Metabolic chamber studies on energy- and macronutrient metabolism : impact of meal skipping and energy flux

The classical concept of body weight regulation attributes the development of obesity to a chronically positive energy balance. There is, however, evidence indicating that beyond this basic concept, the effectiveness of body weight regulation is affected by the circadian regulation of metabolism and the level of energy flux (EF, level of energy balance). Meal skipping affects circadian regulation and might therefore also affect the regulation of body weight. In addition, an asymmetric regulation of body weight is hypothesized with improved effectiveness when EF is high (active lifestyle) and less effectiveness at a low EF (sedentary lifestyle). Metabolic chambers offer the opportunity to acquire short-term parameters of energy and macronutrient balance that precede long-term weight gain and therefore, can help to understand the impact of nutrition and physical activity interventions on body weight regulation. This thesis presents the implementation of a metabolic chamber system (Chapter II) and investigates the acute impact of meal skipping (Chapter III) and energy flux (Chapter IV) on energy and macronutrient metabolism by performing two well-controlled, cross-over intervention studies using metabolic chambers. The implementation of the metabolic chambers revealed, that thorough considerations must be made in terms of the metabolic chamber environment (room ventilation and position of analyzer unit), the additional devices (e.g. air conditioner) used as well as the study protocol, in order to obtain good data quality. The study on meal skipping includes 17 healthy participants who underwent 3 isocaloric 24-h interventions (55%, 30%, and 15% carbohydrate, fat and protein, respectively): a breakfast skipping day (BSD) and a dinner skipping day (DSD) separated by a conventional 3-meal-structure day (control). Energy and macronutrient balance were measured and postprandial glucose and insulin concentrations, as well as 24-h glycemia and 24-h insulin secretion (C-peptide), were analyzed. When compared with the 3-meal control, 24-h energy expenditure was higher on DSD (DSD: +69 kcal/d; p < 0.05), but not on BSD. Whereas, fat oxidation increased on the BSD only (+13 g/d; p < 0.01). Spontaneous physical activity, 24-h glycemia, and 24-h insulin secretion did not differ between intervention days. The postprandial homeostasis model assessment index (+54%) and glucose concentrations after lunch (+46%) were, however, higher on the BSD than on the DSD (both p < 0.05). When compared with 3 meals/d, dinner skipping increased energy expenditure. In contrast, higher postprandial insulin concentrations and increased fat oxidation with breakfast skipping show the development of metabolic inflexibility in response to prolonged fasting that may in the long-term lead to impaired glucose homeostasis. The study on energy flux includes 16 healthy participants who underwent three 24-h interventions with different levels of EF: (i) low EF, physical activity level (PAL) = 1.3 1.4 (ii) medium EF, PAL = 1.5 1.6 and (iii) high EF, PAL = 1.7 1.8 each at energy balance (EB), caloric restriction (CR), and overfeeding (OF) (100%, 75% and 125% of individual energy requirement with 50% carbohydrate, 35% fat, 15% protein). Different levels of EF were accomplished by walking (4 km/h) on a treadmill (0, 165 and 330 min). Sleeping energy expenditure (SEE), 24-h macronutrient oxidation and relative macronutrient balance (oxidation relative to intake) were determined. During EB and OF, 24-h fat oxidation increased with higher EF. This resulted in a higher relative fat balance at medium EF (EB: +17%, OF: +14%) and high EF (EB: +23%, OF: +17%) compared to low EF (all p < 0.05). SEE during EB and OF was higher at medium (EB: +5 kcal/3h and OF: +12 kcal/3h) and high (EB: +7 kcal/3h and OF: +18 kcal/3h) EF compared to low EF (all, p < 0.05). In contrast, during CR 24-h fat oxidation was only higher at high EF compared to low EF and neither relative fat balance nor SEE differed between the EF levels. A higher EF might have beneficial effects on body weight regulation during short-term overfeeding and energy balance because it increased SEE and improved relative fat balance. However, during short-term caloric restriction, a higher EF had no impact on the regulation of energy or fat balance. Therefore, a high EF especially can attenuate the adverse effects of short-term overfeeding. Altogether, this thesis emphasizes the importance of physical activity in daily life and suggests that the adverse metabolic outcome of breakfast skipping (caused by a positive energy balance after lunch with a preceding prolonged fasting period) might be attenuated by a high EF.Das klassische Konzept der Regulation des Körpergewichtes begründet die Entwicklung von Adipositas mit einer chronisch positiven Energiebilanz. Es gibt Hinweise, dass die Effektivität, das Körpergewicht zu regulieren, darüber hinaus durch die zirkadiane Regulation des Stoffwechsels und die Höhe des Energy-Flux (EF, Niveau der Energiebilanz) beeinflusst wird. Das Auslassen von Mahlzeiten kann die zirkadiane Regulation und somit möglicherweise das Körpergewicht beeinflussen. Zudem wird eine asymmetrische Regulation des Körpergewichtes angenommen mit einer höheren Effektivität bei einem hohen EF (aktiver Lebensstil) verglichen mit einem niedrigen EF (inaktiver Lebensstil). Die Raumkalorimetrie bietet die Möglichkeit kurzfristige Parameter der Energie- und Makronährstoffbilanz zu erfassen und kann somit helfen, den Einfluss von Ernährungsinterventionen und von körperlicher Aktivität auf die Körpergewichtsregulation zu verstehen. Diese Arbeit hat zum Ziel, die Implementierung eines Raumkalorimeters zu demonstrieren (Kapitel II), sowie durch zwei gut kontrollierte cross-over-Interventionen zum einen die akuten Auswirkungen des Auslassens von Mahlzeiten (Kapitel III) und zum anderen die Auswirkungen des Energy-Flux (Kapitel IV) auf den Energie- und Makronährstoffmetabolismus, zu untersuchen. Die Implementierung der Raumkalorimetrie konnte zeigen, dass es sorgfältiger Überlegungen bedarf, bezüglich der Umgebung der Raumkalorimeter (Raumlüftung, Positionierung des Gasanalysators), zusätzlich verwendeter Geräte (z.B. Klimaanlagen) und des Studienprotokolls, um Daten einer guten Qualität generieren zu können. Die Studie zum Auslassen von Mahlzeiten schließt 17 gesunde Probanden ein, die 3 isokalorische Protokolle durchliefen (jeweils 55%, 30%, und 15% Kohlenhydrate, Fett und Protein): ein Frühstücks-Skipping Tag (BSD) und ein Abendessen-Skipping Tag (DSD) sowie einen Tag mit einer gewöhnlichen Drei-Mahlzeiten-Struktur (control). Die Energie- und Makronährstoffbilanz wurde gemessen und die postprandialen Glukose- und Insulinkonzentrationen sowie die 24-h Glykämie und 24-h Insulinsekretion (C-Peptid-Ausscheidung) wurden analysiert. Verglichen mit der 3-Mahlzeiten-Kontrolle war der 24-h Energieverbrauch am DSD höher (DSD: +69 kcal/d; p < 0.05), aber nicht am BSD. Hingegen war die 24-h Fettoxidation nur am BSD erhöht (+13 g/d; p < 0.01). Spontane körperliche Aktivität, 24-h Glykämie und 24-h Insulinsekretion unterschieden sich nicht zwischen den Interventionstagen. Der postprandiale HOMA-Index (+54%) und die Glukosekonzentration nach dem Mittagessen (+46%) waren jedoch am BSD höher als am DSD (beide p < 0.05). Das Auslassen des Abendessens erhöhte den Energieverbrauch verglichen mit drei Mahlzeiten/Tag. Höhere postprandiale Insulinkonzentrationen in Verbindung mit einer erhöhten Fettoxidation durch das Auslassen des Frühstücks zeigen die Entwicklung einer metabolischen Inflexibilität als Reaktion auf eine verlängerte Nüchternphase, was langfristig zur Beeinträchtigung der Glukose-Homöostase führen könnte. Die Studie zum Energy-Flux umfasst 16 gesunde Probanden, die drei 24-h Interventionen mit verschiedenen EF Niveaus durchliefen: (i) niedriger EF, physical activity level (PAL) = 1.3 1.4 (ii) mittlerer EF, PAL = 1.5 1.6 und (iii) hoher EF, PAL = 1.7 1.8, jeweils unter ausgeglichener Energiebilanz (EB), Kalorienrestriktion (CR) und Überernährung (OF) (100%, 75% und 125% des individuellen Energiebedarfs mit 50% Kohlenhydrate, 35% Fett, 15% Protein). Die verschiedenen EF Niveaus wurden durch Laufen (4 km/h) auf einem Laufband erreicht (0, 165 and 330 min). Der Energieverbrauch im Schlaf (SEE), die 24-h Makronährstoffoxidation und die relative Makronährstoffbilanz (Oxidation relativ zur Aufnahme) wurden bestimmt. Während EB und OF stieg die 24-h Fettoxidation mit höherem EF an. Das resultierte in einer höheren relativen Fettbilanz mit mittlerem EF (EB: +17%, OF: +14%) and hohem EF (EB: +23 %, OF: +17%) verglichen mit niedrigem EF (alle p<0.05). Der SEE während EB und OF war höher mit mittlerem (EB: +5 kcal/3h and OF: +12 kcal/3h) und hohem (EB: +7 kcal/3h and OF: +18 kcal/3h) EF verglichen mit niedrigem EF (alle p < 0.05). Während CR war, dagegen die 24-h Fettoxidation lediglich bei hohem EF höher verglichen mit niedrigem EF und weder die relative Fettbilanz noch der SEE unterschieden sich zwischen den EF Niveaus. Ein höherer EF könnte sich günstig auf die Körpergewichtsregulation während kurzfristiger Phasen der Überernährung und bei ausgeglichener Energiebilanz auswirken. Bei einer kurzfristigen Kalorienrestriktion zeigte ein höherer EF jedoch keinen Einfluss auf die Regulation der Energie- und Fettbilanz. Ein höherer EF kann daher vor allem die negativen Auswirkungen einer kurzfristigen Überernährung abschwächen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die hohe Bedeutung von körperlicher Aktivität im Alltag. Ein hoher Energy-Flux könnte negativen Auswirkungen auf den Glukosestoffwechsel, die durch das Auslassen des Frühstücks zustande kommen, möglicherweise abschwächen