Melissa L. Erickson

1 Laborator de fiziologie integrativă și medicină moleculară, Pennington Biomedical Research Center, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70808, SUA; [email protected]

Steven K. Malin

2 Departamentul de Kinesiologie, Universitatea din Virginia, Charlottesville, VA 22903, SUA; ude.ainigriv@n6mks

Zeneng Wang

3 Departamentul de Medicină Celulară și Moleculară, Lerner Research Institute, Cleveland Clinic, Cleveland, OH 44106, SUA; gro.fcc@2zgnaw (Z.W.); gro.fcc@5mnworb (J.M.B.); gro.fcc@2nezah (S.L.H.)

J. Mark Brown

3 Departamentul de Medicină Celulară și Moleculară, Institutul de Cercetare Lerner, Cleveland Clinic, Cleveland, OH 44106, SUA; gro.fcc@2zgnaw (Z.W.); gro.fcc@5mnworb (J.M.B.); gro.fcc@2nezah (S.L.H.)

Stanley L. Hazen

3 Departamentul de Medicină Celulară și Moleculară, Lerner Research Institute, Cleveland Clinic, Cleveland, OH 44106, SUA; gro.fcc@2zgnaw (Z.W.); gro.fcc@5mnworb (J.M.B.); gro.fcc@2nezah (S.L.H.)

John P. Kirwan

1 Laborator de fiziologie integrativă și medicină moleculară, Pennington Biomedical Research Center, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70808, SUA; [email protected]

Date asociate

Abstract

Acumularea de dovezi care leagă trimetilamina N-oxidul (TMAO) de riscul bolilor cardiovasculare (BCV) a determinat interesul în dezvoltarea strategiilor terapeutice pentru reducerea producției sale. Am comparat două abordări de intervenție a stilului de viață: dieta hipocalorică versus dieta eucalorică, combinată cu exercițiile fizice, la nivelurile TMAO în raport cu factorii de risc BCV. Șaisprezece adulți obezi (66,1 ± 4,4 ani, IMC (indice de masă corporală): 35,9 ± 5,3 kg/m 2, glucoză de post: 106 ± 16 mg/dL, 2-h PPG (glucoză postprandială): 168 ± 37 mg/dL) au fost alocați aleatoriu la 12 săptămâni de efort (5 zile/săptămână, 80-85% HRmax (frecvență cardiacă maximă)) plus fie o dietă hipocalorică (HYPO) (-500 kcal), fie o dietă eucalorică (UE). Rezultatele au inclus TMAO plasmatic, metabolismul glucozei (testul oral de toleranță la glucoză (OGTT) și cleme euglicemice-hiperinsulinemice pentru ratele de eliminare a glucozei (GDR)), capacitatea de efort (VO2max, consumul maxim de oxigen), adipozitatea abdominală (tomografii computerizate), colesterolul și trigliceride. Rezultatele au arătat că compoziția corporală (greutatea corporală, adipozitatea subcutanată), sensibilitatea la insulină, VO2max și colesterolul s-au îmbunătățit (p Cuvinte cheie: N-oxid de trimetilamină, obezitate, restricție calorică, factori de risc pentru boli cardiovasculare, microbiom intestinal, exerciții fizice, intervenție în stilul de viață

1. Introducere

N-oxidul de trimetilamină (TMAO) a fost identificat prin studii metabolomice neintenționate ca o moleculă mică prezentă în circulația sistemică umană care promovează bolile cardiovasculare [1]. Mai recent, TMAO a fost implicat în patogeneza obezității [2], rezistenței la insulină [3,4,5,6] și a bolilor renale [7,8]. Studiile clinice prospective au arătat că TMAO este predictiv al evenimentelor cardiovasculare adverse, inclusiv infarctul miocardic, accident vascular cerebral și deces [9]. În plus, mai multe metaanalize recente ale studiilor clinice pentru TMAO confirmă toate nivelurile circulante care prezic riscurile de boală cardiovasculară și mortalitate, fiecare creștere cu 10 µM a nivelului TMAO fiind asociată cu o creștere de aproximativ 7,6% a riscului relativ de mortalitate pe toate cauzele [ 10,11,12]. O multitudine de studii de model animal și de observație clinică sugerează că calea TMAO dependentă de microbiota intestinală este un participant important în dezvoltarea bolilor cardiovasculare și metabolice [1].

Biosinteza TMAO este unică din factorii de risc tradiționali ai bolilor cardiovasculare, prin faptul că producția sa depinde de metabolismul microbian intestinal. Precursorii principali ai TMAO sunt derivați din surse alimentare de fosfatidilcolină, colină și L-carnitină. Odată ajuns în tractul digestiv, microbii intestinali ajută la catabolismul acestor compuși, ducând la producerea trimetilaminei (TMA) ca subprodus metabolic. TMA este absorbit rapid în circulația portală și oxidat de enzimele hepatice, în special flavin monooxigenaza 3 (FMO3), ceea ce duce la producerea de TMAO [1,13]. TMAO reintră în circulația sistemică și contribuie la activarea celulelor endogene de spumă macrofagă care participă la dezvoltarea aterosclerozei [1,11,14,15].

2. Materiale și metode

2.1. Design de studiu

Aceasta a fost o analiză post-hoc a probelor colectate din studiile controlate randomizat efectuate anterior, care investighează efectele intervențiilor asupra stilului de viață asupra factorilor de risc cardiometabolici [28,29]. Am avut probe de plasmă pre și post-intervenție pentru șaisprezece adulți cu obezitate (vârstă: 66,1 ± 4,4 ani; IMC (indicele de masă corporală): 35,9 ± 5,3 kg/m 2). Participanții au fost repartizați aleatoriu fie la o dietă eucalorică de 12 săptămâni (UE) combinată cu antrenament la exercițiu, fie la o dietă hipocalorică (HYPO) combinată cu antrenament la exercițiu. Datele antropometrice și metabolice au fost colectate înainte și după intervenția eucalorică sau hipocalorică. În timpul fazelor de testare, participanții au raportat la unitatea de cercetare clinică pentru o perioadă de control metabolic de 3 zile. Activitatea și dieta au fost atent monitorizate în această perioadă. Așa cum s-a descris anterior, a fost oferită participanților o dietă de menținere a greutății cu următoarea compoziție de macronutrienți (55% carbohidrați, 35% grăsimi și 10% proteine). Aportul caloric zilnic a fost calculat ca o rată metabolică de repaus × 1,3 [29]. Procedurile de testare metabolică au fost efectuate după un repaus de aproximativ 12 ore peste noapte.

2.2. Participanți

Participanții au fost stabili în greutate (1,15 și/sau oboseală volitivă. Antrenamentul la exerciții a avut loc la o frecvență de 5 zile/săptămână, pentru o durată de 50-60 minute, fie pe bandă de alergat, fie pe ergometru ciclic. Sesiunile de exerciții inițiale au fost efectuate la o intensitate între 60-65% HRmax. Intensitatea a fost crescută treptat de-a lungul sesiunilor, astfel încât, până în săptămâna 4, participanții au menținut o intensitate de 80-85% HRmax. VO2max și HRmax au fost re-testate în trepte de 4 săptămâni (valoarea inițială, 4, 8 și 12 săptămâni) pentru a monitoriza îmbunătățirile de fitness și pentru a regla intensitatea antrenamentului. Toate sesiunile de exerciții au fost supravegheate de un fiziolog de exerciții. Monitoarele de ritm cardiac polar au fost utilizate în timpul tuturor sesiunilor de exerciții pentru a confirma conformitatea cu intensitatea antrenamentului. înainte de evaluările post-testare.

Dieta: Participanții la grupul eucaloric au fost sfătuiți să nu-și modifice aportul de energie, în timp ce participanții la grupul hipocaloric au fost sfătuiți să reducă caloriile zilnice cu 500 kcal. Pentru a atenua deficitul caloric, participanții s-au întâlnit săptămânal cu un nutriționist. Cheltuielile cu energia au fost estimate prin ecuația Harris - Benedict, folosind un factor de activitate de 1,3 [30]. Aderența la dietă a fost monitorizată prin rechemări alimentare de 3 zile, care au fost finalizate înainte de intervenție, precum și la săptămânile 1, 3, 6, 9 și 12. Greutatea corporală a fost monitorizată săptămânal pentru a confirma conformitatea.

2.4. Compozitia corpului

Măsurătorile de înălțime și greutate au fost luate după aproximativ 12 ore de post, iar participanților li s-a cerut să poarte o rochie standard de spital. Înălțimea a fost măsurată cu ajutorul unui stadiometru, iar greutatea corporală a fost măsurată folosind o scală calibrată. Sunt raportate în medie trei măsurători atât pentru înălțime, cât și pentru greutate. IMC a fost calculat din aceste date. Adipozitatea abdominală a fost măsurată cu scanări computerizate de tomografie axială (CT) (Picker PQ6000 Scanner; Marconi/Picker Highland Heights, OH, SUA). Au fost realizate imagini transversale în regiunea L4 a abdomenului. Regiunile de interes au inclus depozite subcutanate și viscerale.

2.5. Măsurarea TMAO

Probele de sânge de post au fost colectate în tuburi EDTA, prelucrate pentru a izola plasma și congelate la -80 ° C până la analiză. Nivelurile TMAO au fost măsurate folosind cromatografie lichidă de diluție a izotopilor stabili cu spectrometrie de masă tandem online utilizând un spectrometru de masă 8050 triplu quadrupol (Shimadzu Scientific Instruments, Columbia, MD, SUA) așa cum s-a descris anterior [1,31]. Testul TMAO a arătat o bună stabilitate inter și intraday (CV-uri 98,5%) și stabilitate pe parcursul ciclurilor de îngheț - dezgheț (interciclu CV 2/min -1), așa cum s-a descris anterior [32,33]. O perfuzie de insulină continuă amorsată a fost efectuată peste 120 de minute printr-un cateter plasat în vena antecubitală. Glucoza (dextroză 20%) a fost administrată concomitent, în timp ce mâna contralaterală a fost încălzită la 60 ° C în scopul arterializării sângelui. Glucoza plasmatică a fost evaluată la fiecare cinci minute, iar această valoare a fost utilizată pentru a determina ratele ulterioare de perfuzie a glucozei. Viteza de eliminare a glucozei (GDR) în timpul creșterii timpului de 90-120 minute a clemei a fost raportată pentru a determina sensibilitatea la insulină.

2.7. Analize statistice

tabelul 1

Caracteristicile participanților înainte și după intervenția stilului de viață.

Hipocaloric (n = 7) Eucaloric (n = 9)Valoare PrePostp Valoare PrePostp
Vârsta (ani)67 ± 5--65 ± 4--
Sex (M/F)2/5--3/6--
Greutate corporală (kg)100 ± 1691 ± 14 2)35 ± 532 ± 5 Tabelul 1. Deși nu este statistic diferit, reducerea procentuală a greutății corporale a avut tendința de a fi mai mare în grupul hipocaloric versus eucaloric (HYPO: −7,8 ± 1,1% față de UE: −5,7 ± 2,6%; p = 0,06).

3.2. Concentrații TMAO

Nivelurile inițiale de TMAO nu au fost diferite între grupurile hipocalorice sau eucalorice (HYPO: 3,2 ± 1,9 vs. UE: 2,7 ± 1,7 µM; p = 0,260). Ca răspuns la intervenții, nivelurile absolute de TMAO nu s-au modificat semnificativ în hipocaloric (pre: 3,8 ± 2,2 față de post: 2,2 ± 1,3 µM; p = 0,136) sau eucaloric (pre: 2,7 ± 1,7 față de post: 3,2 ± 2,3 uM; p = 0,537) grupuri. Cu toate acestea, Figura 1 prezintă modificări individuale ale concentrațiilor plasmatice de TMAO după intervențiile hipocalorice (Figura 1 A) și eucalorice (Figura 1 B) și prezintă variații considerabile. În timp ce modificarea nivelurilor absolute ale TMAO nu a fost semnificativ diferită între grupuri (F = 2.421, p = 0.132), modificarea procentuală medie a TMAO a fost semnificativ diferită între grupuri (UE: 32 ± 0.6% vs. HYPO: −31 ± 0.4 %, p = 0,04, Figura 1 C, D).

stilului

(A) Modificări individuale ale concentrațiilor plasmatice de TMAO (trimetilamină N-oxid) înainte și după 12 săptămâni de dietă hipocalorică combinate cu exerciții supravegheate. (B) Modificări individuale ale concentrațiilor plasmatice de TMAO înainte și după 12 săptămâni de dietă eucalorică combinate cu exerciții supravegheate. (C) Modificarea procentuală individuală a concentrațiilor plasmatice de TMAO după 12 săptămâni de dietă hipocalorică combinată cu exerciții supravegheate. Media grupului notată printr-o linie întreruptă orizontală. (D) Modificarea procentuală individuală a concentrațiilor plasmatice de TMAO după 12 săptămâni de dietă eucalorică combinată cu exerciții supravegheate. Media grupului notată printr-o linie întreruptă orizontală.

3.3. Metabolismul glucozei

Test de toleranță orală la glucoză: glucoza de post a fost redusă semnificativ în grupul hipocaloric, în timp ce grupul eucaloric a rămas neschimbat, așa cum se arată în Tabelul 1. Răspunsurile la glucoză-AUC180min au orientat spre o reducere a grupului hipocaloric (pre: 24.555 ± 2549 vs. post: 21.608 ± 2352 mg/dL × 180 min; p = 0.071) și au rămas neschimbate în grupul eucaloric (pre: 25.821 ± 6127 vs. post: 24,064 ± 3696 mg/dL × 180 min; p = 0,173). Insulina de post a avut tendința de reducere a ambelor grupuri, așa cum se arată în Tabelul 1. Răspunsurile la insulină AUC180min au avut tendința de a scădea atât în ​​hipocaloric (pre: 10.432 ± 4577 față de post: 6.469 ± 1870 µU/mL × 180 min; p = 0.079), cât și eucaloric (pre: 15.162 ± 9912 vs. U/ml × 180 min; p = 0,075) grupuri, deși acest efect nu a fost semnificativ statistic.

Clemă euglicemică-hiperinsulinemică: sensibilitatea la insulină periferică, evaluată prin ratele de eliminare a glucozei, s-a îmbunătățit semnificativ atât în ​​grupul hipocaloric, cât și în cel eucaloric, așa cum se arată în Figura 2 A. Mărimea îmbunătățirii nu a fost diferită între grupuri (HYPO: 83,6% față de UE: 59,6%; p = 0,41).

Depozitul de grăsime abdominală viscerală a fost redus semnificativ în grupul eucaloric (pre: 174,9 ± 118 vs. post: 138,9 ± 98 cm 2; p = 0,025), în timp ce grupul hipocaloric a fost neschimbat (pre: 255,7 ± 96 vs. post: 232 ± 67 cm 2; p = 0,434). Scăderea relativă nu a fost diferită între grupuri (HYPO: -6,1% față de -16,3%; p = 0,156).

3.5. Profilul lipidic

Colesterolul a fost semnificativ redus în grupul hipocaloric, în timp ce grupul eucaloric a avut tendința spre o reducere semnificativă, așa cum se arată în Tabelul 1. Scăderea relativă nu a fost diferită între grupuri (HYPO: 9,2% față de UE: 7,5%; p = 0,752). În plus, trigliceridele au fost reduse semnificativ în grupul eucaloric, dar nu și hipocaloric, așa cum se arată în tabelul 1. Scăderea relativă nu a fost diferită între grupuri (HYPO: -5,7% față de UE: -19,6%; p = 0,233).

3.6. Analiza corelației

VO2max absolut de bază a fost semnificativ corelat cu nivelurile inițiale de TMAO, așa cum se arată în Figura 3 A, (r = 0,67, p = 0,004). Modificarea TMAO după intervenția stilului de viață a fost invers corelată cu țesutul adipos visceral inițial (r = -0,63, p = 0,0094) și, după controlul statistic pentru nivelurile inițiale de TMAO, a fost r = -0,54 (modificarea F = 8,433, p = 0,012). Niciun alt factor de bază nu a fost legat de valoarea inițială TMAO (Tabelul S1). În plus, modificarea TMAO după intervenția stilului de viață s-a corelat cu valoarea inițială GDR (90-120 min mg/kg/min) (r = 0,58, p = 0,002) și după controlul statistic pentru nivelurile inițiale de TMAO a fost r = 0,52 7,483, p> 0,05). Nu s-au observat corelații cu modificarea TMAO și modificarea compoziției corpului sau a rezultatului metabolic (Tabelul S2).

(A) Corelația dintre valoarea inițială a plasmei TMAO (µM) și valoarea inițială VO2max (L/min) (r = 0,67, p = 0,004). (B) Corelația dintre țesutul adipos visceral transformat în jurnalul de bază (TVA) și modificarea procentuală a TMAO după intervenția stilului de viață (r = -0,63, p = 0,009). (C) Corelația dintre rata inițială de eliminare a glucozei și modificarea procentuală a TMAO după intervenția stilului de viață (GDR (rata eliminării glucozei): r = 0,58, p = 0,003).

4. Discutie

Aceste descoperiri sunt în conformitate cu calea de producție TMAO. Se poate presupune că un beneficiu indirect al dietei hipocalorice utilizate în acest studiu a dus la o reducere a nivelurilor absolute de precursori dietetici, explicând parțial modificările observate în TMAO. Nivelurile circulante de TMAO sunt sensibile la schimbări prin manipularea precursorilor dietetici, deoarece această abordare a fost utilizată anterior ca o manevră experimentală descrisă ca o provocare a fosfatidilcolinei [9]. Rezultatele acestei provocări arată niveluri crescute de TMAO plasmatic după ingestia a două ouă fierte mari, combinate cu fosfatidilcolină marcată cu deuteriu [9]. Aici, vom arăta în mod constant o legătură potențială între contribuțiile dietetice la nivelurile de TMAO la om. Nu se cunoaște dacă modificările TMAO au fost determinate de un echilibru energetic negativ sau de reduceri absolute ale precursorilor alimentari asociați cu aderarea la un protocol de restricție calorică și vor fi necesare studii mai mari cu un control dietetic riguros pentru a aborda aceste probleme.

Prin această analiză post-hoc, am constatat că restricția calorică indusă de dietă combinată cu exerciții supravegheate poate fi mai eficientă pentru reducerea TMAO circulant, comparativ cu exercițiul combinat cu o dietă eucalorică. Acest lucru poate sugera că nivelurile TMAO sunt mai susceptibile de a fi modificate prin restricție calorică indusă de dietă versus un singur efect de efort. Cu toate acestea, am observat că îmbunătățirile de sănătate au apărut în absența unei reduceri semnificative a TMAO, sugerând că exercițiile fizice acționează, parțial, prin calea independentă de TMAO la adulții obezi, rezistenți la insulină. Pentru a confirma rezultatele noastre vor fi necesare studii randomizate controlate cu eșantioane mai mari. Studiile viitoare ar trebui, de asemenea, să urmărească eliminarea impactului echilibrului energetic negativ comparativ cu reducerea nivelurilor absolute de TMAO la precursorii alimentari pentru promovarea modificărilor benefice ale nivelurilor de TMAO și reducerea riscului de boli cardio-metabolice.