Voedingsevaluatie en Voedingstechnieken Topic 3

Transcriptie

1 Voedingsevaluatie en Voedingstechnieken Topic 3 Module 3.3 Energiebalans Lubos Sobotka Remy Meier Nachum Vaisman Yitshal Berner Leerdoelstellingen Weten welke de componenten van energieverbruik zijn in het menselijk lichaam; De energiestroom in de biosfeer begrijpen; Het concept van energieopname en verbruik in het menselijk lichaam begrijpen; De meetmethoden voor energieverbruik kennen; In staat zijn te bepalen hoe energieopname het energieverbruik beïnvloedt. Inhoud 1. Definitie van energieverbruik 2. Componenten van energieverbruik 3. Methoden voor het meten van energieverbruik 3.1 Directe calorimetrie 3.2 Indirecte calorimetrie 3.3 Raming van het energieverbruik 4. Invloed van ziekte op energieverbruik 5. Energieopname en energiebalans 6. Samenvatting 7. Klinische case 8. Zelfevaluatie Hoofdpunten De vraag naar energie wordt bij mensen ingevuld met energie uit voedsel of uit de energiereserves van het lichaam, voorraden koolwaterstoffen, vetten en proteïnen; Het totale energieverbruik bestaat uit energieverbruik bij rust, (resting energy expenditure of REE), dieet-geïnduceerd energieverbruik (diet induced energy expenditure of DEE), en energieverbruik omwille van activiteit (energy expenditure for activity of AEE); Energieverbruik omwille van activiteit (AEE) - is het meest variabele onderdeel van het energieverbruik; Indirecte calorimetrie is de meest exacte methode om energieverbruik te meten; REE hangt hoofdzakelijk af van de vetvrije lichaamsmassa maar wordt toch beïnvloed door vele factoren zoals ziekte- of ontstekingsactiviteit, hormonale status of geneesmiddelenbehandeling;

2 Een positieve energiebalans is een noodzakelijke voorwaarde voor de groei en voor de ontwikkeling alsook voor genezingsprocessen en spierontwikkeling tijdens het herstel; Een positieve energiebalans houdt verband met de ontwikkeling van obesitas bij een volwassen patiënt. 1. Definitie van energieverbruik Alle levende organismen verbruiken energie voor hun levensactiviteiten. Het grootste gedeelte energie op aarde is wellicht afkomstig van de zon. De energie, voornamelijk UV licht, wordt opgevangen in de thilacoiden van groene planten en vervolgens omgezet in chemische energie van koolhydraten, vetten en proteïnen - fotosynthese. Dieren gebruiken energie uit planten voor de processen waarbij ze energie nodig hebben. De energie wordt vrijgegeven uit de belangrijkste energiesubstraten (koolhydraten, lipiden en proteïnen) tijdens het oxidatieproces (voornamelijk in mitochondria) en uiteindelijk komen water, koolstofdioxide en stikstofcomponenten (ureum) vrij (Fig. 1). Figuur 1. De energieskringloop in de biosfeer 2. Componenten van energieverbruik Totaal energieverbruik (Total energy expenditure of TEE) bestaat uit : Energieverbruik bij rust (REE); Dieet-geïnduceerd energieverbruik (DEE); Energieverbruik omwille van activiteit (AEE). Energieverbruik bij rust (REE) is energie die nodig is voor de onmisbare homeostatische functies : Ademhaling ; Hartfunctie ;

3 Gastro-intestinale basisfuncties; Intermediair metabolisme (vb. continue proteosynthese en afbraak); Onderhoud van ionentransport doorheen celmembranen; Thermogenese. Bij rust wordt bijna 60% van het energieverbruik benut door het hart, de nieren, de hersenen en de lever, hoewel deze organen samen maar goed zijn voor 5% van het lichaamsgewicht (1) (zie Module 18.1). REE is voornamelijk afhankelijk van de vetvrije lichaamsmassa. Toch kan REE worden beïnvloed door factoren zoals : Hormonale status - schildklierhormonen verhogen de REE - catecholamines verhogen de REE - gecombineerde afscheiding van glucagonepinefrine en cortisol (2) Ziekteprocessen - ziekte of trauma verhoogt de REE (15-100%) Aanpassingsprocessen - langere hongerperioden verhoogt de REE Geneesmiddelen - sympathicomimetische geneesmiddelen verhogen de REE - opiaten, barbituraten, sedativa, β-blokkers(3) en spierontspanners verlagen de REE Leeftijd - de REE vermindert met de leeftijd, wat voornamelijk is toe te schrijven aan het verminderen van de vetvrije massa. Dieet-geïnduceerd energieverbruik (DEE)? Het energieverbruik neemt toe na voedselopname of tijdens de toediening van kunstmatige voeding (parenteraal of enteraal) in vergelijking met energieverbruik tijdens het vasten. Men neemt aan dat DEE overeenkomt met 10% van het TEE; de waarde ervan hangt echter af van het thermisch effect van specifieke substraten en van de snelheid waarmee de substraten worden toegediend. Vooral hoge percentages kunstmatige voeding kunnen leiden tot substantiële toenames in het energieverbruik. Dit kan negatieve effecten hebben (e.g. cardiovasculaire functie bij hartpatiënten). Het thermische effect van voeding (TEN) wordt gedefinieerd als de toename in het energieverbruik boven het laagste niveau bij vasten, gedeeld door het energiegehalte van de opgenomen voeding. Gewoonlijk wordt het uitgedrukt als een percentage van de energieopname. TEN = (REE na een maaltijd basis REE) / EI x 100 TEN - thermic effect of nutrition (thermisch effect van de voeding) REE : resting energy expenditure (energieverbruik bij rust) EI : energy intake (energieopname) Het thermisch effect van voeding hangt hoofdzakelijk af van de voedselsamenstelling en van de metabolische banen van welbepaalde substraten (4). Het heeft doorgaans een duur van 5-10 uren na de voedselopname. Thermisch effect van de belangrijkste energiesubstraten: Koolhydraten 4-6% Lipiden 2-3% Proteïne 20-40%

4 Energieverbruik omwille van activiteit (AEE) is het meest variabele gedeelte van ons energieverbruik. Het hangt af van fysieke activiteit gedurende de dag en van de fysieke capaciteit van het individu. Tabel 1 toont voorbeelden van energieverbruik door lichaamsbeweging in in kcal/ minuut voor personen van 60 kg en 80 kg : 2.1 Gemeenschap : Malnutrition Screening tool (MUST) (4) Voor een algemene screening van de gemeenschap is MUST een nuttige tool voor een snelle raming van de ondervoedingsgraad (Fig. 2). Een nadeel is dat het geen rekening houdt met voedselopname. Table 1 Examples of energy expenditure through physical exercise (5, 6) 3. Methoden voor het meten van Energieverbruik Energie voor metabolische processen wordt geproduceerd door de oxidatie van energiesubstraten (koolhydraten, lipiden en proteïne). Zuurstof wordt verbruikt en er komen tijdens dit proces koolstofdioxide, water en stikstofcomponenten vrij (voornamelijk ureum) alsook warmte. Figure 2. Oxidative processes in organism

5 3.1 Directe Calorimetrie Directe calorimetrie is een methode gebaseerd op de meting van de warmteproductie. De warmte die vrijkomt uit het lichaam kan worden gemeten met speciale toestellen (bv. compartiment voor het hele lichaam) of een lichaamscalorimeter: Figuur 3. Principe van de directe calorimetrie 3.2 Indirecte Calorimetrie Bij indirecte calorimetrie is de energieproductie gebaseerd op de kennis van oxidatiebanen van welbepaalde substraten. Energieverbruik wordt berekend op basis van het zuurstofverbruik en de productie van koolstofdioxide. Analysetoestellen worden verbonden met de ventilatiekap, het mondstuk of lichaamskamers.

6 Figure 4. Principle of indirect calorimetry Aan de hand van indirecte calorimetrie kunnen we een meting doen van : Zuurstofverbruik - VO 2 Koolstofdioxideproductie - VCO 2 Het energie-equivalent van VO 2 en VCO 2 wordt bepaald door de hoeveelheden geoxideerde koolstofhydraten (C), proteïne (P) en vetten (F). De proteïneoxidatie (g) wordt berekend op basis van de stikstof die in de urine terecht komt en vervolgens kan de volgende formule worden toegepast om het energieverbruik te berekenen (7): EE (MJ) = VO VCO P Het energieverbruik kan ook worden berekend ofwel op basis van het zuurstofverbruik ofwel op basis van de stikstofproductie. De koolstofdioxideproductie kan worden gemeten over een lange termijn door gebruik te maken van de dubbelgelabelde watermethode (7, 8). De dubbelgelabelde watermethode is een methode van indirecte calorimetrie. Het principe van de methode is dat er eerst een laaddosis water dat is gelabeld met de stabiele isotopen van 2 H and 18 O, en dat dan 2 H wordt geëlimineerd als water, terwijl 18O wordt geëlimineerd als water zowel als koolstofdioxide. Het verschil tussen beide eliminatieratio s kan dus dienen als een meting van de koolstofdioxideproductie. Deze methode wordt gebruikt voor het meten van het energieverbruik op lange termijn. (doorgaans 14 dagen).

7 De omgekeerde Fick methode wordt gebruikt om zuurstofconsumptie op intensieve zorg te meten. Deze methode is gebaseerd op de meting van cardiale output (thermodillutie) en op het verschil in de zuurstofconcentratie tussen arterieel en gemengd veneus bloed. 3.3 Raming van het energieverbruik De meest courant gehanteerde benadering om voor een individu de REE te voorspellen in de klinische praktijk is de toepassing van de Harris-Benedict vergelijkingen. Man: REE = (13.8 x gewicht) + (5.0 x lengte) - (6.8 x leeftijd) Vrouw : REE = (9.6 x gewicht) + (1.8 x lengte) - (4.7 x leeftijd) Deze vergelijkingen zijn gebaseerd op geslacht, leeftijd, lengte en lichaamsmassa, maar houden geen rekening met lichaamssamenstelling. 4. De invloed van ziekte op het energieverbruik Acute en chronische ziekten verhogen vaak het energieverbruik (9). Dit is toe te schrijven aan de inflammatoire reactie, aan verhoogde lichaamstemperatuur, aan rillen of aan een versnelde substraatcyclus (futiele cycli). De verhoogde lichaamstemperatuur leidt tot een toename van het energieverbruik a rato van 10-15% per graad celcius. De toename in het energieverbruik tijdens ziekteprocessen resulteert ook uit verhoogde simpathetische activiteit. Ziektegerelateerde toename van het energieverbruik kan gedeeltelijk worden weggewerkt door een simpathetische blokkade. De toename in het energieverbruik na ernstige brandwonden kan worden verminderd door een hogere omgevingstemperatuur (de thermoneutrale zone voor brandwondenpatiënten ligt boven de 30 C, vergeleken bij 28 C voor normale patiënten). Ook energieopname verhoogt het energieverbruik tijdens ziekte, wat aantoont dat dieetgeïnduceerde thermogenese ook werkt bij ziekte (10). Een thermoneutrale omgeving vermindert eveneens het energieverbruik bij intensieve zorgpatiënten. De invloed van ernstige ziekten op het energieverbruik is beschreven in module Noot : onze thermoneutrale zone is de omgevingstemperatuur waarbij we geen extra energie moeten verbruiken om onze lichaamstemperatuur op peil te houden, d.w.z. de omgevingstemperatuur waarbij onze metabolisch basisverbruik minimaal is. 5. Energieopname en Energiebalans Bij een stabiel en niet-groeiend organisme zou de energieopname moeten overeenstemmen met het energieverbruik. Maar terwijl energieverbruik een relatief continu proces is (met een constant REE aandeel en met schommelende DEE en AEE in functie van voedselopname en activiteit) is energieopname intermittent. Bijgevolg kan de energiebalans van een vrij levend wezen over korte tijdspannes schommelen van positief naar negatief. Toch zou de energieopname op lange termijn moeten gelijk zijn aan het energieverbruik. De belangrijkste energiesubstraten: Koolhydraten - 4 kcal/g (glucose, maltodextrine, zetmeel, glycogeen); Lipiden - 9 kcal/g (vetten, lipide emulsie); Eiwitten - 4 kcal/g (vlees, caseïne, weiproteïne, plantaardige proteïne). Een positieve energiebalans gaat gepaard met : Synthese van glycogeen (lever- en spierglycogeen);

8 Vetopslag in subcutane weefsels vet wordt ook gedeeltelijk opgeslagen in niet subcutane weefsels; Opslag van eiwitten fysieke activiteit is een noodzakelijke voorwaarde voor proteïnesynthese in skeletspieren bij volwassen patiënten. Een negatieve energiebalans gaat gepaard met : Afbraak en oxidatie van glycogeenvoorraden voorraden aan lichaamsglycogeen worden verbruikt binnen de 24 uur; Lipolyse of vetafbraak, vrijgave en oxidatie van vetzuren; Afbraak en oxidatie van proteïne proteïneafbraak is in zekere mate afhankelijk van samengaande inflammatoire processen. Bij een groeiend organisme (pasgeborenen, kleine en grotere kinderen) wordt een groot deel van de opgenomen energie besteed aan de groei. De meest positieve energiebalans komt voor bij pasgeborenen. Hun dagelijks energieverbruik bedraagt kcal kg- 1 dag-1, terwijl de aanbevolen energieopname kcal kg-1 dag-1 bedraagt. Dit verschil is toe te schrijven aan de energie die groeien kost (accretie) kcal kg- 1 day-1(11). Een positieve energiebalans is ook nodig voor "inhaalgroei" na een periode van ondervoeding bij kinderen, of gedurende het herstel van volwassenen of kinderen na een ernstige ziekte. Ook spierproteosynthese vergt een positieve energiebalans. Samenvattend is een positieve stikstofbalans nodig voor: groei; wondheling; herstel na ernstige ziekte; training en spieropbouw. Een langdurige positieve energiebalans te wijten aan te veel energieopname en/of te weinig lichaamsbeweging, leidt echter tot een toename van vetweefsel, overgewicht en obesiteit. 6. Samenvatting Alle levende organismen verbruiken energie voor hun levensactiviteiten. Dieren gebruiken energie die wordt gegenereerd in planten in de vorm van koolhydraten, lipiden en proteïnen. Deze substraten worden geoxideerd in water, koolstofdioxide en stikstof, en de hoeveelheid zuurstof die wordt verbruikt en de hoeveelheid koolstofdioxide die wordt geproduceerd zijn gelijk aan het energieverbruik. Energieverbruik wordt doorgaans gemeten aan de hand van directe of (nog vaker) van indirecte calorimetrie. Indirecte calorimetrie is gebaseerd op de meting van zuurstofverbruik en/of van de koolstofdioxideproductie. Het totale energieverbruik bestaat uit zuurstofverbruik bij rust (resting energy expenditure of REE), dieetgeïnduceerd energieverbruik (diet induced energy expenditure of DEE) en energieverbruik omwille van activiteit (activity induced energy expenditure of AEE). Verlies van energievoorraad wordt veroorzaakt door een negatieve energiebalans, en de aard van het weefselsubstraatverlies hangt af van voorwaarden waaronder de negatieve energiebalans ontstaat. Zuivere ondervoeding leidt, althans in een vroeg stadium, tot verlies van vetten, terwijl een letsel verhoudingsgewijs een groter verlies van vetvrij weefsel teweegbrengt. Een positieve energiebalans is nodig om te groeien, voor wondgenezing en voor spierontwikkeling, maar een aanzienlijke en langdurige positieve energiebalans kan leiden tot overgewicht en zwaarlijvigheid.

9 7. Klinische casus Een gezonde vrouw van 30 met een lichaamsgewicht van 75 kg en een lichaamslengte van 162 cm heeft beslist om te vermageren. Ze werkt als winkeljuffrouw in een supermarkt. Ze wil 5 kg van haar lichaamsgewicht verliezen. 1. Bereken haar REE volgens de formule van Harris Benedict Ze is er gedurende lange tijd in geslaagd haar energieopname te beperken tot 1600 kcal. 2. Bereken hoeveel dagen ze een dieet van 1600 kcal moet volhouden om 5 kg vetweefsel te verliezen. Ga uit van een normale fysieke activiteit (AEE is 30% van haar TEE en DEE is 8% van TEE) Antwoorden klinische casus kcal/dag 2. TEE = REE + DEE + AEE REE = 1526 (62% van TEE) TEE = 2461 kcal Energiebalans is gelijk aan kcal Ervan uitgaande dat energiedeficit wordt gedekt door het vet dat de patiënt zal verliezen, zal de patiënt 95 g lichaamsgewicht per dag verliezen. Dit betekent dat indien ze heeft beslist om 5 kg te verliezen, ze dit 1600 kcal dieet gedurende 50 dagen moet volhouden. Maar we kunnen aannemen dat het energieverbruik tijdens een periode van negatieve energiebalans zal verminderen, wat betekent dat de periode nodig voor dit gewichtsverlies zelfs langer zou kunnen duren. 8. Zelfevaluatie Referenties 1. Nelson K, al. Prediction of resting energy expenditure from fat-free mass and fat mass. Am J Clin Nutr 1992; 56: Bessey P, Watters J, Aoki T, Wilmore D. Combined hormonal infusion simulates the metabolic response to injury. Ann Surg 1984; 200: Herndon DN, Hart DW, Wolf SE, Chinkes DL, Wolfe RR. Reversal of catabolism by beta-blockade after severe burns. N Engl J Med 2001; 345: Rasmussen LG, Larsen TM, Mortensen PK, Due A, Astrup A Effect on 24-h energy expenditure of a moderate-fat diet high in monounsaturated fatty acids compared with that of a low-fat, carbohydrate-rich diet: a 6-mo controlled dietary intervention trial. Am J Clin Nutr. 2007;85: Genton L, Van Gemert W, Soeters PB. Nutritional requirements for health at rest and on exercise. In Basics in Clinical Nutrition, Sobotka L. (Third edition) 2004 Galen p Mc Ardle WD, Katch F, Katch V. Exercise physiology: energy, nutrition and human performance. Williams & Wilkins, Philadelphia, Westerterp KR, Schols AMWJ. Energy metabolism. In Basics in Clinical Nutrition, Sobotka L. (Third edition) 2004 Galen p Westerterp KR Body composition, water turnover and energy turnover assessment with labelled water. Proc Nutr Soc 1999; 58: 945.

10 9. Chiolero R, Revelly JP, Tappy L. Energy metabolism in sepsis and injury. Nutrition 1997; 13(9 Suppl):45S-51S. 10. Miles JM Energy expenditure in hospitalized patients: implications for nutritional support. Mayo Clin Proc. 2006;81: Puntis JWL. Nutritional support in neonatology In Basics in Clinical Nutrition, Sobotka L. (Third edition) 2004 Galen p