Даяна М. Томас

Професор по математика и директор, Център за количествени изследвания на затлъстяването, в Държавния университет в Монклер, Монклер, Ню Джърси.

М. Кристина Гонсалес

Допълнителен професор в следдипломна програма по здраве и поведение, Католически университет в Пелотас, Пелотас, RS, Бразилия.

Андреа З. Перейра

координатор в областта на храненето, затлъстяването и бариатричната хирургия в Отдела по ендокринология, UNIFESP и е лекар за хранителна подкрепа в Отдела по онкология, HIAE, Сао Пауло, Бразилия.

Лийн М. Редман

член на лабораторията по репродуктивна ендокринология и здраве на жените, Биомедицински изследователски център в Пенингтън, Батън Руж, Лос Анджелис.

Стивън Б. Хеймсфийлд

Професор и Джордж А. Брей-младши Председател по хранене в Биомедицинския изследователски център в Пенингтън, Батън Руж, Лос Анджелис. Той е и почетен член на Американската диетична асоциация.

Развитие на правилото на Вишнофски

Макс Уишнофски попита в доклад от 1958 г. "Какъв е калоричният еквивалент на един килограм телесно тегло, натрупан или загубен?" 1 След обмислен анализ на съществуващата литература, Уишнофски заключава, че „калоричният еквивалент на един килограм загубено телесно тегло“ или „натрупано ще бъде 3500“. Петдесет години по-късно и с хиляди цитати в научната литература и неспециализираната преса, Хил и колегите му повтарят често използваното твърдение „необходим е енергиен дефицит от приблизително 3500 kcal, за да се загубят 1 lb телесно тегло“ в авторитетния учебник Modern Хранене в здравето и болестите. 2 Hill не е сам, със същото правило на по-скоро публикувано в Mayo Clinic 3, Livestrong 4 и безброй други уеб сайтове. Но приложеното Правило на Вишнофски е неточно, което кара много консултирани пациенти да се чудят защо предписаната им загуба на тегло е далеч по-малка от очакваната, дори когато те стриктно се придържат към препоръките на диетолога си.

Само в редки случаи действителният доклад на Wishnofsky 1 се позовава по подходящ начин и първоначалната концепция често се мутира (напр. „Тегло“ се заменя с „увеличаване или загуба на мазнини“), тъй като се разпространява вирусно в интернет. Какво точно е неточно и дори научно неправилно с тази половинвековна диктума?

Прилагането на правилото на Wishnofsky за прогнозиране на размера на загуба на тегло в килограми в резултат на намаляване на енергийния прием (EI, kcal/d) или увеличаване на генерираната от упражненията енергия (EO, kcal/d) е просто: умножете наложения дефицит в енергийните запаси (ES, kcal/d) по продължителност на диетата (в дни) и се разделя на 3500 kcal/lb. Няколко фундаментални предположения формират основата на Правилото на Вишнофски: че субектът поддържа постоянна предписана EI; че загубата на тегло не се влияе от промените в EO; че при нискокалорична балансирана диета основната загуба на телесна маса се получава от мастна тъкан; а енергийното съдържание на загуба на тегло е постоянно при 3500 kcal/lb или 7700 kcal/kg. При какви условия се поддържат тези предположения? Сега критично разглеждаме този въпрос по пътя към откриването защо съвременните приложения на Правилото на Вишнофски предоставят непълно описание на кинетиката за отслабване.

Защо правилото на Вишнофски е неточно

За да разберем защо Правилото на Wishnofsky, както се прилага (дефицит от 3500 kcal → 1 lb загуба или 7700 kcal → 1 kg загуба на тегло) е остаряло и неточно, първо трябва да помислим какво знаем за енергийния баланс и отслабването с нискокалорична диета днес. Когато субектът в равновесие на теглото намалява енергийния прием, без да променя доброволните енергийни разходи (напр. Чрез увеличаване или намаляване на физическата активност), следва период на отрицателен енергиен баланс, който черпи от енергийните запаси. Ако приемем, че субектът поглъща нискокалорична балансирана с макронутриенти диета, загубата на тегло ще продължи в две отделни фази; фаза на бързо отслабване през първите няколко дни или седмици, последвана от по-бавна фаза на отслабване, продължаваща до две години 7,8 .

Загубено тегло ≠ 3500 kcal/lb и енергията не е постоянна

Въпреки че времето за метаболитни адаптации с нискокалорична диета не е точно ясно по отношение на ранната фаза на отслабване, с времето се развиват хормонални и невронни регулаторни механизми, които предизвикват намаляване на енергийните разходи в покой, оборота на протеини и други метаболитни процеси 10, 11. Намаленият енергиен прием също води до намаляване на термичните ефекти на храненето и може би до нива на термогенеза на активността без упражнения 10. Взети заедно, изчерпването на наличния гликогенен пул и метаболитните адаптации намаляват нивата на протеинов катаболизъм и енергийни разходи с преминаване към нарастващи нива на окисление на мазнините 7. Комбинираните ефекти на тези процеси забавят скоростта на отслабване и водят до втората по-бавна фаза на отслабване.

Втората фаза на отслабване се разпростира с месеци или години, въпреки че много малко контролирани проучвания надхвърлят от шест месеца до една година, които могат да се използват за критична оценка на теоретично получените съотношения на енергийния баланс 7. Тъй като гликогенът е до голяма степен изчерпан, окислените въглехидрати идват главно от диетата и глюкогенните аминокиселини в протеина. Азотният баланс (т.е. протеиновият) баланс се доближава до нула, а стационарното ниво зависи от приема на енергия и протеин 12 Триглицеридите в мастната тъкан представляват основния енергиен източник през този период, като скоростта на загуба на тегло е значително намалена спрямо ранния период на диета. До 24 седмици измереното енергийно съдържание на промяна в теглото, наблюдавано при участниците в проучването CALERIE I, се е увеличило от средната 4-седмична стойност (4858 ± 388 kcal/kg) до 6569 ± 272 kcal/kg (2986 kcal/lb) 8,9 .

Както при ранната фаза на диета, съставът (и енергийното съдържание) на промяната на теглото по време на по-късната фаза на отслабване се променя, както се определя от базовите характеристики на субекта, степента на предписания енергиен дефицит и продължителността на диетата 12,13. Важна характеристика на тази фаза на отслабване е забавянето на енергията 10. Както беше отбелязано по-рано, енергийните разходи в покой, термичният ефект на храненето, термогенезата на активността без упражнения и дори термогенезата на активността са или могат да бъдат намалени в сравнение с изходното ниво. Освен това намаляването на телесната маса се придружава от намалено количество метаболитно активна тъкан и по-ниски енергийни разходи за активност. Сега субектът забелязва постепенно забавяне на отслабването, в един момент почти незабележимо и в крайна сметка спирането на отслабването настъпва, когато енергийното равновесие се възстанови на ново по-ниско ниво.

Съвременни подходи за прогнозиране на отслабването

Възгледите на Вишнофски за динамиката на промяната на теглото се основават на ограниченото разбиране на основните метаболитни процеси по това време и неговата проста формулировка е оформена с впечатления, получени от краткосрочни диетични проучвания, завършени в малки проби от жени със затлъстяване 6 .

Днес ние разглеждаме кинетиката на промяната на теглото при нискокалорични диети или преяждане в по-големия контекст на енергийния метаболизъм и термодинамиката. Трите основни компонента на прости термодинамични модели са EI, EO и ES. Фокусът на Wishnofsky беше върху връзката между ES (т.е. EI - EO) и промените в телесното тегло, с ES/Δ Тегло = 3500 kcal/lb въз основа на химичния анализ на Bozenrad на мастната тъкан 5. Нека вземем пример от мрежата, за да видим как обикновено се прилага Правилото на Вишнофски и защо е неточно:

„За да добиете представа колко тегло бихте могли да загубите, не забравяйте, че за да отслабнете един килограм, трябва да намалите приема на калории с 3500 калории. Така че, ако замените содата си с вода и не замените тези калории другаде в диетата си, потенциалната ви загуба на тегло може да бъде значителна “. „Замествайте своята кутия кока-кола от 12 унции с вода всеки ден и спестете 51 100 калории годишно или около 15 паунда годишно 14.“

Контейнер от 12 унции кокс е 140 kcal, така че след 365 дни (1-годишен) без тази консервирана сода ES е -51 100 kcal (-140 kcal/d × 365 d) и тази стойност, разделена на 3500 kcal/lb, е равна да се

15 паунда, закръглени до най-близкото цяло число. Нека започнем нашия критичен анализ, като приемем, че EI на субекта намалява със 140 kcal/d, като намалява приема с една консервирана подсладена сода всеки ден. При тези условия EI е постоянен (т.е. изходният EI минус 140 kcal/d), но вместо EO и ES/We Теглото е постоянно, както се подразбира от Wishnofsky, и двете се променят с течение на времето. Първо, EO намалява по време на отрицателния енергиен баланс поради причините, споменати по-рано: наличието на метаболитни адаптации, намален термичен ефект на храната и термогенеза на активността без упражнения, възможно намаляване на физическата активност; и загуба на телесна топлина, произвеждаща постни тъкани. Когато намаляването на EO от изходното ниво достигне точно 140 kcal/d, загубата на тегло на субекта ще плато при ново намалено тегло. За да се достигне плато със стабилно тегло, често са необходими месеци или дори години 10 .

По същия начин, енергийното съдържание при промяна на теглото (ES/ΔW) не е постоянно при 3500 kcal/lb, но се променя с течение на времето. Стойностите са значително по-малко от 3500 kcal/lb по време на ранната фаза на бърза загуба на тегло и се доближават до 3500 kcal/lb или 7700 kcal/g през втората фаза на по-бавно отслабване 8. Както мастните, така и постните тъкани се губят и го правят по предсказуем начин, докато тялото се реконструира към ново плато за отслабване 13,15 .

След пионерската работа на Антонети, други са последвали с по-усъвършенствани динамични модели за прогнозиране на загуба на тегло. Два широко прилагани модела, основани на термодинамичните принципи, са лесно достъпни за диетологичната общност. И двата модела са разработени около първия закон на термодинамиката, заявявайки на практика, че скоростта на промяна в запасите от енергия на тялото е равна на разликата между скоростите на приемане и извеждане на енергия (т.е. ES = EI - EO). Енергийното равновесие, стабилните енергийни запаси и постоянното телесно тегло се постигат с течение на времето, когато погълнатата енергия, докато храната балансира загубите на енергия чрез топлина, кожа, урина и изпражнения.

Наличните динамични модели за прогнозиране на загуба на тегло са формулирани около тези термодинамични концепции и са разработени с помощта на класически математически инструменти, които включват смятане. За да разберем основата на тези модели, можем да се върнем към нашия по-ранен пример в мрежата и да разгледаме физиологичните събития, които следват, когато човек намали дневния си прием на течности, като замени една кутия сода с еквивалентно количество вода. Намаляването на енергийния прием със 140 kcal/d ще постави човека в непосредствен отрицателен енергиен баланс. Хипотетично теглото ще намалее през първия ден и тази промяна на теглото ще има ниска енергийна плътност, тъй като пропорционално големите количества гликоген, протеини и вода се катаболизират, за да компенсират калорийния дефицит. Енергийната плътност на промяната на теглото постепенно ще се увеличава с течение на времето с изчерпване на наличните запаси от гликоген и тъй като адаптациите в протеиновия и енергийния метаболизъм се активират, преминавайки към по-късната фаза на отслабване. Моделистите изграждат своите динамични уравнения с разбиране на тези процеси, заедно с влиянието на индивидуалния изходен състав на тялото, пол, възраст и височина и не разчитат на приетата стойност на стабилна енергийна плътност от 3500 kcal/lb (7700 kcal/kg).

Очевидно наличните модели са далеч по-сложни от простата формулировка, замислена от Wishnofsky 1. Моделите Thomas 10,18 и Hall 19,20 предполагат, че телесното тегло се разделя на маса без мазнини и те свързват промените в масата на тези две отделения със съответните промени в енергийните запаси. Моделните термини за изразходване на енергия са разработени с някои разлики между двата модела, като се вземат предвид промените в енергийните разходи в покой, доброволната физическа активност, спонтанната физическа активност, термичният ефект на храненето и биохимичната ефективност, свързана със синтеза на мазнини и протеини. Извеждането на термините на модела на Томас и Хол се появява в по-нови публикации 20,21. И двата модела са валидирани чрез препратка към експериментални данни 18–21 и потребителите могат да симулират оценките на модела за промяна на теглото чрез свободно достъпни и изтеглени уеб базирани приложения .

размера

Прогнозирано спрямо действителното тегло на 12 седмици за моделите на Томас и Вишнофски (горни панели) сред участниците в проучването CALERIE I 8,9. Простите резултати от линейна регресия (плътна линия и уравнение) са включени във всеки горен панел; прекъснатата линия представлява линията за идентификация. Графиките на Bland-Altman са представени в долните фигурални панели с плътната хоризонтална линия, представяща пристрастието (средно отклонение на прогнозираното тегло от действителното тегло). Прекъснатите хоризонтални линии представляват 95% доверителни интервали.

Прогнозирано спрямо действителното тегло на 24 седмици за моделите на Томас и Вишнофски (горни панели) сред участниците в проучването CALERIE I 8,9. Простите резултати от линейна регресия (плътна линия и уравнение) са включени във всеки горен панел; прекъснатата линия представлява линията за идентификация. Графиките на Bland-Altman са представени в долните фигурални панели с плътната хоризонтална линия, представляваща средното отклонение на предвиденото тегло от действителното тегло. Прекъснатите хоризонтални линии представляват 95% доверителни интервали.

Моделът на Wishnofsky прогнозира загуба на тегло от 15 lb за една година за нашия по-ранен пример за заместване на вода с калорична сода (Фигура 3) За разлика от това, динамичните уравнения в този пример предсказват загуба на тегло от 5,7 lbs от модела на Thomas 10,24, 8,2 lbs от модела на Hall 19,20 и 8,4 lbs за модел 16 на Antonetti за представителна жена с наднормено тегло (възраст 30 yrs, височина 1,68 m [5'6 "], тегло 76 kg [167,2 lb] и BMI 27 kg/m 2).

Промяна в телесното тегло (изразено в лири), предвидено от Томас 10, зала 19,20, Антонети 16 и Вишнофски 1 модели, когато жена с наднормено тегло (възраст 30 години, височина 168 см, тегло 76 кг, ИТМ 27 кг/м 2) намалява приема й с една сода (140 kcal) на ден. Дисперсията по време на намаляването на приема за модела на Томас се изразява чрез интервалите за доверие на Bland Altman, изчислени за изследването CALERIE, както е представено на фигури 1 и и2 2 9,24 .

Както се вижда от примерите на CALERIE и сода, концептуалните и математическите недостатъци в модела на Wishnofsky стават по-изразени с по-голяма екстраполация на промяната на теглото във времето.

Заключения

Могат ли законите на термодинамиката с математиката, прилагани във физиката и химията, да бъдат отведени на сесия за консултиране на пациенти, която включва осигуряване на очаквания за отслабване с диета? От една страна, имаме Правилото на Вишнофски, което е лесно за прилагане, но липсва съвременна научна основа и води до голяма грешка в прогнозата за загуба на тегло, дори в краткосрочен план. От друга страна, имаме сложни утвърдени динамични уравнения за отслабване, които имат силни научни основи и които имат по-точна и реалистична прогнозна стойност за отслабване. Интуитивният път напред е да се приложат тези динамични модели за прогнозиране в безброй уеб сайтове за хранене, приложения за клетъчни телефони и в преносими компютърни устройства, които сега стават всеобщо достъпни.

Вместо да популяризираме тези по-нови динамични модели за прогнозиране на загуба на тегло като окончателни, ние само стартирахме сложния процес на изграждане и валидиране. Термодинамично базираните модели разчитат на данни за енергия и метаболизъм, които съдържат грешка в измерването и тази грешка се разпространява в термини на модела. Освен това винаги има степен на индивидуална биологична вариация, която не може да бъде уловена от модел, построен частично от средните популации. Необходими са много повече изследвания за подобряване на термините на модела, предоставяне на по-точни емпирично изведени коефициенти, включително дозозависимото влияние на упражненията или въздействието на промени в теглото в присъствието на заболяване, и ефективно доставяне чрез софтуер, предназначен за клинични приложения. Преместването на този подход напред ще укрепи връзките между съвременната диетология и основните хранителни и физически науки.

Благодарности

ФИНАНСИРАНЕ/ПОДКРЕПА:

Един автор е подкрепен от стипендия на Herman and Margret Sokol Institute for Pharmaceutical Life Sciences и грант на NIH R15 DK090739, а друг от грантове NIH R00HD060762 и U01> DK094418.

Съкращения

Бележки под линия

Отказ от отговорност на издателя: Това е PDF файл на нередактиран ръкопис, който е приет за публикуване. Като услуга за нашите клиенти ние предоставяме тази ранна версия на ръкописа. Ръкописът ще бъде подложен на редактиране, набиране и преглед на полученото доказателство, преди да бъде публикуван в окончателния си вид. Моля, обърнете внимание, че по време на производствения процес могат да бъдат открити грешки, които биха могли да повлияят на съдържанието, и всички правни откази от отговорност, които се отнасят до списанието, се отнасят до.

ОТЧЕТ ЗА ПОТЕНЦИАЛЕН КОНФЛИКТ НА ИНТЕРЕСИ: Един автор е консултант на Джени Крейг. Нито един от разследващите не съобщава за конфликт на интереси за това проучване.

Информация за сътрудника

Даяна М. Томас, професор по математика и директор, Център за количествени изследвания на затлъстяването, от Държавния университет в Монклер, Монклер, Ню Джърси.

М. Кристина Гонсалес, адюнкт-професор в следдипломна програма по здраве и поведение, Католически университет в Пелотас, Пелотас, РС, Бразилия.

Андреа З. Перейра, координатор в областта на храненето, затлъстяването и бариатричната хирургия в Отдела по ендокринология, UNIFESP и е лекар за хранителна подкрепа в Отдела по онкология, HIAE, Сао Пауло, Бразилия.

Лийн М. Редман, член на лабораторията по репродуктивна ендокринология и здраве на жените, Биомедицински изследователски център в Пенингтън, Батън Руж, Лос Анджелис.

Стивън Б. Хеймсфийлд, професор и Джордж А. Брей-младши, председател по хранене в Биомедицинския изследователски център в Пенингтън, Батън Руж, Лос Анджелис. Той е и почетен член на Американската диетична асоциация.