Wpływ progresywnego ujemnego bilansu energetycznego na tolerancję glukozy, wrażliwość na insulinę i funkcję komórek beta

Zaburzenia metaboliczne, otyłość i cukrzyca typu 2 Częstość występowania nadwagi i otyłości wzrasta w Singapurze w ciągu ostatnich 2-3 dekad i oczekuje się, że w przyszłości będzie jeszcze rosła. Szacuje się, że do 2050 roku ponad połowa populacji będzie miała nadwagę lub otyłość, definiowaną jako wskaźnik masy ciała (BMI, obliczany jako stosunek wagi w kilogramach do kwadratu wzrostu w metrach) równy lub większy niż 25 kg/m2. Jest to prawdopodobnie odpowiedzialne, przynajmniej częściowo, za równoczesny wzrost współistniejących chorób związanych z otyłością, a zwłaszcza cukrzycy typu 2. Zależność między BMI a ryzykiem cukrzycy typu 2 w populacjach regionu Azji i Pacyfiku jest liniowa w szerokim zakresie wartości BMI (od ~21 kg/m2 do ~34 kg/m2), tak że na każde 2 kg/m2 m2 wzrostu BMI (co odpowiada ~6 kg dla osoby o prawidłowej masie ciała i średnim wzroście), ryzyko rozwoju cukrzycy typu 2 wzrasta o ~27%. Oczekuje się, że w Singapurze częstość występowania cukrzycy typu 2 podwoi się z 7,3% w 1990 r. do ~15% w 2050 r., głównie w wyniku tuczu populacji. Co ciekawe, częstość występowania cukrzycy typu 2 w Singapurze jest podobna do tej w Stanach Zjednoczonych, mimo że częstość występowania nadwagi i otyłości (BMI ≥25 kg/m2) wynosi około połowę. Potwierdza to wyniki wielu badań wykazujących, że markery dysfunkcji metabolicznych, a zwłaszcza hiperglikemia, hiperinsulinemia i insulinooporność, są bardzo rozpowszechnione wśród dorosłych Singapurczyków, nawet wśród osób, które nie mają nadwagi ani otyłości. To prawdopodobnie skutkuje zwiększonym ryzykiem rozwoju cukrzycy typu 2. Obserwacje te podkreślają znaczenie dysfunkcji metabolicznych niezależnych od masy ciała per se.

Metaboliczne skutki utraty wagi Patogeneza cukrzycy typu 2 obejmuje obwodową oporność na insulinę (tj. oporność tkanek obwodowych, a zwłaszcza mięśni szkieletowych na pobudzające wychwyt glukozy działanie insuliny) oraz niewystarczające wydzielanie insuliny z komórek beta trzustki po stymulacji glukozą, co prowadzi do hiperglikemii na czczo i poposiłkowej. Utrata masy ciała, uzyskana w wyniku przewlekłego ujemnego bilansu energetycznego, wywołanego różnymi drogami (ograniczenie kalorii, ćwiczenia fizyczne, farmakoterapia, chirurgia bariatryczna), poprawia funkcje metaboliczne i jest uważana za podstawę profilaktyki i leczenia cukrzycy. Część korzystnego efektu utraty wagi może wynikać z redukcji całkowitej tkanki tłuszczowej, tłuszczu w jamie brzusznej i ektopowego gromadzenia się tłuszczu w narządach aktywnych metabolicznie (np. mięśni, trzustki i wątroby), jednak ostre zaburzenia bilansu energetycznego (dodatnie lub ujemne, trwające od 24 do 72 godzin) mogą wpływać na działanie insuliny, czynność komórek beta i kontrolę glikemii nawet przed jakąkolwiek zmianą masy ciała lub występuje dystrybucja tkanki tłuszczowej. Na przykład jeden dzień przekarmienia zakłóca 24-godzinną homeostazę glukozy, a dwa dni ograniczenia kalorii poprawiają działanie insuliny. Podobnie ćwiczenia mogą również prowadzić do ujemnego bilansu energetycznego i są bardzo silną interwencją, która natychmiast poprawia funkcje metaboliczne, a zwłaszcza wrażliwość na insulinę, nawet po jednej sesji. Niemniej jednak stopień ujemnego bilansu energetycznego, który należy osiągnąć poprzez ograniczenie kalorii lub ćwiczenia fizyczne w celu poprawy działania insuliny i funkcji komórek beta, nie jest znany, a związek dawka-odpowiedź między ujemnym bilansem energetycznym a funkcją metaboliczną pozostaje nieuchwytny. Co więcej, porównawcza skuteczność ograniczenia kalorii i ćwiczeń na poprawę mechanizmów regulujących homeostazę glukozy (tj. wrażliwość na insulinę i czynność komórek beta) nie zostały odpowiednio zbadane. Jedno z badań wykazało, że przy takiej samej utracie masy ciała (8-9% początkowej masy ciała) wywołanej dietą niskokaloryczną lub ćwiczeniami wytrzymałościowymi, ćwiczenia spowodowały większą redukcję masy tłuszczowej, mniejszy spadek masy mięśniowej i doprowadziły do większy wzrost uwalniania glukozy za pośrednictwem insuliny podczas klamry hiperinsulinemiczno-euglikemicznej (o ~30%) oraz większe zmniejszenie całkowitej odpowiedzi insulinowej na doustny test obciążenia glukozą (~2,5-krotnie) w porównaniu z dopasowaną dietą- indukowana utrata masy ciała; chociaż różnice te nie osiągnęły istotności statystycznej. Obserwacje te wskazują na możliwość, że przy tym samym ujemnym bilansie energetycznym ćwiczenia mogą być bardziej skuteczne niż ograniczenie kalorii w poprawie funkcji metabolicznych; jednak wyniki te są trudne do interpretacji w obliczu towarzyszących korzystniejszych zmian w składzie ciała i dystrybucji tkanki tłuszczowej. Żadne badanie nie oceniało bezpośrednio wpływu tego samego ostrego ujemnego bilansu energetycznego wywołanego ograniczeniem kalorii lub ćwiczeniami aerobowymi na funkcje metaboliczne.

W związku z tym lepsze zrozumienie wpływu ograniczenia kalorii i ćwiczeń fizycznych na wrażliwość na insulinę, funkcję komórek beta i codzienną kontrolę glikemii będzie miało ważne implikacje dla projektowania skutecznych interwencji dotyczących stylu życia ukierunkowanych na zapobieganie lub leczenie cukrzycy typu 2. W tym celu niniejsze badanie ma na celu przetestowanie następujących hipotez:

Hipoteza 1: Postawiono hipotezę, że jeden dzień ujemnego bilansu energetycznego wywołanego ograniczeniem kalorii poprawia dożylną tolerancję glukozy z powodu poprawy funkcji komórek beta bez zmian we wrażliwości na insulinę. Badacze dalej stawiają hipotezę, że efekt ten wymaga 20% ujemnego bilansu energetycznego i nie poprawia się dalej przy większym ograniczeniu energii (40%).

Hipoteza 2: Postawiono hipotezę, że jeden dzień ujemnego bilansu energetycznego wywołanego ćwiczeniami aerobowymi poprawia dożylną tolerancję glukozy z powodu poprawy wrażliwości na insulinę bez zmian w funkcji komórek beta. Badacze stawiają ponadto hipotezę, że efekt ten wymaga 20% ujemnego bilansu energetycznego i poprawia się jeszcze bardziej przy większym ograniczeniu energii (40%).

Hipoteza 3: Przyjęto hipotezę, że przy dowolnym poziomie ujemnego bilansu energetycznego (20% lub 40%) ograniczenie kalorii ma większy wpływ na funkcję komórek beta niż ćwiczenia aerobowe, podczas gdy ćwiczenia aerobowe mają większy wpływ na insulinę niż ograniczenie kalorii wrażliwość.