щодо здоров'я [6,9–13]. Винуватцем, який часто причетний до тимчасового зриву в змінній роботі, є порушення режиму харчування та уподобань. У нелюдських ссавців переконлива література демонструє, що маніпулювання часом годування щодо біологічної фази годинника ефективно контролює ожиріння [1,14,15]. Зокрема, миші, які харчуються дієтою з високим вмістом жиру за обмеженим графіком, підтримують здорову вагу, коли їх годують лише під час активної фази, але страждають ожирінням, якщо дієта з високим вмістом жиру присутня під час неактивної фази, хоча тривале споживання калорій і рівні рухової активності порівнянні між денними та нічними мишами [14,15].

Попередні дослідження людського метаболізму протягом коротших періодів моніторингу (приблизно 24 год) свідчили про те, що загальні 24-годинні витрати енергії суттєво не впливали ні пропуск сніданку, ні пізня вечеря [22,23]); однак ці попередні дослідження проводили на здорових азіатських молодих людей з оптимальним індексом маси тіла (ІМТ) (18,5–25 кг/м 2) лише приблизно протягом 24 годин, що є недостатнім для вивчення явища, заснованого на добовій ритмічності. Більше того, хоча в цих дослідженнях повідомлялося про різницю в рівнях глюкози в крові між пропусками сніданку або пізньою вечерею, на ЛО це не впливало (пропуск сніданку [23]), або посилення протиінтуїтивно (пізня вечеря [22]). У цьому дослідженні ми спостерігали за старшими людьми кавказького віку (віком від 50 років) із різним ІМТ, оскільки ми обгрунтовували, що вони є більш репрезентативними для груп населення, яким загрожує метаболічний розлад у багатьох розвинених країнах, ніж молоді та здорові дорослі. Кожен суб'єкт пройшов два 56-годинних (2,5-денних) сеанси в дихальній камері цілої кімнати, і при рандомізованому дизайні кросовера ми порівняли витрати енергії (MR) та RER кожного суб'єкта при призначеному сніданку, обіді та вечеря (сніданок) порівняно з тим, коли їм дали обід, вечерю та пізній вечірній перекус (закуска).

Незважаючи на те, що загальні енерговитрати протягом доби за цією групою людей старшого віку були подібними, показник RER значно відрізнявся між двома сесіями. Ми передбачали, що щоденні відмінності у фізичній активності, порушенні сну або температурі тіла (ТГС) можуть призвести до диференціального обміну речовин, як це відображається в RER. Однак несподівано наші дані продемонстрували, що, хоча загальна добова кількість споживання енергії та поживних речовин була рівноцінною між сеансами, перехід на щоденні терміни прийому їжі, еквівалентної 700 ккал, із "сніданку" на "закуску пізно ввечері" суттєвий вплив на вуглеводний та ліпідний обмін, таким чином, що нічному CO сприяли за рахунок LO, коли суб'єкти їли 700-ккал їжі як пізню вечірню закуску. Отже, щоденний цикл метаболізму та доступності поживних речовин змінює перевагу субстрату таким чином, що сукупний чистий LO змінюється за часом прийому їжі.

Результати

Див. Рис. S3 та S4 та таблицю S2A та S2D для основних даних та аналізів. (А) МР за допомогою непрямої калориметрії для репрезентативного учасника (Тема №3). Дані для суб’єкта №3 будуються у вигляді ковзного середнього з використанням 180 точок даних (= 3 год) після вирівнювання всіх часових точок за годинниковим часом та інтегруються за 24-годинною шкалою. (B) Середній коефіцієнт MR для всіх суб’єктів, побудованих за модулем 24 години. Дані були усереднені в 1-годинні бункери із смужками помилок, що вказують на стандартне відхилення. Див. S4 Рис. Для даних індивідуально побудованих ЗМ всіх суб’єктів. (C) Середнє погодинне порівняння значень MR (сніданок - перекус) для всіх випробовуваних. Смужки помилок вказують 95% довірчі інтервали, а значення базуються на аналізі змішаної моделі. Зірочки вказують на суттєві відмінності (значення p Рис. 3. Час прийому їжі змінює окислення субстрату; див. Таблиці S5 та S6 та таблиці S2E та S2F для основних даних та аналізів.

(A) Дані CO представницького суб'єкта (№3), розраховані на основі непрямих вимірювань калориметрії, як описано [26,27]. Дані побудовані як 3-годинне ковзне середнє (180-хвилинні точки даних). (B) Середнє значення всіх обстежених для добового СО, розраховане на основі непрямих вимірювань калориметрії, як описано [26,27], і дані про 56-годинний час курсу відкладаються за шкалою за модулем-24 год. Усереднені дані для всіх предметів організовані в 1-годинні бункери. Значення р 0,130 відноситься до попарного порівняння середніх значень різниці (сніданок - перекус) протягом повного 56-годинного курсу СО. Див. Рис. S5 для даних про показники СО всіх суб’єктів, побудованих окремо. (C) Середнє щогодинне парне порівняння значень СО (сніданок - перекус) для всіх випробовуваних. Бари помилок вказують 95% довірчі інтервали, а значення базуються на аналізі змішаної моделі. Зірочки вказують на суттєві відмінності (значення p Рис. 4. Схема: Пізно ввечері закуски взаємодіють із циркадним ритмом метаболізму, інгібуючи LO.

(A та B) Погодинна швидкість окислення вуглеводів (панель A) та ліпідів (панель B) протягом двох сеансів. Ці криві є згладженими версіями експериментальних даних на Рис. 3. (C) Сукупне споживання їжі на сніданку в порівнянні із закусками. (D та E) Кумулятивні швидкості окислення протягом 24-годинного циклу, отримані з кривих на панелях A та B та експериментальних даних на рис. 3. На панелі D показано сукупний CO, тоді як на панелі E - сукупний LO. Горизонтальні пунктирні лінії вказують на загальну добову норму споживання вуглеводів (D) та ліпідів (E) для порівняння з кумулятивними відповідними окисленнями. (F) Приблизний чистий відносний щоденний запас вуглеводів та ліпідів, виведений з даних фіг.3 та аналізів, зображених на інших панелях цього малюнка (довільні одиниці). Позитивні значення вказують на ступінь накопичення/зберігання субстрату, а негативні - на ступінь окислення субстрату («горіння»). СО, окислення вуглеводів; LO, окислення ліпідів.

Наша інтерпретація цих даних базується на циркадному годиннику, який організовує перехід між головним чином CO і, головним чином, LO, між останнім прийомом їжі протягом дня та настанням сну за циркадним часом [1,3,6,7]. Замість того, щоб поститись між вечерею та сніданком, якщо людина їсть пізно ввечері, вуглеводи переважно метаболізуються у міру ініціювання сну, затримуючи час перемикання на переважно LO. Протягом 24-годинного циклу накопичувальний СО у порівнянні із загальним споживанням вуглеводів різко не відрізнявся між двома сеансами (рис. 4D), тому чистий 24-годинний запас вуглеводів подібний (рис. 4F). З іншого боку, сукупна 24-годинна швидкість LO у порівнянні із загальним споживанням ліпідів значно менша, коли пізно ввечері перекушування затримує перехід до ліпідного катаболізму (рис. 4Е), тим самим зменшуючи мобілізацію запасів ліпідів (тобто ступінь окислювані ліпіди; рис. 4F). Протягом ночі існує чіткий компроміс між ліпідами та СО; Сеанс сніданку однозначно надає перевагу LO за рахунок CO (рис. 3 та 4).

Відповідно до результатів інших досліджень змінених термінів прийому їжі, пропуску сніданку, обмеженого у часі годування тощо [21,22,23], ми не виявили суттєвих відмінностей у загальних витратах енергії між сесіями (рис. 2С). Тим не менше, на обмін речовин суттєво впливали. Зокрема, середньодобова RER підтримувала більш високе значення в сесії закуски (рис. 2E та 2F), що можна пояснити затримкою входу в режим LO (рис. 2E та 3 і 4). Кінцевим результатом зниженого LO буде посилене зберігання ліпідів, що з часом призведе до збільшення ожиріння. Отже, у дорослих людей старшого віку, які потенційно ризикують метаболічними порушеннями, уникнення перекусів після вечірньої їжі може підтримувати ЛО та потенційно покращувати результати метаболізму.

Матеріали та методи

Заява про етику

Протокол дослідження був схвалений Інституційною комісією з огляду Програми захисту людини в університеті Вандербільта (номер затвердження: 140536) та зареєстрований на ClinicalTrials.gov (ідентифікатор: NCT04144426). Перед дослідженням кожен суб'єкт підписав інформовану та письмову згоду.

Предмети

Шість випробовуваних (4 чоловіки та 2 жінки) були вперше набрані за допомогою флаєрів та Центру Вандербільта Кеннеді. Випробовувані мали вік від 51 до 63 років (середній вік становив 57 років) з ІМТ від 22,2 до 33,4 (табл. 1). Заявники мали бути віком від 50 років і не мати серйозних ускладнень зі здоров’ям або ліків, які можуть впливати на обмін речовин (див. Критерії включення/виключення в тексті S1). Для участі у цьому дослідженні жінки-суб'єкти не повинні були бути в постменопаузі, але через віковий стан усі жінки, набрані для дослідження, були у постменопаузі. Суб'єкти не мали досвіду роботи в змінній роботі. Під час опитування дослідники провели анкету для оцінки відповідності та сну/харчових звичок (див. S2 Текст). Випробовуваних набирали з жовтня 2015 року по лютий 2017 року.

Ціла кімната дихальної камери

Калориметр кімнати в Університеті Вандербільта - це герметична кімната (17,9 м 3), що забезпечує середовище для повсякденного життя, точність якої задокументована (S7 Рис. [34]). У кімнаті є вхідні двері, шлюз для передачі їжі та інших предметів, а також зовнішнє вікно. Номер оснащений телевізором/медіа-системою, туалетом, раковиною, письмовим столом, стільцем та розкладним ліжком, що дозволяє ночувати. Калориметр розташований у Клінічному дослідницькому центрі університету Вандербільта, а домофон з'єднує камеру із сусідньою станцією, де медсестри чергують цілодобово/7 днів на тиждень. Температура, барометричний тиск і вологість приміщення контролюються і контролюються. Щохвилинні витрати енергії (ккал/хв) обчислюються на основі виміряних норм споживання O2 та вироблення CO2 за допомогою рівняння Вейра [35]. Щодо необроблених даних про дихання VO2/VCO2, див. S1 Дані.

Кількісна оцінка та статистичний аналіз

Щоб кількісно визначити різницю між сніданком та закусками, ми застосували як парний t-тест, так і лінійну змішану модель до повного 56-годинного курсу часу для кожного з наступних вимірювань: MR, активність, CO, LO, RER та CBT . Кожне вимірювання усереднювалось із використанням погодинних показників для кожного предмета на кожному занятті. Використовуючи змішану модель, ми змогли скорегувати залежність спостережень у межах предмета. Модель включала випадкові перехоплення та фіксовані ефекти для сеансу (сніданок проти перекусу), день (розглядається як факторна змінна і визначається як 15:00 одного дня та 14:59 наступного дня), година (розглядається як фактор змінна), взаємодія між сесією та днем та взаємодія між сеансом та годиною. Якщо р-значення взаємодії було більше 0,2, ми видаляли цю взаємодію з моделі.

Для щогодинного парного t-тесту вибірка 6 має 80% потужності для виявлення ефекту 1,435 (визначається як середня різниця/стандартне відхилення) з 0,050 двостороннім рівнем значимості. Ми застосували змішану модель для проведення інтегрованого аналізу, що поєднує всі погодинні вимірювання разом. Змішана модель є потужнішою, ніж традиційне порівняння тестів t, таким чином, що ефективний обсяг вибірки нашого дослідження, розрахований за змішаною моделлю, становить приблизно 21 [36].

Розрахунки

Щоденні СО та добові LO були розраховані на основі непрямих вимірювань калориметрії, як описано [26,27]. Швидкість виведення азоту базувалася на кількості білка, що надходить суб’єктам, а також попереднім дослідженням, які контролювали 24-годинний азот із використанням подібних параметрів [37]. Оскільки вміст білка не змінювався між сеансами, ми припустили, що 24-годинна швидкість виведення азоту була еквівалентною для сніданків та закусок.

Додаткова інформація

S1 Рис. Діяльність та закономірності CBT.

S2 Рис. Графіки самостійного звітування випробуваного до вступу в експеримент.

Самовивідання випробовуваних перед сном та часом пробудження за тиждень до вступу в метаболічну камеру показує, що добова фаза сну була однаковою до і під час 56-годинного експериментального курсу. Чорні квадратики визначають час сну та пробудження, при цьому горизонтальні лінії позначають епізоди сну до входу в метаболічну камеру (сині горизонтальні лінії) або протягом 56-годинного експериментального часу (червоні горизонтальні лінії). Отже, у досліджуваних не спостерігався фазовий зсув щоденного циклу, коли вони потрапляли в експериментальні умови в метаболічній камері (порівняйте з таблицею 1).

S3 Рис. Індивідуальні щоденні дані RER.

Середні значення RER (VCO2/VO2) для випробовуваних 1–6 з їх сніданку (синій) та закуски (червоний), усереднені в інтервали 1 год. Полоски помилок вказують стандартне відхилення. RER, коефіцієнт дихального обміну.

S4 Рис. Індивідуальні щоденні дані МР.

Погодинні ккал спалювали для суб’єктів 1–6 із сеансу сніданку (синій) та закуски (червоний), усереднені в інтервали 1 год. Полоски помилок вказують стандартне відхилення. МР, швидкість метаболізму.

S5 Рис. Індивідуальний щоденний CO.

Погодинні грами вуглеводів, що спалювались для суб’єктів 1–6 із сеансу сніданку (синій) та закуски (червоний), усереднені в інтервали по 1 год. Щоденні значення CO, розраховані на основі непрямих вимірювань калориметрії, як описано [26,27]. Полоски помилок вказують стандартне відхилення. СО, окислення вуглеводів.

S6 Рис. Індивідуальний щоденний LO.

Погодинні грами ліпідів спалювали для суб’єктів 1–6 із сеансу сніданку (синій) та закуски (червоний) у середньому за інтервалами 1 год. Щоденні значення LO, розраховані на основі непрямих вимірювань калориметрії, як описано [26,27]. Полоски помилок вказують стандартне відхилення. LO, окислення ліпідів.

S7 Рис. Конфігурація та фотографії людської камери калориметрії в цілому приміщенні університету Вандербільта.

S1 Таблиця.

(A) Типові страви, (B) харчова інформація, (C) харчова інформація для кожного суб’єкта.

Таблиця S2.

Погодинний аналіз змішаних моделей для (A) RER, (B) активності, (C) CBT, (D) MR, (E) CO та (F) LO. CBT, температура тіла; СО, окислення вуглеводів; LO, окислення ліпідів; МР, швидкість метаболізму; RER, коефіцієнт дихального обміну.

Таблиця S3. Змішаний модельний аналіз пікової/мінімальної амплітуди.

Аналіз змішаної моделі застосовували для різниці між встановленим максимумом та встановленим мінімумом протягом 24 годин для кожного фізіологічного параметра. У таблиці наведено значення р зі змішаної моделі, щоб визначити, що не було статистично значущих змін пікової/мінімальної амплітуди між сеансами сніданку та закуски в жодному з вимірюваних параметрів.