DE ENERGIE HUISHOUDING VOOR, TIJDENS EN NA GEWICHTSVERLIES

Transcriptie

1 DE ENERGIE HUISHOUDING VOOR, TIJDENS EN NA GEWICHTSVERLIES Lisbeth Mathus-Vliegen Academisch Medisch Centrum Universiteit van Amsterdam TERMEN EN VERTALINGEN 24u energie gebruik TEE Total energy expenditure Basale/rust stofwisseling BMR/RMR Basal/rest metabolic rate BEE/REE Basal/rest energy expenditure SMR/SEE Sleeping MR/EE Thermogenese door de voeding TEF/DIT Thermic effect of feeding/dietinduced thermogenesis Lichamelijke activiteiten Non-REE Non-resting energy expenditure SPA Spontaneous activity NEAT Non-exercise activity thermogenesis ENERGIE HUISHOUDING ENERGIE - ENERGIE ENERGIE inkomsten uitgaven opslag COMPONENTS OF DAILY ENERGY EXPENDITURE % of daily energy expenditure unrestricted activity thermic effect food arousal SPA SMR BMR Ventilated hood/indirect calorimetry Respiratory chamber Doubly-labelled water METHODS ENERGIE HUISHOUDING ENERGIE - ENERGIE ENERGIE inkomsten uitgaven opslag Voedsel eiwitten koolhydraten vetten alcohol energiedichtheid schatten energie-inhoud smakelijkheid opname maagdarmstelsel Hongergevoel Verzadigingsgevoel Stress 1

2 ENERGIE HUISHOUDING ENERGIE - ENERGIE ENERGIE inkomsten uitgaven opslag Basale/ruststofwisseling ± 60-75% RMR/REE leeftijd; geslacht; schildklierfunctie; eiwit turnover; lichaamsoppervlak; vetvrije massa Lichamelijke activiteiten ± 15-30% non-ree Thermogenese obligaat ± 7-% TEF/DIT * bewerken voedsel eiwit ± 20% koolhydraten ± % oxydatie ± 5% glycogenese ± % lipogenese ± 23% vet ± 5-10% * thermogene factoren: roken koffie kou stress AANPASSINGEN AAN OVERMAAT OF TEKORT AAN ENERGIE Veranderingen in gewicht 2/3 3/4 Veranderingen in TEE 1/3 1/4 Veranderingen in REE 1/3-1/4 (3-5% absoluut) Veranderingen in non-ree 2/3-3/4 Wat is deze verandering in non-ree (NREE)? NEAT non-exercise activity thermogenesis Thermogenese facultatief insuline sympathisch zenuwstelsel BALANCE OF MACRONUTRIENTS UNDER ISO- AND HYPER-ENERGETIC CONDITIONS NEAT NON-EXERCISE ACTIVITY THERMOGENESIS fat storage intake oxydation intake oxydation Iso-energetic Hyper-energetic fat carbohydrates protein Jéquier et al., Physiol Rev 1999;79:452-0 HOEVEELHEID Beroep Stad/platteland Genetica Leeftijd Geslacht Lichaamssamenstelling Opleiding Seizoen Maximaal tot 700 kcal/dag ENERGIEKOSTEN/WERK EFFICIËNTIE Lichamelijke activiteit Lichaamsgewicht Veranderingen in lichaamsgewicht Skeletspier metabolisme Genetica Leeftijd Geslacht Training Levine et al., Science 1999;22:2-214 Normal weight Needed for weight maintenance kcal Energy balance kcal Body energy kcal TEE kcal REE kcal BMR kcal TEF/DIT kcal MISSING kcal NON-EXERCISE ACTIVITY THERMOGENESIS (NEAT) N7 Underfeeding 00 kcal < needed (63%) -296 (37%) -99 (33% of TEE) -197 N16 Overfeeding 1000 kcal > needed (43%) +552 (55%) +79 (14% of TEE) 39% +7 (25% of TEE) +336 Heyman et al., Am J Physiol 1992;263:R ; Levine et al., Science 1999;22:2-214 ROL VAN NEAT IN DE FYSIOLOGIE Veranderingen in NEAT bij positieve energie balans Geforceerd overvoeden met 1000 kcal in tweelingen 4-voudige variantie in gewichtstoename, niet door verschillen in REE maar door verschillen in toename van NEAT Geforceerd overvoeden met 1000 kcal in 16 vrijwilligers 10-voudige variantie in vettoename en -voudige in NEAT toename. Individuen met de hoogste toename in NEAT hadden de laagste vet toename, die met de laagste toename in NEAT de hoogste vet toename Veranderingen in NEAT bij negatieve energie balans Levine, Best Pract Res 2002;16:

3 ROL VAN NEAT IN DE FYSIOLOGIE Veranderingen in NEAT bij negatieve energie balans REE DURING DYNAMIC (D) AND STATIC PHASES (S) OF WEIGHT CHANGE Weight kg REE Respiratory kcal/d quotient Ondervoeding Deficit kcal Deficit 00 kcal afgenomen lichamelijke activiteit en NEAT BMR afnemend met 10% (200 kcal) TEF afnemend met 0-50 kcal Lichamelijke activiteit en NEAT moeten afnemen met kcal NEAT neemt af met 33% bij normaal gewicht 46% bij obese mensen met 10% en 51% bij obese mensen met 20% gewichtsverlies Niet bekend of de hoeveelheid activiteiten afgenomen of de energie efficiëntie toegenomen is Levine, Best Pract Res 2002;16: D. Weight gain n14 S. Weight gain 10% maintenance D. Weight loss n S. Weight loss 10% maintenance D. Weight loss n9 S. Weight loss 20% maintenance * p <0.05, ** p < 0.01; *** p < *** % ** 17% * 9% * * * 0.3 Leibel et al., NEJM 1995;332: ENERGIE HUISHOUDING ENERGIE - ENERGIE ENERGIE inkomsten uitgaven opslag * glycogeen * reserve vet * hormonen - insuline - progesteron - catecholamines * autonome zenuwstelsel ENERGIE HUISHOUDING in INTAKE GEBRUIK + OPSLAG (EE REE + TEF + non-ree) DYNAMISCHE FASE A. + B. + STATISCHE FASE INTAKE GEBRUIK + OPSLAG REE MJ/24u VERHOOGDE REE IN OBESITAS REE kcal/24u N James et al., Lancet 197;i:12-15 REE/m 2 (% standaard) < N64 < 4,2 MJ (1000 kcal) 0 RMR < normaal 9 < 6,3 MJ (1500 kcal) 23 RMR normaal 55 Slechts 5 van de 69 REE beneden verwachte waarde voor geslacht, leeftijd, lengte en normaal gewicht

4 HIGH ENERGY EXPENDITURE IN OBESITY Body weight kg BMI kg/m 2 FFM kg Indirect calorimetry BMR MJ BMR/kg FFM kj 24-h EE MJ Doubly-labelled water BMR MJ 24-h EE MJ Obese N *** (19% more) 7.97*** (21% more) 3.45** (53% more) 10.22*** (2% more) Lean N Prentice et al., BMJ 196;i:93-97 LEERPUNTEN VÓÓR GEWICHTSVERLIES Substraat/ Macronutriënt balansen: hoogste hiërarchie ten aanzien van oxidatie en opslag in volgorde: alcohol, eiwitten, koolhydraten en vetten Overmaat koolhydraten leidt tot vetopslag, niet via lipogenese in de lever, maar door voorkeur voor koolhydraat oxidatie en remming van vet oxidatie Obesitas gaat gepaard met een verhoogde ruststofwisseling en totaal 24u energie gebruik en behoefte Bij de energie balans moet men onderscheid maken naar de dynamische en statische fase METABOLIC PREDICTORS OF WEIGHT GAIN Low metabolic rate Children and adults Low levels of physical activity Low rate of fat oxidation Food composition, energy balance, gender, adiposity, familial trait, postobesity Insulin sensitivity (high rates of CHO oxidation) Children and adults Low sympathetic nervous system activity Low plasma leptin concentrations Ravussin & Gautier, IJO 1999;23 suppl 1:37-41 BEWEGEN Lichamelijke activiteit bij mensen met een normaal gewicht verhoogt de basale postabsorptieve vetoxidatie de vetoxidatie na lichamelijke inspanning en na sympathische/catecholamine stimulatie Bij obese mensen niet: het gebruik van vet als energiebron is gestoord in de postabsorptieve situatie tijdens β-adrenerge stimulatie en ook tijdens lichamelijke inspanning ENERGIE HUISHOUDING IN INTAKE GEBRUIK + OPSLAG (EE REE + TEF+ non-ree) DYNAMISCHE FASE A. + B. + STATISCHE FASE INTAKE GEBRUIK + OPSLAG 4

5 Author Grande 5 Grande 5 Bray 69 Dauncey 0 Garby Dore 2 Finer 6 Garrow 9 Garrow 9 EFFECTS OF WEIGHT LOSS ON RMR N BW kg Diet d kg kg/d % BW RMR % Garrow & Webster, Lancet 199;i: ENERGY EXPENDITURE DURING ENERGY RESTRICTION IN OBESITY Intake MJ Body weight kg BMI kg/m 2 Fat mass kg Fat-free mass kg RMR MJ RMR/kg FFM kj RMR RQ 24-h EE MJ 24-h EE/kg FFM 24-h RQ DIT kj Start N Ravussin et al., AJCN 195;41: During E- Change 67.9%.6 kg (%) 4.6 kg/m 2 (%) 9.2 kg (72% WL) 3.4 kg (2% WL) 9%* ns * 16%*** %*** ** 640 kj DEGREE OF SUPPRESSION OF BMR AT DIFFERENT LEVELS OF ENERGY RESTRICTION ENERGY EXPENDITURE DURING ENERGY RESTRICTION IN OBESITY Change in BMR (%) Prentice et al., MJ 3 MJ 5 MJ diet 1.7 MJ/ 400 kcal 3 MJ/ 700 kcal 5 MJ/ 00 kcal 7-15% weight loss %/wk 24-h EE with 1590 kj/d (30 kcal/d) RMR with 671 kj/d (160 kcal/d) (42% of 24-h EE) DIT with 640 kj/d (150 kcal/d) (40% of 24-h EE) Calculated physical activity 20 kj/d (1% of 24-h EE) EE per kg weight loss 6 kj (30 kcal)/kg/d No role for adaptive mechanisms No role for decreased sympathetic nervous system activity No role for decreased thyroid function Ravussin et al., AJCN 195;41: RESTING METABOLIC RATE AFTER WEIGHT LOSS Miller & Parsonage 75 Shetty et al 1 Dore et al 1 Besards et al 3 Welle 4 obese Welle 4 overweight Welle 4 lean N Weight loss kg Body weight kg after weight loss No WL 73 kg No WL 56 kg RMR (range) kcal/d 10 ( ) ( ) 1423 ( ) 2 ( ) 35 ( ) 41 ( ) Welle et al., J Clin Endocrin Metab 194;59:

6 ADAPTIVE THERMOGENESIS Decrease in energy expenditure beyond what could be predicted from changes in fat mass or fat-free mass under conditions of standardized physical activity in response to a decreased intake Fat mass and fat-free mass explain 2% of the variance in energy expenditure ADAPTIVE THERMOGENESIS Greater than predicted variations in EE beyond those explained by body composition and body weight Leptin, insulin, thyroid hormones Sympathetic nervous system activity Fat deposition per se Mitochondrial ATP synthesis efficiency Uncoupling proteins Muscle efficiency Major et al., IJO 2007;31:204-2 Major et al., IJO 2007;31:204-2 TEMPORAL CHANGES IN BMR IN EXPERIMENTAL SEMISTARVATION FOR 24 WEEKS Reduction in BMR, adjusted for loss in FFM and FM, represents an adaptive suppression of thermogenesis corresponding to a 10% (wk 4), 20% (wk 20) and 25% (wk 24) of prestarvation BMR kcal Dulloo et al., IJO 2002;26 suppl 2: Deviation in REE kj/d (kcal) from predicted changes 2 weeks weeks 17-1 weeks ADAPTIVE THERMOGENESIS Details BMR/FFM+FM kcal/d Leibel et al after 10% WL 244 after 10% WL 7 after 20% WL 301 Dulloo & Jacquet 199 after 20 wks 355 (Minnesota) after 24 wks 405 Doucet et al after wks 226 after wks 146 after 10% WL 14 Weyer et al after 15% WL 95 (Biosphere) after 1 mo 1 man at maximal deviation 1119 (266) 2606 (620) 1764 (420) Obese 200 ± 73 1 woman at maximal deviation 1765 (420) 2696 (642) 1922 (457) Doucet et al., Brit J Nutr 2001;5: ; Major et al., IJO 2007;31:204-2 ADAPTIVE THERMOGENESIS DURING PROLONGED STARVATION AND REFEEDING Non-specific control of thermogenesis mediated by the SNS as a direct function of food supply Adipose-specific control of thermogenesis in skeletal muscle tissue, independent of SNS, as a direct function of the state of depletion/repletion of the fat stores Dulloo et al., IJO 2002;26 suppl 2: ADAPTATIE IN ENERGIEKOSTEN/ WERK EFFICIËNTIE BIJ GEWICHTSVERLIES Foster energiekosten na controle voor lichaamsgewicht na 20% verlies afgenomen met 427 kj/u wandelen Geissler energiekosten in postobesen 15% lager vergeleken met controles De Boer TEE meer afgenomen dan verwacht voor de verandering in FFM; SMR proportioneel met FFM afgenomen Leibel verhoogde werk efficiëntie verantwoordelijk voor aankomen Froidevaux Poole Weigle TEE afname verklaard door gewichtsverlies zonder verandering in werkefficiëntie bij wandelen geen verandering in efficiëntie van fietsen na gewichtsverlies 50% afname in werk efficiëntie door gewichtsverlies te elimeren door het dragen van gewichten in vest TEE neemt af met gewichtsverlies Mate van bijdrage van werk efficiëntie is controversieel 6

7 SUPPRESSED THERMOGENESIS A CAUSE FOR SLIMMING RESISTANCE AND OBESITY REBOUND? Dulloo, IJO 2007; 31: kg (75% fat, 25% FFM) EFFECT OF CALORIE RESTRICTION ON ACTIVITY- RELATED ENERGY EXPENDITURE Energy costs kcal/kg/day, so overall minus kcal/d OBLIGATORY ECONOMY due to EE for BMR, thermic effect of food, activity FACULTATIVE ECONOMY due to thermogenesis (adaptive thermogenesis) in * resting compartment of EE BMR, thermic response to food, sleeping metabolic rate * non-resting compartment of EE walking, cycling, spontaneous activity TEE corrected for sleeping/sedentary energy expenditure lower Redman et al., PLoS One 2009:4e4377 EFFECT OF CALORIE RESTRICTION +/- EXERCISE ON ENERGY EXPENDITURE Redman et al., PLoS One 2009:4e4377 aerobic exercise 5 days/wk 403 kcal (53 min.) 569 kcal (45 min.) EFFECT OF CALORIE RESTRICTION ON ALL COMPONENTS OF DAILY ENERGY EXPENDITURE TEE measured by doubly labeled water 24h EE measured in respiration chamber (sedentary) N21 N27 BW 9.2 kg 76.1 kg BMI Redman et al., PLoS One 2009;4:e4377 Redman et al., Plos One 2009;4:e4377 Control CR + EX CR LCD CR/LCD Baseline Month 3 Month 6 Baseline Month 3 Month 6 Baseline Month 3 Month 6 Baseline Month 3 Month 6 Baseline Month 3 Month 6 Weight loss kg Total EE (TEE) kcal/d Change in TEE not explained by FFM and FM *** *** *** -240** LEERPUNTEN TIJDENS GEWICHTSVERLIES De ruststofwisseling daalt bij acute energiebeperking met 7-15%, afhankelijk van de mate en het tempo van energiebeperking Het totale energiegebruik daalt door daling ruststofwisseling, daling thermogenese door voeding en daling energiekosten van bewegen Verminderd vetoxiderend vermogen blijft; schijnbare verbetering is het gevolg van negatieve energiebalans en/of uitputting van glycogeenvoorraden Adaptatie in REE (daling meer dan aan FFM en FM toe te schrijven) lijkt aanwezig en is geschat 200 kcal, adaptatie in (energiekosten van) lichamelijke activiteit blijft controversieel Ondanks aanpassingen in energiegebruik blijft afvallen bij obesitas mogelijk 7

8 EE IN OBESE REDUCED TO IBW 33 obese subjects: kcal until 0% above IBW, kcal until 110% above IBW (32-4 wk), 2 mo weight maintenance control(14) obese(1) reduced obese(1) Weight kg * 61.7 # BMI kg/m * 22.9 # LBM kg * 46. # Fat % 25 41* 27 # TEE kcal/24h * 2473 RMR kcal/24h * 17 # Adj. TEE kcal/24h Adj. RMR kcal/24h TEE RMR 91 0* 1156* *p<0.05 vs control; #p<0.001 vs obese Amatruda et al., J Clin Invest 1993;92:36-42 METHODOLOGISCHE TEKORTKOMINGEN Geen metingen van TEE en REE vóór gewichtsverlies Patiënten groepen niet vergelijkbaar Stabiliteit van gewicht over welke periode? Zin van gewichtsreductie van obesitas tot normaal gewicht en dan vergelijken? Retrospectief versus longitudinaal prospectief ENERGY METABOLISM AFTER WEIGHT LOSS Larson et al., AJCN 1995;62: kg/14 mo, weight stable 2 mo Energy intake kj/d 24h EE kj/d 24h RQ Sleeping MR kj/d Sleeping RQ Spontaneous physical activity% Lipid balance Carbohydrate balance POSTOBESE n kg ** **. +251*** -661*** CONTROL n kg Fasting glucose 2h glucose ** p<0.01; *** p < *** 5.32* META-ANALYSIS OF RMR Traditional meta-analysis Astrup et al.,am J Clin Nutr 1999;69: studies (5 formerly obese, 119 controls) RMR adjusted for FM and FFM 4.1% (0.6/7.) lower RMR adjusted and weighted 5.1% (1.7/.6) lower Individual subject data meta-analysis 15 studies (4 formerly obese 66.5 kg, 1 controls 62.9 kg) RMR adjusted for FM and FFM 2.9% (NS) lower (43 kcal) RMR/ kg FFM 4.1% (0.2/.1) lower Low RMR adjusted for FM and FFM (1 SD below group mean) Controls 3.3% ) ** Formerly obese 15.3% ) Explanation low RMR: genetically determined phenotype, excessive loss of LBM in formerly obese subjects, adaptive response to weight loss THEORETICAL FAT BALANCES IN DIETS WITH VARIOUS FAT CONTENTS Controls Postobese 30% fat 35% fat 40% fat Larson et al., AJCN 1995;62:

9 CHANGES IN EE BY ALTERED BODY WEIGHT Stable weight Maintenance of body weight at 10% weight loss N TEE kcal/kg FFM REE kcal/kg FFM Non-REE kcal/kg FFM Maintenance of body weight at 10% weight gain N TEE kcal/kg FFM TEF kcal/kg FFM Non-REE kcal/kg FFM Never obese 9 6 ± ± Obese 11 ± ± Changes not related to the degree of obesity or sex TEE REE + TEF + non-ree Leibel et al., NEJM 1995;332: Phase 1 N24 Obese, weight mainten. Phase 2 Obese, 3347 kj diet Phase 3 Postobese 3347 kj diet Control N24 WEIGHT REDUCTION, REE AND TEF Body weight kg Phase Postobese weight mainten. 5.2 FFM kg Fat mass kg REE kj/24h 541 *** *** * p < 0.05; ** p 0.01; *** p < different from control values TEF % kj.22 * 7.46 * * TEF %REE 17.4 ** 17.4 ** 1.7 ** ** Nelson et al., AJCN 1992;55: PREDICTED ( ) AND MEASURED ( ) CHANGES IN RMR FROM BASELINE EXTRAPOLATED OVER 24H Obese men Weight Predicted Measured Adaptive (Kcal) (-1) * p < 0.05; ** p < * -963 (-229) (-14) Obese women ** -635 (-151) ** -614 (-146) (-) Doucet et al., Brit J Nutr 2001;5: N RMR PER % WEIGHT LOSS in 35 subjects with -1.3 kg in 15 mo, 3 mo stable; 24-h RMR decreased with 156 kcal RMR kcal/24h Initial Retest RMR adjusted for FFM kcal/24h Initial Retest 6-% PERCENT WEIGHT LOSS 6-<16% <25% % ) 67) FFM explains 53-5% of the variance in RMR FFM explains 14% of the variance in RMR FFM and fat explain 35% of the variance in RMR Heshka et al., AJCN 1990;52:91-96 ** ADAPTIVE THERMOGENESIS Deviation of measured from predicted REE explained by * measured REE at the start for 20% * measured REE and FFM at the start for 4% * measured REE, FFM and sex for 59% People at risk for adaptive thermogenesis are subjects with a high REE, a low FFM and females EXERCISE-RELATED ADAPTIVE THERMOGENESIS Net exercise kcal/min Measured Predicted Obese before Obese after 1.92) 4.2** 6.15) Leptin ** Doucet et al., Brit J Nutr 2001;5: ; Doucet et al., Clin Sci 2003;105:9-95 9

10 LEERPUNTEN NA GEWICHTSVERLIES In een meta-analyse is de ruststofwisseling bij reduced obese 3-5 % lager dan bij controles In prospective longitudinale studies zijn de TEE en REE niet verschillend tussen controles en reduced-obesen, het verminderd vetoxiderend vermogen van reduced-obesen blijft aanwezig Mensen met een hoge REE bij de start, een lage FFM bij de start en vrouwen en mensen met een vroegtijdige en sterke daling van het leptine hebben meer kans op adaptieve thermogenese Days CHANGES DURING INTENTIONAL WEIGHT CYCLING IN 5 NON-OBESE SUBJECTS (BMI 20.3 kg/m 2, diet 5 MJ (00 kcal) 0 (baseline value) 30 (first diet) 44 (free living) 74 (second diet) 10 (free living) Weight kg Body fat % Weight change in kg and proportion of FM vs LBM/FFM (72% vs 2%) (55% vs 45%) (59% vs 41%) (95% vs 5%) Het handhaven van het gewichtsverlies is mogelijk, maar vereist het reduceren van vet in de voeding en het verhogen van de vetoxidatie Kajioka et al., Metabolism 2002;52: INTENTIONAL WEIGHT CYCLING IN NON-OBESE WOMEN (BMI 20.3 kg/m2, diet 5 MJ (00 kcal) Change in FM ( ) and LBM ( ) LBM Change in REE controlled for baseline REE, weight and weight First Free Second Free diet living diet living First Free Second Free diet living diet living Kajioka et al., Metabolism 2002;51: % Repeated loss and regain of weight WEIGHT CYCLING REPEATED PERIODS OF DIETING WEIGHT CYCLING / YOYO DIETING Loss of fat and lean tissue Regain of higher proportion of body fat Permanent and cumulative reduction in metabolic rate Resistance to slimming Dieting makes you fat Jebb et al., IJO 1991;15: Start wk 2 wk 6 wk wk wk 14 wk 1 Start 2.0 kg VCLD ad libitum VLCD ad libitum VLCD ad libitum kg Regain % of WL BMR kj (BMR 6321 kj/d) BMR kj/kg BMR kj/kg FFM WEIGHT CYCLING IN OBESITY wk wk wk All changes significant, except for and wk wk wk kg Jebb et al., IJO 1991;15: No change in EE (kj/min or kj/kg/h) on treadmill and no change in net work effciency Froidevaux et al., AJCN 1993;57:

11 DIETARY ENERGY INTAKE CALCULATED FROM DLW EE AND CHANGE IN BW IN PREVIOUSLY OBESE Schoeller, AJCN 199;6 suppl: s 0-3 mo FU TEE MJ/d Weight gain kg 9- mo FU TEE MJ/d Weight gain kg TEE > 1.75 RMR N a 0.7 a 10.1 a 0. a TEE 1.75 RMR N1.9 b 1. a,b 10.0 a 2.3 a TEE 1.75 RMR N6 + at mo starting exercise for 3 mo 9.0 c 3.5 b 9.6 a 1.5 a -15 mo FU TEE MJ/d Weight change kg NA 1.5 a,b NA 2. b a Values with different superscripts in rows are significantly different LEERPUNTEN WEIGHT CYCLING/YOYO-EN Elke volgende poging tot gewichtsverlies niet moeilijker door lagere ruststofwisseling, wel door dieetmoeheid en minder compliance Geen verandering werk efficiëntie bij bewegen Geen veranderde lichaamssamenstelling met meer (intra-abdominaal) vet en minder spiermasssa Bij lage TEE:REE ratio geeft bewuste verhoging van activiteiten zelfs na 1 jaar yoyo-en nog steeds gewichtsverlies en gewichtsstabilisatie Yoyo-en bij normaal gewicht is schadelijk 11