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Alessandro Pinto
Dipartimento di Medicina Sperimentale
Sezione di Fisiopatologia Medica, Scienza
dell’Alimentazione ed Endocrinologia
MISURA DEL DISPENDIO
ENERGETICO
Componenti del dispendio energetico
Misura del dispendio energetico (MB & DE-AF)
Variazioni in relazione a obesità, DCA e decremento
ponderale ?
Quando e perché misurare?
Dispendio energetico
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Componenti del dispendio energetico
Misura del dispendio energetico (MB & DE-AF)
Variazioni in relazione a obesità, DCA e decremento
ponderale ?
Quando e perché misurare?
Dispendio energetico
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4
termogenesi
da alimenti (TE-AL)
dispendio
energetico
da attività
fisica (DE-AF)
metabolismo
basale (MB)
DIS
PE
ND
IO E
NE
RG
ET
ICO
TO
TALE
(DE
T, k
cal/
24
h)
7-13 % 20-40 % 60-75 %
È noto che in individui sani esista una notevole variabilità interindividuale che incondizioni di apporti energetici e attività fisica controllati varia di circa il 7-18%, a cuidev’essere aggiunta la variabilità associata all’efficienza con cui viene svolta l’AF e allacomposizione della dieta.
� Il fabbisogno energetico viene definito come “la quantità di energia
di origine alimentare (apporto energetico) necessaria a compensare
il dispendio energetico, cosi da mantenere le dimensioni, la
composizione corporea e un auspicabile e necessario livello di
attività fisica conforme ad un buono stato di salute a lungo termine.
� Ciò include anche l’energia necessaria per la crescita ottimale e lo sviluppo dei
bambini, per la deposizione dei tessuti durante la gravidanza e per la secrezione di
latte durante il periodo di allattamento compatibile con un buono stato di salute sia
della madre che del bambino”.
Fabbisogno energetico reale di un individuo
dev’essere definito sulla base della misura del dis pendio energetico individuale
termogenesi
da alimenti
dispendio
energetico da
attività fisica
metabolismo
basale
misura del dispendio
energetico
EQUAZIONI PREDITTIVE PER IL CALCOLO
DEL METABOLISMO BASALE
At the group level, the traditional Harris-Benedict and WHO equations were the most
accurate. However, these equations did not perform well at the individual level. As fat-
free mass increased, the prediction equations further underestimated RMR. (Flack KD,
Siders WA, Johnson L, Roemmich JN. Cross-Validation of Resting Metabolic Rate Prediction Equations. J Acad Nutr
Diet. 2016 Sep;116(9):1413-22)
The Mifflin St. Jeor equation is confirmed as a useful prediction equation for resting
metabolic rate in community-living ambulatory adults of various body sizes, though the
Livingston equation is similar. Accuracy rate is lower in obese than non-obese people,
and so an obesity-specific equation is proposed. This equation needs validation before
it is adopted for clinical use. (Frankenfield DC. Bias and accuracy of resting metabolic rate equations in
non-obese and obese adults. Clin Nutr. 2013 Dec;32(6):976-82)
From these data we can conclude that even though the average values obtained with
the equations utilized to predict the REE for this population, showed good correlation
with those by IC, as they had the best comparative absolute results, however they
demonstrated an unacceptable variability when matched to the measured REE values.
(Alves VG, da Rocha EE, Gonzalez MC, da Fonseca RB, Silva MH, Chiesa CA. Assessement of resting energy
expenditure of obese patients: comparison of indirect calorimetry with formulae. Clin Nutr. 2009 Jun;28(3):299-304)
When examining the entire sample, the Harris–Benedict, Mifflin, and WHO/FAU/UNU
equations yielded similar levels of agreement with the MedGem® measured RMR.
However, clinical judgment and caution should be used when applying these prediction
equations to special populations or small groups. (Hasson RE, Howe CA, Jones BL, Freedson PS.
Accuracy of four resting metabolic rate prediction equations: effects of sex, body mass index, age, and
race/ethnicity. J Sci Med Sport. 2011 Jul;14(4):344-51.)
.
…………………………………………………
apporto
energetico
dispendio
energetico
per eccessoper difetto
MALNUTRIZIONEvariazione delle riserve
Componenti del dispendio energetico
Misura del dispendio energetico (MB & DE-AF)
Variazioni in relazione a obesità, DCA e decremento
ponderale ?
Quando e perché misurare?
Dispendio energetico
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calorimetria diretta
mis
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p
rod
ott
a
valutazione
dell’ossigeno utilizzato per
ossidare i nutrienti
calorimetria indiretta
camera calorimetrica indiretta
metodi
non-calorimetrici:
relazione tra fenomeni
fisiologici e dispendio
energetico
acqua doppiamente marcata
frequenza cardiaca
pedometri ed accelerometri
ArmBand
(Sensor Medics Italia, s.r.l)
CALORIMETRIA
INDIRETTA
Si basa sul principio che nell’organismo l’ossido-riduzione dei
substrati energetici contenuti negli alimenti avvenga attraverso
reazioni stechiometricamente conosciute in cui si consuma O2 e si
produce CO2 in proporzione alla sintesi di ATP.
QR
CALORIMETRIA INDIRETTA
1 Fattore STPD = [1-(PW/P)](P/760)[273/(273+T)];PW = pressione di vapore; P = pressione atmosferica; T = temperatura (° Kelvin).
Sistema a calottina metabolica - ventilated hood
� casco canopy a bolla con telo rimovibile posto sul capo del soggetto che si trova in posizione supina di riposo;
� rilevatori di pressione, temperatura e umidità per misurare le variabili ambientali, al fine di correggere il
volume di aria espirata condizioni standard di temperatura, pressione e umidita (STPD1, O°C, 760 mmHg, 0%
di umidità relativa);
� pompa (ventilatore) permette di variare il flusso all’interno della calottina, introducendo aria ambiente nel
casco; l’aria atmosferica si diluisce, quindi, con l’espirato del paziente;
� le concentrazioni dei gas dell’aria espirata vengono campionate all’uscita del casco, e i campioni di questa
miscela sono inviati agli analizzatori di tipo paramagnetico per l’analizzatore di O2 e a infrarossi per la CO2, e
la concentrazione è confrontata con quella dell’aria ambiente inspirata;
� il volume di aria ventilata è misurata da una turbina digitale bidirezionale (flussimetro);
� collegamento al PC per la visualizzazione e l’elaborazione dei dati.
Tali sistemi permettono la misura dei costi
energetici a riposo o in attività statiche, calcolati
determinando il flusso di aria e la concentrazione
di O2
e CO2
dell’aria in entrata e in uscita.
• Il paziente dev’essere a digiuno da 12-14 ore
• Il paziente non deve aver ingerito caffè o fumato nelle 4 ore
precedenti il test;
• L’ambiente attorno al paziente durante il test deve essere in
condizioni di totale rilassamento psicologico e fisico;
• Il paziente deve rimanere in stato di riposo e non parlare durante
il test;
• Il paziente non deve aver fatto esercizio fisico intenso nelle 12 ore
prima del test;
• Recente Review dell’American Dietetic Association conferma che
20/30 min di attesa prima del test, e una durata tot del test di 15
min (5+10) sono sufficienti a fornire una misura molto accurata
del REE;
• Se non si rispettano le condizioni standardizzate il risultato che si
ottiene e approssimativamente il 10% più alto rispetto al
metabolismo basale misurato in modo corretto.
Raccomandazioni prima del test
La formula più nota e più
utilizzata e quella di Weir
(1949)
� Equazioni simili sono state sviluppate anche da altri autori con piccole
differenze nei coefficienti dell’equazione dovuti a diverse ipotesi circa la
composizione in carboidrati, grassi e proteine.
� Nelle normali condizioni comportano differenze < 3%.
� La formula di Weir e stata proposta anche in una forma semplificata:
� tralasciare la correzione per il metabolismo proteico comporta una sovrastima di
solo l’1% per ogni 12,3% dell’energia totale come proteine.
� considerando che le variazione dell’equivalente calorico di 1L O2 in relazione all’RQ
sono modeste, il tralasciare la misura della CO2 comporta un errore vicino all’1,2%
con una sottostima per RQ particolarmente elevati e sovrastima a RQ bassi.
DISPENDIO
ENERGETICO
DISPENDIO
ENERGETICO
CALORIMETRIA INDIRETTA
Quark C12x/T12x manuale utente, I Edizione - 05/2008 Copyright © 2008 COSMED
I costi energetici di ogni singola
attività possono essere espressi
come:
multipli MB (PAR)MET - Metabolic
EquivalenT
FAO/WHO/UNU (2004)Vaz et al (2005)
Ainsworth et al, 2011Ridley et al, 2008Harrel et al, 2005
Stima del costo energetico da attività fisicaIl costo energetico di una singola attività fisica corrisponde al DE che si osserva quando essa
e svolta secondo modalità e ritmo normali;
- notevole variabilità interindividuale (età, abilita specifica, allenamento ecc.)
- generalmente espresso come l’incremento del dispendio energetico legato a una
determinata attività fisica rispetto al metabolismo di base e quindi come multiplo del MB
(in alternativa come MET)
I costi energetici espressi come
multipli del MB (Physical Activity Ratio,
PAR) sono disponibili in tabelle
presenti nel documento
FAO/WHO/UNU del 2004 e nel lavoro
di Vaz et al. (2005):
il PAR, ad esempio, e intorno a 3-4
volte il MB per l’attività “camminare” e
fra 6 e 10 per l’attività “correre”.
Stima del dispendio energetico totale da attività fisica
La valutazione complessiva del DE-AF (dispendio energetico totale da attività fisica) è
possibile sulla base della registrazione delle attività fisiche svolte, del loro costo
energetico e del tempo ad esse dedicate.
La registrazione delle attività svolte e del tempo ad esse dedicato può essere effettuato
mediante il diario o il recall di attività:
Se non si dispone di
informazioni dettagliate si
può far riferimento ai
valori medi dell’uso del
tempo della popolazione
italiana derivanti dalle
indagini ISTAT (2009).
Accanto all’uso dei diari è molto diffuso l’uso di vari questionari le cui domande sono
rivolte a indagare il tipo, la frequenza, l’intensità e la durata delle differenti attività fisiche
di un individuo.
Il dispendio energetico totale (DE tot) e calcolato sommando i costi energetici totali di
ciascuna attività ottenuti moltiplicando il tempo giornaliero speso in una determinata
attività (t1, t2, ...tn) per il suo costo energetico (DE attività):
I costi energetici di attività possono essere direttamente misurati o ricavati dalla
letteratura.
Stima del dispendio energetico totale da attività fisica.
Un indicatore del DE-AF di comune utilizzo e dato dal livello di attività fisica (LAF, o
Physical Activity Level, PAL): si tratta di un numero puro, cioè una grandezza
adimensionale, che si calcola dal rapporto DET/MB, presentando in genere valori
compresi fra 1,4 a 2,0.
Il LAF giornaliero rappresenta il dispendio energetico sull’intero arco della giornata
espresso come multiplo del MB (LAF = DE 24 ore/ MB 24 ore).
Il MB può essere misurato o predetto, il DE24ore è stimato ponderando i costi energetici
delle singole attività e il tempo dedicato a ciascuna attività secondo la formula che segue.
Esempio di distribuzione delle attività derivate dall’indagine dell’uso del tempo per
la popolazione italiana in accordo a differenti LAF.
LAF significato
1,20 – 1,27 LAF di sopravvivenza, completa inattività fisica e dipendenza da terze persone
1,40LAF di mantenimento, condizione minima di autosufficienza (autonomia nelle attività più semplici della vita quotidiana, ad es. cura dell’igiene personale)
> 2,5Individui estremamente attivi al momento della misura con valori non sempre indicativi della attività fisica abituale
4,5 -4,7 Periodi di impegno fisico eccezionale quali corse in bicicletta a tappe o traversate artiche
Il LAF può essere utilizzato per definire differenti livelli di
sedentarietà/impegno motorio.
Sono stati individuati quattro valori esemplificativi
tenendo conto sia del LAF che si osservano nella
popolazione adulta, sia di quelli che corrispondono ad
un’attività fisica auspicabile:
Componenti del dispendio energetico
Misura del dispendio energetico (MB & DE-AF)
Variazioni in relazione a obesità, DCA e decremento
ponderale ?
Quando e perché misurare?
Dispendio energetico
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de Zwaan M, Aslam Z, Mitchell JE. Research on energy expenditure in individuals with eating
disorders: a review. Int J Eat Disord. 2002
AN
Il MB è in assoluto ridotto vs controlli normopeso ed è positivamente correlato con il
peso corporeo e la FFM. Dopo correzione per FFM la differenza si annulla, in molti
studi, sebbene in altri si riduce ma non si annulla, suggerendo l’esistenza di
meccanismi metabolici di adattamento. Non è noto in che misura dipenda dalla
riduzione delle massa muscolare o degli organi.
Il MB aumenta nella fase di rialimentazione in misura non proporzionata all’aumento
del peso e della FFM. Tale incremento sarebbe minore in AN precedentemente
obese. Un’accurata determinazione del MB è opportuna per stabilire l’adeguato
apporto di E necessaria per il recupero ponderale, evitando l’overfeeding. (El Ghoch
M, et al, Int J Food Sci Nutr. 2012 Nov;63(7):796-801.)
TDEE può risultare aumentata, in relazione all’AF (Zipfel S, et al. J Eat Disord. 2013
Sep 4;1(1):37)
Termogenesi indotta dalla dieta: risultati controversi;
QR tende ad essere più elevato a digiuno e dopo carico di glucosio (minore costo E
della lipogenesi)
BNDati controversi probabilmente in relazione a peso e BMI, recente assunzione di
cibo, bulimic eating pattern ….
BEDNon sono disponibili sufficienti studi. Le variazioni sarebbero imputabili all’obesità
più al BED (Raymond NC, et al, Obesity (Silver Spring). 2012 Apr;20(4):765-72)
Caloric restriction (CR) and weight loss are associated with decreases in resting
energy expenditure (REE) and adaptive thermogenesis (AT).
Adaptive thermogenesis (AT) is the fat-free mass (FFM)–independent reduction of
resting energy expenditure (REE) to caloric restriction (CR).
AT attenuates weight loss and favors weight regain. Its variance, dynamics, and
control remain obscure. This effect is seen with diet, exercise, pharmacologic, and
surgical interventions.
The extent of AT relates to the degree of energy deficit, and it reduces the
magnitude of the negative energy balance.
In obese patients, AT might persist beyond weight loss. It has been hypothesized
that AT favors weight instability and regain.
By contrast, AT may be beneficial in patients with anorexia nervosa in whom the
metabolic adaptation favors weight gain during refeeding.
The quantification of Adaptive Thermogenesis - AT - is important when considering
the thrifty gene hypothesis, the modeling of weight change in response to changes
in energy intake, weight loss, and a disproportional regain of FM in patients with
anorexia nervosa and weight-reduced obese patients and modern concepts of
bioenergetics as target for obesity treatment.
In the Minnesota Starvation Experiment, REE declined by 39% or 600 kcal/d.
Approximately 35% of the starvation induced fall in REE (i.e.,w200 kcal/d) was
independent of losses in FFM.
In a subsequent study on 3 wk of semistarvation, AT reached 73% of the fall in REE.
With weight recovery, REE increased and surpassed that in the prestarvation state.
In another seminal study, Leibel et al.showed that a 10% weight reduction and
subsequent stabilization yielded an AT between 54 and 137 kcal/d.
Metabolic adaptation, a phenomenon referring to changes in energy expenditure that
are disproportionate to the changes in metabolic mass during dynamic phase of weight
change, also complicates the interpretation of the role of RMR in obesity.
Overview about metabolic adaptation with
weight loss and during maintenance of
reduced body weight.
AT refers to (i) the resting (or non-
activity-related) component of EE
including resting energy expenditure
(REE), as well as the diet-induced
thermogenesis (DIT), and (ii)
nonresting component (i.e. activity-
related energy expenditure, AEE,
which is further divided into exercise
and non-exercise activity
thermogenesis, EAT and NEAT) of
total energy expenditure (TEE)
Indirect calorimetry is the most commonly used method to measure energy expenditure in
the research setting. By measuring oxygen consumption and carbon dioxide production,
indirect calorimetry provides minute-by-minute energy expenditure data that makes it the
most valuable tool to distinguish the various components of energy expenditure, that is,
sleeping and resting metabolic rate, thermic effect of food and the energy cost of activity.
Importantly, such measures also provide information on energy substrate utilization.
Here we summarized some of the research that revealed resting metabolic rate,
spontaneous physical activity and respiratory quotient as key metabolic predictors of
weight gain and obesity.
Recent studies using indirect calorimetry in response to mid-term fasting or overfeeding
have identified 'thrifty' and 'spendthrift' phenotypes in people who differ in propensity to
weight gain.
We propose the use of indirect calorimetry data as a basis for personalized interventions
that may be efficacious in slowing down the rise of global obesity.
Major factors involved in body weight
regulation.
It is shown on the left as absolute intake in
kilojoules and on the right the oxidation of
each macronutrient as a percentage of its
respective store in the body.
Because carbohydrate, protein and alcohol
stores and oxidation rates are tightly
regulated on a daily basis, any inherent
differences between energy intake and
energy expenditure therefore predominantly
impact body fat stores.
During overfeeding (shown in gray), the
oxidation of carbohydrate and protein is
increased to compensate for the increased
intake, yet fat oxidation is not equally
coupled with its intake. Thus, if sustained fat
kilojoules are stored, fat stores will expand,
which then leads to weight gain.
Energy metabolism research using indirect calorimetry has so far provided evidence for
some key metabolic predictors of obesity:
1. Resting metabolic rate: A meta-analysis by Astrup et al. showed that formerly obese
individuals, compared with those who have never been obese, had a lower RMR after
adjusting for body size and composition. A study freported that RMR was still markedly
reduced 6 years after intensive diet and exercise regimens despite significant weight
regain. Such dissociation of RMR from metabolic mass is likely driven by changes in
cellular bioenergetics (for example mitochondrial efficiency), which represent a
defensive mechanism to restore the body mass to the pre-weight change state.
2. Spontaneous physical activity: data suggest that SPA in the confinement of a small
respiratory chamber is a good indicator of an individual’s propensity to locomotion.
3. Twenty-four-hour respiratory quotient (RQ): high fasting RQ was a predictor of
increased body weight. Changes in RQ in response to day-to-day variations in energy
balance are primarily driven by adjustments of carbohydrate and protein oxidation for a
tight regulation of the storage of these two energy substrates. As a consequence,
positive or negative energy balance is mostly buffered by changes in fat balance .
Energy metabolism research using indirect calorimetry has so far provided evidence
for some key metabolic predictors of obesity:
(1) Resting metabolic rate
(2) Spontaneous physical activity
(3) Twenty-four-hour respiratory quotient (RQ)
Componenti del dispendio energetico
Misura del dispendio energetico (MB & DE-AF)
Variazioni in relazione a obesità, DCA e decremento
ponderale ?
Quando e perché misurare?
Dispendio energetico
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Quando e perché misurare?
• Quando sussistono condizioni che implicano alterazioni della
composizione corporea tali da compromettere la stima del MB attraverso
equazioni di predizione
• In situazioni critiche quali la fase di rialimentazione dopo un periodo di
severa restrizione calorica
• In presenza di alterazioni metaboliche che possono fare ipotizzare una
ridotta flessibilità metabolica
• Verificare (migliorare?) la compliance all’intervento dietoterapico o
studiare le possibili cause di una risposta inadeguata
• impostare un protocollo di prevenzione?
• studiare l’impatto di specifici regimi dietoterapici o trattamenti
farmacologici?
Alessandro Pinto
Dipartimento di Medicina Sperimentale
Sezione di Fisiopatologia Medica, Scienza
dell’Alimentazione ed Endocrinologia
grazie per l’attenzione
