Body composition and basal metabolic rate in overweight and obese patients

• Ekaterina A. Burlyaeva
• Tamara A. Prunсeva
• Muradin M. Semenov
• Anastasiya A. Stakhanova
• Tatyana N. Korotkova
• Elena V. Elizarova

Abstract

Diet therapy is a key moment in the treatment of patients with obesity. The energy value of the diet must directly depend on the daily energy expenditure. It is extremely important for a specialist who determines a diet for a patient, using an individual approach, to most accurately calculate daily energy expenditure. On the one hand, the calculation method should be as accurate as possible, on the other hand, it should be simple and economically affordable.

The aim of the study was to evaluate the body composition in patients depending on gender and body mass index and to identify the optimal method for calculating the basal metabolic rate (BMR) in patients with various degrees of obesity.

Material and methods. The study included data from 338 men aged 39.0±11.9 years and 847 women aged 44.0±12.5 years. The study of the body composition was carried out by the multi-frequency bioelectrical impedance analysis on the analyzer “InBody 770”, which simultaneously provides information on the BMR, calculated taking into account the composition of the body according to the Ketch–McArdle formula. The BMR was also calculated using the Mifflin–St. Jeor formula and the results were compared.

Results. In men and women, with an increase in body weight, an increase in skeletal muscle mass is noted, which entails an increase in the BMR. The BMR, calculated by the formula that does not take into account the volume of the main body energy-consuming tissues, differed from that calculated by the formula that takes into account the value of metabolically active components of the human body composition, towards an increase in men with obesity of class 2 and class 3 degrees, by 141 kcal and by 294 kcal, respectively, in women with obesity class 1 – by 81 kcal, class 2 – by 139 kcal, class 3 – by 262 kcal.

Conclusion. When conducting primary diagnostics on an outpatient basis in patients with overweight and obesity, along with simple anthropometry, it is necessary to perform a body composition study. The calculation of the BMR as a component of daily energy expenditure should be carried out taking into account the characteristics of the body composition. If it is not possible to conduct a bioelectrical impedance study and accurately calculate the BMR, the results obtained during this research can be used: BMR in men with obesity of the class 1 – 18.5 kcal/day kg body weight, with obesity of the class 2 – 16.6 kcal/day kg body weight, with obesity class 3 – 14.6 kcal/day kg body weight; BMR in women – respectively 16.7, 15.0 and 13.5 kcal/day kg body weight.

Keywords:obesity; body composition; skeletal muscle mass; fat mass; basal metabolic rate

Антропонутрициология, возникшая на стыке антропологической анатомии и нутрициологии, представляет собой новую самостоятельную ветвь интеграционной медицины, основоположниками которой были крупнейшие анатомы и антропологи Д.А. Жданов и Б.А. Никитюк, и ведущий нутрициолог страны А.А. Покровский [1, 2]. Новое научное направление выявляет и описывает взаимосвязи между антропологическими показателями человека, его пищевым статусом и развитием той или иной патологии. Такой подход позволяет на основании конституциональных особенностей индивида выявлять риски развития определенных нозологических форм у конкретного человека. Сегодня антропометрические параметры и показатели состава тела используют для прогнозирования развития неинфекционных заболеваний, таких как сахарный диабет 2 типа, сердечно-сосудистые заболевания, мочекаменная болезнь [3, 4]. Биоимпедансометрия является одним из методов антропонутрициологии, описывающим абсолютное и относительное количество мышечной и жировой ткани, водных секторов организма. Эти данные могут использоваться не только для оценки риска развития алиментарно-зависимых заболеваний, но и определять тактику ведения пациентов с целью снижения массы тела. Основным методом лечения пациентов с ожирением является диетотерапия, которая рекомендуется как первый, обязательный и постоянный этап лечения [5]. При формировании диетологических рекомендаций в первую очередь учитываются данные о суточных энерготратах человека, в том числе величина основного обмена (ВОО). Эталонными методами оценки основного обмена являются прямая и непрямая калориметрия, однако вследствие высокой стоимости и сложности выполнения эти методы в рутинной практике не применяются, поэтому для косвенной оценки ВОО используют антропометрические параметры. Для расчета ВОО предлагается множество разных формул, как учитывающих, так и не учитывающих особенности компонентного состава тела. Доказано, что активная клеточная масса по функциональной активности и объему оказывает наибольшее влияние на ВОО, так как это понятие включает в себя наиболее энергозатратные ткани организма, в первую очередь мышечную массу. Чем больше в организме человека активной клеточной массы, тем выше энерготраты (включая ВОО, затраты на термогенез и физическую активность) [6].

Оценка компонентного состава тела методом комплексной антропометрии, основанная на определении обхватных размеров тела и толщины кожно-жировых складок [7], трудозатратна и имеет ограничения в применении. Определение компонентного состава тела лучевыми методами (компьютерная, магнитно-резонансная томография) не может рассматриваться в качестве стандартного скрининга в силу экономических ограничений и лучевой нагрузки. Наиболее перспективным для рутинной практики является анализ состава тела на основе биоимпедансометрии. Ранее в исследованиях с участием женщин было продемонстрировано, что при сопоставлении показателей расхода энергии в покое, рассчитанных с применением различных формул, наиболее близкими к данным, полученным в ходе выполнения непрямой калориметрии, были результаты расчета по формулам, учитывающим показатели компонентного состава тела. Причем такая закономерность была справедлива как для лиц с нормальной массой тела, так и для пациентов с избыточной массой тела и ожирением [8].

Одной из основных причин развития избытка массы тела и ожирения является нарушение соответствия между потребляемой и затрачиваемой энергией. Для выработки тактики диетологического лечения таких пациентов необходимо определение суточной потребности в энергии, рассчитываемой на основании ВОО и суммы затрат энергии на конкретные виды деятельности. При этом для взрослых людей с умеренной физической активностью доля ВОО в суточной потребности в энергии составляет от 65%, а с низкой - до 75%.

Изменение образа жизни посредством коррекции питания и расширения объема физических нагрузок является основой лечения пациентов с избыточной массой тела и ожирением. В дополнение к этим рекомендациям у пациентов с ожирением может проводиться медикаментозная терапия. Несмотря на ее успешность, пациентам необходимо придерживаться диетологических рекомендаций длительное время, не только до наступления желаемого результата лечения, но и позже с целью удержания достигнутых показателей массы тела. Отечественные и зарубежные специалисты сходятся во мнении, что в отдельных случаях, когда диетотерапией и медикаментозной терапией невозможно добиться успеха, а индекс массы тела (ИМТ) пациента превышает 35 кг/м², может быть рекомендовано хирургическое лечение. Эффективность хирургического лечения ожирения достаточно высока. Наибольшему количеству пациентов удается добиться значимых эффектов не только в снижении массы тела, но и в уменьшении проявлений алиментарно-зависимых заболеваний, таких как сахарный диабет 2 типа, гиперхолестеринемия, гипертоническая болезнь, и снизить дозы получаемых лекарственных препаратов. Однако постепенное расширение рациона и не соблюдение диетологических рекомендаций может приводить к повторному увеличению массы тела у таких пациентов. Кроме того, в зависимости от объема проведенной операции у пациентов наблюдается дефицит многих витаминов и минеральных веществ, в первую очередь железа, кальция, цинка, меди, магния, фолиевой кислоты, тиамина, цианокобаламина, витамина D, что требует динамического 1 раз в 3-6 мес наблюдения и своевременной диетологической и медикаментозной коррекции. Таким пациентам необходимо диетологическое сопровождение с расчетом суточной энергетической ценности рациона, как до операции, так и после.

При выборе диеты для лечения пациентов с ожирением ключевым моментом является определение энергетической ценности рациона, которая должна напрямую зависеть от суточных энерготрат. Таким образом, изучение ВОО у разных групп пациентов и определение оптимального способа расчета этой величины является важной задачей.

Цель исследования - изучение компонентного состава тела у пациентов в зависимости от пола и ИМТ и выявление оптимальной методики расчета ВОО у пациентов с различной степенью ожирения.

Материал и методы

В исследование были включены данные 338 мужчин в возрасте 39,0±11,9 года и 847 женщин в возрасте 44,0±12,5 года, обратившихся за медицинской помощью в ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии". Сформированы 10 групп в зависимости от половой принадлежности и ИМТ. Отдельно сравнивали показатели основного обмена и компонентного состава тела у мужчин и у женщин с нормальной, избыточной массой тела и ожирением I, II и III степени. Критерий исключения: наличие медицинской документации, подтверждающей состояния и заболевания, которые могли бы повлиять на достоверность получаемых результатов (например, установленных кардиомиостимулятора, металлических протезов клапанов сердца, фиксирующих конструкций из медицинской стали, металлических осколков, попавших в организм в результате травмы, ампутаций конечностей, беременности). Для проведения антропонутрициологической диагностики были выбраны нетрудоемкие исследования, реализуемые в клинической практике при обследовании пациентов в амбулаторных условиях.

Измерение антропометрических показателей проводили по стандартным методикам: длину тела (ДТ) измеряли на ростомере "BSM370" (InBody, Южная Корея) с точностью до 0,5 см, массу тела (МТ) определяли с точностью до 0,1 кг во время биоимпедансного анализа состава тела. Соответствие МТ к ДТ оценивали по показателю ИМТ, который рассчитывали по формуле:

ИМТ = МТ (кг) / ДТ (м)².

Для оценки соответствия ИМТ нормальным значениям применяли классификацию, рекомендованную Всемирной организацией здравоохранения. Компонентный состав тела оценивали методом биоимпедансометрии с использованием мультичастотного анализатора "InBody 770" (InBody, Южная Корея). Определяли количество жировой, скелетно-мышечной массы (СММ) в абсолютных и в относительных величинах, общей, внутриклеточной и внеклеточной жидкости. Исследование проводили натощак или не ранее чем через 2 ч после приема пищи и/или жидкости, в положении стоя [9]. Проводили сравнение ВОО, рассчитанных по формуле Кетч-МакАрдла (1), учитывающей значение безжировой массы тела, представленной в протоколе исследования состава тела на мультичастотном анализаторе "InBody 770", и по формуле Миффлина-Сан-Жеора (2), не учитывающей объем основных энергозатратных тканей организма.

(1) Формула Кетч-МакАрдла:

ВОО (ккал/сут) = 370 + 21,6 × БЖМ (кг),

где БЖМ - безжировая масса тела, т.е. масса тела за вычетом жировой массы.

(2) Формула Миффлина-Сан-Жеора:

Мужчины

ВОО (ккал/сут) =

9,99 × МТ (кг) + 6,25 × ДТ (см) - 4,92 × возраст (г) + 5.

Женщины

ВОО (ккал/сут) =

9,99 × МТ (кг) + 6,25 × ДТ (см) - 4,92 × возраст (г) - 161.

Обработку данных выполняли с использованием программ MS Excel 2021 и Statistica 12. Проверку гипотезы соответствия нормальному распределению проводили с помощью критерия Шапиро-Уилка, для нахождения различий средних значений между группами пациентов применяли парный критерий Стьюдента для 2 зависимых выборок, данные представлены в формате M±σ, где M - среднее арифметическое, σ - стандартное отклонение. Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез принимали p≤0,05.

Результаты и обсуждение

Как известно, питание повышенной калорийности на фоне недостаточных энерготрат приводит к формированию избыточных запасов жировой ткани [10, 11]. Приведение энергетической ценности рациона в соответствие энерготратам организма является ключевой целью лечения пациентов с избыточной массой тела и ожирением. При расчете суточных энерготрат особое место занимает определение ВОО. Разработано около 200 формул расчета этой величины с различными переменными, включающими пол, возраст, массу и длину тела, при этом для получения более точных данных о ВОО актуальным является определение показателей состава тела. Это обусловлено тем, что метаболически активные компоненты состава тела человека, в первую очередь СММ, оказывают существенное влияние на ВОО [12-14].

При одинаковых массе и длине тела (и, следовательно, ИМТ) ВОО у лиц атлетического телосложения на 10-15% выше, чем при избыточном содержании жира в организме [15].

При анализе состава тела методом биоимпедансометрии у мужчин увеличение абсолютного показателя СММ прямо пропорционально росту ИМТ при одновременном уменьшении процентной выраженности СММ у обследуемых от нормальной массы тела к ожирению III степени (табл. 1). При увеличении МТ наблюдается и увеличение СММ, что влечет за собой увеличение ВОО и суточных энерготрат. Существенное преобладание доли жировой массы тела характерно лишь для мужчин с морбидным ожирением. Такие результаты могут объясняться несколькими причинами. Одна из них - существенное снижение физической активности пациентов с ожирением III степени на фоне пониженной толерантности к физическим нагрузкам, что приводит к более быстрому увеличению жировой массы тела по сравнению с СММ [16]. Другими причинами могут являться несбалансированное питание с нарушением структуры рациона по макронутриентам и изменение гормонального статуса на фоне увеличения доли жировой ткани в организме [11, 12].

References

1. Nikityuk D.B. Anthroponutriciology: the development of the ideas of the founders of a new scientific direction. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2020; 89 (4): 82–8. DOI: https://doi.org/10.24411/0042-8833-2020-10044 (in Russian)

2. Nikityuk D.B. Anthroponutritiology as new scientific area. Zhurnal anatomii i gistopatologii [Journal of Anatomy and Histopathology]. 2018; 7 (4): 9–19. DOI: https://doi.org/10.18499/2225-7357-2018-7-4-9-19 (in Russian)

3. Britton K.A., Massaro J.M., Murabito J.M., Kreger B.E., Hoffmann U., Fox C.S. Body fat distribution, incident cardiovascular disease, cancer, and all-cause mortality. J Am Coll Cardiol. 2013; 62 (10): 921–5. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jacc.2013.06.027

4. Kang H.W., Seo S.P., Lee H.Y., Kim K., Ha Y.S., Kim W.T., et al. A high basal metabolic rate is an independent predictor of stone recurrence in obese patients. Investig Clin Urol. 2021; 62 (2): 195–200. DOI: https://doi.org/10.4111/icu.20200438

5. Dedov I.I., Shestakova M.V., Mel’nichenko G.A., Mazurina N.V., Andreeva E.N., Bondarenko I.Z., et al. Interdisciplinary clinical practice guidelines «Management of obesity and its comorbidities». Ozhirenie i metabolism [Obesity and Metabolism]. 2021; 18 (1): 5–99. DOI: https://doi.org/10.14341/omet12714 (in Russian)

6. Janssen I., Heymsfield S.B., Baumgartner R.N. Estimation of skeletal muscle mass by bioelectrical impedance analysis. Am J Clin Nutr. 2000; 89 (2): 465–71. DOI: https://doi.org/10.1152/jappl.2000.89.2.465

7. Tutel’yan V.A., Nikityuk D.B., Baturin A.K. Evaluation of the nutritional status and functional reserves of the body of athletes in order to personalize diets and optimize sports activities at the training stage: Methodological recommendations. Moscow: Pero, 2020. (in Russian)

8. Molina-Luque R., Carrasco-Marín F., Márquez-Urrizola C., Ulloa N., Romero-Saldaña M., Molina-Recio G. Accuracy of the resting energy expenditure estimation equations for healthy women. Nutrients. 2021; 13 (2): 345. DOI: https://doi.org/10.3390/nu13020345

9. Tutel’yan V.A., Nikityuk D.B., S.V. Klochkova, N.T. Alekseeva, I.V. Pogonchenkova, M.A. Rassulova V.A., et al. Using the method of complex anthropometry in sports and clinical practice. Moscow: Sport, 2018. ISBN 978-5‐9500179‐9‐5 (in Russian)

10. Tutel’yan V.A. Healthy food for public health. Obshchestvennoe zdorov’e [Public Health]. 2021; 1 (1): 56–64. DOI: https://doi.org/10.21045/2782-1676-2021-1-1-56-64 (in Russian)

11. Tutel’yan V.A., Pogozheva A.V., Nikityuk D.B. Nutrition and clinical nutrition. National leadership. Moscow: GEOTAR-Media, 2021. ISBN 978-5‐9704‐6280‐5 (in Russian)

12. Mengeste A.M., Rustan A.C., Lund J. Review. Skeletal muscle energy metabolism in obesity. Obesity (Silver Spring). 2021; 29 (10): 1582–95. DOI: https://doi.org/10.1002/oby.23227

13. Vera K., McConville M., Kyba M., Keller-Ross M. Resting metabolic rate in adults with facioscapulohumeral muscular dystrophy. Appl Physiol Nutr Metab. 2021; 46 (9): 1058–64. DOI: https://doi.org/10.1139/apnm-2020-1119/

14. Anthanont P., Levine J.A., McCrady-Spitzer S.K., Jensen M.D. Lack of seasonal differences in basal metabolic rate in humans: a cross-sectional study. Horm Metab Res. 2017; 49 (1): 30–5. DOI: https://doi.org/10.1055/s-0042-107793

15. Nikolaev D.V., Smirnov A.V., Bobrinskaya I.G., Rudnev S.G. Bioimpedance analysis of human body composition. Moscow: Nauka, 2009. (in Russian)

16. Bondareva E.A., Popova E.V., Ketlerova E.S., Kodaneva L.N., Otgon G. Regular physical activity reduces the influence of the A-allele of the FTO gene on the predisposition to obesity in a group of Russian men. Chelovek. Sport. Meditsina [Human. Sport. Medicine]. 2019; 19 (3): 119–24. DOI: https://doi.org/10.14529/hsm190315 (in Russian)

17. Tanner C.J., Barakat H.A., Dohm G.L., Pories W.J., MacDonald K.G., Cunningham P.R., et al. Muscle fiber type is associated with obesity and weight loss. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2002; 282 (6): 1191–6. DOI: https://doi.org/10.1152/ajpendo.00416.2001

18. Gavin K.M., Bessesen D.H. Sex differences in adipose tissue function. Endocrinol Metab Clin North Am. 2020; 49 (2): 215–28. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecl.2020.02.008

19. Popova A.V. The relationship of obesity with the main reproductive indicators in male residents of Novosibirsk. Ozhirenie i metabolism [Obesity and Metabolism]. 2012; 9 (4): 34–8. DOI: https://doi.org/10.14341/2071-8713-5127 (in Russian)

20. Sishi B., Loos B., Ellis B., Smith W., du Toit E.F., Engelbrecht A.-M. Diet-induced obesity alters signalling pathways and induces atrophy and apoptosis in skeletal muscle in a prediabetic rat model. Exp Physiol. 2011; 96 (2): 179–93. DOI: https://doi.org/10.1113/expphysiol.2010.054189

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.