Возможности непрямой калориметрии в дифференцированной оценке метаболического статуса больных инсулиннезависимым сахарным диабетом тучных

Если метаболический дисбаланс при сахарном диабете не достигает крайних степеней, то для клинициста одним из основных критериев оценки качества метаболического контроля является гликемия. Однако очевидно, что полного соответствия между уровнем гликемии и степенью декомпенсации жирового и белкового обмена вряд ли можно ожидать. Более того, нормогликемия не обязательно свидетельствует о нормальном балансе между скоростью продукции глюкозы печенью и скоростью ее утилизации в периферических тканях [2]. Использование метода непрямой калориметрии, существенно усовершенствованного в последние годы, позволяет иметь цельное представление о взаимоотношениях углеводного, жирового и белкового звеньев обмена, их метаболической сбалансированности, особенно на фоне коррекции нарушений обмена веществ. Этот метод все больше привлекает внимание врачей, особенно после того, как были предложены доступные для клинической практики аппараты исследования газообмена — метаболографы. Поскольку у нас в стране в клинической эндокринологии этому методу пока не уделяется должного внимания, нашей статьей мы заостряем особое внимание на методологических проблемах, что позволит эндокринологам сориентироваться в этой актуальной области исследований.

Материалы и методы

В условиях клинического стационара в течение 56 дней обследовались больные инсулиннезависимым сахарным диабетом (ИНЗСД) — 16 женщин и 5 мужчин в возрасте 34— 59 лет со средней исходной массой тела 101,6 кг, что соответствует ожирению II степени. Длительность заболевания от 3 мес до 15 лет. 15 (76 %) больных при поступлении получали пероральные сахаропонижающие препараты.

В течение всего исследования больные получали однотипный изокалорийный изоазотистый рацион, различающийся по периодам наблюдения (4 периода по 14 дней каждый)

Таблица 1

Состав и энергетическая ценность изученных вариантов клинических диет, имеющих различное содержание концентратов соевого белка — Данпро-S, Данпро-Fibre

только по долевой замене (Д_о—10%, Д|—60%, Д₂— 30 %, Дз — 45 %) традиционных белковых продуктов на концентрат соевого белка Данпро-S, Данпро-Fibre в составе экспериментальных образцов продуктов, изготовленных фирмой «Орхус Олпе», Дания.

Химический состав и энергетическая ценность используемых диет приведены в табл. 1.

Последние 3 дня каждого периода осуществлялись балансовые исследования с определением экскреции продуктов азотистого обмена с мочой наряду с контрольным определением общего содержания белка в рационе по методу Къель- даля. Экскрецию эндогенного азота с калом определяли из расчета 10,7 мг азота на 1 кг массы тела в сутки.

Для определения уровня кортизола и инсулина применялись наборы Института биоорганической химии (Минск), С-пепти- да — наборы для радноиммунологического анализа («Вук- Sangtec Diagnostica», ФРГ).

Для проведения непрямой калориметрии использовали аппарат «Beckman ММС» (Metabolic Measurement Cart). Калибровка аппарата осуществлялась газовой смесью, содержавшей 14,33 % кислорода и 5,82 % углекислого газа на азоте, и воздухом (20,93 и 0,03 % соответственно). Программа Clinical Exercise Testing Program with Total Data Report— (режим 1) позволяет определять энергообмен не только в покое, но и при пищевых и физических нагрузках.

Полученные данные оценивались статистически стандартными методами с применением ПЭВМ [1].

Биоэнергетическая модель

Модель, на основе которой рассчитывают параметры окисления углеводов, жиров и белков по результатам измерения потребления кислорода и выделения углекислого газа, представляет собой систему трех основных окислительных реакций, протекающих в организме:

1 г глюкозы (G)+0,745 л О₂-*0,745 л СО₂+0,6 г Н₂О, (1) 1 г жира (L)+2,008 л О₂-> 1,396 л СО₂+1,09 г Н₂О, (2) I г белка (Р) +0,983 л О₂->0,793 л СО₂+0,45 г Н₂О. (3)

Поскольку азот мочи составляет около 16 % массы окисленного белка, то

P=6,25-N₂, г.                                      (4)

Отсюда имеем:

1 г азота (N₂)+6,144 л О₂—4,956 л СО₂+2,81 г Н₂О. (5) Из уравнений (1), (2) и (5) следует

V0₂=0,745-G + 2,008-L+6,144-N₂, л,                   (6)

VCO₂=0,745-G+l,396-L+4,956-N₂, л,                   (7)

где VO₂ и VCO₂ — объемы потребленного О₂ и выделенного СО₂ за время исследования.

Решая систему уравнений (6) и (7), получим:

G=4,397-VCO₂—3,058-VO₂—3,012-N₂, г,           (8)

L=l,634-(VO₂—VCO₂) —1,941 -N₂, r.                  (9)

Уравнения (4), (8) и (9) позволяют по потреблению О₂,

продукции СО₂ и экскреции азота с мочой определить количество окисленных глюкозы, жира и белка за время исследования. С учетом энергоемкости субстратов: глюкоза 3,81 ккал/г, жир 9,13 ккал/г, белок 4,09 ккал/г легко рассчитать энергопродукцию (<2) за время исследования, обеспе-

Биоэнергетические параметры, использованные при расчете показателей энергообмена у обследованных

* По потреблению кислорода.

и суммарную энергопродукцию:

Q=Qg+Q^+Qp, ккал.                                (13)

Процентный вклад каждого из энергосубстратов в общую энергопродукцию рассчитывается из формул (10) — (13):

Q%=(Q_C/Q)-100,                                 (14)

L%=(Q_l/Q)-\00.                                       (15)

P%=(Q_P/Q) -100.                                (16)

Если полученные по формулам (4), (8), (9) — (13) значения разделить на время исследования, то параметры будут соответственно отражать скорость обменных процессов.

Зная, сколько молекул АТФ образуется в процессе окисления энергосубстрата, и энергоемкость АТФ (7,3 ккал/моль), легко рассчитать, какая часть энергии окисления рассеивается в виде тепла, а какая депонируется. Поскольку лишь акцептированная АТФ энергия может использоваться организмом для биохимической работы, то желательно оценить энергообмен и с этой точки зрения. Назовем акцептированную часть энергии «полезной». Легко показать, что при окислении 1 г глюкозы образуется 1,458 ккал полезной энергии, жира (пальмитата) — 3,729 ккал, белка — 1,447 ккал, т. е. наиболее эффективным является жировой обмен (табл. 2). Следовательно, полезная энергия окисления (W) любого субстрата вычисляется по формулам:

W'₀ = l,458-G, ккал,                            (17)

U⁷_i=3,729-A, ккал,                                                                   (18)

U7_p=l,447-P, ккал.                                                                   (19)

Отсюда общая полезная энергия окисления:

w=w_a+w_L+w_P.

(20)

Можно определить коэффициент (А) полезного действия совместного окисления энергосубстратов:

К= (W/Q) • 100, %.

(21)

Эффективность энергообмена можно оценить с точки зрения не только продукции полезной энергии, но и потребления кислорода. На производство полезной энергии при окислении разных субстратов расходуются разные объемы О₂: на 1 г глюкозы — 0,283 л, жира — 0,823 л, белка — 0,344 л. При этом наиболее эффективным оказывается углеводный обмен. С учетом сказанного потребление О₂ при производстве полезной энергии (X) для каждого субстрата вычисляется по формулам:

X_o=0,283-G, л,

Хд=0,823-А, л,

Х_р=0,344-Р, л.

(22)

(23)

(24)

Сумма значений, вычисленных по формулам (22) —(24), составит общий объем О₂, затраченный на производство полезной энергии при одновременном окислении энергосубстратов:

X—Хд+Хд+Хр, л.

Результаты и их обсуждение

Проанализируем динамику параметров энергообмена в зависимости от вида диеты (общая группа в табл. 3). Замена в диете животного белка на растительный (соевый изолят) приводит к увеличению энергообмена в покое за счет повышения скорости окисления глюкозы, при этом скорость окисления белка снижается, а жира практически не меняется. Такие изменения можно расценивать как благоприятные для больных сахарным диабетом, так как улучшается усвоение углеводов и снижается катаболизм белка. Указанные изменения в энергообмене сопровождаются повышением

Таблица 3

Параметры энергообмена у больных ИНЗСД (I и II степень ожирения) на фоне диетических воздействий (Af±m)

Энергообмен в покое.

Рост, масса тела, содержание С-пептида, инсулина, кортизола и глюкозы крови на фоне различных диет (М+т)

его эффективности — увеличивается продукция полезной энергии, главным образом за счет углеводов. Однако относительная величина полезной энергии остается неизменной, что указывает на пропорциональное увеличение продукции полезной энергии вместе с общей энергопродукцией.

В отличие от полезной энергии эффективность энергообмена по кислороду снизилась за счет снижения эффективности окисления глюкозы и в меньшей степени — жиров.

Наибольшие изменения в энергообмене наблюдаются при переходе с контрольной диеты Д_о на Д1 (60%). Но снижение содержания соевого белка в интервале от 60 до 30 % вызывало незначительные изменения в энергообмене, следовательно, близкий к максимальному модулирующий эффект достигается уже при замене 30 % традиционных белков на соевый.

На контрольной диете параметры энергообмена не зависели от степени ожирения. Назначение 60 % соевой диеты вызывало при ожирении II степени более выраженное, чем при ожирении I степени, повышение энергообмена покоя (р<0,05), большее снижение процента окисления белков (р<0,1), повышение продукции полезной энергии окисления углеводов (р<0,25) и жиров (р<0,01), а также суммарной полезной энергии (р<0,05). Эффективность потребления кислорода оказалась ниже при II степени ожирения.

Таким образом, на фоне соевой диеты с увеличением степени ожирения у больных ИНЗСД интенсивнее идет окисление эндогенных субстратов за счет жиров, в меньшей степени — углеводов, а не белков. Производство полезной энергии также повышается, но одновременно растет потребление кислорода, и энергообмен в этом отношении становится менее экономным. Различия динамики параметров энергообмена при разных степенях ожирения не связаны со снижением массы тела в первый период исследования — 4 % в обеих группах. Можно полагать, что выявленные различия обусловлены специфическим действием диеты как таковой, тем более что уровень глюкозы, инсулина и кортизола крови в группах не различался (табл. 4). Обнаруженные связи между степенью ожирения при ИНЗСД тучных и параметрами энергообмена также свидетельствуют о благоприятном влиянии соевой диеты на биоэнергетику [3, 4]. Зигзагообразное изменение—снижение, а затем повышение — процентного содержания сои в белковой части диеты («диетический зигзаг») не вызвало аналогичного изменения биоэнергетических показателей в общей группе. Различия проявились после разделения больных по степени ожирения.

При I степени ожирения наиболее существенно отреагировал на зигзаг липидный обмен, в то время как при II степени — белковый. Снижение содержания сои до 30 % вызвало при I степени ожирения повышение процента окисления жиров (р<0,05), возрастание продукции полезной энергии за счет жиров (р<0,1), снижение эффективности потребления О₂ за счет жиров. При увеличении содержания сои до 45 % наблюдались обратные изменения.

При II степени ожирения снижение содержания сои с 60 до 30 % вызвало повышение процента окисления белка, которое снизилось, как только квота сои была повышена до 45 %; содружественно этому показателю изменялась продукция полезной энергии за счет белков (р<0,1).

Полученные результаты указывают на возможности дифференцированной модификации соевой диеты при ИНЗСД в зависимости от избыточной массы тела. При 1 степени ожирения предпочтительно заменять соей не более 30 % животного белка, что способствует наибольшему окислению жиров на фоне максимально сберегающего белок эффекта, хотя интенсивность окисления глюкозы при этом несколько ниже, чем при диетах с содержанием сои 45 и 60 %. При II степени ожирения желательно включать не менее 45 % сои, так как при меньшем содержании не удается существенно подавить катаболизм белков.

Анализ результатов непрямой калориметрии при ИНЗСД тучных раскрывает уникальные возможности этого бескровного метода, который дает дифференцированное представление о системных сдвигах в биоэнергетическом статусе больных, даже при отсутствии изменений биохимических и гормональных показателей, контролируемых традиционно.

Дополнение

Учитывая методологическую направленность статьи, дадим числовой пример для одного из обследованных больных.

Измерены показатели:

VO₂=0,2283 л/мин — потребление кислорода,

VC0₂=/?Q-V0₂=0.1712 л/мин — выделение углекислого газа,

N2=0,0105 г/мин — экскреция азота с мочой.

Скорости окисления энергосубстратов по формулам (4), (8), (9):

6=4,397-0,1712— 3,058-0,2283—3,012-0,0105=0,02283 г/мин, L= 1,634-(0,2283—0,1712)- 1,941-0,0105=0,07282 г/мин, Р=6,25-0,0105=0,0659 г/мин.

Скорости энергопродукции по формулам (10) — (13): Q_o=3,81-0,02283=0,08698 ккал/мин= 125,2512 ккал/сут, Q,=9,13-0,07282=0,6648 ккал/мин=957,312 ккал/сут, Q„=4,l -0,0659=0,2702 ккал/мин=389,088 ккал/сут, <2=0,08698+0,6648+0.2702= 1,0220 ккал/мин= 1472 ккал/сут.

Процент окисления энергосубстратов по формулам (14) — (16):

G %= (0,08698/1,0220) • 100=8,5,

L %= (0,6648/1,0220) -100=65,1,

Р %= (0,2702/1,0220) -100=26,4.

Эффективность энергообмена по производству полезной энергии по формулам (17) — (21):

Ц7₀= 1,458-0,02283=0,03328 ккал/мин=47,9232 ккал/сут, 1^=3,729-0,07282=0,2715 ккал/мин=390,96 ккал/сут, W'p= 1,447-0,0659=0,09536 ккал/мин=137,3184 ккал/сут. 117=0,03328+0,2715+0,09536=0,4001 ккал/мнн= =576,144 ккал/сут, /(=(0,4001/1,0220) -100=39 %.

Эффективность энергообмена по потреблению кислорода по формулам (22) —(25):

Х_у=0,283-0,02283=0,00646 л/мин=6,46 мл/мин, Х_л=0,823-0,07282=0,05993 л/мин=59,93 мл/мин,

Х_р=0,344-0,0659=0,02267 л/мин=22,67 мл/мин, Х=0,00646+0,05993+0,02267= 0,08906 л/мин=89,06 мл/мин.

Выводы

1. Метод непрямой калориметрии при ИНЗСД тучных позволяет получить системное представление об обмене белков, жиров и углеводов.
2. Включение в диету больных ИНЗСД тучных растительного белка (от 30 до 60 %) сопровождается существенным изменением энергообмена покоя за счет повышения окисления углеводов и снижения катаболизма белков, что можно расценивать как благоприятный фактор.
3. У больных ИНЗСД близкое к максимальному положительное влияние на энергообмен достигается при I степени ожирения на фоне 30 % соевой диеты, а при II степени ожирения — на фоне 45 % соевой диеты.