Leonie K Heilbronn

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

2 Garvan Institute for Medical Research, Darlinghurst, NSW, AUSTRALIA, 2010

Lilian de Jonge

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Madlyn I Frisard

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

James P. DeLany

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

D. Enette Larson Meyer

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Jennifer Rood

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Tuong Nguyen

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Corby K Martin

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Julia Volaufova

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Marlene M Most

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Frank L Greenway

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Steven R Smith

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Donald A Williamson

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Walter A Deutsch

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Eric Ravussin

1 Centrul de cercetare biomedicală Pennington, Baton Rouge, LA, 70808

Abstract

Context

Restricția prelungită a caloriilor (CR) crește durata de viață a rozătoarelor. Indiferent dacă CR prelungit afectează biomarkerii longevității, markerii stresului oxidativ și reduce rata metabolică, dincolo de cea așteptată de la masa metabolică redusă, nu a fost testat anterior la oameni.

Obiective

Pentru a examina efectele restricției calorice de 6 luni, cu sau fără exerciții fizice la nonobezi (25≤BMI 0,05), dar scăzute în CR (-135 (42) kcal/zi), CREX (-117 (52) kcal/zi) și LCD (-125 (35) kcal/d, (toate, p Cuvinte cheie: îmbătrânirea, rata metabolică, deteriorarea oxidativă, restricția caloriilor, temperatura miezului, insulina

Introducere

Restricția prelungită a caloriilor (CR) crește durata de viață a rozătoarelor și a altor specii de viață mai scurtă 1. Nu se cunoaște dacă acest lucru apare la speciile cu viață mai lungă, deși efectul CR prelungit la primatele neumane este în curs de investigare. O ipoteză pentru a explica efectele anti-îmbătrânire a CR este reducerea cheltuielilor de energie (EE), cu reducerea consecventă a producției de specii reactive de oxigen (ROS) 2, 3. Cu toate acestea, alte efecte metabolice asociate cu CR, inclusiv modificarea sensibilității și semnalizării insulinei, modificarea funcției neuroendocrine, răspunsul la stres modificat sau o combinație a acestora pot întârzia îmbătrânirea 4 .

EE totală este alcătuită din EE în repaus (50-80% din energie), efectul termic al hrănirii

10%) și EE fără odihnă (10-40%) 5. Se discută dacă cheltuielile cu energia sunt reduse dincolo de nivelul așteptat pentru o anumită reducere a dimensiunii masei de metabolizare după CR. Leibel și colab. 6 a arătat că pierderea în greutate cu 10% a redus aportul de energie sedentar 24 de ore pentru menținerea greutății între 15-20% la subiecții obezi, sugerând că adaptarea metabolică are loc la om. Cu toate acestea, pierderea în greutate a fost obținută rapid cu dietele lichide și, cu excepția câtorva subiecți cu greutate normală din acest studiu, nu au fost testate efectele CR prelungite asupra cheltuielilor energetice la oamenii non-obezi. La maimuțele rhesus, EE odihnită ajustată pentru masa fără grăsimi și masa grasă a fost mai mică după 11 ani de CR 7. În mod similar, EE totală a fost mai mică la maimuțele CR după 10 ani de greutate de prindere 8. Studiile la rozătoare s-au dovedit a fi mai controversate, cu rapoarte de scădere, nicio modificare sau creșterea EE ajustată între CR și animalele hrănite ad libitum 9 - 13 .

Una dintre cele mai acceptate teorii ale îmbătrânirii este teoria stresului oxidativ, care afirmă că daunele oxidative produse de ROS se acumulează în timp ducând la dezvoltarea unor boli precum cancerul, îmbătrânirea și, în cele din urmă, moartea. ROS sunt subproduse ale metabolismului energetic, cu 0,2-2,0% din consumul de oxigen, rezultând formarea ROS 15, 16. ROS atacă lipidele, proteinele și ADN-ul generând o serie de produse care afectează funcționarea normală a celulelor 17. Studiile efectuate la rozătoare au demonstrat o scădere cu 30% a 8-oxo7,8-dihidro2'deoxiguanozinei (8oxodG) la nivelul creierului, mușchilor scheletici și inimii, reduceri similare ale conținutului de carbonil din creier și mușchi 18 - 22 și prezintă modele transcripționale care sugerează reducerea stresului oxidativ ca răspuns la CR 23. Cu toate acestea, maimuțele rhesus supuse restricției calorice prezintă răspunsuri divergente în expresia genelor implicate în stresul oxidativ 24 .

Temperatura miezului, sulfatul de dehidroepiandrosteron (DHEAS) și insulina sunt biomarkeri propuși ai RC și longevitate la rozătoare și maimuțe 25. Datele din Studiul longitudinal de îmbătrânire din Baltimore susțin asocierea dintre longevitate și temperatură, insulină și DHEAS la bărbații cu concentrație plasmatică de insulină sau temperatura orală sub mediană și DHEAS peste medie trăind mai mult 26. Mai mult, într-un studiu transversal care a comparat indivizii cu RC auto-impus nutrițional adecvat timp de 6 ani cu controalele normale ale greutății, Fontana și colab. au raportat că subiecții cu CR au avut glucoză serică mai mică, insulină și markeri de ateroscleroză.

Obiectivele acestui studiu au fost de a stabili dacă CR prelungit doar prin dietă sau în combinație cu exercițiile fizice poate fi implementat cu succes la subiecții neobezi și pentru a determina efectele intervențiilor asupra biomarkerilor stabiliți ai CR, cheltuielile de energie sedentare și daunele oxidative la ADN și proteine.

Metode

Studiul de evaluare cuprinzătoare a efectelor pe termen lung ale reducerii consumului de energie (CALERIE) este un studiu clinic randomizat finanțat de Institutul Național de Îmbătrânire efectuat la Centrul de Cercetări Biomedice Pennington, Louisiana. Comitetul de evaluare internă de la Pennington și un comitet independent de monitorizare a siguranței datelor au aprobat protocolul, iar subiecții au acordat consimțământul scris în scris. Studiul a fost realizat în perioada august 2002 - iulie 2004.

Subiecte

Potențialii participanți au efectuat 3 vizite de screening în timpul cărora au fost înregistrați mulți parametri pentru a se asigura că subiecții erau sănătoși din punct de vedere fizic și psihologic, inclusiv înălțimea, greutatea, tensiunea arterială, electrocardiograma, panoul de chimie 15 și hemogramele complete. Cinci sute nouăzeci și nouă de persoane au fost examinate; 551 au fost excluși, 460 dintre aceștia au fost neeligibili și 91 s-au retras în timpul screening-ului (Figura 1). Rasa și etnia au fost raportate de sine.

biomedicală Pennington Baton

Fluxul participantului la proces.

De bază

Cheltuielile totale de energie au fost măsurate de două ori (perioade de două săptămâni) la momentul inițial folosind apă dublu etichetată, o dată în timp ce participanții urmau dieta obișnuită acasă (B1) și o altă dată în timp ce li se oferea o dietă de întreținere a greutății (B2). Pe scurt, subiecții au furnizat 2 probe de urină înainte de a fi dozate (2,0 g de H2 18 O îmbogățit 10% și 0,12 g 99,9% îmbogățit 2 H2O per kg de apă totală estimată din corp) și au fost prelevate probe temporizate suplimentare la 4,5 și 6 ore și 7 și 14 zile după administrare. Producția de dioxid de carbon și cheltuielile de energie au fost calculate așa cum s-a descris anterior 28, 29. După B2, subiecții au participat la o internare de 5 zile (M0) în care au fost efectuate numeroase teste metabolice. Subiecții au repetat internarea la M3 și M6.

Intervenţie

După stratificare în funcție de sex și IMC, subiecții (n = 48) au fost randomizați secvențial într-unul din cele patru grupuri timp de 6 luni: Control (dieta de întreținere a greutății), CR = 25% restricție calorică a cerințelor de bază de bază, CREX = 12,5% CR + 12,5% creșterea cheltuielilor energetice prin exerciții structurate, LCD = dietă cu foarte puține calorii până la reducerea cu 15% a greutății corporale, urmată de diete de menținere a greutății. Cu excepția echipei de intervenție, tot personalul implicat în colectarea datelor a fost orbit de informațiile subiectului, inclusiv atribuirea tratamentului.

Dietele

Cerințele de energie la momentul inițial au fost calculate individual din EE măsurată. Meniurile au fost apoi prescrise pentru fiecare subiect în limita a 100 kcals de aportul țintă zilnic. Meniurile au fost proiectate folosind baza de date a nutrienților extinse a lui Moore (MENu 2000, PBRC, Baton Rouge, LA) și ProNutra 3.0 (Viocare, Princeton, NJ). Participanților li s-au oferit toate alimentele la momentul inițial (B2) și în primele 12 săptămâni după randomizare. Participanții au mâncat 2 mese în centru în fiecare săptămână, cu o masă plus gustări ambalate pentru a fi luate. Între săptămânile 13-22, participanții și-au ales singuri dieta pe baza obiectivelor individuale de calorii. Din săptămânile 22-24 s-au întors la protocolul de hrănire. Toate dietele (cu excepția LCD) s-au bazat pe recomandările American Heart Association (≤ 30% grăsime). Participanții la LCD au fost plasați la 890 kcal/zi (HealthOne, Health and Nutrition Technology, Carmel, CA) administrat sub forma a 5 shake-uri care conțin 75g proteine, 110g carbohidrați, 5g grăsime plus 10 g bolus de grăsime pe zi. Odată ce s-a atins pierderea în greutate (-15%), participanții au fost re-alimentați încet la un nivel de energie care a menținut greutatea corporală. În general, greutatea țintă a fost atinsă până la săptămâna 8 la bărbați și până la săptămâna 11 la femei.

Strategii comportamentale și de exerciții

Subiecții au participat la întâlnirile săptămânale de grup și au inițiat un apel telefonic la jumătatea săptămânii pentru a raporta consumul de energie, astfel încât orice problemă aderentă la protocol să fie abordată rapid. Tehnicile cognitiv-comportamentale au fost utilizate pentru a favoriza aderarea la dietă și prescripțiile de exerciții fizice, inclusiv auto-monitorizarea și controlul stimulilor. Sistemul de resurse pentru managementul sănătății (HMR ™, Boston, MA) a fost utilizat pentru a pregăti participanții să estimeze conținutul caloric al alimentelor.

Participanții la CREX au crescut cheltuielile cu energia cu 12,5% peste odihnă, făcând exerciții structurate (mers, alergare, mers cu bicicleta) cinci zile pe săptămână. Costul vizat al energiei a fost de 403 (63) kcal pe sesiune pentru femei și de 569 (118) kcal pe sesiune pentru bărbați. Prescripțiile de exerciții individuale au fost calculate prin măsurarea costului oxigenului (seria V-Max29, SensorMedics, Yorba Linda, CA) la trei niveluri ale activității prescrise și a fost generată o ecuație pentru estimarea cheltuielilor de energie. Durata medie a exercițiului pe sesiune a fost de 53 (11) min la femei și de 45 (14) min la bărbați. Participanții au fost obligați să efectueze 3 sesiuni pe săptămână sub supraveghere și au purtat monitoare portabile de ritm cardiac (Polar S-610, Polar Beat, Port Washington, NY) pentru a evalua conformitatea în timpul sesiunilor nesupravegheate.

Analiza biochimică

Insulina serică de post, DHEAS, tiroxină (T4) și tri-iodotironină (T3) au fost măsurate folosind teste imunologice (DPC 2000, Diagnostic Product Corporation, Los Angeles, CA). Glucoza a fost analizată folosind un electrod de glucoză oxidază (Syncron CX7, Beckman, Brea, CA). Conținutul de carbonil din proteine ​​a fost determinat utilizând un test modificat de 2,4-dinitrofenilhidrazină (DNPH) conform metodei Mates și colab 30 .

Teste metabolice

Fragmentarea ADN-ului măsurată prin electroforeză cu gel unicelular (test Comet)

Testul cometei a fost efectuat conform Deutsch et al 34. Pe scurt, celulele din sânge integral au fost suspendate în agaroză cu punct de topire scăzut pe lamele disponibile comercial (Trevigen, Gaithersburg, MD). Diapozitivele au fost vizualizate la microscopul UV (Nikon Microphot FXA, 512 linii Hamamatsu de înaltă rezoluție, software Image I AT, filtru FITC 3). Gradul de deteriorare a ADN-ului a fost determinat prin calcularea momentului cozii cometei, care este densitatea integrată în coada cometei înmulțită cu distanța de la centrul nucleului la centrul de masă al cozii a 25 de celule folosind software-ul disponibil gratuit (Herbert M Geller; http://www2.umdnj.edu/

geller/lab/comet-Scoring-Macro.txt). La 20 de indivizi măsurați în două zile consecutive, coeficientul de corelație intraclasă a metodei a fost 0,95.

Analize statistice

Datele din text și tabele sunt furnizate ca mijloace (SEM). SAS Versiunea 9.1 a fost utilizată pentru analiză. Modificarea variabilelor față de valoarea inițială la M3 și M6 au fost analizate prin măsuri repetate cu interacțiuni de tratament și timp și valori de bază incluse ca covariabile. Regresia liniară la momentul inițial (n = 48) a fost utilizată pentru a genera ecuații pentru prezicerea EE și valorile prezise au fost generate utilizând ecuația cu FFM măsurat. Diferențele dintre EE prevăzute și măsurate au fost calculate și analizate de ANOVA așa cum s-a descris mai sus. Pentru a ne întări concluzia, o abordare similară a fost utilizată pentru a genera ecuații predictive dintr-o populație de referință de 865 indivizi non diabetici măsurați într-o cameră metabolică similară 35. O transformare logaritmică de normalizare și stabilizare a varianței a fost aplicată momentelor cozii calculate pentru testul cometei. Dimensiunea eșantionului țintă de 48 a furnizat puterea necesară pentru a detecta o reducere de 15% a obiectivului primar, cheltuielile de energie sedentare.

Rezultate

Două persoane s-au retras înainte de finalizarea studiului, unul din grupul de control în săptămâna 4 (motive personale) și unul din grupul LCD în săptămâna 5 (pierdut pentru urmărire). Subiecților li s-a acordat o compensație monetară în timpul și după finalizarea studiului. Acest lucru, alături de contactul frecvent cu intervenționistul, a facilitat rata de reținere excelentă.

Valorile sunt date ca mijloace (SEM) [Interval].

C = caucazian, AA = afro-american, O = altele

Insulina de post a fost redusă semnificativ față de valoarea inițială la M3 și M6 în grupurile CR și CREX (ambele, p Figura 2) și la M6 în toate grupurile (toate, p Figura 2). Glucoza de post și DHEAS nu au fost modificate în niciun grup. Subiecții randomizați la CR (- 0,2 (0,05) ° C) și CREX (-0,3 (0,08) ° C) au avut o temperatură medie a corpului de 24 de ore redusă (ambele, p Figura 3). Nu a existat nicio modificare a temperaturii miezului în grupurile de control sau LCD.

Procentaj de pierdere în greutate pe grupe. Greutatea inițială a fost înregistrată ca medie a 5 greutăți măsurate săptămânal în timpul fazei inițiale. Modificarea greutății în timp a fost semnificativ diferită între grupul de control și cele trei grupuri de intervenție (p Tabelul 2). La momentul inițial, FFM a reprezentat 86% din varianța sedentarului 24h-EE (24h-EE (kcal/d) = 596 + 26,8 * FFM, r 2 = 0,86, p Tabelul 2). Puncte de date individuale la M6 și linia de regresie de bază pentru 24h-EE vs. FFM sunt prezentate în Figura 4. Când subiecții din cele trei grupuri de intervenție au fost grupate, valorile EE ajustate de 24 de ore au fost statistic mai mici decât martorii la M3 și M6 (p 35. Important, 24h-EE nu a fost diferit între populația de referință și CR, CREX sau LCD grupuri la momentul inițial sau în orice moment al controalelor. Cu toate acestea, ajustarea 24h-EE a fost semnificativ mai mică la M3 și M6 în CR, CREX și LCD (toate, p Tabelul 2 și Figura 4). Nu au existat modificări semnificative față de valoarea inițială în nivelul de activitate fizică spontană și în efectul termic al alimentelor exprimat ca procent din aportul de energie.

Modificarea temperaturii corpului miezului de la linia de bază la M6 măsurată peste 23 de ore în interiorul unei camere metabolice setată la 22,2 (0,2) ° C.

Mijloace (SEM). EE prevăzute au fost calculate ca * 24h-EE = 596 + 26,8 * FFM (r 2 = 0,86, p 2 = 0,76, p Figura 2), cu o tendință doar pentru un efect de timp (p = 0,07). Rezultate similare s-au găsit pentru modificarea plasmei T4 ca răspuns la tratament (p Figura 5). Deteriorarea ADN-ului a fost redusă de la momentul inițial în grupurile CR (-0,56 (0,11) au), CREX (-0,45 (0,12) au) și LCD (-0,35 (0,12) au) la M6 (toate, p Figura 5). Această scădere nu a fost statistic diferită de martori atunci când cele trei grupuri de tratament au fost combinate. Nu am găsit relații semnificative între modificările deteriorării ADN-ului și modificările EE, FM sau greutății corporale ajustate.

Corelație între: Panoul superior: măsurat 24h-EE și masa fără grăsimi. (24h-EE (kcal/d) = 596 + 26,8 * FFM, r 2 = 0,86, p 2 = 0,76, p 36, s-a știut că restricția calorică (CR) extinde durata de viață la rozătoare și alte specii inferioare. Cu toate acestea, se știe puțin despre efectele pe termen lung ale RC la om. În studiul de față, am examinat efectele RC pe 6 luni asupra biomarkerilor de CR, a cheltuielilor de energie și a stresului oxidativ la om. Rezultatele noastre indică faptul că CR prelungit a cauzat: 1) o inversare a doi din trei biomarkeri robusti raportați anterior ai longevității (insulină în post și temperatura corpului de bază); 2) o adaptare metabolică (scăderea EE mai mare decât se aștepta pe baza pierderii masei metabolice) asociată cu concentrații mai mici de hormoni tiroidieni și 3) o reducere a fragmentării ADN ca urmare a unei mai puține daune ADN-ului.

Numeroși biomarkeri ai CR au fost identificați la rozătoare, inclusiv temperatura, DHEAS, glucoza și insulina. Roth și colab. 26 au observat recent că temperatura corpului, insulina și DHEAS au fost, de asemenea, modificate la maimuțele CR, validându-și utilitatea ca biomarkeri la speciile cu viață mai lungă. Important, au arătat, de asemenea, că acești parametri au fost modificați la bărbații cu viață mai lungă. Aceste descoperiri susțin rolul acestor factori ca biomarkeri ai longevității la om. Similar modelului de primate, am observat insulină de post redusă semnificativ și temperatura miezului corpului în grupurile CR și CREX. Cu toate acestea, DHEAS și glucoza de post au fost neschimbate prin intervenție. Cel mai probabil, acest studiu a avut o durată insuficientă pentru a detecta modificările DHEAS, care au fost calculate pentru a scădea cu 2-4% pe an la oameni. Glucoza de post nu este modificată în mod constant de CR prelungit la primate și, prin urmare, ne întrebăm dacă glucoza de post este utilă ca biomarker la speciile cu viață mai lungă. Pe de altă parte, Fontana și colab. 27 au observat că glucoza și insulina în repaus alimentar au fost reduse substanțial la subiecții CR care urmează diete auto-prescrise din punct de vedere nutrițional adecvate timp de 6 ani.

Rezultatele acestui studiu arată că RC prelungit prin dietă sau printr-o combinație de dietă și exerciții fizice a fost implementat cu succes, dovadă fiind greutatea redusă, masa grasă, insulina serică de post și temperatura corpului. Acest studiu este unic în sensul că cerințele individuale de energie au fost măsurate cu atenție la momentul inițial, permițându-ne să hrănim și să prescriem obiective dietetice individuale pentru fiecare subiect. Mai mult, am observat că „adaptarea metabolică” se dezvoltă ca răspuns la deficitul de energie la omul care nu este obez la 3 și 6 luni ducând la un consum redus de oxigen pe unitate de masă fără grăsimi, chiar și după realizarea stabilității greutății. În cele din urmă, acest studiu confirmă constatările anterioare că restricția calorică are ca rezultat o scădere a deteriorării ADN-ului. Cu toate acestea, sunt necesare studii mai lungi pentru a determina dacă aceste efecte sunt susținute și care au impact asupra procesului de îmbătrânire.