Изотопный метод оценки энергозатрат организма: принцип, практика и перспектива

Наука Читать 17 августа

Изотопный метод оценки энергозатрат организма впервые был опубликован в 1955 году, применение у людей получил в 1982. Изотопный метод стал золотым стандартом определения потребностей человека в энергии в повседневных условиях. 

Способ заключается в обогащении воды организма тяжелым водородом (2H) и тяжелым кислородом (18O), а затем определении разницы вымываемой кинетики между обоими изотопами, являясь функцией выработки диоксида углерода. По сути (практически), испытуемые получают дозированное количество дважды помеченной воды (2H 218O) для увеличения фонового обогащения воды организма тяжелым кислородом 2000 ppm с как минимум 180 ppm и фоновым обогащением воды организма тяжелым водородом 150 ppm с 120 ppm. Впоследствии различие между условными скоростями циркуляции водорода и кислорода в воде организма оценивается по образцам крови, слюны или мочи, собранными в начале и в конце наблюдения в интервале 1-3 недель. 

Образцы анализируются на 18O и 2H с масс-спектрометрией изотопного соотношения. Метод дважды помеченной воды представляет собой приборный метод измерения затрат энергии в любой среде, особенно в отношении активности энергозатрат без вмешательства в поведение испытуемых. 

Практическое применение включает в себя оценку потребности в энергии от общих энергозатрат, валидацию методов оценки питания и методов оценки физической активности с изотопным методом оценки затрат энергии в качестве эталона, а также исследования по регулированию массы тела с расходом энергии в качестве детерминанта энергетического баланса.

Сокращения:

FAO (ФАО)/WHO(ВОЗ)/UNU(УООН) — Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций/Всемирная организация здравоохранения/Университет ООН

K2 — Скорость элиминации (выведения) тяжелого водорода

K18 — Скорость элиминации (выведения) тяжелого кислорода

mol — Молекула

N — Количество молекул в воде организма

ppm — Частиц на миллион

2H — Тяжелый водород

18O — Тяжелый кислород

Исходная информация

Измерение скорости метаболизма всего тела осуществляется с помощью прямой калориметрии, основанной на измерении потерь тепла или косвенной калориметрии, на основе измерения поглощения кислорода, выработке двуокиси углерода и потери азота мочи для выработки энергии из углеводов, белков и жиров. Измерение энергозатрат изотопным методом является инновационным вариантом косвенной калориметрии, где затраты энергии рассчитываются на основе измерения выработки двуокиси углерода.

Метод дважды меченой воды для измерения расхода энергии был изобретен в конце 1940-х - начале 1950-х годов (табл. 1). Лифсон и другие (1949г.) обнаружили, что кислород в респираторном углекислом газе находится в изотопическом равновесии с кислородом в воде организма. Две мыши и крыса были вынуждены дышать кислородом, обогащенным тяжелым кислородом (18O). Тяжелый кислород впоследствии проявился в воде организма животных и в выдыхаемом углекислом газе, отсюда вывод, что выдыхаемый диоксид углерода выделяет свой кислород, по крайней мере, частично, из воды организма. В следующем эксперименте животным сделали инъекции 18O -обогащенной водой, показывая, что обогащенная 18O вода организма и выдыхаемый углекислый газ очень схожи и, таким образом, установили изотопный обмен между водой организма и выдыхаемым углекислым газом. Лифсон и Мак-Клинток, чтобы оценить потенциал изобретения для измерения затрат энергии, в 1955 году провели еще ряд исследований на лабораторных крысах и мышах. В 1966 году они опубликовали обзорную статью, которая сформировала основу методики для изучения расходов энергии у животных, живущих в естественной среде обитания.

Меченая вода, меченая вода 2H и/или 18O, первоначально применялась для измерения состава тела. В двухкомпонентной модели анализа состава тела с компонентом массы тела без жира и массой жировой ткани, вода – важная составляющая безжировой массы (Pace and Rathbun 1945). Жир не содержит воды, а гидратация безжировой массы среди здоровых субъектов относительно постоянна. Гидратация безжировой массы снижается с 80% от рождения до 73% во взрослом возрасте (Fomon et al. 1982). Таким образом, масса тела без жира может быть рассчитана из общего измерения воды в организме разбавленным раствором 2H и / или 18O после питья меченной воды (Schoeller et al., 1980). Оценка состава тела путем измерения общей воды организма с помощью разбавления изотопами является одним из двух доступных методов измерения объема тела, с применением денситометрии для измерения объема тела, для измерения состава в живом теле (Westerterp 2011). Предположения о гидратации и плотности компонентов тела получены из каркасного анализа (анализа живого тела). Альтернативные методы композиции тела, включающие в себя толщину кожи, биоимпедансный анализ состава тела, общую электропроводность тела, измерение поглощения рентгеновских лучей с двойной энергией и магнитно-резонансную томографию, являются дважды косвенными. Эти методы подтверждены двумя косвенными методами, включая разбавление изотопов. Недавним примером является проверка измерения изменений состава тела с помощью спектроскопии с биоимпедансом (Ellegård et al., 2016).

Первое время изотопный метод для измерения расхода энергии применялся только на небольших животных из-за высокой стоимости обогащенной 18O воды. Ранним примером является измерение расхода энергии на полет у голубей (LeFebvre 1964). Моим первым применением метода было измерение энергетического потенциала селекции городских ласточек, которые весят всего 20 грамм и большую часть дня проводят на крыле (Bryant and Westerterp 1980). Достижения в развитии аналитических устройств и снижение затрат на обогащенную кислородом воду привели к предположению, что этот метод полезен для применения в области энергетического метаболизма человека (Lifson et al., 1975). Впоследствии, первая проверка для измерения затрат энергии у людей была произведена в 1982 году (Schoeller and Van Santen, 1982).

Шоллер и Ван Сантен (1982) вводили приблизительно 10 г 18O в 5 г 2H для четырех молодых взрослых, одной женщины и трех мужчин, после сбора исходного образца мочи для измерения фонового обогащения воды для двух изотопов. Последующие образцы мочи собирали через 6 часов после дозы, непосредственно после уравновешивания дозы изотопа с общей водой тела и 14 дней спустя в конце интервала наблюдения. В течение этого интервала затраты энергии вычислялись из баланса энергии, принимая в качестве эталона сумму потребления пищи и изменения резервов организма, как исходных данных. Расход энергии судя по изотопному методу отличался от количества съеденной пищи и изменения состава тела на 2-6%. Таким образом, это было первое исследование, показывающее справедливость метода дважды меченой воды для измерения расхода энергии у людей в условиях свободного поведения. Позже исследования, сравнивающие изотопный метод оценки энергозатрат с одновременным измерением расхода энергии в дыхательной камере, показали, что метод является точным с погрешностью 2-8% (Schoeller 1988).

В 1988 году метод уже применялся к людям в восьми исследовательских центрах, и все лица, использующие его собрались вместе, чтобы обсудить стандартизацию метода (Prentice 1990). Рассматривались изотопный масс-спектрометрический анализ, расчет размеров изотопного пула и скорости потока, поправки на фракционирование изотопов, изменения изотопного фона и конверсия производства двуокиси углерода в энергетические затраты. Аналогичная группа представила дальнейшие успехи развития техники с дважды меченой водой на симпозиуме 78-й ежегодной встречи Экспериментальной биологии (Speakman and Roberts 1995). Здесь были дополнительно определены протокольные и аналитические требования для применения метода с двойной меченной водой, и результаты были представлены на основе лабораторного сравнения. Здесь были дополнительно определены протокольные и аналитические требования для применения изотопного метода, и результаты были представлены на основе лабораторного сравнения.

С середины 80-х годов использование метода значительно расширилось (Speakman 1998). С 1995 года число исследований человеческого организма, опубликованных в рецензируемых журналах, быстро увеличилось до устойчивого уровня примерно 40 в год. Он стал золотым стандартом определения потребностей человека в энергии в повседневных условиях. (FAO / WHO / UNU 1985, 2004). Кроме того метод применяется в измерении затрат энергии в клинических состояниях (Van der Kuip et al., 2007), затрат энергии на деятельность по отношению к массе тела (Prentice et al., 1996) и возрасту (Speakman and Westerterp 2010), также в экстремальных условиях, таких как действия на выносливость (Westerterp et al., 1986; Cooper et al., 2011) и деятельность на большой высоте (Westerterp et al., 1992).

Основная идея

Метод измерения расходов энергии с дважды меченой водой основан на разнице между кажущимися скоростями циркуляции водорода и кислородом в воде организма как функции выработки двуокиси углерода. Он подразумевает обогащение воды организма тяжелым кислородом (8O) и тяжелым водородом (2H), а затем определение разницы в кинетике вымывания между обоими изотопами. Изотоп кислорода теряется в виде воды и углекислого газа благодаря обмену в бикарбонатных соединениях. Изотоп водорода теряется только в виде воды (рис.1). В простейшей форме выработка диоксида углерода может быть рассчитано по формуле:

rCO2(mol)=(N/2)(K18−K2)

где rCO2 – выработка двуокиси углерода, N - объем воды в организме в mol, значение 2 является константой, отражающей, что 1 mol CO2 удаляет два атома кислорода, а K18 и K2 - скорости элиминации тяжелого кислорода и тяжелого водорода соответственно.

Рисунок 1. Принцип измерения выделения двуокиси углерода с дважды меченой водой (2H 218O). После введения воды, меченой тяжелым кислородом (18O) и тяжелым водородом (2H), два изотопа смешиваются с водой организма, где 18O также обмениваются с CO2 в бикарбонатных соединениях. Таким образом, скорость элиминации 2H (K2) является мерой потери воды (rH2O), а скорость элиминации 18O (K18) является мерой для rH2O плюс выделение двуокиси углерода (rCO2) и rCO2 = K18 - K2.

Приведенное выше уравнение требует корректировки для включения двух изотопов в другие молекулы кроме воды организма и двуокиси углерода, а также для разделения изотопов, когда изотопы выделяются с водяным паром и углекислым газом. Примерами объединений молекул являются обмен с активным атомом водорода в белке и активным атомом кислорода в фосфате и карбоксиле. Таким образом, пространство для изотопного разбавления 2H составляет в среднем 4%, а пространство для разведения изотопов 18O в среднем на 1% больше общего объема воды в организме (Schoeller et al., 1980). Расслоение происходит, потому что тяжелые изотопы испаряются не так легко и, следовательно, водяной пар, потерянный через кожу и дыхание, менее обогащен 2H и 18O, чем вода организма. Кроме того, углекислый газ примерно на 4% больше обогащен 18O, чем вода организма (Schoeller et al., 1986a). Общепринятая формула для расчета выделения двуокиси углерода из кажущихся скоростей циркуляции водорода и кислорода в воде организма с поправкой на включение и расслоение представляет собой (Schoeller et al., 1986b):

rCO2(mol)=(N/2.078)(1.01K18−1.04K2)−0.0246rGF

где rGF скорость потери воды за счет фракционирования газообразных траекторий и оценивается как 1.05 N (K18 − K2).

Анализ достоверности обычно проводили с одновременным измерением выделения углекислого газа в дыхательной камере. Таким образом, точность была показана в пределах 2% с коэффициентом вариации 2-12% (Schoeller 1988, Speakman, 1998). Исследования на достоверность включали в себя как малоподвижное состояние испытуемых, так и измерения их на высоких уровнях активности, когда испытуемые выполняли тяжелую работу по велоэргометрии (Westerterp et al., 1988). Результаты исследований продемонстрировали полезность изотопного метода для определения выделения углекислого газа в рамках активности повседневной жизни.

Методологические акспекты

Применение изотопного метода оценки энергозатрат включает в себя разработку протокола, подготовку дозы изотопа, сбор образцов, их анализ и расчет затрат энергии судя по полученным результатам (таблица 2). Наиболее важным шагом является анализ образцов, идеально выполненный в специализированной лаборатории с конкретными системами подготовки образцов и спектрометрией изотопных соотношений (Speakman 1997). Можно организовать лабораторию или отправить образцы в специализированное место для их анализа. Существуют коммерческие лаборатории, а также некоторые университетские лаборатории проводят анализ внешних образцов.

Что касается протокола, оптимальный интервал наблюдения для измерения расхода энергии с дважды меченой водой составляет от одного до трех раз периода полувыделения радиоактивного изотопа из организма (Lifson and McClintock 1966). Период полувыделения 18O колеблется от 3 дней у маленьких детей или чрезвычайно активных взрослых субъектов, до примерно 10 дней у малоподвижных и старых испытуемых (Westerterp 1999). Кроме того, измерения затрат энергии в повседневных условиях жизни с недельными циклами физической активности часто приходится делать более, чем через неделю. Таким образом, типичный интервал наблюдения составляет 1 неделю у детей и выносливых спортсменов, 2 недели - у взрослых и 3 недели - у пожилых людей.

Дозу изотопа в основном определяет объем воды в организме испытуемого. Чем крупнее человек, тем больше требуется изотопов, равно как и мужчинам по сравнению с женщинами аналогичных параметров, так как их большей воды для тела, содержащей обезжиренную массу. Решающим фактором определения дозы является окончательное обогащение воды организма изотопами в конце интервала наблюдения совместно с изменением фонового обогащения и точностью анализа образцов воды организма. При современной точности анализа образцов со спектрометрией изотопных соотношений испытуемые дозируются по меньшей мере 1,8 г воды/кг воды организма в воде с 10% 18O атомов и 0,12 г воды/кг воды организма в воде с 99% 2H атомами (International Atomic Energy Agency 2009). Таким образом, исходное фоновое обогащение воды организма 18O 2000 ppm увеличивается с 180 ppm, а исходное фоновое обогащение воды организма 2H 150 ppm увеличивается с 120 ppm или с чуть более высоких значений. Изотопный метод считается безопасным для людей всех возрастов, без каких-либо признаков влияния на здоровье двух изотопов в этих концентрациях (Leatherdale and Jones 1991).

Что касается сбора образцов, то вода организма, обогащенная 18O и 2H, измеряется в образцах крови, слюны или мочи. Различные жидкости организма подвергаются различной степени изотопного фракционирования и поэтому не объединяются в один и тот же протокол (Prentice 1990). Обычно выбирают мочу, где следует следить за тем, чтобы моча не находилась в мочевом пузыре в течение более длительного времени, препятствуя точному времени выборки. Типичный протокол начинается со сбора образца до введения дозы изотопа, для измерения фонового (исходного) обогащения воды организма. Следующий образец собирают непосредственно после введения дозы и уравновешивания его с общей водой организма. У здоровых молодых людей устойчивое обогащение воды организма достигается примерно через 2,5 часа после приема изотопа (Jankowski et al., 2004). Большинство исследований позволяют установить время равновесия 4-6 часов. У более крупных объектов с более крупным полостями для воды организма, где равновесие занимает больше времени, протокол принимается с уравновешиванием в течение ночи (Van Marken Lichtenbelt et al., 1994). В простейшем протоколе последующее удаление изотопа определяется путем сбора одного образца в конце интервала наблюдения, обычно через 1-3 недели, одноточечным методом.

Первоначально предпочли вычислять выделение изотопов из серийно взятых образцов, собираемых ежедневно, многоточечным методом (Cole and Coward 1992). Ежедневная выборка повышает точность измерения, потому что результаты вычисляются из большего количества анализов, уменьшая аналитическое изменение путем усреднения (Schoeller et al., 1995). Тем не менее, изо дня в день могут быть существенные различия в скорости удаления изотопов из-за ежедневного изменения затрат энергии. В настоящее время протокол обозначается как минимум двумя независимыми образцами в начале и в конце интервала наблюдения. Протокол, позволяющий различать время равновесия между субъектами и аналитическое изменение - это «протокол Маастрихта» (Westerterp et al., 1995). Дозу изотопа вводят после сбора фонового образца в качестве последнего приемом до отхода ко сну. После уравновешивания в течение ночи два независимых образца раннего утра собираются в первый день и с недельными интервалами последующего интервала наблюдения. После уравновешивания в течение ночи два независимых образца раннего утра собираются в первый день и с недельными интервалами последующего интервала наблюдения. Образцы предпочтительно хранятся в стеклянных флаконах с герметичными колпачками для предотвращения изотопного обмена через перфузию (Westerterp et al., 1995) и фракционирования изотопов путем испарения (Schoeller et al., 1986a). Образцы предпочтительно хранятся в стеклянных флаконах с герметичными колпачками для предотвращения изотопного обмена через перфузию (Westerterp et al., 1995) и фракционирования изотопов путем испарения (Schoeller et al., 1986a).

Анализ образцов - это самый важный шаг в изотопном методе оценки затрат энергии. Изотопы обычно измеряются в виде простых газов, таких как 2H и 18O. Вода из образцов крови, слюны или мочи преобразуется или уравновешивается 2H и 18O, а обогащение этими двумя газами измеряется спектрометрией изотопного соотношения. В качестве примера на Рис.2 показана линия для получения водорода, где вода из образцов крови, слюны или мочи превращается в газообразный водород. Углекислый газ для анализа 18O обычно готовят путем уравновешивания. Вода, выпаренная из образца, замораживается в пустой тубе, добавляется количество углекислого газа известного 18O, и пробы воды с CO2 оставляют при фиксированной температуре между 25 и 40 ° C на несколько часов в день, и происходит уравновешивание. С самого начала использования изотопного метода оценки расходов энергии, подготовка и анализ образцов так и остались узкоспециализированными процедурами и отнимают много времени. В 1985 году была описана быстрая аналитическая методика определения затрат энергии по методу дважды меченой воды (Barrie and Coward 1985). Была создана автоматизированная система для одновременного анализа обогащения 2H и 18O образцов воды организма, включающая два анализатора масс-спектрометрии (Aqua-Sira, VG-IsoGas, Middlewich, Cheshire, UK). Компания продала по меньшей мере семь систем, три - в лаборатории Великобритании и по одной - в Нидерланды, Францию, Италию и Австралию, где только в двух лабораториях систему применяли и впоследствии использовали в течение примерно 15 лет. Основным узким местом был эффект памяти, поскольку вода, введенная в систему, не полностью удалялась, когда один образец заменялся другим. Память является результатом адсорбции воды на стенках системы и в урановой печи. В настоящее время проблемы с остаточной памятью по-прежнему являются узким местом в анализе образцов изотопного метода оценки затрат энергии (Thorsen et al., 2011; Berman et al., 2012). Текущая методология анализа образцов имеет точность не менее 0,5 ppm для обоих изотопов (Wong и Clarke 2012, 2015), что приводит к коэффициенту вариации метода дважды меченой воды между 4 и 8% (Schoeller 1983).

Рис. 2 Подготовительная линия для образцов газообразного водорода в подразделении геологии стабильного изотопа Шотландского Исследовательского Института и Реакторного Центра в Ист Килбрайде, Шотландия, 1977 год. Стеклянная система соединена с ротационным насосом (1) и парортутным диффузионным насосом (2) для создания высокого вакуума. Образец крови, слюны или мочи в герметичном стеклянном капилляре помещают в ток электронной лампы (3), подключенный к системе, и система закачивается в вакуум. Затем капилляр разрушается, и вода в образце замораживается в U-образной трубке, окруженной жидким азотом в сосуде дьюара (4). Затем замороженную воду выпаривают и пропускают через урановую печь 600 ° С (5), где она превращается в газообразный водород. Газообразный водород поглощается в трубке с активированным углем, окруженной жидким азотом в сосуде дьюара (6). Наконец, угольная трубка с образцом закрывается и переносится в масс-спектрометр с изотопным соотношением для анализа

Что касается расчета расходов энергии, то метод дважды меченой воды измеряет выделение двуокиси углерода, требуя оценки его энергетического эквивалента для перехода к расходам на энергию. Энергетический эквивалент диоксида углерода является функцией окисляемой смеси субстратов. Он варьируется от минимума 21,1 кДж/л для чистого углеводного окисления до 27,8 кДж/л - для окисления чистого жира (таблица 3). Для типичной западной диеты, где 55 энерго% углеводов, 15 энергетических процентов белка и 30 энерго% жира, энергетическим эквивалентом диоксида углерода будет 23,5 кДж/л. Экстремальные значения - 22,1 кДж/л для диеты с очень низким содержанием жиров (75 энерго% - углеводы, 15% - белки и 10 энерго% - жиры), и 25,5 кДж/л для очень жирной диеты (25% - углеводы, 15% - белки и 60% - жиры). Измерение дыхательного коэффициента или прогнозирование дыхательного коэффициента судя по рациону питания приведет к незначительным ошибкам, не превышающим ± 2% (Black et al., 1986).

Перспектива

Изотопный метод является единственным методом измерения затрат энергии в любой среде, особенно если мы хотим измерить затраты энергии без вмешательства в образ жизни испытуемых. Таким образом, метод в первую очередь применяется для измерения уровня физической активности субъектов. Дополнительно метод дважды меченой воды применяется в оценке потребности в энергии от общих затрат энергии, аттестации методов оценки питания и подтверждении методов оценки физической активности с использованием изотопного метода оценки затрат энергии в качестве эталона, а также в исследовании по регулированию массы тела с расходом энергии как детерминанта энергетического баланса.

Измерение уровня физической активности

Изотопный метод оценки энергозатрат в первую очередь применяется для измерения уровня физической активности субъектов. Чтобы сравнить уровень физической активности на уровне связи между субъектами, общие затраты энергии делятся на расход энергии в покое, в результате чего получается безразмерная цифра: уровень физической активности = общие затраты энергии / расходы энергию в покое (FAO/WHO/UNU 2004). Разделение общих затрат энергии на затраты энергии в покое корректируют различия в размере и составе тела. У более крупного субъекта - более высокие затраты энергии, по сравнению с меньшим субъектом. Суммарное потребление энергии также разнится по величине, и их разделение на затраты энергии в покое может привести к сопоставимому уровню физической активности и крупных и мелких. Данные изотопного метода суммарной энергетической нагрузки показывают пределы физического уровня активности. На нашем сайте данные были составлены из исследований, проведенных с момента подачи заявки в 1980-х годах. В выборку входят лица в возрасте 18 лет и старше с широким диапазоном по возрасту, росту, массе и индексу массы тела. Несмотря на широкие различия в характеристиках субъекта, существует узкий диапазон физического уровня активности субъектов (рис.3). Уровень физической активности для «устоявшегося образа жизни» варьируется от 1,1-1,2 до 2,0-2,5, как предполагалось в более ранних исследованиях (Black et al., 1996). Женщины и мужчины не показывают разницы в уровне физической активности. Минимальное значение 1,1-1,2 относится к субъектам, не имеющим физической активности, общий расход энергии является суммой основного уровня обмена веществ и расходов на энергию, вызванный диетой. Максимальное значение 2,0-2,5 определяется потреблением энергии (Westerterp 1998). Более высокие значения трудно поддерживать в течение длительного периода времени и обычно приводят к потере массы, если потребление энергии не будет дополнено. Уровень физической активности субъекта можно классифицировать по трем категориям, как это определено на последнем консилиуме экспертов ФАО / ВОЗ / УООН по энергетическим потребностям человека (ФАО / ВОЗ / УООН 2004). Значение уровня физической активности для малоподвижного образа жизни и легкой активности колеблется от 1,40 до 1,69, для умеренно активного или активного образа жизни - от 1,70 до 1,99, а для энергично активного образа жизни - от 2,00 до 2,40.

Рис. 3 Частотное распределение значения физического уровня активности, общие затраты энергии как кратность расходов на энергию в покое, включая всех взрослых субъектов, с оценкой затрат энергии изотопным методом в Маастрихте до 2016 года: женщины (N = 358, окрашенные столбики на диаграмме) и мужчины (N = 490, белые столбики на диаграмме)

Проверка методов оценки диеты и уровня физической активности

Изотопный метод стал золотым стандартом для оценки потребности в энергии (FAO / WHO / UNU 1985, 2004). Оценка расхода энергии изотопным методом показала, что показатели самоотчета приема пищи и физической активности не являются точными (Dhurandhar et al., 2015). Еще нет способа для точного определения привычного приема пищи, и, следовательно, потребность в энергии определяется из измеренных затрат энергии (Schoeller et al., 1990; Trabulsi and Schoeller 2001). Большинство исследований показывают более низкое значение для заявленного потребления энергии по сравнению с измеренными суммарными затратами энергии. Недооценка привычного приема может быть объяснена недостаточной регистрацией и недоеданием (Goris et al., 2000; Goris and Westerterp 1999). В клинической обстановке повышенная осведомленность медсестер привела к противоположному - завышению потребления. Тщательно собранные данные о потреблении энергии были неточными до такой степени, что стали бесполезны (Stallings et al., 1996). Зарегистрированное потребление остается не подходящим маркером для потребности в энергии, как оценивается изотопным методом (Lopes et al., 2016; Lins et al., 2016). Текущая разработка для улучшения метода включает использование микрокамер для съемки фотографий перед и после еды (Ptomey et al., 2015; Delisle Nyström et al., 2016; Pettitt и др., 2016). Пока, изотопный метод остается эталоном потребности в энергии, как у здоровых людей, так и у пациентов (Prelack et al., 2017) и у спортсменов (Morehen et al., 2016).

Изотопный метод измеряет расход энергии не только заданного значения энергозатрат и улучшения методов оценки питания, но также и методы оценки физической активности.

Новые технологии привели к увеличению числа мониторов физической активности для оценки уровня активности человека. Адекватность данных мониторов активности, полученных на основе исследований с использованием изотопного метода оценки затрат энергии на деятельность в качестве эталона, не всегда достаточна. В обзоре по эффективности 11 различных мониторов, только три смогли объяснить более 50% вариации физической нагрузки на затраты энергии или уровня физической активности между субъектами (Westerterp 2014). Более поздний обзор подтвердил, что в исследованиях по использованию акселерометров (измерителей скоростей) имеется большая гетерогенность (разнородность) для оценки физической нагрузки затрат энергии (Jeran et al., 2016). Большинство пригодных к использованию устройств еще не дают достоверной оценки общих затрат энергии (Murakami et al., 2016).

Исследования по регулированию массы тела

Дважды меченая оценочная вода затрат энергии является ключевым параметром в исследованиях регулирования массы тела, где затраты энергии являются определяющим фактором баланса энергии. В последние десятилетия распространенность избыточного веса и ожирения возросла во всем мире. Первоначально предполагалось, что современный неактивный образ жизни является доминирующим фактором роста распространенности избыточного веса и ожирения (Prentice and Jebb 1995). Уровень физической активности и, следовательно, потребности в энергии должны были бы снижаться быстрее, чем потребление энергии, стимулированного увеличением доступности продуктов с высокой аппетитностью. Однако, анализ уровня физической активности изотопным методом в течении продолжительного времени, показал, что затраты энергии на физические нагрузки, не уменьшились за тот же период, когда уровень ожирения увеличился, а общие затраты энергии современного человека соответствуют расходам энергии у диких млекопитающих (Westerterp and Speakman 2008). Соотношение между ежедневными расходами энергии и массой тела предполагает, что увеличение потребления энергии привело к увеличению массы тела (Swinburn et al., 2009). Изотопный метод показал, что уровень физической активности способствует нормальному росту и увеличению массы без жира (Butte et al., 2016). Во взрослом возрасте повышение уровня физической активности приводит лишь к умеренной потере массы или, в некоторых случаях, массовому приросту (Thomas et al., 2012).

Ограничения изотопного метода оценки расхода энергии - это продолжительность интервала наблюдения и трудоемкость процедуры анализа образцов. Интервал наблюдения составляет 3 дня у маленьких детей или очень активных взрослых и 3-4 недели у малоподвижных и старых людей (Schoeller 1983, Westerterp, 1999). За более короткие промежутки времени изменение изотопного обогащения слишком мало, чтобы получить точную меру скорости элиминации. После более длительных интервалов окончательное обогащение не может быть точно измерено, так как приближено к исходным данным. Изотопный анализ остается трудоемким, несмотря на развитие альтернативы традиционному приготовлению образцов и последующему измерению изотопного обогащения с помощью масс-спектрометрии изотопных соотношений. Прямое измерение изотопного обогащения в биологических образцах может быть выполнено за несколько минут с помощью лазерной абсорбционной спектрометрией (Thorsen et al., 2011; Berman et al., 2012). Однако проблемы с остаточной памятью вынуждают обрабатывать систему из-за повторно вводимых образцов, увеличивая время анализа до 1 часа для обоих изотопов. Кроме того, нельзя измерить исходные образцы с высоким обогащением и конечные образцы с низким обогащением в один и тот же день.

В заключение, изотопный метод оценки общих затрат энергии является ценным дополнением к спектру методов косвенной калориметрии. Это индикаторный метод измерения затрат энергии у субъектов в условиях свободного поведения их привычного окружения. Получается, что типичный интервал наблюдения в течение одной или нескольких недель может охватывать регулярный цикл повседневной деятельности или воздействие упражнений на общие энергетические затраты.

Перевод: Татьяна Лапука.

Оригинал: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00421-017-3641-x

Поделиться
Отправить
Написал Максим Петраков
Источник: Springer Link

Авторизация

Авторизовавшись, вы сможете задать интересующий вас вопрос или приобрести товары в интернет–магазине.