Auswirkungen von Ernährung und körperlicher Aktivität auf die tageszeitliche Änderung des Lipidgehalts in der Skelettmuskulatur – Studien mit der 1H-Magnetresonanz-Spektroskopie

Abstract

Intramyozelluläre Lipide (IMCL) der Skelettmuskulatur spielen in der Pathogenese der Insulinresistenz, einer Vorstufe des Typ 2 Diabetes mellitus, eine wichtige Rolle. So zeichnen sich untrainierte insulinresistente Personen durch einen deutlich höheren IMCL-Gehalt aus als insulinsensible Personen. Allerdings konnte auch bei trainierten Sportlern mit normalem oralen Glukose-Toleranz-Test ein erhöhter IMCL-Gehalt festgestellt werden. Die Regulation der IMCL ist sehr komplex. Der IMCL-Gehalt lässt sich durch Ernährungsumstellung von wenigen Tagen und körperliche Aktivität nachweisbar beeinflussen. Es wurde bereits gezeigt, dass durch eine kurzfristige fettreiche Ernährung über drei Tage oder durch Fasten ein Anstieg der IMCL erreicht werden konnte. Andererseits dienen die IMCL bei trainierten Personen während kurzfristiger mittlerer Belastung als Energielieferant. Ziel dieser Studie war, Veränderungen des IMCL-Gehalts im Tagesverlauf mittels 1H-Magnetresonanz-Spektroskopie unter verschiedenen Ernährungs- und Verhaltensbedingungen (Fasten, Normalkost, fettreiche Diät und mäßige körperliche Belastung („Walking“) bei Normalkost) zu bestimmen.

Material & Methoden Zwölf männliche Probanden (Alter: 25,8 ± 4,5 Jahre; BMI: 22,1 ± 1,8 kg/m2) mit normaler Glukosetoleranz nahmen an dieser Studie teil und unterzogen sich einem vorgeschriebenen viertägigem Ernährungs- und Verhaltensprogramm, welche folgende Bedingungen beinhaltete: 1. Tag: Fasten, wobei nur Wasser konsumiert und vorwiegend sitzende Tätigkeiten durchgeführt werden durfte; 2. Tag: Normalkost (~20% Fette, ~60% Kohlenhydrate) und geringer körperlicher Belastung; 3. Tag: fettreiche Diät (~60% Fette, ~30% Kohlenhydrate) und geringer körperlicher Belastung; 4. Tag: Normalkost mit mäßiger körperlicher Bewegung (zwei Stunden aerobe Bewegung („Walking“) mit 55-65% der maximalen aeroben Kapazität (VO2max)). Alle Probanden führten sämtliche Bedingungen durch, wobei eine einwöchige Pause zwischen den verschiedenen Untersuchungen lag. Die spektroskopischen Untersuchungen wurden jeweils am frühen Morgen sowie zwölf Stunden später an einem 3 T Ganzkörpertomographen (Magnetom Trio; Siemens Medical Solutions, Erlangen) durchgeführt. Die volumenspektroskopische Untersuchung am M. tibialis anterior (TIB) und M. soleus (SOL) wurden mittels Single-Voxel STEAM-Sequenz durchgeführt. Messdaten: TE=10ms, TR=2s, 40 Akq., VOI (11x11x20) mm3. Die Quantifizierung der IMCL (CH2) erfolgte mit Hilfe des Methyl-Signals des Creatin (Cr3).

Ergebnisse Der mittlere basale IMCL-Gehalt in beiden Muskelgruppen war interindividuell sehr unterschiedlich (1,3<IMCLTIB<7,1; 3,9<IMCLSOL<14,2). Eine signifikante Reduktion der intramyozellulären Lipide ergab sich nach Fasten (IMCLTIB: -28,8 ± 4,5%, IMCLSOL: -21,6 ± 3,4%) und Bewegung (IMCLTIB: -33,9 ± 4,9%, IMCLSOL: -17,3 ± 4,5%). Nach den diätetischen Interventionen ergaben sich kaum Veränderungen: Normalkost (IMCLTIB: -8,7 ± 4,4%, IMCLSOL: -7,3 ± 2,7%); fettreicher Diät (IMCLTIB: 0,6 ± 2,3%, IMCLSOL: -0,2 ± 1,3%).

Zusammenfassung Aus den Ergebnissen kann geschlossen werden, dass der IMCL-Gehalt der Skelettmuskulatur im Tagesverlauf nur geringfügig von der Art der Ernährung abhängt. Eine signifikante Reduktion der IMCL in beiden Muskelgruppen konnte hingegen nach einem Tag Fasten und mäßiger aerober Bewegung bei Normalkost erzielt werden. Die Reduktion der IMCL nach Nahrungskarenz steht im Widerspruch zu bisherigen Ergebnissen, die einen signifikanten Anstieg nach fünf Tagen berichten. Eine Erklärung hierfür wäre, dass in den ersten zwölf Stunden des Fasten die Oxidation der Lipide dominiert, während es später zu einem deutlichen Anstieg der freien Fettsäuren im Blut, kombiniert mit einer vermehrten Aufnahme der Lipide in die Muskelzelle kommt.

Intramyocellular lipids (IMCL) were reported to be involved in the pathogenesis of insulin resistance and type 2 Diabetes. Intramyocellular lipids (IMCL) are metabolically highly active. Besides the untrained insulin resistant subjects also well trained endurance athletes with normal glucose tolerance are characterized by increased IMCL content. It has been shown that an accumulation of IMCL can be induced by short term fat rich diet of three days or fasting. On the other hand, IMCL serve as a fuel during short term exercise with moderate intensity in well trained athletes. Aim of this study was the determination of IMCL content in different muscle groups of the lower leg in the morning and in the evening with well defined physical activity and nutrition in order to assess short term changes.

Material and Methods Twelve lean male volunteers (age: 25,8 ± 4,5 years, BMI 22,1 ± 1,8 kg/m²) with normal glucose tolerance participated in this study and underwent a defined intervention program comprising 4 days: one day of fasting: only water consumption, typical “office day”, without additional exercise; one day with low fat diet: ~ 20% saturated fat, ~ 60% carbohydrates, physical activity as in; one day with high fat diet: ~ 60% saturated fat, ~ 30% carbohydrates, physical activity as in; one day with exercise: 2 hours of moderate exercise (“walking”) with 55 - 65% of personal VO2max and normal nutrition. All volunteers participated in all intervention groups. Minimum intermission between two subsequent intervention days was 1 week. Spectroscopic examinations were performed on a 3 T whole body imager (Magnetom Trio, Siemens Medical Solutions, Germany) in the early morning after overnight fasting and 12 hours later. Volunteers were in supine position with the most extended part of the lower leg positioned in the extremity coil. For volume selection in the tibialis anterior muscle (TIB) and the soleus muscle (SOL) a single voxel STEAM technique was applied. Measurement parameters: TE=10ms, TR=2s, 40 acq., VOI (11x11x20) mm³. Quantification of IMCL (CH2) was obtained using the methyl signal of creatine (Cr3) as an internal reference.

Results Mean basal IMCL were in a broad range in both muscle groups (1,3<IMCLTIB<7,1; 3,9<IMCLSOL<14,2) with mean variation coefficients of 0,15 in TIB and 0,06 in SOL. Interventions resulted in significant reduction of IMCL content after fasting (IMCLTIB: -28,1 ± 4,5%; IMCLSOL: -21,6 ± 3,4%) and exercise (IMCLTIB: -33,9 ± 4,9%; IMCLSOL: -17,3 ± 4,5%). Low fat diet revealed slightly decreased IMCL content (IMCLTIB: -8,7 ± 4,4%; IMCLSOL: -7,3 ± 2,7%) whereas no changes were detectable after fat rich diet (IMCLTIB: 0,6 ± 2,3%; IMCLSOL: -0,2 ± 1,3%).

Conclusions It can be concluded that IMCL content – as repeatedly measured in the morning and evening – is only slightly dependent on the type of nutrition. Significant reduction of IMCL in both muscle groups occurred after fasting for one day, whereas a significant increase of IMCL was reported after a few days. An explanation might be that oxidation of IMCL is dominating during the first 12 hours of fasting, whereas a characteristic increase of free fatty acids in blood combined with increased uptake of lipids by the myocytes is following later on.