Метаболомика применения тестостерона энантата при остром энергетическом дефиците
Введение
Дефицит энергии более 50% от общего ежедневного расхода энергии представляет собой мощный физиологический стресс, который обычно встречается у представителей физически тяжёлых профессий, спортсменов, занимающихся силовыми видами спорта и во время ограничения приёма пищи, которое инициирует ряд физиологических нарушений, подобных голоданию. Уровень анаболических гормонов, включая инсулин и тестостерон, снижается во время серьёзного дефицита энергии, тогда как уровень глюкокортикоидов увеличивается. В результате дефицит энергии может вызвать гипогонадическое состояние, которое увеличивает использование жирных кислот и запасов белка (не из скелетных мышц) для производства энергии. В конечном итоге, в тяжёлых или длительных случаях использование белковых и жировых запасов для получения энергии способствует снижению общей и безжировой массы тела, что приводит к снижению мышечной силы и толерантности к физическим нагрузкам.
Диеты с высоким содержанием белка использовались для улучшения анаболизма скелетных мышц во время эукалорического питания и сохранения мышечной массы во время гипокалорийного питания. Однако эти диеты неэффективны во время серьёзного дефицита энергии, часто испытываемого военнослужащими, и необходимы альтернативные решения. Введение тестостерона является одним из потенциальных решений, поскольку гормон действует дозозависимо, увеличивая анаболический баланс, мышечную массу и мышечную силу у здоровых мужчин. Однако неясно, сохраняются ли анаболические эффекты тестостерона во время серьёзного дефицита энергии, и если да, то какова степень использования тех или иных энергетических субстратов? В этом исследовании охарактеризованы эффекты экзогенного тестостерона с использованием комплексного нецелевого метаболомного анализа во время строго контролируемой диеты и режима физических упражнений, призванных вызвать серьёзный дефицит энергии.
В исследованиях на людях использовались различные нецелевые метаболомные подходы для выявления уникальных биохимических реакций на продолжительные упражнения в устойчивом состоянии, программы тренировок, требующие физической нагрузки, ограничение калорий и экстремальные условия окружающей среды. Эти исследования обнаружили нарушения в метаболомных характеристиках, которые включали увеличение количества свободных жирных кислот, ацилкарнитинов, промежуточных продуктов омега-жирных кислот и аминокислот. Однако метаболомный ответ на введение тестостерона во время дефицита энергии, вызванного физическими упражнениями и диетой, не изучался.
В исследование в период с 12 апреля 2016 г. по 15 сентября 2017 г. были привлечены физически активные мужчины 18–39 лет, не имеющие кардиометаболических нарушений и с нормальной концентрацией тестостерона (общий тестостерон 10,4–34,7 нмоль/л). Все участники соответствовали возрастным стандартам состава тела армии США.
Дизайн исследования
Двойной слепой рандомизированный плацебо-контролируемый метод межсубъектного исследования был использован для определения влияния тестостерона на метаболический профиль сыворотки мужчин, испытывающих серьёзный дефицит энергии. Для распределения участников использовались метод перестановочных блоков (4/блок) и возрастная стратификация (<29 или ≥ 29 лет). Это исследование состояло из трёх этапов. Фаза 1 длилась 14 дней, участники вели свободный образ жизни и придерживались обеспеченной эукалорийной диеты. Участники поддерживали нормальную физическую активность, определённую с помощью опросников перед исследованием, во время фазы 1. Во время фазы 2 участники были изолированы в исследовательском центре, рандомизированы для приёма тестостерона или плацебо и столкнулись с серьёзным дефицитом энергии в 55%. за 28-дней во время фазы 2 участники не подвергались намеренному психологическому давлению и не ограничивались сном. По завершении фазы 2 участники приступили к фазе 3, были выписаны из стационара и получили указание вернуться к своей диете и привычкам физической активности до начала исследования. Ни тестостерон, ни плацебо не вводились во время фазы 3. Фаза 3 заканчивалась, когда участники находились в пределах ± 2,5% от их исходной общей массы тела или на 42-й день фазы 3, в зависимости от того, что наступило раньше. Результаты метаболомики были измерены на 14-й день свободного контролируемого кормления (CON), 14-й день (SED14) и 28-й день (SED28) тяжёлого энергетического дефицита, после 14-дневного свободного питания (FL) и в моменты восстановления веса (WR). Измерения состава тела проводились на 11-й день контролируемого кормления (Фаза 1) и на 25-й день фазы тяжёлого энергетического дефицита (Фаза 2).
Упражнения при дефиците энергии
Затраты энергии, вызванные физическими упражнениями, были увеличены на 50% по сравнению с общими ежедневными расходами энергии Фазы 1. Общий ежедневный расход энергии определялся с использованием комбинации уравнения Миффлина-Сент-Джора (коэффициент активности установлен равным 1,3) и мер скрининга физической активности. Упражнения фазы 2 включали разнообразные аэробные упражнения низкой, средней и высокой интенсивности (40–85% VO2max). Аэробная способность (VO2max) определялась во время фазы 1 с использованием теста с ступенчатой нагрузкой на беговой дорожке до утомления.
Упражнения включали ходьбу и бег, эллиптические тренажёры, велотренажёры, ходьбу с утяжелённым рюкзаком 30% массы тела. В среднем участники выполняли 3,5 тренировки в день под наблюдением исследователей. Список упражнений проверялся раз в две недели и корректировался для достижения желаемого расхода энергии, вызванного физическими упражнениями. Не было различий в абсолютном или относительном дефиците энергии между группами во время фазы 2. Участники вернулись к своим режимам физической активности, которые они выполняли до исследования, во время фазы 3.
Диета, добавки тестостерона и состав тела
Диета фазы 1 была предоставлена на основе ежедневного расхода энергии участниками. Диеты обеспечивали 1,6 ± 0,2 г белка/кг/день, 30% общей потребности в энергии приходилось на жиры, а оставшуюся энергию на углеводы. Потребление макронутриентов представлено на рис. 1. Соблюдение диеты должно было поддерживать массу тела в пределах ± 2% от исходного уровня. Содержание макронутриентов и потребление энергии не различались между группами во время фазы 1.
Все приёмы пищи в Фазе 2 потреблялись под наблюдением и содержали тот же состав макронутриентов, что и в Фазе 1. Потребление энергии было ограничено до 45% от повышенного общего ежедневного расхода энергии, чтобы вызвать 55%-ный дефицит энергии. Содержание энергии и макронутриентов не различалось между группами во время фазы 2, за исключением того, что относительное потребление белка было немного выше в группе плацебо (1,70 г/кг/день ± 0,06) по сравнению с группой тестостерона (1,66 ± 0,04, p < 0,05). Состав макронутриентов в рационе участников не контролировался во время фазы 3. Соблюдение предписаний по диете и физическим упражнениям составило ≥ 89% во время протокола тяжёлого дефицита энергии.
Во время фазы 2 участники получали еженедельные внутримышечные инъекции (всего их было 4) либо 200 мг тестостерона энантата в 1 мл кунжутного масла, либо плацебо (1 мл кунжутного масла). Ожидалось, что вызванный серьёзный дефицит энергии приведёт к гипогонадическому состоянию, и доза 200 мг тестостерона энантата в неделю была выбрана для поддержания нормального уровня тестостерона во время фазы 2. Образцы крови натощак были собраны для оценки глобальных профилей метаболитов в сыворотке. Все образцы были собраны между 6:00 и 9:00, чтобы минимизировать влияние циркадных колебаний. Сыворотка была выделена и хранилась при температуре -80 °C до отправки для глобального метаболомного профилирования. Каждый образец был проанализирован с использованием четырёх отдельных методов.
Состав тела измеряли после ночного голодания и утреннего мочеиспускания с помощью двухэнергетической рентгеновской абсорбциометрии. Тощая масса представляла собой общую массу тела за вычетом жировой массы и содержания минеральных веществ в костях.
Результаты
Общий и свободный тестостерон был выше в группе тестостерона, чем в группе плацебо во время фазы 2 (рис. 2). Кроме того, во время фазы 2 как в группах тестостерона, так и в группах плацебо наблюдалось снижение жировой массы, но в группе тестостерона наблюдалось увеличение мышечной массы, которое было значительно выше, чем изменения мышечной массы в группе плацебо.
PCA-анализ выявил чёткое разделение по временным моментам (рис. 3), при этом на PC1 и PC2 приходится 25,1% изменчивости. PC1, на который приходится наибольшее изменение данных, показал чёткое разделение по времени.
Метаболиты андрогенных стероидов реагировали по-разному в зависимости от условий лечения. Во время фазы тяжёлого дефицита энергии уровень метаболитов андрогенных стероидов в сыворотке крови снижался в контрольной группе и увеличивался в группе, принимавшей тестостерон. Были выявлены множественные значимые взаимодействия с метаболитами андрогенных стероидов, причём они были выше в группе тестостерона по сравнению с группой плацебо во время тяжёлого дефицита энергии. Эта тенденция в целом присутствовала, за исключением нескольких эстрогенных метаболитов ДГЭА (например, моносульфата адростендиола), уровень которых был ниже в группе тестостерона во время тяжёлого дефицита энергии по сравнению с группой плацебо. Однако изменения обратились вспять во время фазы 3, когда тестостерон не вводился, и уровень метаболитов андрогенных стероидов был ниже в группе тестостерона по сравнению с группой плацебо.
В целом метаболиты жирных кислот в сыворотке увеличивались в ответ на серьёзный дефицит энергии и снижались в период восстановления в обеих группах лечения. По сравнению с CON, метаболиты жирных кислот были выше во время фазы 2 и ниже во время фазы 3 в группе тестостерона; в частности, ацилкарнитины с длинной цепью, ненасыщенные жирные кислоты и жирные кислоты со средней длиной цепи. Содержание длинноцепочечных ацилкарнитинов и дикарбоксилированных ацилкарнитинов было стабильно выше в группе тестостерона при SED14 и SED28 по сравнению с группой плацебо. Кроме того, в группе тестостерона наблюдались более низкие уровни ацилкарнитинов, ненасыщенных жирных кислот и жирных кислот со средней длиной цепи при WR по сравнению с группой плацебо.
Метаболиты аминокислот обычно снижались во время тяжёлого дефицита энергии и увеличивались во время восстановления при обоих методах вмешательства. Однако по сравнению с группой плацебо метаболиты фенилаланина, триптофана, лейцина, изолейцина и валина были ниже в группе тестостерона во время тяжёлого дефицита энергии и выше в фазе 3. Кроме того, цикл мочевины и метаболиты креатина были выше в группе тестостерона во время FL и WR по сравнению с группой плацебо.
Изменения мышечной массы были связаны с изменениями 23 аналитов. Корреляции момента продукта Пирсона показали, что изменения мышечной массы положительно коррелируют с изменениями в нескольких метаболитах метаболизма андрогенных стероидов и с несколькими ацилкарнитинами. Напротив, изменения мышечной массы были обратно пропорциональны изменениям метаболизма метаболитов лейцина, изолейцина и валина. Изменения жировой массы были связаны с изменениями 11 метаболитов и были обратно пропорциональны изменениям ацилкарнитинов и положительно связаны с изменениями цикла мочевины, аргинина и метаболитов пролина. Изменения андрогенных стероидов умеренно или сильно коррелировали с изменениями ацилкарнитинов.
Обсуждение
В этом исследовании оценивалось влияние введения тестостерона на связь метаболомных изменений с изменениями в составе тела у здоровых мужчин во время тяжёлого дефицита энергии. Добровольцы, получавшие тестостерон, имели более высокий уровень андрогенных стероидов (5-альфа-андростан-3-альфа, 17-бета-диола моносульфат, сульфат андростерона) и метаболитов жирных кислот (ацилкарнитин, ненасыщенные жирные кислоты, жирные кислоты со средней длиной цепи) и более низкие метаболиты аминокислот во время тяжёлого дефицита энергии по сравнению с группой плацебо. В период восстановления, когда тестостерон не вводился и острый дефицит энергии закончился, многие из этих изменений обратились вспять. Кроме того, изменения мышечной массы во время серьёзного дефицита энергии были связаны с изменениями в андрогенных стероидах и ацилкарнитинах и обратно пропорциональны изменениям в метаболитах аминокислот. Таким образом, эти данные свидетельствуют о том, что дозы энантата тестостерона 200 мг/нед., вводимые еженедельно во время серьёзного дефицита энергии, изменяли метаболомические характеристики сыворотки таким образом, что это соответствовало увеличению мышечной массы.
Это первое исследование, оценивающее влияние тестостерона на метаболический состав сыворотки во время острого дефицита энергии. Тестостерон ингибирует захват липидов и активность липопротеин-липазы в адипоцитах, а также активирует липолитические β-адренергические рецепторы, что приводит к снижению жировой массы. Это исследование также показало, что введение тестостерона нарушает окисление жирных кислот. Было обнаружено увеличение содержания ацилкарнитинов. Тестостерон опосредует усиление окисления длинноцепочечных жирных кислот гексадекоановой кислоты в мышечных трубках и может увеличивать уровень ацилкарнитинов в сочетании с уменьшением количества жира в организме. Ранее было установлено, что группа плацебо потеряла больше массы тела во время фазы серьёзного дефицита энергии в этом исследовании. Поскольку в обеих группах был наложен эквивалентный дефицит энергии, возможно, что введение тестостерона привело к мобилизации/использованию липидных субстратов для обеспечения энергией, а не к менее энергоёмким белковым запасам. В подтверждение этого было обнаружено, что ацилкарнитины обратно коррелировали с жировой массой и положительно коррелировали с мышечной массой после дефицита.
В рамках этого клинического исследования обнаружено, что введение тестостерона во время серьёзного дефицита энергии повышает регуляцию андрогенных рецепторов скелетных мышц и способность трансляции, а также ослабляет протеолиз. Здесь показано, что аминокислоты сыворотки были ниже в группе тестостерона во время дефицита энергии по сравнению с контрольной группой, что, вероятно, указывает на более низкий распад мышечного белка. Андрогены играют жизненно важную роль в сдвиге баланса мышечного белка в пользу его накопления. В этом исследовании протеолиз мышц был ослаблен, а мышечная масса увеличилась. В подтверждение этих выводов сообщается, что наблюдаемые изменения мышечной массы были обратно пропорциональны уровням метаболитов аминокислот. Эти результаты согласуются с другими исследованиями, которые обнаружили, что гипогонадизм связан с повышенным протеолизом и высоким ожирением. Опять же, это подтверждает, что введение тестостерона может улучшить состав тела во время дефицита энергии, изменяя использование субстрата за счёт усиления окисления жирных кислот и снижения протеолитической активности скелетных мышц.
Это исследование также показало, что многие метаболомные изменения, наблюдаемые из-за дефицита энергии в группе тестостерона, обратились вспять после прекращения его приёма. Прекращение введения тестостерона приводило к увеличению катаболитов лейцина (изовалерилкарнитин) и валина (изобутирилкарнитин). Валин и лейцин метаболизируются аминотрансферазой с разветвлённой цепью (ВСАТ) с образованием кетокислот с разветвлённой цепью и глутамата. Эта реакция также катализируется метаболитами витамина B6, уровень которых также был повышен в группе тестостерона в период восстановления. Реакция BCAT производит глутамат, который передаёт свою аминогруппу метаболитам цикла мочевины. Таким образом, увеличение количества метаболитов аминокислот с разветвлённой цепью может объяснить увеличение цикла мочевины и метаболитов креатина в группе тестостерона в период восстановления. Метаболиты мочевины и креатина являются маркерами функции почек, на которую тестостерон влияет дозозависимым образом. Наблюдаемое в исследовании увеличение цикла мочевины и метаболитов креатина может указывать на то, что функция почек снижается после прекращения приёма тестостерона. С другой стороны, эти результаты могут быть результатом возвращения к распаду базального мышечного белка. Кроме того, уровень большинства метаболитов жирных кислот, уровень которых был выше во время фазы 2, снизился после прекращения приёма тестостерона. Аналогичная тенденция наблюдалась и для метаболитов андрогенных стероидов. Уровень андрогенных стероидов увеличивался во время дефицита энергии и снижался во время восстановления в группе тестостерона. Это говорит о том, что введение тестостерона сыграло значительную роль в изменении как аминокислотных, так и липидных характеристик здоровых мужчин во время дефицита, и что эти изменения обращаются вспять при возвращении к нормокалорийным условиям без дополнительного тестостерона.
Заключение
Введение тестостерона во время физических упражнений и диеты вызывало дефицит энергии, а также восстановление веса из-за возобновления питания значительно влияло на метаболомические характеристики сыворотки. Введение тестостерона привело к повышению уровня андрогенных стероидов и метаболитов жирных кислот и более низкие уровни метаболитов аминокислот во время дефицита энергии. Однако эти изменения были временными и обращались вспять в период восстановления, когда тестостерон не вводился и дефицит энергии прекращался. Кроме того, введение тестостерона приводило к улучшению состава тела во время острого энергетического дефицита, что было связано с изменениями метаболомических характеристик сыворотки. Эти результаты позволяют предположить, что введение тестостерона может: изменить использование субстрата, так что липидные субстраты будут использоваться преимущественно, а не аминокислоты; и эти метаболомные изменения могут быть связаны с ослаблением мышечного протеолиза. Однако эти изменения являются временными и обращаются вспять после прекращения приёма тестостерона.