CDS-Creative Data Solutions, St. Louis, Missouri

West Coast Metabolomics Center, Genome Center, Universitatea din California, Davis, California

Departamentul Agriculturii din Statele Unite - Serviciul de cercetare agricolă Centrul de cercetare pentru nutriția umană din vest, Davis, California

Departamentul Agriculturii din Statele Unite - Serviciul de cercetare agricolă Centrul de cercetare pentru nutriția umană din vest, Davis, California

Departamentul Agriculturii din Statele Unite - Serviciul de cercetare agricolă Centrul de cercetare pentru nutriția umană din vest, Davis, California

Departamentul Agriculturii din Statele Unite - Serviciul de cercetare agricolă Centrul de cercetare pentru nutriția umană din vest, Davis, California

Programul de Medicină Sportivă, Școala de Medicină, Universitatea din California, Davis, California

Departamentul Agriculturii din Statele Unite - Serviciul de cercetare agricolă Centrul de cercetare pentru nutriția umană din vest, Davis, California

Departamentul de Nutriție, Universitatea din California, Davis, California

Departamentul Agriculturii din Statele Unite - Serviciul de cercetare agricolă Centrul de cercetare pentru nutriția umană din vest, Davis, California

Departamentul de Nutriție, Universitatea din California, Davis, California

Departamentul de Științe Nutritive, Universitatea din Alabama, Birmingham, Alabama

Departamentul de studii umane, Universitatea din Alabama, Birmingham, Alabama

Departamentul de Științe Nutritive, Universitatea din Alabama, Birmingham, Alabama

Departamentul de Științe Nutritive, Universitatea din Alabama, Birmingham, Alabama

Departamentul de farmacologie, Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio

Departamentul de Biochimie, Microbiologie și Imunologie, Universitatea din Ottawa, Ottawa, Ontario, Canada

Centrul de nutriție pentru copii din Arkansas, Little Rock, Arkansas

Departamentul de Pediatrie, Universitatea din Arkansas pentru Științe Medicale, Little Rock, Arkansas

Adresa pentru solicitări de reimprimare și alte corespondențe: S. H. Adams, Centrul de nutriție pentru copii din Arkansas, 15 Children’s Way, Little Rock, AR 72202 (e-mail: [e-mail protejat]).

Abstract

În lucrarea actuală, extindem concluziile noastre anterioare din cohortă (9, 82) pentru a explora modul în care modelele globale ale metabolitului sanguin legate de exerciții fizice sunt afectate de îmbunătățirea sensibilității la insulină și fitness În încercarea de a se concentra asupra metabolismului muscular, durata acută a exercițiului (30 min) și intensitatea moderată (~ 40-45% V • o 2peak) utilizate pentru studiile de metabolomică a efortului au fost concepute pentru a activa rapid munca musculară și oxidarea robustă a acizilor grași (7, 68) reducând la minimum creșterea β-oxidării hepatice (19, 20). Ne-am propus să descriem modul în care exercițiul submaximal acut afectează metabolomul din sângele uman și am emis ipoteza că intervenția fizică și de pierdere în greutate ar altera metaboliții selectați din căile sensibile la modificările sănătății metabolice și sensibilității la insulină.

Aprobare etică și informații despre subiectul uman

Protocolul săptămânii de testare pre și postintervenție

Participanții au finalizat testarea înainte (Test săptămâna 1) și după (test săptămâna 2) o intervenție de exercițiu și pierdere în greutate (14-17 săptămâni; variabilă din cauza tiparelor ciclului menstrual dispar, etapele au fost potrivite pre și postintervenție) (vezi Ref. 9) . În timpul fiecărei săptămâni de testare, subiecții s-au abținut de la exerciții fizice și au fost grei stabili în momentul testării.

Dieta săptămânii de testare.

Pentru a minimiza variabilitatea metabolomicii care ar putea fi influențată de diferențele în compoziția dietei, în timpul săptămânii de testare 1 și a săptămânii de testare 2, participanților li s-au oferit alimente potrivite în lot, astfel încât să mănânce diete identice pentru săptămânile de testare (detalii în Ref. 9); masa corporală a fost determinată zilnic și s-au făcut modificări ale caloriilor pentru a menține masa corporală în limita a 5%. În timpul săptămânilor de testare, participanții au fost instruiți să mănânce și să bea doar ceea ce li s-a oferit, să mănânce la fața locului atunci când este posibil, iar respectarea auto-raportată a fost determinată cu jurnale alimentare zilnice.

Test de vârf.

El ziua 4 sau 5 a fiecărei săptămâni de testare, s-a efectuat un test gradat de ciclu ergometru (SRM Ergometer, Colorado Springs, CO) pentru a determina consumul maxim de oxigen (V ̇ o 2peak). Participanții au ajuns la Clinica de Medicină Sportivă Davis a Universității din California (UC) după ce au consumat un mic dejun standard (al doilea meniu; Ref. 9) cu 2-3 ore înainte de exercițiu. În timpul săptămânii de testare 1, participanții au primit un ECG de odihnă, un test de spirometrie și un examen de autorizare medicală de către un medic al Clinicii de Medicină Sportivă UC Davis pentru a se asigura că nu există probleme de sănătate care să excludă exercițiile fizice. Pentru testul de fitness, participanții au finalizat o încălzire de 5 minute, urmată de un test de efort gradat până la epuizare (sarcina inițială de 50 W, crescută cu 20 W la fiecare 2 minute până la oboseala volitivă). V̇o 2peak a fost determinat ca fiind cel mai mare V̇o2 (mL · kg −1 · min −1) pe o perioadă de 30 s. Măsurarea V̇o 2peak a fost reprodusă în timpul săptămânii de testare 2.

Profilarea metabolitului plasmatic în timpul testului de efort submaximal.

Regim de slăbire și fitness

Subiecților li s-a prescris o dietă auto-selectată, restricționată în calorii (reducere de –500-600 kcal/zi) pe baza ghidurilor dietetice din 2005 pentru americani și care vizează o pierdere de masă corporală de 10% peste 14 săptămâni (9). Un chestionar de activitate fizică (5) a fost administrat pentru a evalua nivelul de activitate fizică auto-raportat, cu un scor de 5 pentru cea mai mică activitate și 15 pentru cea mai mare activitate legată de categoriile de muncă, sport/exercițiu și de agrement nonsport; un scor de 7 a fost folosit pentru a calcula caloriile de întreținere. Participanții au înregistrat consumul zilnic de alimente în jurnale și au primit sfaturi săptămânale de la un dietetician înregistrat. Subiecții au primit un supliment nutritiv zilnic (Bayer One-a-Day for Women) pentru a asigura aportul adecvat de vitamine și minerale esențiale. Masa corporală a fost măsurată săptămânal.

Participanții angajați într-un regim de exerciții prescris de cel puțin 4 ori/săptămână pe durata intervenției, așa cum este supravegheat de fiziologii de exerciții WHNRC. În primele 4 săptămâni de intervenție, participanții au făcut exerciții aerobice 4 zile/săptămână timp de 30 de minute fiecare (bandă de alergare sau ergometru ciclu) la o intensitate de 60-70% din FC maximă, așa cum sa determinat în testul V o 2peak. În timpul intervenției săptămânile 5-8, sesiunile de exerciții au fost crescute la 40 min/sesiune, 4 zile/săptămână și în timpul intervenției săptămâna 9 și mai departe intensitatea a fost crescută la o FC de 75% din maxim. Participanții au purtat monitoare de resurse umane în timpul tuturor sesiunilor de exerciții pentru a se asigura că exercitau la intensitatea adecvată pentru timpul prescris.

Analiza metabolomice

Statistică și analiză

metabolomică

FIG. 1.Reprezentarea vizuală a fluxului de lucru pentru analiza datelor. Fluxurile de lucru de pretratare și analiză a datelor au fost implementate pentru identificare 1) exercițiu și recuperare și 2) efecte asociate intervenției în tiparele de excursie ale metaboliților. Amploarea și direcția efectelor dependente de timp au fost rezumate pe baza corelațiilor Spearman dintre intensitățile de vârf ale metabolitului și timpul pentru datele ajustate la intervenție. Efectele intervenției au fost rezumate pe baza suprafeței de sub curbă (ASC) pentru datele despre exerciții și modificări peste 30-35 minute pentru recuperare.

Parcele vulcanice.

Parcele vulcanice au fost folosite pentru a vizualiza semnificația (efecte mixte P valoare, P 0,7 pentru rețelele PubChem CID) au fost calculate folosind metaMapR (25) pentru a vizualiza modificările asociate exercițiilor și recuperării în concentrațiile plasmatice ale metabolitului. Efectele semnificative asupra timpului au fost adnotate pe baza efectului mixt P valori de ≤ 0,05. Magnitudinea și direcționalitatea tendințelor asociate timpului au fost rezumate pe baza semnului și magnitudinii corelațiilor Spearman pentru reziduuri din modelul liniar pentru intervenție (intervenție ajustată) peste punctele de timp măsurate.

Modelarea predictivă.

Modele de pădure aleatoare (RF) (47) au fost dezvoltate pentru a identifica discriminanții optimi ai metaboliților între grupurile de intervenție. Modelele au fost optimizate pe două treimi din cele 15 perechi de eșantioane (date de antrenament) și testate pe o treime din datele excluse (date de testare). Eliminarea caracteristicii recursive (38) a fost utilizată pentru a identifica discriminanții optimi ai modelului pe baza maximizării ariei modelului sub curba caracteristică a operatorului receptorului (ROC) pe baza validării încrucișate de șapte ori repetată de trei ori pe datele de antrenament. Modelele finale au fost validate pe datele reținute.

Pierderea masei corporale și îmbunătățirea indicilor de sănătate metabolici în urma unei intervenții de fitness și dietă

Am raportat anterior că intervenția a dus la reduceri semnificative ale greutății corporale și adipozității, cu îmbunătățiri semnificative ale fitnessului (VO2peak) și sensibilității la insulină (9, 82). De asemenea, din această cohortă au fost raportate modele metabolomice de testare a toleranței peste noapte și în aceeași zi post-glucoză (9).

Modele de metabolit plasmatic asociate exercițiului independent de intervenție, acute

FIG. 2.Modele ale metaboliților plasmatici la femeile postite peste noapte în timpul unui atac acut de exerciții, utilizând date combinate dinaintea și după o intervenție de slăbire și antrenament. Rezultatele sunt ilustrate ca grupuri de rețea de metaboliți reprezentând clase de similitudine structurale și biochimice, cu simboluri albastre care indică o reducere asociată exercițiului și simboluri portocalii care indică o concentrație crescută în primele 15 minute de exercițiu. Sunt descriși doar metaboliții adnotați (cunoscuți). Cercurile conturate cu o linie neagră indică metaboliți cu modificări ale concentrației care au fost semnificative statistic (modelul cu efecte mixte, P


FIG. 3.Modele ale metaboliților plasmatici la femeile postite peste noapte în primele 5 minute de recuperare, după un atac de 30 de minute, folosind date combinate dinaintea și după o intervenție de slăbire și antrenament. Rezultatele sunt ilustrate ca grupuri de rețea de metaboliți reprezentând clase de similitudine structurale și biochimice, cu simboluri albastre care indică o reducere asociată exercițiului și simboluri portocalii care indică o concentrație crescută. Sunt descriși doar metaboliții adnotați (cunoscuți), iar dimensiunile nodurilor transmit mărimea schimbării. Modificarea latosterolului a fost singura modificare semnificativă statistic a metabolitului (modelul cu efecte mixte, P

Efectele semnificative în timp sunt evidențiate pe baza efectelor de model mixt (P 0,7), arahidonicr = ∼0.6), linoleicr = ∼0.6–0.7), palmiticr = ∼0.6–0.7) și palmitoleicr = ∼0,5).

Metabolismul aminoacizilor; metaboliți azotati.

Concentrațiile sanguine ale mai multor xenometaboliți și derivați au fost afectate de exercițiile acute. 1-Dodecanol a fost semnificativ crescut și au existat tendințe de creștere a moleculelor asociate 1-hexadecanol și 1-octadecanol (Fig. 2 și Fig. S1 suplimentară); 1-dodecanol a fost semnificativ corelat cu 1-hexadecanol și 1-octadecanol, dar corelația a fost modestă (în general, r

Tabelul 1. Metaboliții plasmatici adnotați cu modificări ale concentrației care au diferit semnificativ în timpul unui exercițiu fix de sarcină de lucru (0-15 min) sau imediat (în primele 5 minute) perioada de recuperare postexerciție la femei înainte și după o intervenție de fitness și de slăbire

Valorile sunt rezumate ca medii ± SE; valorile sunt calculate pe înălțimile de vârf ale ionilor cuantificatori ai metabolitului. Prediet și intervenție de exercițiu, n = 15; intervenție postdiet și exercițiu, n = 12; Modificări ale greutății corporale și ale altor variabile metabolice au fost prezentate anterior (9). ASC, zona de sub curbă.

* Comparații folosind modele cu efecte mixte pentru intervenție în intervalul de timp cu subiecții ca termen aleatoriu.

FIG. 4.Graficul vulcanului care descrie metaboliții plasmatici cu excursii acute de concentrație la efort [zona de sub curbă (ASC)] care au fost semnificativ modificate de o intervenție de slăbire și fitness la femei. Datele reprezintă modificări de magnitudine ale ASC ca procent (X-axă) la compararea testului de exercițiu postintervenție cu testul de preintervenție, cu logul negativ de la cel mai mic la cel mai mare P valori (efecte mixte P valori) reprezentate și eley-axă). Orice metaboliți adnotați cunoscuți sunt complet etichetați prin denumire chimică, în timp ce metaboliții neidentificați (neanotați) poartă un „număr BinBase” care este atribuit ca parte a fluxului de lucru de metabolomică Fiehn Laboratory. Culorile punctelor indică direcția ASC postintervenție (roșu, pozitiv; albastru, negativ), iar liniile verticale întrerupte identifică modificări 100% ale ASC. Mărimea punctului mai mare denotă inversarea tendințelor ASC de la pozitiv la negativ sau invers între pre și postintervenție. Abordarea cu efecte mixte este utilă pentru reducerea variației în comparațiile pre și postintervenție, luând în considerare variațiile din cadrul subiectului și ale grupului. Notă: aminomalonatul a avut o ASC negativă, care a devenit mai pronunțată după intervenție.


FIG. 5.Graficul vulcanului care descrie metaboliții plasmatici cu recuperare imediată după exercițiu (primul 5 min) excursii de concentrație care au fost semnificativ modificate de o intervenție de pierdere în greutate și fitness la femei. Datele reprezintă modificări magnitudinale în prima delta a concentrației de recuperare de 5 minute (X-axă) când s-a comparat testul de exercițiu postintervenție versus testul de preintervenție, cu logul negativ de la cel mai mic la cel mai mare P valori (efecte mixte P valori) reprezentate și eley-axă). Orice metaboliți adnotați cunoscuți sunt complet etichetați după denumirea chimică, în timp ce metaboliții neidentificați (neanotați) poartă un „număr BinBase” care este atribuit ca parte a fluxului de lucru de metabolomică Fiehn Laboratory. Culorile punctelor indică direcția primei delta a concentrației de recuperare după 5 minute (roșu, pozitiv; albastru, negativ), iar liniile verticale întrerupte identifică modificări de 100% în prima delta a concentrației de recuperare de 5 minute. Mărimea punctului mai mare indică inversarea zonei sub curbă (ASC) tendințe de la pozitiv la negativ sau invers între pre și postintervenție. Abordarea cu efecte mixte este utilă pentru reducerea variației în comparațiile pre și postintervenție, luând în considerare variațiile în cadrul subiectului și între grupuri.

Exercițiu acut.

Recuperare imediată după exercițiu.

Studiile de metabolomică a sângelui exercițiilor acute au permis o viziune mai largă a peisajului metabolic al activității fizice la om la diferite eforturi și în momente cuprinse între ranging10 și 60 min (de exemplu, a se vedea Ref. 8, 11 și 45) (14, 28, 54, 56-58, 60, 80). În special, majoritatea rezultatelor au fost obținute de la bărbați și, după cunoștințele noastre, nu au existat evaluări ale modificărilor metabolomului exercițiilor fizice care sunt asociate cu îmbunătățirea sănătății metabolice și a condițiilor fizice măsurate în aceeași cohortă. În raportul actual, completăm lacunele cheie în cunoaștere, concentrându-ne asupra femeilor și determinând modificările exercițiului metabolomului atunci când comparăm o stare mai puțin sănătoasă (obezitate, rezistență la insulină și stil de viață sedentar) cu o stare de sănătate îmbunătățită semnificativ (sensibilitate și fitness crescute substanțial la insulină care a urmat unei intervenții de scădere în greutate de mai multe săptămâni și de antrenament la exerciții) (9). Am emis ipoteza că îmbunătățirea fitnessului, a sensibilității la insulină a întregului corp și a mușchilor și a pierderii în greutate ar duce la diferențe semnificative și multiple în răspunsurile metabolice la un exercițiu cu sarcină fixă, reflectat în metabolomul din sânge.

Algoritmii chemoinformatici care relaționează structurile, căile și corelațiile temporale ale metabolitului au fost cuplate cu deducerea biochimică și evaluarea literaturii istorice pentru a discerne câteva aspecte cheie ale reglării sistemelor metabolice specifice prin exerciții acute. Modelele reflectă implicarea anticipată a oxidării și mobilizării macronutrienților a acizilor grași, carbohidraților și aminoacizilor care au loc cu exerciții fizice acute modeste (77) și dezvăluie aspecte noi ale fiziologiei metabolice, așa cum este descris mai jos.

Acidul gras și cetona Metabolismul corporal și contrastele în reglarea metabolică între mușchi și ficat în timpul exercițiului

Aminoacizi și metaboliți azotati

Carbohidrați și derivați de zahăr

Concentrațiile plasmatice ale majorității monozaharidelor și derivaților zahărului au fost reduse odată cu exercițiul fizic, în ciuda modificărilor reduse ale glicemiei și a unei mici creșteri a concentrațiilor de lactat și piruvat. Speculăm că majoritatea efectelor asupra derivaților zahărului în timpul exercițiilor fizice provin din faptul că combustibilul glucozei este îndreptat către destinații oxidative (și departe de căile anabolice) pentru a ajuta la satisfacerea cerințelor de ATP din mușchi și alte țesuturi. Din starea de odihnă, oxidarea glucozei crește de mai multe ori la nivelul modest de exercițiu utilizat aici (68). Astfel, fluxul către căi nonoxidative pentru glucoză, cum ar fi calea poliolului care generează fructoză, ar fi redus și, prin urmare, reflectat în concentrațiile sanguine ale acestor și ai altor derivați ai zahărului. În rezultatele preliminare ale participanților care au exercitat 65% din ritmul cardiac maxim estimat (81), fructoza lichidă interstițială musculară a scăzut cu ~ 50% comparativ cu odihna, sugerând că calea poliolului este redusă în acest țesut cu exerciții fizice.

Intermediari ai ciclului TCA, acid treonic

Acidul treonic a fost un alt metabolit modificat de exerciții fizice care s-a corelat cu o mare varietate de markeri metabolici importanți atunci când se iau în considerare tiparele pe întreaga perioadă de studiu, de exemplu, glucoză, mioinozitol, ribitol, pseudouridină, treitol, acid citric, acid izotreonic, LCFA, si altii. Acest lucru sugerează că metabolismul acidului treonic este cumva strâns legat de fluxul metabolic general, dar rolul său specific și motivul pentru care ar fi redus în sânge cu exercițiile fizice rămâne de stabilit. Se presupune că este un produs al oxidării dehidroascorbatului derivat al acidului ascorbic (vitamina C) (71). Poate că modificările acestor metaboliți cu raportul de efort asupra stresului oxidativ mai mare și a metabolismului acidului ascorbic care însoțesc metabolismul oxidativ crescut al mușchilor.

Xenometaboliți (metaboliți „non-auto”) și exerciții fizice

Rezumat și concluzii primare

Această lucrare a fost susținută parțial de Proiectele USDA-ARS 5306-51530-016-00D, 5306-51530-019-00 și 6026-51000-010-05S și Institutul Național de Diabet și Subvenții pentru Boli Digestive și Rinice R01-DK078328 ( SH Adams, CL Hoppel, O. Fiehn, NL Keim, JW Newman, WT Garvey, GR Hunter, JR Fernandez, ME Harper) și U24-DK-097154 pentru West Coast Metabolomics Center (OF, JW Newman). USDA este un furnizor și un angajator egal de șanse.