The effects of exercise and nutrition on the metabolic fingerprint of individuals with characteristics of the metabolic syndrome

Abstract

The aim of the dissertation was to investigate the response of the urinary and serum metabolic fingerprints to different exercise and dietary challenges in sedentary, middle-aged men with, without, or at risk for the metabolic syndrome (MetS), which is a cluster of cardiometabolic risk factors that raises morbidity. The aim of the first study was to investigate whether the response of the metabolic fingerprint to exercise depends on the presence of MetS or exercise mode. Twenty-three sedentary men, divided into MetS and Healthy, completed four trials: resting, high-intensity interval exercise (HIIE), continuous moderate-intensity exercise (CME), and resistance exercise (RE). Urine and blood samples were collected at multiple time points for targeted metabolomic analysis by liquid chromatography-mass spectrometry. Univariate and multivariate analysis of the identified metabolites showed that time exerted the strongest differentiating effect on the metabolic fingerprints, followed by exercise mode and health status. The greatest changes were observed in the first post-exercise samples, with a gradual return to baseline at 23 h post-exercise. RE caused the greatest responses overall, followed by HIIE, while CME had minimal effect. Discriminating metabolites reflected the differences in the energy systems that dominate in each exercise. We found evidence of a diminished response to exercise in individuals with MetS, compared to Healthy, on the basis of their urinary metabolic fingerprints. Finally, exercise exerted a beneficial effect on prominent serum biomarkers of metabolic risk. The aim of the second study was to investigate the effects of exercise timing or meal timing on the response of the metabolic fingerprint to meal consumption or exercise, respectively. Eight overweight sedentary men, at risk for the MetS, participated in three trials: consumption of a meal in the absence of exercise (NoEx), HIIE after the consumption of the same meal (postprandial exercise, PpEx), and HIIE before the consumption of the same meal (postabsorptive exercise, PaEx). Univariate and multivariate analysis showed that exercise timing had a significant effect on the postprandial response of eight serum metabolites. Acetylcarnitine and pantothenate levels (indicators of substrate oxidation) were higher at 81 min after meal consumption in PpEx than in PaEx, while they were decreased after NoEx. Postprandial serum pyruvate, lactate, hypoxanthine, alanine, creatine, and putrescine were also higher in PpEx. In urine, PpEx caused a significant reduction in baseline urinary betaine, uridine, histidine, lysine, creatinine, and choline levels. Neither postprandial nor postabsorptive exercise was effective in reducing the postprandial increases in known biomarkers of cardiometabolic risk. Meal ingestion had a significant effect on the metabolic response to exercise in serum. Acetylcarnitine, hypoxanthine, taurine, pyruvate, and lactate were higher after PaEx, indicating increased fatty acid, purine, and carbohydrate catabolism. On the other hand, leucine–isoleucine, lysine, and tryptophan were higher after PpEx. The results from this dissertation add to the ongoing research efforts to map the molecular responses to exercise, especially for sedentary, middle-aged individuals with cardiometabolic risk factors, and support the value of metabolic fingerprinting in the study of exercise metabolism.

Σκοπός της διατριβής ήταν να διερευνηθεί η απόκριση του μεταβολικού αποτυπώματος των ούρων και του αίματος σε διαφορετικές δοκιμασίες άσκησης και διατροφής σε καθιστικού τύπου, μέσης ηλικίας άνδρες με, χωρίς, ή σε κίνδυνο για μεταβολικό σύνδρομο (MetS). Το MetS αποτελεί ένα σύνολο καρδιομεταβολικών παραγόντων κινδύνου που αυξάνει τη νοσηρότητα. Σκοπός της πρώτης μελέτης ήταν να διερευνηθεί το κατά πόσο ή απόκριση του μεταβολικού αποτυπώματος στην άσκηση εξαρτάται από την παρουσία του MetS ή το είδος της άσκησης. Είκοσι τρεις άνδρες καθιστικού τύπου χωρίστηκαν σε MetS ή Healthy και ολοκλήρωσαν τέσσερις δοκιμασίες: ανάπαυση, υψηλής έντασης διαλειμματική άσκηση (HIIE), μέτριας έντασης συνεχόμενη άσκηση (CME), και άσκηση με αντιστάσεις (RE). Συλλέξαμε δείγματα ούρων και αίματος σε πολλαπλά χρονικά σημεία για στοχευμένη μεταβολομική ανάλυση με υγρή χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας. Έπειτα από μονοπαραγοντική και πολυπαραγοντική ανάλυση ο παράγοντας χρόνος βρέθηκε να έχει την πιο ισχυρή επίδραση στη διαφοροποίηση του μεταβολικού αποτυπώματος, ακολουθούμενος από το είδος της άσκησης και την κατάσταση υγείας. Οι μεγαλύτερες αλλαγές παρατηρήθηκαν στο πρώτο μετα-ασκησιακό δείγμα, με μία σταδιακή επαναφορά στα επίπεδα ηρεμίας 23 ώρες μετά την άσκηση. Η RE προκάλεσε τις πιο έντονες αποκρίσεις, ακολουθούμενη από την HIIE, ενώ η CME είχε ελάχιστη επίδραση. Οι υπεύθυνοι μεταβολίτες για το διαχωρισμό των μεταβολικών αποτυπωμάτων αντικατοπτρίζουν τις διαφορές στα ενεργειακά συστήματα που κυριαρχούν στην κάθε άσκηση. Βρήκαμε ενδείξεις μειωμένης απόκρισης στην άσκησης στο MetS σε σχέση με την ομάδα ελέγχου, με βάση το μεταβολικό αποτύπωμα των ούρων. Τέλος, η άσκηση είχε θετική επίδραση σε γνωστούς βιοδείκτες μεταβολικού κινδύνου στο αίμα. Σκοπός της δεύτερης μελέτης ήταν να διερευνηθεί η επίδραση του προγραμματισμού της άσκησης ή του προγραμματισμού του γεύματος στην απόκριση του μεταβολικού αποτυπώματος των ούρων και του αίματος στην κατανάλωση ενός γεύματος ή στην άσκηση, αντίστοιχα. Οκτώ υπέρβαροι άνδρες, καθιστικού τύπου, σε κίνδυνο για ανάπτυξη MetS, ολοκλήρωσαν τρεις δοκιμασίες: κατανάλωση γεύματος χωρίς άσκηση (NoEx), HIIE μετά την κατανάλωση του γεύματος (PpEx), και HIIE πριν την κατανάλωση το γεύματος (PaEx). Ο παράγοντας προγραμματισμός της άσκησης βρέθηκε να έχει σημαντική επίδραση σε οκτώ μεταβολίτες στο αίμα. Τα επίπεδα ακετυλκαρνιτίνης και παντοθενικού (δείκτες οξείδωσης υποστρωμάτων) ήταν υψηλότερα 81 λεπτά μετά την κατανάλωση του γεύματος στην PpEx σε σχέση με την PaEx, ενώ μειώθηκαν στην NoEx. Τα μεταγευματικά επίπεδα πυροσταφυλικού, γαλακτικού, υποξανθίνης, αλανίνης, κρεατίνης, και πουτρεσκίνης ήταν επίσης υψηλότερα στην PpEx. Στα ούρα, η PpEx προκάλεσε σημαντική μείωση στα αρχικά επίπεδα βεταΐνης, ουριδίνης, ιστιδίνης, λυσίνης, κρεατινίνης, και χολίνης. Καμία από τις δύο ασκήσεις δεν οδήγησε σε μείωση της μεταγευματικής αύξησης σε γνωστούς δείκτες καρδιομεταβολικού κινδύνου. Η κατανάλωση γεύματος επηρέασε σημαντικά την απόκριση στην άσκηση στο αίμα. Τα επίπεδα της ακετυλκαρνιτίνης, της υποξανθίνης, της ταυρίνης, του πυροσταφυλικού, και του γαλακτικού ήταν υψηλότερα μετά την PaEx, υποδεικνύοντας αυξημένο καταβολισμό λιπαρών οξέων, πουρινών, και υδατανθράκων. Από την άλλη, η λευκίνη-ισολευκίνη, η λυσίνη, και η τρυπτοφάνη ήταν υψηλότερες μετά την PpEx. Τα αποτελέσματα της διατριβής συμβάλλουν στις συνεχείς ερευνητικές προσπάθειες για χαρτογράφηση των επιδράσεων της άσκησης σε μοριακό επίπεδο, ειδικά σε άτομα καθιστικού τύπου, μέσης ηλικίας, με καρδιομεταβολικούς παράγοντες κινδύνου και υποστηρίζουν τη χρησιμότητα της μεταβολομικής στη μελέτη του ασκησιακού μεταβολισμού.