Die Wirkung von Kurzzeit-Fasten auf Leber- und Skelettmuskelfett-, Glukose- und Energiestoffwechsel bei gesunden Frauen und Männern

Abstrakt

Fasten fördert Triglyzerid (TG) Akkumulation in magerem Gewebe einiger Tiere, aber die Wirkung bei Menschen ist unbekannt. Darüber hinaus ist die Fasten-Lipolyse beim Menschen sexuell dimorph, was darauf hindeutet, dass sich die Ansammlung und der Metabolismus von mageren Gewebe-TG bei Frauen und Männern unterscheiden können. Diese Studie untersuchte den TG-Gehalt und Metabolismus von Magergewebe bei Frauen und Männern während eines ausgedehnten Fastens. Leber- und Muskel-TG-Gehalt wurden durch Magnetresonanzspektroskopie während eines 48-stündigen Fastens bei gesunden Männern und Frauen gemessen. Der Kohlenhydrat-, Lipid- und Energiestoffwechsel des gesamten Körpers und der Leber wurde ebenfalls unter Verwendung biochemischer, kalorimetrischer und stabiler Isotop-Tracertechniken bewertet. Wie erwartet, waren postabsorptive Plasmafettsäuren (FA) bei Frauen höher als bei Männern, stiegen aber bei Männern mit beginnendem frühem Verhungern schneller an. Gleichzeitig war der Geschlechtsdimorphismus in der TG-Akkumulation des mageren Gewebes während des Fastens sichtbar, die in der Leber von Männern, aber in den Muskeln von Frauen auftrat. Trotz der Unterschiede in der mageren Gewebe-TG-Verteilung hatten Männer und Frauen identische Fastenreaktionen im Glucose- und im oxidativen Metabolismus der gesamten Körper- und Leberzellen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich TG in der Leber von Männern, aber in den Muskeln von Frauen während des ausgedehnten Fastens angesammelt hat. Dieser Sexualdimorphismus wurde mit den differentiellen Nüchternplasma-FA-Konzentrationen in Verbindung gebracht, jedoch nicht mit der Ganzkörper- oder hepatischen Verwendung dieses Substrats.

Schlüsselwörter: Leberfett, Muskelfett, Magnetresonanzspektroskopie

Die primären Substrate für den Energiestoffwechsel beim Menschen sind Glukose und Fettsäuren (FAs), deren relative Bedeutung von der Verfügbarkeit der Nahrung abhängig ist (Nahrung ↔ Fasten ↔ Hunger) (1, 2). Im gefütterten Zustand ist Insulin erhöht, die Glukoseverwertung überwiegt, und es gibt einen Nettofluss von freiem FA von Leber zu Fettgewebe. Beim Übergang von der Fütterung zum Fasten fällt Insulin, was zu einer erhöhten Freisetzung von freien FS aus Fettgewebe führt, die von mageren Geweben (z. B. Muskeln und Leber) zur Energiegewinnung verwendet oder als Triglycerid (TG) gespeichert werden. Die Rate der lipolytischen Freisetzung während des Fastens und Verhungerns überschreitet den Bedarf an Ganzkörper-Energie auf eine sexuell dimorphe Weise, wobei Frauen und Männer Freisetzungsraten von ~ 64% bzw. ~ 50% größer als Oxidationsraten haben (3). Dies kann zu einem sexuell dimorphen Lipid- und Glukosestoffwechsel in Muskeln und Leber führen.

Ein bedeutender Teil der Ganzkörper-FAs wird in Skelettmuskel und Leber TG-verestert. Im Skelettmuskel scheint diese TG als lokale Energiequelle zu fungieren (4), während in der Leber die meisten resesterifizierten FAs als Lipoprotein-gebundene TG mit sehr geringer Dichte exportiert werden (5). Über das Ausmaß der Lipidumverteilung in Leber und Muskel während des Fastens oder dessen metabolische Folgen beim Menschen ist überraschend wenig bekannt. In der Leber deuten Mausmodelle darauf hin, dass eine 14-fache Zunahme des TG-Gehalts während des Hungerns normal sein kann (6). Ein solcher Grad an hepatischer Steatose beim Menschen wurde nur in pathologischen Zuständen wie Fettleibigkeit und Insulinresistenz, die als nicht-alkoholische Fettlebererkrankung bezeichnet wird, berichtet (7). Intramyozelluläre TGs erhöhen sich während des Fastens und Verhungerns bei Frauen (8) und bei Ausdauertrainern (9, 10), aber der Sexualdimorphismus in dieser Reaktion wurde nicht untersucht. Darüber hinaus kann die Umverteilung von adipösen FS zu Leber und Muskel auch die Glucosehomöostase verändern: 1) erhöhte FA - Oxidation in der Leber stimuliert die Glukoneogenese und 2) Erhöhte intramyozelluläre TGs können die Insulinsensitivität verringern und die Glukoseentsorgung beeinträchtigen (11-15). Der Einfluss der Fasten-induzierten freien FA-Verfügbarkeit auf den TG-Gehalt des mageren Gewebes und die Glucosehomöostase bei normalen Frauen und Männern ist nicht bekannt.

Die vorliegende Studie untersuchte Veränderungen des TG-Gehaltes im mageren Gewebe während eines 48-stündigen Fastens bei gesunden Männern und Frauen mittels Protonen-Magnetresonanz-Spektroskopie (1H-MRS) und verknüpften diese Befunde mit Veränderungen des Kohlenhydrat-, Lipid- und Energiestoffwechsels, die über biochemische, kalorimetrische und MRS-basierte stabile Isotop-Tracer-Messungen ermittelt wurden. Mehrere stabile Isotopentracer wurden verwendet, um die Nüchternreaktion der hepatischen Glukoseproduktion, Glykogenolyse, Glukoneogenese und Stoffwechselwege des Tricarbonsäure (TCA) Zyklus zu bewerten. Frauen und Männer wurden getrennt untersucht, um festzustellen, ob der bekannte sexuell dimorphe Nüchternlipidstoffwechsel (16) sich auf die Fettgewebslipidakkumulation und den Metabolismus während des Fastens erstreckt.

Forschungsdesign und Methoden

Teilnehmer

Gesunde Personen wurden für ein Studium am Southwestern Medical Center der University of Texas angeworben. Die Studienpopulation bestand aus neun Frauen und neun Männern, deren Merkmale in. Alle untersuchten Frauen waren prämenopausal und zwei nahmen orale Kontrazeptiva ein. Das Protokoll und die Einverständniserklärung wurden vom UTSW Institutional Review Board genehmigt, und alle Teilnehmer gaben vor der Einschreibung eine schriftliche Einverständniserklärung.

TABELLE 1.

Merkmale der Probanden bei der Einschreibung nach Geschlecht

Frauen (n = 9) Männer (n = 9) P Wert
Alter (Jahr) 24 (23–42) 21 (21–23) 0.189
Ethnizität / Rasse (n)
Nicht-hispanisches Weiß 6 7 0.599
Nicht-Hispanic Schwarz 2 1 0.527
Hispanic 1 0 0.303
asiatisch 0 1 0.303
Body Mass Index (kg / m) 27 (22–32) 25 (23–27) 0.427
Glucose (mg / dl) 86 (84–90) 90 (85–93) 0.907
Gesamtcholesterin (mg / dl) 167 (163–184) 164 (155–194) 0.489
HDL-c (mg / dl) 60 (52–64) 40 (37–49) 0.021
LDL-c (mg / dl) 91 (83–109) 119 (93–135) 0.343
Triglyceride (mg / dl) 67 (58–79) 52 (50–94) 0.604
AST (U / l) 19 (17–22) 23 (19–24) 0.176
ALT (U / l) 16 (11–20) 20 (18–22) 0.064

Design

Die Teilnehmer wurden in das Clinical and Translational Research Center (CTRC) aufgenommen, wo sie 48 Stunden fasteten. Am Tag 0 aßen die Probanden um 12:00 Uhr ein selbst zubereitetes Mittagessen und wurden um 16:00 Uhr ins CTRC aufgenommen. Die Probanden blieben vom Zeitpunkt der Aufnahme am Tag 0 bis 12:00 am Tag 2 gefastet.Zwischen 08:30 und 09:00 Uhr (Tag 1 und 2) wurde bei allen Probanden die Messung des respiratorischen Quotienten mit einem indirekten Delta Trak II Kalorimeter (Sensormedics, Yorba Linda, CA) durchgeführt. Der hepatische und intramyozelluläre TG-Gehalt wurde bei Aufnahme und um 12:00 Uhr an Tag 1 und 2 gemessen. Eine Untergruppe der Teilnehmer (Frauen = 6, Männer = 7) wurde zusätzlichen Studien mit stabilen Isotopentracern unterzogen. Zwischen 22:00 und 09:00 Uhr (Tag 0-1) erhielten die Probanden zwei Tracer oral: [U-13C] Propionat (~ 1200 mg) um 08:30 Uhr und geteilte Dosen von 70% [2H] Wasser (5 g / kg Körperwasser, berechnet als 60% des Körpergewichts bei Männern und 50% des Körpergewichts bei Frauen) um 22:00, 02:00 und 06:00 Uhr. Die Probanden durften 0,5% trinken [2H] Wasser ad libitum für den Rest des Fastens. Die Probanden erhielten dann einen Bolus von 2,25 mg / kg [3,4-13C] Glucose intravenös gefolgt von einer 2-stündigen Infusion (0,0225 mg / kg / min). Am Ende der Infusionsperiode wurde eine 50 ml-Blutentnahme durchgeführt. Diese Verfahren wurden am 2. Tag des Fastens wiederholt, außer bei Nachtbeladung mit 70% [2H] Wasser.

Nahrungsaufnahme von Makronährstoffen vor dem Fasten

Die Ernährungsaufzeichnungen wurden 3 Tage vor der Studie gesammelt und vom CTRC-Ernährungsberater ausgewertet. Diäten bestanden aus 48% (Bereich 43-50%) Kohlenhydraten, 38% (Bereich 37-40%) Fette und 15% (Bereich 14-17%) Proteine. Die Nahrungsmakronährstoffzusammensetzung war vergleichbar zwischen den Geschlechtern; jedoch war die tägliche Energiezufuhr bei Männern im Vergleich zu Frauen signifikant höher (2.825 [Bereich 2.654-3.140] vs. 1.563 [1.424-2.100] kcal / Tag; P = 0.010).

Isotope und andere Materialien

Siebzig Prozent [2H] Wasser und 99% [U-13C] -Propionat (Natriumsalz) wurde von Cambridge Isotopes (Andover, MA) erhalten. Sterilität und Pyrogen getestet [3,4-13C] Glucose wurde von Omicron Biochemicals, Inc. (South Bend, IN) erhalten. Andere übliche Reagenzien wurden von Sigma (St. Louis, MO) bezogen.

Blutproben

Alle 4 h wurden 3 ml Blut von jedem Subjekt entnommen. Das Blut wurde in nicht heparinisierten, EDTA-haltigen Röhrchen gesammelt und sofort zentrifugiert, um das Plasma zu isolieren. Die Proben wurden sofort eingefroren und bei -80 ° C gehalten, wonach sie einmal aufgetaut und analysiert wurden. Plasmaglucose-, Cholesterol-, TG- und High-Density-Lipoprotein-Cholesterin (HDL-c) -Konzentrationen wurden unter Verwendung eines spektrophotometrischen Vitros 250-Analysators (Ortho-Clinical Diagnostics, Rochester, NY) bestimmt. Enzyme-linked Immunosorbent Assay Kits wurden verwendet, um Plasma-Insulin, Leptin und Adiponektin Konzentrationen (Millipore, Billerica, MA) sowie Plasma-freie Fettsäuren (FA) Konzentrationen (Wako Chemicals USA, Richmond, VA) zu messen. Plasma-Ketonkörper wurden unter Verwendung eines kommerziellen Kits (Wako Chemicals, Richmond, VA) bestimmt. Andere Chemikalien wurden von einem externen Labor (Quest Diagnostics, Madison, NJ) durchgeführt.

Messung des hepatischen Glukose- und Energiestoffwechsels

Plasma wurde mit Perchlorsäure extrahiert und die Glucose wurde wie zuvor beschrieben gereinigt (17, 18). Gereinigte Plasmaglucose wurde zuvor in 1,2-Isopropylidenglucofuranose (Monoacetonglucose) umgewandelt 2H und 13C-NMR-Analyse wie zuvor beschrieben (17-19). Die Proben wurden auf einem 14,1 Tesla Varian Inova Spektrometer (Varian Instruments, Palo Alto, CA) analysiert, das mit einer 3 mm Breitbandsonde ausgestattet war, die auf 92 MHz eingestellt war 2H-Spektren oder 150 MHz für 13C-Spektren. Resonanzbereiche wurden unter Verwendung von ACD / Labs 12.0 (Advanced Chemistry Development, Inc., Toronto, Ontario, Kanada) bestimmt.

Die relativen Deuteriumanreicherungen in Glukose H2, H5 und H6 wurden mit 2H-NMR und diese Werte wurden verwendet, um den fraktionellen Beitrag der Gluconeogenese und Glykogenolyse zur endogenen Glukoseproduktion zu bestimmen, wie zuvor beschrieben (17). Stoffwechselwege, die den TCA-Zyklus schneiden, wurden bewertet durch 13C-NMR-Analyse von Glucose-C2-Isotopomeren, die als Folge des Metabolismus von [U-13C] -Propionat (20). Über dieses Modell wurde bereits berichtet (21). Die endogene Glukoseproduktion wurde durch Verdünnung von [3,4-13C] Glucose wie zuvor beschrieben (22). Fraktionierte Glykogenolyse und Glukoneogenese gemessen an 2Das H-NMR wurde mit Pyruvatcarboxylase (PC) / Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK), Pyruvat-Zyklus und Gluconeogenese relativ zum TCA-Zyklus-Fluss, gemessen durch 13C-NMR und die Geschwindigkeit der endogenen Glukoseproduktion (& mgr; mol / kg / min) wurden verwendet, um die absoluten Flüsse durch jeden dieser Wege zu berechnen (23).

Messung der hepatischen und intramyozellulären TG

Planungsbilder wurden erhalten und lokalisiert 1H-NMR-Spektren wurden unter Verwendung eines 3,0 Tesla ACHIEVA-Ganzkörper-MR-Systems (Philips Medical Systems, Best, Niederlande) mit Subjekten in Rückenlage erhalten. Für die Leber wurde ein interessierendes Volumen von 2 × 2 × 2 cm in dem rechten Leberlappen positioniert, wobei größere Blutgefäße, intrahepatische Gallengänge und die seitlichen Ränder der Leber vermieden wurden. Für Muskeln wurde ein 2 × 2 × 2 cm großes interessierendes Volumen in dem Soleus positioniert, was eine konsistente Ausrichtung von Muskelfasern sicherstellt und größere Blutgefäße, Knochen und subkutanes Fett vermeidet. Soleus-Muskel wurde aufgrund der Dominanz von oxidativen (Typ II) Fasern in dieser Muskelgruppe (8) und dem größeren erwarteten TG-Signal im Vergleich zu anderen Muskelgruppen ausgewählt (24). Nachdem das System abgestimmt und eingestellt wurde, wurden Spektren unter Verwendung einer Kombination von Ganzkörper- und SENSE-Torso- (Leber-) oder Knie- (Muskel-) Spulen zur Radiofrequenzsignalübertragung und -empfang und einer STEAM-Sequenz mit einer Interpulsverzögerung Tr = 1,6 s, Spin, gesammelt Echozeit Te = 14 ms, Mischzeit Tm = 18 ms, 16 Erfassungen und 2048 Datenpunkte über eine Spektralbreite von 1500 Hz. Der TG-Gehalt wird ausgedrückt als Prozent der Methylengruppenresonanz bei 1,40 ppm, bezogen auf das kombinierte Signal von Methylen und Wasser (25, 26). Der typische Fehler bei der Messung der hepatischen und intramyozellulären TG betrug ± 0,13% (r2 = 0,938; Steigung = 0,89) und ± 0,16% (r2 = 0,953; Steigung = 0,98). Um diese Werte zu erhalten, wurden hepatische (n = 6) und intramyozelluläre (n = 5) TG-Messungen zweimal in derselben Sitzung bei einigen Probanden durchgeführt.

statistische Analyse

Statistische Analysen wurden unter Verwendung von SigmaPlot 11.0 (Systat Software, Inc., San Jose, CA) durchgeführt. Unterschiede zwischen den beiden Gruppen wurden mit dem ungepaarten ausgewertet t-Tests. Die Proportionen wurden mit dem Chi-Quadrat-Test bewertet. Die Signifikanz der Trends gegenüber dem schnellen wurde unter Verwendung von 1-Faktor-ANOVA mit wiederholten Messungen bestimmt. Vergleiche mehrerer Messungen zwischen Gruppen wurden unter Verwendung von 2-Faktor-ANOVA mit wiederholten Messungen durchgeführt. Der Tukey-Test wurde für die Post-hoc-Analyse von signifikanten Befunden auf ANOVA verwendet. Wenn nicht anders angegeben, werden die Werte als Median- und Interquartilbereich angegeben. Statistische Signifikanz wurde bei P < 0.05.

ERGEBNISSE

Veränderungen der Metabolitenkonzentrationen im Plasma über einen Zeitraum von 48 Stunden

Ein Vergleich der metabolischen Parameter bei Frauen und Männern über den 48-Stunden-Fasten ist in dargestellt. Übereinstimmend mit früheren Berichten zeigten sich Unterschiede in den Lipidmetaboliten zwischen den Geschlechtern (16). Es gab einen kleinen, aber signifikanten Anstieg des Plasmacholesterins mit Fasten, der unabhängig vom Geschlecht war. Plasma-TGs waren in der unmittelbaren postprandialen Periode am höchsten und nahmen mit Fasten bei Frauen und Männern ab; Es wurde jedoch eine signifikante disordinale Interaktion zwischen Geschlecht und Dauer des Fastens festgestellt. Männer hatten nach 4 Stunden Fasten höhere Plasma-TGs, behielten aber für den Großteil des Fastens eine niedrigere Konzentration bei. Plasma-freie FA-Konzentrationen waren bei Frauen als Männer von 4 bis 24 h Fasten höher (durchschnittliche 24 h Werte gezeigt). Obwohl bei beiden Geschlechtern zwischen 20 und 32 Stunden Fasten ein signifikanter Anstieg der plasmafreien FS zu verzeichnen war, war die Anstiegsrate bei Männern viermal so hoch wie bei Frauen (). Trotz der Geschlechtsunterschiede in den Plasma-FA-Konzentrationen gab es keinen signifikanten Unterschied in den Plasmaketonen, wobei jedes Geschlecht während der Fastenperiode eine ähnliche Ketose aufwies (). Wir untersuchten auch die Beziehung zwischen plasmafreien FA und Ketonen in jedem Geschlecht (; durchschnittliche 24 h Werte gezeigt). ANCOVA zeigte eine signifikante positive Korrelation zwischen diesen Metaboliten bei Frauen (r = 0.654; P <0,001) und Männer (r = 0.606; P <0,001) über den 48-Stunden-Fasten. Als Gruppe zeigten Frauen auch eine signifikante positive Beziehung zwischen den Konzentrationen von freiem Plasma und freiem Keton im Vergleich zur = 0.799; P = 0,008) und endgültig (r = 0.732; P = 0,025) Tag des Fastens. Eine ähnliche Beziehung zwischen den Probanden war jedoch bei Männern während der 24-Stunden-Periode nicht gegeben (initial, r = −0.259; P = 0,501; Finale, r = −0.031; P = 0,937). Plasma-Lactat, Glukose, Insulin, Adiponektin und Transaminasen waren ebenfalls zwischen den Geschlechtern vergleichbar. Plasma-Leptin war bei Frauen signifikant höher als bei Männern. Zusammengenommen stimmen diese Daten überein mit einer sexuell dimorphen Induktion der Lipolyse und des FA-Metabolismus während der Fastenperiode.

TABELLE 2.

Merkmale von Frauen und Männern während eines 48-Stunden-Fastens

Frauen (n = 9)
Männer (n = 9)
Zeit gefastet
P Wert
Parameter 4 Stunden 24 Stunden 48 Stunden 4 Stunden 24 Stunden 48 Stunden Sex Zeit Sex × Zeit
Plasmacholesterin (mg / dl) 145 158 176 155 177 166 0.460 0.002 0.438
(144–186) (150–203) (154–195) (135–184) (154–184) (161–193)
Plasmatriglyceride (mg / dl) 110 85 75 115 100 75 0.514 <0.001 0.023
(80–180) (65–135) (75–110) (95–230) (80–105) (65–85)
Plasmafreie FA (mmol / l) 0.58 0.71 0.94 0.41 0.56 0.71 0.007 <0.001 0.006
(0.51–0.61) (0.65–0.78) (0.87–0.98) (0.35–0.52) (0.30–0.65) (0.47–0.86)
Plasmaketone (mmol / l) 0.05 0.33 1.22 0.09 0.41 1.94 0.647 <0.001 0.620
(0.04–0.08) (0.21–0.57) (1.11–1.56) (0.07–0.11) (0.29–0.45) (1.42–2.13)
Plasma-Lactat (mmol / l) 0.9

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