代谢能量舱在能量消耗测定及肥胖症中的应用.pdf

fmx_T3RoZXJNaXJyb3Jz中华临床营养杂志 2021 年8 月第 29 卷第 4 期Chin J Clin Nutr,August 2021,Vol.29,No.4代谢能量舱在能量消耗测定及肥胖症中的应用赵天奕1吴冬梅2王欢3赵维纲11中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院内分泌科 国家卫生健康委员会内分泌重点实验室100730；2解放军总医院京中医疗区黄寺门诊部，北京 100120；3国家体育总局体育科学研究所，北京100061通信作者：王欢，E-mail：；赵维纲，E-mail：赵天奕和吴冬梅作者对本文有同等贡献，均为第一作者【提要】代谢能量舱是测定能量消耗的金标准之一，在能量代谢的研究中有着重要意义。代谢能量舱可对健康或疾病状态时不同饮食、运动及生活方式的能量代谢进行评估，也可应用于代谢性疾病营养支持等干预方案的制定与效果评价，并可结合代谢相关基因及通路探索代谢性疾病的发生机制，尤其在肥胖症的诊断评估及减重治疗中有着重要意义。特对代谢能量舱的相关研究进展及其在肥胖症中的应用进行系统综述。【关键词】代谢能量舱；能量消耗；底物氧化；肥胖症；糖尿病基金项目：国家体育总局体育科学研究所基本科研业务费专项（19-19）Application of whole-room calorimeter in energy expenditure measurement and obesityZhao Tianyi1*,Wu Dongmei2*,Wang Huan3,Zhao weigang11Department of Endocrinology,Key Laboratory of Endocrinology of National Health Commission,Peking Union Medical College Hospital,CAMSP&PUMC,Beijing 100730,China;2Huangsi Clinic,Jingzhong Medical District,PLA General Hospital,Beijing 100730,China;3China Institute of SportScience,Beijing 100061,ChinaCorresponding author:Wanghuan,E-mail:;Zhao Weigang,E-mail:Zhao Tianyi and Wu Dongmei are the first authors who contributed equally to the article【Summary】Whole-room calorimeter is one of the gold standards for measuring energyexpenditure,which is of great significance in studies on energy metabolism.It can be used toevaluate energy metabolism of different diets,physical activities and lifestyle in healthy or diseasestates as well as be applied into intervention plan development and efficacy evaluation of nutritiontreatment in metabolic diseases,especially in obesity and anti-obesity treatment.It can also play arole in exploring the mechanism of metabolic disease when combined with metabolism relatedgenes and molecular pathways.Here we aim to review the researches on whole-room calorimeterin energy expenditure measurement and obesity.【Key words】Whole-room calorimeter;Energy expenditure;Substrate oxidation;综述 DOI：10.3760/ 115822-20210416-00088收稿日期 2021-04-16引用本文：赵天奕,吴冬梅,王欢,等.代谢能量舱在能量消耗测定及肥胖症中的应用J.中华临床营养杂志,2021,29(4):245-252.DOI:10.3760/ 115822-20210416-00088.245fmx_T3RoZXJNaXJyb3Jz中华临床营养杂志 2021 年8 月第 29 卷第 4 期Chin J Clin Nutr,August 2021,Vol.29,No.4Obesity;Diabetes mellitusFund program:Fundamental Research Funds for China Institute of Sport Science(19-19)成人能量代谢主要由基础能量消耗（basalenergy expenditure，BEE）、活 动 相 关 能 量 消 耗（physicalactivity-relatedenergyexpenditure，PAEE）、食物热效应（thermic effect of food，TEF）组成。能量代谢的测定对于代谢性疾病的评估、干预及能量需求的制定有着重要意义，测定方法包括直接测热法、间接测热法、双标水法、心率检测法、运动传感器法和公式估算法等，临床工作及研究中常应用公式推算或应用便携式气体分析仪测定能量消耗（energy expenditure，EE），但均有其局限性。预测公式应用简便，但公式数量繁多、在不同人群中预测能力参差不齐，便携式气体分析仪可与运动器械等配合使用，但无法进行长时间测定。而间接测热法中的代谢能量舱作为能量消耗测定的金标准之一，近年来越来越多地应用于精准评估能量消耗、底物氧化及营养需求的制定，尤其对肥胖症的评估及减重治疗有着重要意义，现有必要针对代谢能量舱在能量消耗的测定以及肥胖症方面的应用进展进行系统综述，以期利用其更好地开展临床工作及研究。1文献检索策略及筛选以 metabolism chamber、metabolic chamber、respiratory chamber、room calorimeter、whole-bodyroom calorimeter、whole-room calorimeter为检索词，在 Pubmed、EMBASE 数据库进行文献检索，共检索到 512 篇文献，排除不同数据库中重复和无关文献，通过阅读题目、摘要进行初步入选筛查，通过 阅 读 全 文 进 行 再 筛 查，共 获 得 近 5 年 文 献24 篇，近 510 年文献 10 篇，近 10 年以上文献21 篇。对文献进行评价，其中 SCI 收录期刊影响因子3.0 者 51 篇（占 93%），影响因子3.0 者 3 篇（占5%），非SCI收录期刊1篇（占2%）。2代谢能量舱的建立20 世纪 70 年代，英国剑桥大学、瑞典洛桑大学、美国国立卫生研究院先后建立起了人体代谢能量舱，目前全球已有40余个研究中心建设了代谢能量舱室1。与其他测热方法相比较，代谢能量舱的优点在于测定时间更长，通常可稳定测量24小时至数天的能量代谢；此外受试者可以在舱室内自由活动，从而真实客观地模拟人体生理状态，并可全面精准地测定基础能量消耗、睡眠能量消耗、食物热效应、活动相关能量消耗、底物氧化等多项指标；也可结合加速计等可穿戴设备、功率车、运动传感系统、脑电图等舱内设备，评估不同饮食、运动、睡眠、温度、药物等干预手段对能量消耗的影响，分析不同人群的能量需求1-2（图1，表1）。代谢能量舱的温度恒定保持在25 左右，通过测量代谢舱输出空气中的氧气（O2）及二氧化碳（CO2）浓度，测定氧气消耗量（VO2）及二氧化碳生成量（VCO2），并应用 Weir 公式63.9VO2（L）+1.1VCO2（L）测得 EE，结合尿氮排泄量可推算三大营养素氧化水平。但代谢能量舱的临床试验始终在研究设计、技术条件和结果判读方面缺乏一致性。2019年5月专家小组提出了代谢能量舱操作与报告标准1.0版（RICORS 1.0）1，以确保人体代谢能量研究的可比性与标准化。3代谢能量舱测量能量代谢及其测定影响因素EE 与性别、年龄、人种、身高、体重、体成分、睡眠、昼夜节律、月经周期、妊娠、糖代谢、合并疾病等因素有关，代谢能量舱是测定EE的金标准之注：床，桌子，椅子，洗手池，马桶，功率车，跑步机，窗，门，物品传递台图1代谢能量舱示意图 246fmx_T3RoZXJNaXJyb3Jz中华临床营养杂志 2021 年8 月第 29 卷第 4 期Chin J Clin Nutr,August 2021,Vol.29,No.4一，可以对能量代谢及其影响因素进行更准确的评估，并进一步应用其测定的数据建立更准确的针对不同人群能量消耗计算公式及模型7，为相应人群制定能量需求计划提供指导。3.1每日总能量消耗与BEEBEE 是每日总能量消耗是的主要组成部分，且 BEE 通常可由静息能量消耗替代。代谢能量舱试验发现，在静坐状态下，女性较男性 24h-EE低 5%10%8，老 年 人 的 基 础 代 谢 率（basalmetabolic rate，BMR）及脂肪氧化较年轻人下降9，而体成分中的去脂体重是 24h-EE、BMR、睡眠代谢率（sleeping metabolic rate，SMR）最重要的决定因素10。交感神经系统活性与能量消耗密切相关，尿 儿 茶 酚 胺 水 平 与 24h-EE 正 相 关，24 h尿 去 甲 肾 上 腺 素 每 增 加 10 g，24h-EE 增 加27 kcal/d11。睡眠能量消耗是 BEE 的特殊组成部分，SMR在睡眠中持续下降，并在清醒前达到最低点，SMR下降速度随体重、体重指数、去脂体重的增加而加快，肥胖者的 SMR 往往低于静息代谢率，而非肥胖者的 SMR 往往高于静息代谢率12。睡眠能量消耗随年龄增长而下降，但绝经后女性睡眠能量消耗下降是未绝经者的 1.5 倍，且绝经后女性脂肪氧化降低了 32%，这解释了绝经后女性更容易肥胖的原因，提示绝经后女性需注意改善生活方式，通过提高能量消耗，以避免肥胖13。3.2TEFTEF 随能量摄入的增加而增加，饮食构成的不同也会影响TEF。研究发现，高蛋白饮食、高碳水化合物饮食的 TEF 较高脂饮食更高，单次进食比少食多餐的 TEF 更高，膳食中脂肪的种类或膳食纤维的含量也对 TEF有影响14，代谢能量舱可以对不同种类食物及进餐模式的TEF进行更精确的评估。此外，TEF除了与年龄、体重、体脂含量、腰臀比负相关外，也与空腹血糖及胰岛素水平呈负 相 关，即 胰 岛 素 抵 抗 时 TEF 下 降15，而由18氟-脱氧葡萄糖-正电子发射断层显像/计算机断层扫描评估的棕色脂肪活性高的受试者TEF、脂肪氧化更高16。3.3寒冷相关产热寒冷相关产热是外界温度下降时额外的能量消耗，室温由 24 降至 19，12 h 能量消耗增加5.3%5.9%，健康成人在能耐受的不出现寒战的最低温度下，能量消耗增加（300218）kcal/d，而肥胖者仅增加（125146）kcal/d；且研究发现寒冷相关产热由成纤维细胞生长因子21升高、白色脂肪表1能量代谢舱测定的常用指标及定义指标24小时能量消耗或每日总能量消耗基础能量消耗或基础代谢率静息能量消耗或静息代谢率睡眠能量消耗或睡眠代谢率食物热效应或食物诱导产热活动相关能量消耗能量平衡能量适应代谢灵活性氧化率呼吸商呼吸交换率体力活动水平定义24小时内的全部能量消耗恒温（1825）条件下，禁食1012 h后，平卧整夜、安静、放松、清醒时的能量消耗。占总能量消耗的70%左右恒温（1825）条件下，禁食、休息46 h后，平卧至少30 min、安静、放松、清醒时的能量消耗夜间身体活动最少时即能量消耗最少时连续3 h的平均能量消耗，通常可在3 am6 am测得3进餐后额外的能量消耗，通常在每次进餐后持续46 h，占总能耗的10%左右。进食且限制活动后能量消耗与基础代谢率或静息代谢率之差即为食物热效应，也可通过校正活动相关能量消耗进行计算4体力活动导致的能量消耗能量摄入-能量消耗能量摄入增加时能量消耗增加且能维持体重稳定餐后呼吸商-空腹呼吸商碳水化合物、蛋白质、脂肪等营养素作为底物氧化的占比VCO2/VO2，反映能量消耗过程中的底物利用，脂肪氧化呼吸商为0.7，碳水化合物氧化呼吸商为1.0，混合食物氧化呼吸商为0.85左右5VCO2/VO2，同上每日总能量消耗/静息能量消耗 247fmx_T3RoZXJNaXJyb3Jz中华临床营养杂志 2021 年8 月第 29 卷第 4 期Chin J Clin Nutr,August 2021,Vol.29,No.4棕色化介导17-18。3.4PAEE代谢能量舱可结合不同的设备或运动方式，对PAEE进行更准确的评估，如评估跑步机、功率车、瑜伽、抗阻运动、平衡锻炼、运动类电子游戏等活动的能量消耗19，此外也可评估加速度计等可穿戴设备对于PAEE测定的准确性20。3.5糖代谢异常及其他疾病状态对能量代谢的影响疾病状态会对能量代谢的测定造成影响，如糖尿病、甲状腺功能亢进、肝硬化、慢性肾脏病等，对这些疾病能量消耗的准确测定，有助于更好地理解其病理生理状态，指导其支持治疗。2 型糖尿病患者的 24h-EE 比健康受试者增加（16431）kcal/d（6.5%，P0.01）、基础代谢率增加（13961）kcal/d（6.9%，P0.05），而24小时呼吸 商（respiratory quotient，24h-RQ）没有明显差异21。甲状腺功能亢进患者24h-EE升高，在抗甲状腺治疗后 24h-EE 的恢复与 TT3降至正常一致22，甲状腺功能正常的受试者中，FT3与 SMR呈正相关、与24h-RQ 呈负相关23，提示在能量代谢试验中受试者的甲状腺功能需要评估及校正。3.6遗传因素对能量代谢的影响多种与肥胖及代谢相关的基因如瘦素受体基因24、脂肪酸合成酶基因25、解耦联蛋白 2 基因26、葡萄糖激酶基因27、G蛋白耦联受体158基因28的单核苷酸多态性与24h-EE、24h-RQ相关，通过寻找与能量代谢有关的分子及基因，可以进一步探索影响能量代谢的机制及通路。4代谢能量舱在肥胖症中的应用4.1评估肥胖症的病因及危险因素能量摄入增加时能量消耗也增加且能维持体重稳定的现象称为代谢适应，能量摄入与能量消耗的平衡使得人体维持体重稳定。肥胖是遗传背景、环境、行为和社会经济因素复杂相互作用的结果，无论病因如何，肥胖都是由持续的能量正平衡产生29。在予以健康年轻人超过能量需求40%的饮食8 周 后，24h-EE 仅 增 加 了（23139）kcal/d（P=0.34），提示实际上代谢适应现象并不显著30，能量摄入过多在肥胖症的发生发展中有重要影响。能量摄入每超过 24h-EE 预测值 100 kcal/d，平均随访 1.7 年后体重增加 0.22 kg，且脂肪摄入量与体重增加直接相关31。用13C标记摄入的脂肪后，发现肥胖受试者来源于摄入的脂肪氧化仅占24h-EE的8%32，而过量高脂饮食情况下RQ下降越少的受试者，612 个月后体重增加越多33，提示进食摄入的脂肪更倾向于储存而非供能，且个体对膳食脂肪的氧化能力是体重改变的重要影响因素。研究发现，有糖尿病家族史的受试者与家族史阴性的受试者相比，高脂饮食后增加的脂肪 氧 化 较 少，即 代 谢 灵 活 性 更 低、更 易 出 现肥胖34。更低的 24h-EE、PAEE 以及更高的 RQ 也是体重增加的危险因素，24h-EE 每低于预测值100 kcal，体重增加0.2 kg/年35-36。Prader-Willi综合征患者的 BMR、SMR 较其他肥胖患者更低，且每日总能量消耗下降与身体活动减少有关，提示其肥胖是由于能量摄入和能量消耗之间的不平衡所致37。睡眠不足、生物钟紊乱是否导致肥胖风险增加目前结论尚不一致，代谢能量舱可以结合脑电图监测等评估睡眠与能量代谢的关系38。有研究发现，未达到睡眠推荐时间的儿童 BMR 较低39，而熬夜时晚餐 TEF 减弱、白天补眠时能量消耗更低，从而因能量消耗减少导致肥胖风险增加40。但也有研究发现，睡眠不足时 24h-EE 增加5%，这可能与睡眠剥夺的情况下增加食物摄入以提供维持额外清醒所需的能量有关41。睡眠在肥胖发生中的作用尚需要前瞻性试验进一步探究。4.2指导减重方案的制定代谢能量舱可评估肥胖症患者不同饮食及运动干预方案对体重、能量消耗及底物氧化的影响，从而指导其减重方案的制定。肥胖症患者需限制总能量的摄入，代谢能量舱试验发现 6 周低热卡饮食在使得 24h-EE 下降100 kcal/d 的情况下，预计可以减少 2 kg 体重，其中 0.5 kg 为体脂42。对个体而言，减重的成功与否与能量消耗对热量限制的反应有关，目前将禁食 24 h 后 24h-EE 下降更多、过度喂养后 24h-EE增加更少的个体定义为节俭表型，而禁食后24h-EE 下降较少、过度喂养后 24h-EE 增加更多 248fmx_T3RoZXJNaXJyb3Jz中华临床营养杂志 2021 年8 月第 29 卷第 4 期Chin J Clin Nutr,August 2021,Vol.29,No.4的个体定义为挥霍表型。在6周限制热卡饮食后挥霍表型者较节俭表型者体重下降的幅度更大43，且节俭表型与成纤维细胞生长因子21水平较低具有相关性44。膳食中不同营养素的比例影响机体底物氧化水平，膳食中某类营养素增加时，其氧化水平也会相应增加，寻找使得能量消耗及脂肪氧化水平相对增加的膳食方案可以帮助肥胖症患者达到减重的目的。研究发现，动物蛋白为主与植物蛋白为主的高蛋白饮食相比，24h-EE 更高、蛋白质氧化水平更低，更有利于瘦体重的维持45。有研究通过双标水法测定认为高脂低碳水化合物的生酮饮食可以增加能量消耗，但经代谢能量舱测定验证，生酮饮食对 EE没有显著影响46。此外，在肥胖受试者中，未发现不同升糖指数的膳食对于碳水化合物氧化及脂肪氧化水平有显著影响47。目前，适宜肥胖症患者的膳食方案尚需要更多临床试验进一步探索。摄入某些食物或代餐有助于减重，代谢能量舱可以测定这些特殊营养素如抗性淀粉的净热量48，也可对比食物对能量消耗及底物氧化水平的影响，从而识别出更有利于控制体重的食物种类。与凝胶油相比，摄入液体油时碳水化合物氧化更高、脂肪氧化更低，餐后血糖水平更低49，而短期内摄入饱和脂肪酸或单不饱和脂肪酸时的能量消耗及底物氧化无显著差异50。绿茶提取物可以使 24h-EE 增加 4%、24h-RQ 下降，同时24小时尿去甲肾上腺素升高，提示绿茶可能通过交感兴奋提高能量代谢、增加脂肪氧化51。此外，进食早餐、避免进食夜宵可以维持脂肪氧化，保持良好的饮食习惯也是减重的重要一环52。通过代谢能量舱对不同运动能量消耗的测定，可以为肥胖症患者制定个体化的运动计划。此外，进食高脂饮食时，增加运动可以使 24h-RQ下降更快更显著，脂肪氧化更高，更快达到脂肪平衡，有利于体重的维持53。除了饮食控制及运动调整外，药物及减重手术是目前治疗肥胖症的主要干预手段，代谢能量舱可以通过对治疗干预前后的能量消耗及底物氧化进行评估以判断干预手段的有效性及其减重机制。在非糖尿病肥胖受试者中，应用艾塞那肽10 g、2次/d治疗5周，能量摄入较安慰剂组显著下降 624.8 kcal/d，但对 24h-EE、底物氧化率没有显著影响54。因此考虑艾塞那肽导致的体重减轻主要通过减少食欲和能量摄入、而不是通过增加能量消耗来实现。新型减重药物 5-羟色胺2C 受体拮抗剂氯卡色林对于 24h-EE、24h-RQ 没有显著影响，其通过减少能量摄入减轻体重55。黑皮质素 4 受体激动剂 RM-493 可使静息能量消耗增加6.4%、24h-EE平均增加111 kcal/d、增加脂肪氧化，可以作为治疗肥胖的潜在药物56。先天瘦素缺乏的肥胖患者在应用瘦素替代治疗 19 周后与单纯性肥胖受试者减重后相比，能量代谢更高、脂肪氧化更高，证明了瘦素替代治疗在该类患者中的重要作用57。肥胖减重手术包括胃旁路手术、袖状胃手术、胆胰分流术、胃束带手术等，减重手术1年后24h-EE较术前下降150 kcal/d左右，这与术后去脂体重下降有关58，Roux-en-Y旁路手术与胃束带手术相比，餐后EE、24h-EE更高，且减轻体重的效果更好59。代谢能量舱可以提供更加精准的生理及病理状态下人体能量代谢的全面信息，此外在饮食、运动、药物等对代谢性疾病的个性化干预效果及机制研究等方面也拥有着广阔的应用前景，尤其在对能量失衡所致的肥胖症患者的评估及减重方面有着重要的指导意义。目前大多研究的样本量较小、研究设计上缺乏一致性，且在中国人群中的应用很少，有待于更进一步的推广应用。参考文献1Chen KY,Smith S,Ravussin E,et al.Room IndirectCalorimetry Operating and Reporting Standards(RICORS1.0):aguidetoconductingandreportinghumanwhole-room calorimeter studiesJ.Obesity,2020,28(9):1613-1625.DOI:10.1002/oby.22928.2Schoffelen PFM,Plasqui G.Classical experiments inwhole-bodymetabolism:open-circuitrespirometry-diluted flow chamber,hood,or facemasksystemsJ.Eur J Appl Physiol,2018,118(1):33-49.DOI:10.1007/s00421-017-3735-5.3Schoffelen PF,Westerterp KR.Intra-individual variabilityand adaptation of overnight-and sleeping metabolic rateJ.Physiol Behav,2008,94(2):158-163.DOI:10.1016/j.physbeh.2007.12.013.4Ogata H,Kobayashi F,Hibi M,et al.A novel approach tocalculating the thermic effect of food in a metabolic 249fmx_T3RoZXJNaXJyb3Jz中华临床营养杂志 2021 年8 月第 29 卷第 4 期Chin J Clin Nutr,August 2021,Vol.29,No.4chamberJ.PhysiolRep,2016,4(4):e12717.DOI:10.14814/phy2.12717.5Mtaweh H,Tuira L,Floh AA,et al.Indirect calorimetry:history,technology,and applicationJ.Front Pediatr,2018,6:257.DOI:10.3389/fped.2018.00257.6Weir JB.New methods for calculating metabolic rate withspecial reference to protein metabolismJ.J Physiol,1949,109:1-9.DOI:10.1113/jphysiol.1949.sp004363.7Weyer C,Snitker S,Rising R,et al.Determinants ofenergy expenditure and fuel utilization in man:effects ofbodycomposition,age,sex,ethnicityandglucosetolerance in 916 subjectsJ.Int J Obes,1999,23(7):715-722.DOI:10.1038/sj.ijo.0800910.8FerraroR,LilliojaS,FontvieilleAM,etal.Lowersedentary metabolic rate in women compared with menJ.J Clin Invest,1992,90(3):780-784.DOI:10.1172/jci115951.9Valenti G,Bonomi AG,Westerterp KR.Quality sleep isassociated with overnight metabolic rate in healthy olderadultsJ.J Gerontol A Biol Sci Med Sci,2017,72(4):567-571.DOI:10.1093/gerona/glw107.10Ravussin 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