Поступление и расход энергии в организме сопряжены друг с другом в процессе регуляции массы тела: чем больше «калорий» поступает в организм, тем интенсивнее идет их расход и наоборот.
Благодаря этому ежедневные колебания в количестве поступившей энергии (из пищи) и физической активности не приводят постоянным пертурбациям в массе тела. Например, в США в среднем взрослый человек прибавляет 0.5-1.5 кг массы тела в года, что соответствует ~4000 ккал запасенной энергии. Т.к. средний американец употребляет ~900000 ккал в год, такая скромная прибавка веса отражает положительный баланс энергии всего 0.4%.
Если бы такого «сопряжения» не существовало, то снижение или повышение расхода энергии даже на 50 ккал в день (что примерно равно ходьбе на 500-750 метров) сопровождалось бы изменением массы тела на ~4.5 кг в год.
Неспособность к снижению веса и удержанию результата
Среди людей с ожирением лишь ~ 15% способны снизить массу тела на 10% и удерживать этот результат без бариатрической (направленной на снижение веса) операции.
В большинстве исследований модификация образа жизни, фармакологическое и хирургическое лечение приводит к снижению массы тела с различной скоростью в течение 6-9 месяцев, после чего следует период плато, а затем период обратного набора веса.
В отличие от периода удержания веса, длящегося годами (иногда в течение всей жизни), период, при котором вес удается снижать, относительно короткий. Учитывая это факт, многие специалисты рекомендуют сконцентрировать все усилия по как можно большему снижению веса в течение этого короткого периода.
Сопряжение процессов поступления и расхода энергии (чем больше энергии тратится, тем больше поступает, и наоборот), о котором упоминалось выше, утрачивается после снижения веса. Это приводит к тому, что на фоне низкого метаболизма (малых затрат энергии) сохраняется повышенный аппетит, способствующий потреблению избыточного количества калорийной пищи.
Человеку, успешно снизившему массу тела, требуются многолетние (пожизненные) усилия по поддержанию оптимального баланса между поступающей (с пищей) и расходующейся (в покое, при нагрузке) энергии. Например, организм мужчины, весившего 100 кг и сбросившего вес до 70 кг, будет расходовать меньше энергии (в покое и, особенно, при нагрузке), чем организм мужчины, который всегда весил 70 кг (с поправкой на рост).
У многих из этих адаптационных изменений есть строгая генетическая основа, что доказано в исследованиях на близнецах. К этим изменениям относятся:
- изменения скелетной мускулатуры, приводящие к повышению их эффективности (работе с меньшим расходом энергии);
- изменения в нервных сигналах, приводящие к усилению чувства «пищевого вознаграждения» и задержке насыщения;
- изменения нейроэндокринной функции, в том числе снижение уровня лептина и тиреоидных гормонов в крови, стимулирующих потребление энергии тканями.
В совокупности эти эффекты направлены на снижение расхода энергии и на увеличение ее поступления.
Физиологические процессы, влияющие на баланс энергии
Контроль запасов энергии в организме достигается благодаря координированной регуляции ее поступления (с едой) и расхода в ответ на сигналы со стороны жировой ткани, желудочно-кишечного тракта, некоторых эндокринных тканей и интегрирован с печенью и элементами ЦНС, включая центры удовольствия/эмоций (миндалевидное тело, полосатое тело, орбитофронтальная кора) и исполнительные/сдерживающие центры (поясная извилина, средняя лобная извилина, надкраевая извилина, прецентральная извилина, веретенообразная извилина). Головной мозг обрабатывает полученную информацию и формирует метаболический (влияние на обмен веществ) и когнитивный (влияние на поведение) ответ в отношении того нужна ли ему пища и, если нужна, то где и когда ее взять.
Поступление энергии.
Контроль поступления энергии является основополагающим в процессе снижения и поддержания массы тела. Исследование, проведенное американским национальным регистром контроля веса (National Weight Control Registry), а также исследования Look AHEAD и Diabetes Prevention Trials (DPT) показали, что степень диетических ограничений имеет положительную ассоциацию с темпами снижения веса (чем сильнее ограничения, тем быстрее снижается вес) и негативную ассоциацию с темпами обратного набора веса (чем сильнее ограничения, тем медленнее и реже происходит обратный набор веса), в том числе у пациентов с сахарным диабетом и предиабетом.
Функциональная МРТ, проведенная лицам, снизившим вес, показала повышенный сигнал от областей головного мозга, ответственных за (пищевое) вознаграждение (главным образом от орбитофронтальной коры) и сниженный сигнал от областей гипоталамуса и коры головного мозга, ответственных за самоограничение/воздержание (преимущественно префронтальной коры) при виде пищи.
В другой работе исследуемые в течение 10 недель находились на очень низкокалорийной диете. В ходе исследование у пациентов было выявлено повышение уровня гормона желудка грелина, стимулирующего аппетит, и снижение уровней гормонов/пептидов, уменьшающих поступление пищи: лептина, пептида YY, холецистокинина, панкреатического полипептида. В более поздних исследованиях часть этих эффектов была нивелирована назначением препарата синтетического лептина (в РФ недоступен, в США применяется экспериментально).
Расход энергии.
Общий суточный расход энергии состоит из 3 компонентов:
- Расход энергии в состоянии покоя, или основной обмен, составляющий ~60% от общего суточного расхода энергии. Основной обмен отражает затраты энергии на работу дыхательной системы, сердечно-сосудистой системы и поддержания трансмембранного ионного градиента в состоянии покоя.
- Расход энергии на физическую активность составляет ~30% от общего суточного расхода энергии.
- Термический эффект пищи (специфически-динамическое действие пищи) – расход энергии на пищеварение. Составляет ~10% от суточного расхода энергии.
Снижение веса на 10% и более сопровождается снижением суточной затраты энергии на 5-35%. Т.е. затраты энергии человека в его «новом» весе в среднем на 300-400 ккал в сутки меньше ожидаемых для этого веса, из которых 150-250 ккал приходится на затраты на физическую активность, а оставшееся – на основной обмен.
Такое «снижение метаболизма» сохраняется в течение длительного времени (точное время неизвестно). Дальнейшее снижение веса сопровождается еще более выраженным снижением затрат энергии на физическую активность, но не на основной обмен.
Это происходит благодаря адаптационному увеличению химико-механической эффективности мышечного сокращения в условиях дефицита энергии. Т.е. на тот же самый объем работы мышцы начинают потреблять меньше энергии. Это может иметь значение для подбора физических упражнений, наиболее эффективных для снижения веса и его поддержания.
Роль кишечного микробиома.
Кишечный микробиом состоит из почти 100 триллионов микроорганизмов, способствующих перевариванию и всасыванию поступающих макронутриентов (белков, жиров, углеводов). Исследования, проведенные преимущественно на грызунах, показали эффект трансплантации кишечного микробиома на жировую ткань и на ответ организма диетические вмешательства.
Данные эффекты гипотетически можно было бы экстраполировать и на человека. Например, люди, в микробиоме которых соотношение превотеллы (Prevotella) к бактероидам (Bacteroides) высокое, достигают большего успеха в снижении веса на низкокалорийной диете с высоким содержанием клетчатки, чем люди с низким соотношением этих бактерий.
В тоже время, почти нет доказательств того, что имеется причинно-следственная (а не ассоциативная) связь между составом микробиома и ожирением. Например, люди с ожирением после снижения веса развивают микробиом, схожий по соотношению бактерий с микробиомом людей без ожирения, который вновь становится прежним после набора веса.
Хотя на сегодняшний день есть доказательства того, что кишечный микробиом может влиять на риск развития осложнений ожирения, таких как сахарный диабет 2 типа и системное воспаление, нет доказательств того, что трансплантация микробиома может быть эффективным в лечении самого ожирения.
Роль автономной нервной системы.
Снижение веса и его удержания приводит к снижению активности симпатического отдела и повышению активности парасимпатического отдела автономной (периферической) нервной системы.
В совокупности эти изменения влияют на основной обмен и на затраты энергии на физическую активность. Снижение секреции норадреналина симпатической нервной системой, где он является медиатором действия, приводит к снижению образования активных тиреоидных гормонов (снижению конверсии малоактивного Т4 в активный Т3).
Тонус автономной нервной системы может изменять пищевое поведение путем воздействия на секрецию пептидов кишечника, таких как холецистокинин, ГПП-1, пептид YY, панкреатический полипептид, снижающих аппетит.
Роль нейроэндокринной системы.
Снижение веса и его поддержание сопровождается так называемым синдромом «эутиреоидной патологии», при которой в крови снижаются уровни гормонов щитовидной железы Т3 (в большей степени) и Т4 (сначала может даже повышаться), а также уровень гормона гипофиза ТТГ, регулирующего функцию и рост щитовидной железы. Одновременно с этим в крови возрастает уровень биологически неактивного реверсивного Т3, образующего из Т4.
В совокупности это приводит к снижению потребления тканями энергии, что является адаптацией к ее дефициту. Данные некоторых исследований позволяют предположить, что прием гормонов щитовидной железы в период удержания сниженного веса позволяет снизить энергоэффективность мышечной ткани, возникшей как адаптация к дефициту поступающей энергии. Прием синтетического лептина может повысить уровни тиреоидных гормонов в крови, но не уровень ТТГ.
Роль лептина.
Лептин, продуцируемый преимущественно жировой тканью, передает в гипоталамус информацию о количестве запасенной жировой ткани, что делает его одним из важнейших регуляторов массы тела.
В период стабильного веса концентрация лептина в крови коррелирует с количеством жировой ткани в организме. В период поддержания сниженного веса его концентрация снижается незначительно, но в период активного снижения веса его уровень в крови падает на 25-50%, что указывает на то, что он реагирует не только на запасы жировой ткани и она энергетический баланс.
Роль орексигенов (веществ, симулирующих аппетит)
Грелин – пептид, образующийся в желудки и 12-перстной кишке имеет два важных эффекта: стимуляцией секреции гормона роста гипофизом и увеличение потребления пищи путем повышения аппетита.
Концентрация грелина в крови повышается во время предвкушения пищи и снижается во время ее приема, а также при растяжении стенок желудка. Вероятно, именно этот эффект (снижение уровня грелина при растяжении желудка) лежит в основе рекомендаций по приему большого количества жидкости людям, стремящимся снизить вес. Отмечу, что эти рекомендации не являются общепризнанными.
После снижения веса, вызванного диетическими ограничениями и/или физическими упражнениями, концентрация грелина в крови возрастает. Это приводит к повышению аппетита, что сильно затрудняет процесс удержания достигнутого результата.
Напротив, шунтирование желудка (сложная комбинированная операция, проводимая с целью лечения ожирения, при которой выполняется уменьшение объема желудка и реконструкция тонкой кишки) приводит к снижению концентрации грелина в крови, что, вероятно, объясняет более продолжительный период успешного снижения веса после его выполнения. Хотя, следует отметить, что не все исследования показали снижение уровня грелина крови после желудочного шунтирования и других бариатрических операций.
Нейропептид Y, синтезируемый в головном мозге, в том числе в гипоталамусе, является одним из наиболее значимых стимуляторов аппетита. Примечательно, что он стимулирует прием преимущественно углеводной пищи.
Меланин-концентрирующий гормон, рилизинг-гормон гормона роста (РГГР), норадреналин, орексин-А и орексин-В стимулируют потребления пищи, воздействуя на центральные механизмы.
Роль анорексинов (веществ, подавляющих аппетит)
Ряд гормонов ЖКТ способен снижать потребление пищи:
Глюкагоноподобный пептид-1 (ГПП-1) вырабатывается L-клетками тонкого кишечника и имеет важную роль в обмене глюкозы, снижает аппетит, ускоряет чувство насыщения, замедляет опорожнение желудка. Синтетические аналоги ГПП-1 (лираглутид, семаглутид и т.д.), изначально разработанные для лечения сахарного диабета 2 типа, показали высокую эффективность в снижении массы тела и применяются ля лечения ожирения, в том числе у лиц без сахарного диабета.
Холецистокинин снижает потребление пищи путем ускорения насыщения, замедления опорожнения желудка.
Панкреатический полипептид, оксинтомодулин и пептид YY также снижают потребление пищи как пациентами с ожирением, так и без него.
Роль мозговых центров регуляции массы тела.
Головной мозг получает сигналы о состоянии энергетического обмена от периферии:
- Через кровоток (лептин, глюкоза), преимущественно через более проницаемый участок гематоэнцефалического барьера (системы, не позволяющей некоторым веществам, в том числе токсичным, проникать в головной мозг с кровью) – срединное возвышение (median eminence) гипоталамуса.
- Через передачу нервных импульсов, в частности через афферентные (от лат. afferens — приносящий) сигналы блуждающего нерва.
Информация из ЖКТ посредством нервного проведения передается в отдел головного мозга, называемый задним мозгом (hindbrain), а затем обрабатывается в ядре солитарного тракта (ядре одиночного пути).
Такие физиологические состояния, как беременность или ожирение могут снижать поступление лептина в спинномозговую жидкость или нарушать передачу его сигнала в гипоталамусе. Кроме того, несколько других областей головного мозга играют роль в обработке информации о поступлении пищи, включая дугообразное ядро (arcuate nucleus) основания гипоталамуса, паравентрикулярное ядро, вентромедиальная и латеральная области гипоталамуса, а также отдельные области миндалевидного тела.