Цель исследования – оценка роли энергетического баланса в регуляции МТ, и разбор физиологических механизмов регуляции энергетического баланса, способных объяснить склонность человека к увеличению МТ.
Материалы и методы: Повествовательный обзор, основанный на поисках литературы в текстовой базе данных медицинских и биологических публикаций PubMed, а также в российской научной электронной библиотеке eLIBRARY до февраля 2019 года без ограничений по срокам. Поиск включал такие термины, как «ожирение», «этиология ожирения», «патогенез ожирения», «избыточный вес», «сопутствующая ожирению патология», «диабет», «сердечно-сосудистая система».
Основная часть
Основополагающий принцип энергетического баланса организма заключается в том, что потребление энергии с пищей и ее расход являются уравновешивающими факторами, которые и определяют МТ. Например, состояние постоянного положительного энергетического баланса, когда потребление энергии с пищей постоянно превышает ее расход ведет к увеличению МТ и в конечном итоге к ожирению, так как энергия в организме откладывается преимущественно в виде жира. Это в свою очередь объясняется тем, что способность организма запасать энергию в виде жира является одной из основных жизненно важных функций, особенно при ограничении поступления энергии [8,9].
Как на поступление энергии с пищей, так и на ее расход могут оказывать влияние самые различные факторы, такие как экологические, генетические, психологические и социальные факторы, а также параметры тела человека и многое другое, что затрудняет измерение энергетического баланса [9].
Поскольку РЭ представляет собой более стабильную сторону энергетического баланса, за последние 40 лет он был тщательно изучен, чтобы оценить его влияние на изменение МТ и получить представление о его роли в патогенезе ожирения.
РЭ измеряется в энергетическом балансе как предиктор будущего изменения МТ, он может быть непрерывно и точно измерен с помощью метода непрямой, как правило 24-часовой калориметрии, осуществляемой в дыхательной или метаболической камере [9].
Известные детерминанты 24-часового РЭ включают массу организма без жира («обезжиренную»), массу жира в организме, возраст, пол, этническую принадлежность, толерантность к глюкозе, а также наследственность. Все вместе физиологические детерминанты объясняют более 80% дисперсии расхода энергии между различными индивидами в данной популяции, оставшиеся (необъяснимое) отклонения в РЭ после статистической корректировки характеризуют индивида как потенциального предиктора будущего изменения МТа основе уравнения энергетического баланса [1,2,13].
Тем не менее в различных исследованиях были получены противоречивые результаты о роли РЭ в изменении МТ. Согласно принципам энергетического баланса, относительно низкий РЭ является предиктором долгосрочного увеличения МТ, что и было показано в исследовании на американских индейцах, проживающих на юго-западе США [15].
Аналогичным образом, снижение РЭ, предсказывающее увеличение МТ и развитие ожирения также наблюдалось в итальянской популяции и в исследовании детей [9].
Противоположные результаты были получены при изучении населения Нигерии, где более высокий РЭ был связан с увеличением МТ человека с течением времени [16].
Наконец, в нескольких исследованиях показано отсутствие связи между РЭ и изменением МТ человека. [14].
Возможные объяснения этих противоречивых результатов, полученных в разных исследованиях, могут включать популяционные особенности организмов, генетические и экологические факторы. Разница в исследовательской обстановке и различная продолжительность наблюдения также может играть определенную роль.
Например, дефицит в ежедневном РЭ, сохраняющийся в течение нескольких лет, может привести к увеличению МТ из-за постоянного положительного энергетического баланса, даже если удается достичь и сохранить стабильность МТ в краткосрочной перспективе. В долгосрочном исследовании, проведенном в индейской популяции, проживающей в Фениксе (штат Аризона, США), где подавляющее большинство людей в зрелом возрасте постоянно набирают МТ, небольшой, но устойчивый положительный ежедневный энергетический баланс из-за относительно более низкого РЭ оказывает решающее значение на регуляцию массы тела [9,18].
Напротив, более высокий относительный РЭ (как показано в исследование нигерийского населения) может привести к небольшому ежедневному отрицательному энергетическому балансу, который в свою очередь может способствовать чрезмерному питанию с целью восстановить энергетическое равновесие, вызывая тем самым увеличение МТ, если большее поступление энергии с пищей поддерживается в течение более длительного периода времени и последовательно преодолевает суточную энерготрату [9].
Тем не менее, степень связи между РЭ и будущим изменением МТ (независимо от направленности) очень мала, что указывает на то, что потребление энергии с пищей является более мощной детерминантой ежедневного энергетического баланса, тем самым сильно влияя на изменение МТ у людей.
Расточительные и бережливые метаболические фенотипы одно из основных ограничений измерения РЭ. Энергетический баланс редко достигается в условиях свободного проживания, в основном из-за ежедневных колебаний в приеме пищи (поступлении энергии), которые могут стать более мощным фактором в пользу увеличения МТ у людей по сравнению с РЭ. Поскольку энергетический баланс представляет собой статическую и идеалистическую ситуацию, которая редко достигается в повседневной жизни, исследователи сосредоточились на изучении расхода энергии в условиях энергетического дисбаланса, придерживаясь гипотезы, что в зависимости от регуляции энергетического баланса могут быть выявлены субъекты, более склонные к увеличению / снижению МТ по сравнению с другими [9].
Причина этого изменения была оправдана тем фактом, что регулирование энергетического баланса является динамическим процессом, при котором возмущения одного компонента (поступление энергии с пищей или расход энергии) может вызывать биологическую и / или поведенческую компенсацию (адаптацию) в другом компоненте системы. Учитывая, что в нормальной жизни человек испытывает большие колебания в ежедневном потреблении пищи и изучая реакцию РЭ на экстремальные изменения в потреблении пищи, такие как голод или переедание можно пролить свет на предрасположенность или устойчивость людей к ожирению [9].
Среди всех компонентов 24-часового РЭ выделяют скорость метаболизма во сне (минимально необходимая энергия для поддержания нормальных метаболических функций организма), необходимые затраты на бодрствование и тепловой эффект пищи (в совокупности называются термогенезом «бодрствуй и питайся») и затраты энергии на физическую активность (обеспечивает наиболее варьирующий расход энергии) [8,9,19].
Термический эффект пищи определяется как увеличение РЭ после приема пищи и составляет примерно 10% от 24-часового расхода, состоит из обязательных затрат на усвоение питательных веществ, а также предлагаемого факультативного компонента, который может объяснить разные реакции людей на избыточное или уменьшенное потребление пищи, определить в конечном итоге изменение МТ [9].
Одним из проведенных в США перекрестных исследований было показано, что в условиях голодания энергетические затраты в среднем за 24 часа снизились примерно на 10% от своего базового значения в условиях энергетического баланса и увеличились на 10% при переедании [20].
Вероятно, данные эффекты уравнивают колебания в суточных поступлениях энергии с пищей с целью предотвращения ожирения или истощения организма, они могут достигаться организмом за счет торможения или активации термогенеза и холостых метаболических путей [4].
Интересно, что в этом же исследовании индивидуальные ответы РЭ на голодание и переедание показали широкую изменчивость и были тесно связаны друг с другом. Так ряд исследуемых, демонстрировавших большее снижение РЭ при голодании имели тенденцию к меньшему увеличению РЭ при переедании (метаболически экономные люди) другие исследуемые имели меньшее снижение РЭ при голодании и большее увеличение при переедании (метаболически расточительные люди). Эти результаты указывают на существование двух метаболических фенотипов человека: более метаболически эффективный тип, который тратит меньше энергии при переедании или недоедании (экономный), и менее эффективный тип, который, даже при переедании или голодании, расходует больше энергии.
Результаты исследования, определившего эти бережливые и расточительные метаболические фенотипы на основе расхода энергии в ответ на голодание и переедание были недавно воспроизведены в двух других независимых исследованиях с испытуемыми из разных этнических групп. В соответствии с результатами, полученными в одном из этих исследований, ответы РЭ на голодание и переедание (среднее значение ответов РЭ по четырем типам диет, которые включали в себя: сбалансированную диету, диету с высоким содержанием жиров, диету с высоким содержанием углеводов и диету с низким содержанием белка) в группе из 37 человек были строго коррелированы и большее снижение расхода энергии в ответ на голодание было связано с меньшим увеличением РЭ в ответ на переедание. Большее снижение РЭ при голодании, и меньшее увеличение РЭ при переедании в большей степени проявилось при диете с низким содержанием белка, а большее увеличение РЭ наблюдалось при диете с высоким содержанием углеводов [9,20].
Ответ РЭ на низко-белковые и высокоуглеводные диеты с перееданием не зависел друг от друга при прогнозировании изменения МТ, тогда как ответ РЭ на голодание зависел от реакции РЭ на переедание с низким содержанием белка [21]. В другом независимом исследовании 12 тучным, но в остальном здоровым людям проводили 24-часовые измерения РЭ внутри метаболической камеры во время энергетического баланса (100% потребностей в энергии для поддержания МТ), переедания сбалансированной диетой (200% потребности в энергии) и голодания в случайном порядке с последующим 50-недельным ограничением калорийности. При этом в течение 6 недель исследуемые находились в стационаре. Более метаболически экономные индивидуумы (то есть те, у кого снижение 24-часового РЭ при голодании значительное) показали меньшую потерю МТ после периода ограничения калорийности по сравнению с более расточительными индивидуумами (показавшие меньшее снижение РЭ во время голодания), которые показали большую потерю МТ за 6 недель голодания [22]. Результаты трех вышеупомянутых исследований подтверждают существование четко определенных фенотипов, связанных с поддержанием МТ у людей. Данные фенотипы существуют как у людей с нормальной МТ, так и у людей с ожирением: энергоэффективный («экономный») фенотип, характеризующийся более низким 24-часовым РЭ, и имеет большую склонность к самопроизвольному увеличению МТ и / или меньшей потере МТ во время ограничения калорийности по сравнению с более «расточительным» фенотипом.
Физиологические механизмы, лежащие в основе изменения РЭ в ответ на диетическое вмешательство, которые определяют два метаболических профиля, найденные в человеческой популяции, еще предстоит выяснить, но они могут быть связаны с процентным содержанием жира в организме, его распределением, температурой тела, гормональными медиаторами, такими как гормоны аппетита, тонусом симпатической нервной системы и генетическим полиморфизмом [3,7,9].
Энерго - чувствительные механизмы
Предполагается, что РЭ может быть основной движущей силой потребления пищи в соответствии с гипотезой что РЭ является указанием на потребность организма в энергии и может регулировать потребление пищи посредством централизованной модуляции голода. С эволюционной точки зрения, связь между РЭ и потреблением пищи гарантирует то, что организм будет испытывать физиологическое стремление найти достаточно пищи для поддержания жизнедеятельности.
Хотя у предрасположенных к полноте коренных американцев обнаружена обратная связь между относительно более низким расходом энергии во время энергетического баланса и будущим изменением массы тела, другое исследование, проведенное с нигерийским населением, показало, что относительно более высокий РЭ предрасполагает к увеличению МТ в будущем. Это может быть объяснимо тем, что относительно более высокий РЭ может увеличить чувство голода и поведение по поиску пищи у большинства людей, возможно, даже приводя в некоторых случаях к большему, чем необходимо, потреблению пищи и увеличению МТ. Поддерживая эту гипотезу, исследователи нашли прямую связь между РЭ в состоянии покоя и приема пищи, а также ощущением голода, измеренным в течение 3-месячных испытаний [9].
Эффекты от энерготрат при приеме пищи могут частично действовать через центральные пути, способные модулировать аппетит. Это возможно путем обмена различных тканей и гипоталамуса сложными гормональными сигналами, способными воздействовать на активные центры [5,9].
Центры голода и насыщения локализованы соответственно в вентро-латеральных и вентро-медиальных ядрах гипоталамуса. Эмоционально-поведенческие аспекты приема пищи регулируются центрами, расположенными в кортикальной части лимбической системы (гиппокамп, поясная извилина, инфраорбитальная область), а также в миндалине, при разрушении которой возникает психическое безразличие к предлагаемой пище [5].
Гормональные сигналы, информирующие об энергетических потребностях организма от периферии, могут передавать ряд веществ, включая адипокины, высвобождаемые из жировой ткани, и миокины, высвобождаемые из скелетных мышц, или другие факторы, выделяемые из различных тканей. К первым относятся адипонектин и лептин - белки, выделяемые адипоцитами для индикации состояния запасов энергии в организме. Лептин (пептидный гормон) вырабатывается адипоцитами в «сытом» состоянии, его количество пропорционально массе жировой ткани. Он увеличивает продукцию тормозных сигналов, адресованных вентролатеральным центрам голода, в которых уменьшается выработка нейропептида Y, стимулирующего аппетит и пищевое поведение [5]. Поскольку снижение уровня лептина при ограничении калорийности или потере МТ активирует пути стимулирования аппетита в организме, включая путь меланокортина [9], концентрация лептина может также регулировать связь между РЭ и приемом пищи, например, притупляя связь, когда организм уже имеет достаточные запасы энергии или усиливая ее, приводя к увеличению потребления пищи при дефиците энергии в организме. Около 20% больных ожирением имеют абсолютную лептиновую недостаточность. Более 80% больных характеризуются выраженной гиперлептинемией, вероятно, связанной с лептинорезистентностью [5]. Еще одним медиатором, продуцируемым жировой тканью, является интерлейкин-6, содержание которого увеличивается пропорционально массе жира в организме [4,5].
Одним из медиаторов энергетического баланса может являться глюкоза, артерио-венозная разница по которой возбуждает глюкорецепторы вентромедиальных ядер гипоталамуса (центр насыщения), индуцируя чувство насыщения [5].
Концентрации желудочно-кишечных гормонов, которые, как известно, стимулируют чувство голода, такие как грелин, или действуют как агенты сытости, включая глюкагоноподобный пептид 1, глюкагон, инсулин, пептид YY и полипептид поджелудочной железы, также являются возможными медиаторами оценки энергии организмом [9].
Еще одним потенциальным медиатором может быть гормон щитовидной железы трийодтиронин (Т3), который был связан с РЭ, так как его концентрация увеличивается и уменьшается при увеличении и уменьшении МТ [23].
Все эти гормональные посредники могут действовать согласованно с влиянием гомеостатической связи между РЭ и ее поступлением с пищей, отражая энергетические потребности организма. Но при нарушении данной согласованности под влиянием различных факторов, таких как чрезмерный избыток субстрата, эндокринные разрушители, могут возникнуть патологические сдвиги в энергетическом обмене, приводящие к ожирению [1,6,9].
Заключение
Исследования, оценивающие адаптивный ответ одного компонента (РЭ или прием пищи) к изменения другого компонента энергетического баланса, выявили как существование различных метаболических фенотипов людей, так и энергетических механизмов, связывающих РЭ с ее поступлением с пищей, которые могут объяснить склонность человека к увеличению МТ. Более глубокое понимание сложного взаимодействия между метаболизмом организма и потреблением пищи может дать представление о патофизиологических механизмах, лежащих в основе увеличения веса, что в конечном итоге может послужить основой для успешной профилактики и лечения ожирения.