Метаболизм в масштабе всей жизни
Измерение расхода энергии на протяжении всей жизни человека позволяет выявить особенности различных фаз метаболизма.
Под метаболизмом понимается не только процесс получения энергии, но и то, как происходит переработка и преобразование питательных веществ в «удобную энергетическую валюту». В понятие метаболизма входят также синтез, модификация и обмен строительных блоков для всех клеточных функций; процесс обмена веществ и энергии выступает в качестве сенсора и регулятора активности жизнедеятельности клетки, когда отдельные части метаболических путей оказывают влияние на протекание клеточных реакций на различные раздражители. Значительное количество энергии, потребляемой каждый день, требуется для поддержания жизни; энергетические потребности для осуществления физической активности накладываются на чрезвычайно сложный механизм. Состояние метаболизма связано с огромным числом заболеваний и расстройств, в том числе тех, которые проявляются с возрастом [1–3]. В этом выпуске «Science» Pontzer с соавт. [4] проанализировали потребление энергии у более чем 6400 мужчин и женщин в возрасте от 8 дней до 95 лет из 29 стран мира и выявили различные метаболические фазы в ходе постнатального развития и старения.
В понимание энергозатрат на протяжении всей жизни должно входить разнообразие фенотипов человека с учетом пола, расы, состава тела с точки зрения содержания мышечной массы и подкожного жира, а также окружающей среды. Оценить энергозатраты можно с помощью непрямой калориметрии, которая определяет газообмен и теплопродукцию у человека в специальной изолированной камере, или с помощью метода дважды меченой воды (DLW) у людей с обычным образом жизни. Метод DLW основан на относительной скорости выведения изотопов кислорода и водорода из организма [5]. Использование метода DLW неуклонно возрастало тех пор, как велась разработка методов для массового применения среди людей [6]. Сопутствующие затраты на дозирование изотопов ограничивали большинство исследований относительно небольшими выборками, однако исследовательским сообществом были взяты обязательства по обмену данными и разработке интегративных методов, которые позволили бы проводить анализ данных на значительно больших когортах [7].
В исследовании Pontzer с соавт. энергозатраты организма были скорректированы с учетом массы без жировой ткани для учета различий в размерах тела при выявлении внутренних сдвигов состояния обмена веществ в процессе постнатального развития, полового созревания и старения. Авторы определили переходные моменты, которые отображают границы четырех отдельных фаз. Согласно их данным, дети и подростки образуют две различные группы по уровню обмена веществ. Как уже ранее отмечалось, дети — это не просто маленькие взрослые [8]. То, что среди молодых людей определяются различные группы по состоянию метаболизма, является крайне важным для рекомендаций по рациону питания и физической активности, не говоря уже о рекомендациях по дозированию фармацевтических препаратов для молодых людей. Оставшиеся две фазы включают взрослых людей и пожилых. Если скорректировать показатели энергозатрат, они остаются на примерно одном и том же уровне в возрасте от 20 до 60 лет, после чего наблюдается постепенное снижение расхода энергии (см. рисунок).
Рисунок 1 | Метаболизм в масштабе всей жизни
Считается, что данное снижение скорости обмена веществ после 60 лет отражает изменение уровня тканевого метаболизма, т. е. количества энергии, затрачиваемой на поддержание жизнедеятельности. Не может быть совпадением, что рост неинфекционной заболеваемости начинается в то же время [9]. Согласно этим результатам, при выборе моделей болезни необходимо тщательно учитывать период жизни человека. Это оказывается особенно важным для исследований этиологии возрастных заболеваний [10]. Не всегда возможно оказать воздействие на те же молекулярные пути и факторы у пожилого, что и у молодого растущего организма. Влияние на точки приложения лекарственного воздействия, например, может не привести к такому же отклику. И наоборот, неправильным является подход переложения условий жизнедеятельности пожилого организма на молодой. Суть многих метаболических процессов у пожилых и молодых в значительной мере различается.
Влияние размера тела на скорость метаболизма обсуждается и исследуется на протяжении десятилетий [11]. Общий расход энергии характеризуется половым диморфизмом: он более низкий у женщин, чем у мужчин; однако подсчет скорости обмена веществ без массы жировой ткани устраняет это различие. Для того, чтобы вычислительные модели соответствовали наблюдаемым данным, важно учитывать вклад физической активности и скорости метаболизма в тканях, ведь как первое, так и второе претерпевают изменения на протяжении всей жизни человека. Хотя это и не является основной темой работы, Pontzer с соавт. выявили существенные различия в составе тканей тела среди людей. Проблемы, возникающие вследствие этой гетерогенности, находят отражение во все возрастающем энтузиазме относительно прецизионной (индивидуализированной) медицины [12]. Совершенно очевидно, что один размер одежды и обуви не подходит всем. Путем корректировки массы без жировой ткани, это исследование устраняет некоторые из этих различий для выявления внутренне обусловленных изменений обмена веществ, соответствующих периоду жизни. Существуют значимые различия в характере и сроках проявления признаков старения с точки зрения заболеваемости [13]. Важно изучить, как предрасположенность к заболеваниям в среднем возрасте влияет на исходы этих патологий в пожилом возрасте, а также насколько тяжесть заболеваний у людей связана с возрастными изменениями их метаболизма, специфичного относительно конкретных тканей.
Причинные факторы возрастной склонности к развитию болезней, несомненно, кроются в четко фиксируемых изменениях клеточной биологии, физиологии тканей и системного гомеостаза. Благодаря исследованиям на лабораторных животных, метаболизм превратился в центральное звено процессов старения, и пришло понимание того, что замедление старения происходит в том числе и за счет ограничения калорийности рациона [14]. Предполагается, что различия в метаболизме влияют на получение энергии из нутриентов, являющихся основным материалом для синтеза различных веществ внутри клетки и работы путей сигнализации, а также на способность согласовывать работу клетки в соответствии с существующими условиями (как внешними, так и внутренними). Поэтому неудивительно, что в попытках определить фармакологические средства, способные положительно влиять на здоровье при старении, все подходящие вещества так или иначе оказываются теми, что способны влиять на обмен веществ [15]. Исследование Pontzer с соавт. позволяет по-новому взглянуть на метаболизм человека; исследование отличается беспрецедентным масштабом, но оно было бы невозможным без совместной работы специалистов из разных областей.
