Bestimmung der Effizienz der Energieverwertung bei der. Differentialdiagnose von Energiestoffwechselstörungen in der klinischen Praxis

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1 Original: DIABETES UND STOFFWECHSEL 4 (1995) Sonderheft Mai Bestimmung der Effizienz der Energieverwertung bei der Differentialdiagnose von Energiestoffwechselstörungen in der klinischen Praxis J. Steiniger Krankenhaus Berlin-Buch, V. Innere Klinik-Naturheilverfahren Zusammenfassung: Bestimmung der Effizienz der Energieverwertung bei der Differentialdiagnose von Energiestoffwechselstörungen in der klinischen Praxis Fragestellung: Die Effizienz der Energieverwertung des Menschen kann durch die Bestimmung des Ruhe-Nüchtern-Energieumsatz (RNU) und der postprandialen Thermogenese (ppth) charakterisiert werden. Wir haben daher untersucht, ob RNU und ppth als objektive Indikatoren der Energieverwertung in einem klinischen Testverfahren zur Differentialdiagnose von Energie- und Stoffwechselstörungen (Adipositas und assoziierte Erkrankungen) genutzt werden können. Patienten und Methodik: Energie- und Substratverwertung wurden indirekt kalorimetrisch mit Hilfe einer Respirationskammer bestimmt. In einem standardisierten Testverfahren wurden 48 gesunde Versuchspersonen und 68 Patienten mit verschiedenen diagnostischen Fragestellungen und möglichen Unterschieden in der Energieverwertung untersucht. Ergebnisse: Die Differenzierung zwischen Personen mit normaler und erhöhter bzw. erniedrigter Effizienz der Energieverwertung erfolgte mit Hilfe einer nichtelementaren Diskriminanzanalyse mit den Parametern RNU und ppth. Erhöhte Werte wurden bei anamnestischen guten Futterverwertern" und bei Hyperinsulinämie, normale beim Picknick-Syndrom und bei Hyperphagie sowie erniedrigte bei Anorexia nervosa und essentieller Hypertonie gefunden. Drei konkrete Fallbeispiele werden diskutiert. Schlufsfolgerungen: Das vorgestellte objektive Testverfahren kann in der klinischen Praxis zur Differentialdiagnose von Energiestoffwechselstörungen herangezogen werden. Schlüsselwörter: Energiestoffwechsel - Effizienz der Energieverwertung - Thermogenese - Indirekte Kalorimetrie Adipositas Summary: Estimation of energetic efficiency for differential diagnosis disturbed energy metabolism in clinical practice Introduction: Energetic efficiency of man can be characterized by resting metabolic rate (RMR) and postprandial thermogenesis (ppth). We studied whether RMR and ppth can be used in a clinical test for differential diagnosis of energetic or metabolic disturbances (Obesity and associated diseases as diabetes mellitus e.g.). Methods and Subjects: Energy and Substrate utilization were estimated by means of indirect calorimetry using a respiratory chamber. A standardized test was performed in 116 subjects: RMR was measured 2 hours before and ppth at least 6 hours after a test meal (300 g of skimmed curd = l MJ Casein). 48 healthy subjects without metabolic diseases were used as reference group of normal energetic efficiency and compared to 68 patients with several diagnostic questions and probable different energetic efficiency. Results: Differentiation between normal and increased or decreased energetic efficiency was made by means of a non-elementary discriminant analysis using RMR and ppth of the reference group as basic values. Increased energetic efficiency was observed in small eaters or hyperinsulinemia, normal one in Pickwick Syndrome, simply overeating obese and decreased one in Anorexia nervosa and essential hypertension (normal weight). Also, a few example cases of clinical importance will be discussed in view of their therapeutically consequences. Conclusion: Indirect calorimetric estimation of RMR and ppth can be applied in clinical practice for differential diagnosis between normal or disturbed processes of energy metabolism. Keywords: Energy metabolism - Energetic efficiency -Thermogenesis - Indirect Calorimetry - Obesity

2 Einleitung Die Adipositas wird im allgemeinen als pathogenetischer Faktor einer ganzen Reihe von Stoffwechselstörungen angenommen. Zu diesen, auch als metabolisches Syndrom zusammengefaßten Erkrankungen, gehören z. B. Diabetes mellitus, Hyperurikämie, Hyperlipidämie, Arteriosklerose, Hypertonie und Herz-Kreislauf -Krankheiten. In neuerer Zeit mehren sich jedoch die Hinweise dafür, daß die Adipositas nicht primär die Ursache für diese Erkrankungen zu sein scheint. Die Adipositas wird zunehmend als Bestandteil des metabolischen Syndroms angesehen, dessen Pathogenese durch eine Stoffwechsellage beeinflußt wird, die durch eine besonders effektive Energieverwertung charakterisiert ist Solch eine sparsame Energieverwertung kann angenommen werden bei: adipösen Personen, die trotz normaler oder eingeschränkter Nahrungsenergieaufnahme im Vergleich zu ihrem theoretischen Bedarf stark an Gewicht zunehmen normalgewichtigen Personen, die zur Aufrechterhaltung ihres Gewichtes weniger Nahrung aufnehmen müssen, als ihrem theoretischen Bedarf entsprechen würde. Personen mit solch hocheffektiver Energieverwertung ( gute Futterverwerter") zeigen sowohl bei Normalgewicht als auch bei Adipositas ein höheres Risiko für die Krankheiten innerhalb des metabolischen Syndroms (4). Es ist daher sehr wichtig, solche Risikopersonen - auch Normalgewichtige - objektiv zu identifizieren um geeignete therapeutische und/oder prophylaktische Maßnahmen einzuleiten. Untersuchungen zum Verhalten des Körpergewichtes bei definierter Nahrungsenergiezufuhr zur experimentellen Bestimmung des wirklichen Energiebedarfs wären jedoch sehr aufwendig. Es wurde daher nach indirekten und meßbaren Indikatoren gesucht, die die Verhältnisse im Energiehaushalt eindeutig widerspiegeln und für ein praktisches, statistisch gesichertes Testverfahren zur Charakterisierung von Risikopersonen des metabolischen Syndroms geeignet sind. Als indirekter Indikator zur Charakterisierung der Energieverwertung haben sich der Ruhe-Nüchtern- Umsatz und die postprandiale Thermogenese erwiesen (3, 5, 8). Auch unsere eigenen Untersuchungen (5, 8) an normalgewichtigen und adipösen Personen bei gleicher Nahrungsaufnahme aber unterschiedlichem Körpergewichtsverhalten (Gewichtskonstanz (K) oder Gewichtszunahme (HE)) sprechen für die postprandiale Thermogenese als geeigneten Indikator der Effizienz der Energieverwertung. Das dabei gewonnene Datenmaterial stellt die statistische Grundlage zur Ausarbeitung eines Testverfahrens für die klinische Stoffwechseldiagnostik zur Identifizierung und Charakterisierung von Risikopersonen des metabolischen Syndroms dar, daß in der vorliegenden Arbeit vorgestellt wird. Methodik Versuchspersonen Die Versuchspersonen wurden anhand des Verhältnisses zwischen Nahrungsenergieaufnahme und Körpergewichtsverhalten vorcharakterisiert und in zwei Gruppen eingeteilt: HE = hocheffektive und K = normale Energieverwertung (Tab. 1). Bestimmung des Energieumsatzes mittels indirekter Kalorimetrie Der Energieumsatz (EU) wurde mit Hilfe der Methodik der computergestützten indirekten Respirationskalorimetrie im offenen System durch die kontinuierliche Registrierung des Sauerstoffverbrauches (VO 2 ) und der Kohlendioxidproduktion (VCO 2 sowie der periodischen Erfassung der Stickstoffexkretion (N ex ) im Urin über 8 Stunden bestimmt (2, 6, 7, 9). EU = 15,91 * VO 2 + 5,23 * VCO 2-6,93 * N ex [kj] [l] [l] [g] Der Patient befand sich in einer ca. 7 m 3 großen, hermetisch verschließbaren und klimatisierten Stoffwechselkammer, durch die ein konstanter Luftstrom von ca. 100 l/min erzeugt wurde. Die Konzentrationen der Atemgase (0, und CO ) wurden in der ein- und ausströmenden Luft kontinuierlich durch physikalische Gasanalyse verfolgt und zusammen mit den gemessenen Zustandsgrößen der Luft (Temperatur, Feuchte und Druck) zur Auswertung an einen Prozeßrechner übertragen (Abb. 1).

3 Tabelle 1 Charakterisierung der Probandengruppen Energieverwertung hocheffektiv (HE) (n = 58) normal (K) Kontrolle (n = 48) Nahrungsaufnahme weniger als 80 % des individuellen Bedarfs mehr als 100 % des individuellen Bedarfs Gewichtsverhalten adipöse Personen mit Gewichtsanstieg von 10 bis 30 kg im Jahr normalgewichtige Personen mit eingeschränkter Ernährung zur Aufrechterhaltung des Normalgewichtes adipöse Personen in der statischen Phase der Gewichtsentwicklung normalgewichtige Personen mit normaler oder erhöhter Nahrungsaufnahme bei Gewichtskonstanz Meßluft Respirationskammer Nahrung O 2 CO 2 H 2 O N (Urin) Frischluft Klimatisierung Kontinuierliche physikalische Gasanalyse Sauerstoff Kohlendioxid Meßsystem Kontinuierliche Registrierung von Temperatur Luftdruck Luftfeuchte Luftdurchstrom Prozeßrechner VO2 VCO2 RQ EU Abbildung 1 Schema der Respirationsanlage zur indirekten Kalorimetrie im offenen System

4 Durchführung der Untersuchungen Uhr: RNU Bestimmung des Sauerstoffverbrauches und der Kohlendioxidproduktion unter Ruhe-Nüchtern- Bedingungen (Urin-Sammelperiode 1) Uhr: genau definierte Testmahlzeit (l MJ Kasein : 300 g Magerquark) Uhr: ppth Bestimmung des postprandialen Gaswechsels nach Nahrungsaufnahme (Urin-Sammelperiode 2) Die folgenden Parameter dienten als Indikatoren der Effizienz der Energie- und Nährstoffverwertung und der Risikofaktoren des metabolischen Syndroms: Der Ruhe-Nüchtern-Umsatz (RNU) ergibt sich aus dem Energiebedarf des Organismus zur Aufrechterhaltung seiner Struktur (ständiger Auf- und Abbau der Körpersubstanzen) und Funktionsfähigkeit der Organsysteme. Der gemessene Ruhe- Nüchtern-Energieverbrauch wird in Prozent eines Sollwertes (nach Kleiber [2]) ausgedrückt. Dieser Sollwert wurde unter Berücksichtigung von Geschlecht, Körpergewicht, Körperhöhe und Alter ermittelt. Die postprandiale Thermogenese (ppth) ist der Energiebedarf der für die Verwertung der aufgenommenen Nährstoffe (Transport, Umwandlung und Speicherung) benötigt wird. Dieser Energiemehrbedarf spiegelt sich wieder in einem Anstieg des Energieumsatzes nach Aufnahme einer Testmahlzeit (postprandialer Umsatz (PPU)). Der kumulative Energiemehrverbrauch in kj innerhalb 6 Stunden nach der Testmahlzeit wurde ebenfalls auf einen Sollwert bezogen und in Prozent ausgedrückt. Dieser Sollwert (295 kj/5 h) wurde experimentell an Personen mit normalen Stoffwechselverhältnissen gewonnen (8). Die statistische Auswertung erfolgte mit Hilfe des Programmpaketes SPSS/PC Ergebnisse Personen mit hocheffektiver Nahrungsenergieverwertung (HE) zeigten sowohl einen verminderten Ruhe-Nüchtern-Umsatz in Bezug zu ihrem Sollwert als auch eine deutlich eingeschränkte nahrungsinduzierte Thermogenese (Tab. 2). In der Abbildung 3 ist der Verlauf des postprandialen Anstieges im Energieumsatz (dppu) als Differenz zum RNU vor der Testmahlzeit dargestellt. Die Personen der HE-Gruppe weisen sowohl eine geringere Reaktivität (61,80± 40,20 kj/h vs. 91,8 ± 33,60 kj/ h, p < 0,001) als auch eine kürzere Dauer der Reaktion auf. Die postprandiale Thermogenese ergibt sich kumulativ aus dem postprandialen Anstieg über 6 Stunden nach der Testmahlzeit und erreicht in der HE-Gruppe nur 141 ± 51 kj gegenüber 294 ± 56 kj, p < 0,001). Tabelle 2 Ruhe-Nüchtern-Energieumsatz in kj/d und postprandiale Thermogenese in kj/6h bei 2 Gruppen mit unterschiedlich effektiver Energieverwertung hocheffektiv (n = 68) Kontrolle (n = 48) p < RNU [kj/d] 8480 ± ± ,05 RNU (Soll) 9370 ± ± ,001 RNU% 90,5 ± 7,8 103,1 ± 8,6 0,001 ppth [kj/6h] ± 50,8 293,6 ± 55,8 0,001 ppth% 48,0 ± 17,9 100,0 ± 19,0 0,001 RNU% und ppth% siehe Text

5 Beurteilung der Ergebnisse Beide Parameter (RNU% und ppth%) werden über 2 nichtelementare kanonische Diskriminanzfunktionen miteinander verbunden und die erhaltenen Objektkoordinaten X und Y dienen der Beurteilung des Energiehaushaltes der untersuchten Patienten. Standardisierung: (X-MX)/SX, n = 116 R% = (RNU% - 98,7)/9,3 und T% = (ppth% - 77,1)/26,8 Objektkoordinaten: X = 0,72 * R% + 1,69 * T% und Y = -1,04 * R% + 0,76 * T% Die Eingruppierung (normale [K) oder hocheffektive [HE] Energieverwertung) ist durch Eintragen der Objektkoordinaten grafisch möglich (Abb. 3). Nur 6 der 116 Versuchspersonen wurden mit Hilfe der kanonischen Diskriminanzfunktionen nicht korrekt in ihre jeweils vorbestimmten Gruppen klassifiziert. Das entspricht einem Diskriminationsfehler von ca. 5 % (Lachenbruch- und Resubstitutionsmethode). Abbildung 2 Anstieg des Energieumsatzes (dppu) und kumulative postprandiale Thermogenese über 6 Stunden nach einer Testmahlzeit von 300 g Magerquark

6 Abbildung 3 LDA-Display und 95%-Konfidenzkreise der nichtelementaren Diskriminanzanalyse von Personen mit unterschiedlich effektiver Energieverwertung (Die Zahlen entsprechen den Fallbeispielen 1-3 aus Tabelle 3-5) Diskussion Ruhe-Nüchtern-Energieumsatz und postprandiale Thermogenese nach Aufnahme von l MJ Casein können als Indikatoren der Effizienz der Energieverwertung angesehen werden. Die Zusammenführung beider Parameter in einer nicht-elementaren Diskriminanzanalyse führt zu einer objektiven Unterscheidung zwischen Patienten mit normaler, erhöhter oder verminderter energetischer Effizienz. Auf der Grundlage dieser wissenschaftlich-statistischen Basis sehen wir das o. g. Testverfahren als geeignet zur Anwendung bei der Differentialdiagnose von Energiestoffwechselstörungen in der klinischen Praxis an. Eine erhöhte Effizienz der Energieverwertung ist charakteristisch für Patienten mit Hyperinsulinämie und für sog. gute Futterverwerter, während hyperphage Adipöse und Patienten mit Pickwick-Syndrom normale Stoffwechselverhältnisse aufweisen. Bei Anorexia nervosa und normalgewichtigen Personen mit essentieller Hypertonie sind RNU und ppth als Zeichen einer verminderten Effizienz der Energieverwertung erhöht. Im folgenden sollen 3 Beispiele von Stoffwechseluntersuchungen diskutiert werden. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse bei einem jungen Mädchen von 15 Jahren, die trotz normaler Nahrungsaufnahme mehr als 20 kg im Jahr vor der Untersuchung an Gewicht zugenommen hatte. Außerdem konnte bei einer stationären Reduktionskost von 1000 kcal/d keine Gewichtsabnahme erreicht werden. Der gemessene Energiebedarf unter Ruhebedingungen betrug nur ca. 70 % des individuellen Sollwertes und die postprandiale Thermogenese nur 50 % des Normalwertes. Die gefundene sehr hohe energetische Effizienz wurde bedingt durch eine sehr sparsame Nahrungsverwertung und einen extrem niedrigen RNU. Als therapeutische Konsequenz wurde eine strenge Reduktionskost von 300 kcal/d mit intensivem körperlichen Ausdauertraining in unserer Klinik empfohlen. Das 2. Beispiel (Tab. 4) zeigt das genaue Gegenteil. Der Energiestoffwechsel des 11 jährigen Mädchens erwies sich als völlig normal. Als Ergebnis eines Gespräches wurde deutlich, daß die Patientin sehr oft auf sich allein angewiesen war. Fernsehen und Essen waren die einzigen Freizeitaktivitäten. In der folgenden Aussprache mit den Eltern wurde eine ambulante Gewichtsreduktion mit begleitender psychologischer und soziologischer Betreuung empfohlen.

7 Im 3. Beispiel (Tab. 6) werden die Ergebnisse einer Frau diskutiert, die angab, trotz ihres Untergewichtes sehr viel zu essen, so daß sich der Verdacht einer Anorexia nervosa bzw. einer Maldigestion oder -absorption ergab. Die Meßergebnisse jedoch deuteten auf völlig normale Stoffwechselverhältnisse hin. In der sich anschließenden Auswertung der Untersuchung bekannte die Patientin, daß bestehende familiäre Probleme mit einer vorgetäuschten Krankheit kompensiert werden sollten. Eine psychotherapeutische Betreuung wurde empfohlen und erfolgreich durchgeführt. In allen 3 gezeigten Fällen war die objektive Diagnose der Stoffwechselverhältnisse und der Ernährungssituation äußerst hilfreich für das Gespräch mit dem Patienten, für das Verständnis- bzw. Eingeständnis bestehender persönlicher Probleme und für die sich ergebende Therapie. Tabelle 3 Fallbeispiel 1 16-jähriges Mädchen, extrem übergewichtig, starker Gewichtsanstieg bei normaler" Ernährung Stoffwechseluntersuchung am Name: R.S. Alter: 16 Jahre, Körperhöhe: 171 cm, Körpergewicht: kg, BMI: 40.7 kg/m 2 Optimalgewicht: 63.4 kg nach Moehr (Mitteltyp) Übergewicht: 55.0 kg = 87% Ruhe-Nüchtern-Energieverbrauch: Sollwert (nach Kleiber): kj/d = 2408 kcal/d (bei aktuellem Körpergewicht) Meßwert: 6944 kj/d = 1660 kcal/d = 69 % Soll Stimulierung des Stoffwechsels durch Nahrungsaufnahme: Testmahlzeit: 340 g Magerquark (1050 kj = 250 kcal) Postprandiale (nahrungsinduzierte) Thermogenese Sollwert: 294 kj/6h über nüchtern Meßwert: 151 kj/6h = 51,4 % Soll Einschätzung: Patientin mit endogenem Sparstoffwechsel und metabolisch mitbedingter Adipositas durch sehr sparsame Nahrungsenergieverwertung (stark reduzierte Thermogenese) und extrem verminderten basalen Energiebedarf (sehr stark reduzierter Grundumsatz). Täglicher Energiebedarf 7280 k) (1740 kcal) bei leichter bzw kj (1980 kcal) bei mittelschwerer körperlicher Tätigkeit. Empfehlung: Es wird eine stationäre Gewichtsreduktion mit strenger Kalorienreduktion und körperlichem Ausdauertraining unter ärztlicher Kontrolle empfohlen.

8 Tabelle 4 Fallbeispiel 2 Stoffwechseluntersuchung am Name: J. M. 11 jähriges, stark adipös wirkendes Mädchen, verstört und weinerlich Alter: 11 Jahre, Körperhöhe: cm, Körpergewicht: 55.2 kg, BMI: 30.7 kg/m2 Optimalgewicht: 41.5 kg nach Moehr (Mitteltyp) Übergewicht: 14.0 kg = 33% Ruhe-Nüchtern-Energieverbrauch: Sollwert [nach Kleiber]: 6364 kj/d = 1521 kcal/d (bei aktuellem Körpergewicht) Meßwert: 6708 kj/d = 1603 kcal/d = 105,4 % Soll Stimulierung des Stoffwechsels durch Nahrungsaufnahme: Testmahlzeit: 300 g Magerquark (1050 kj = 250 kcal) Postprandiale (nahrungsinduzierte) Thermogenese Sollwert: 294 kj/6h über nüchtern Meßwert: 294 kj/6h = 100 % Soll Einschätzung: Patientin mit normalen Stoffwechselverhältnissen und alimentärer Adipositas. Täglicher Energiebedarf 7330 kj (1750 kcal) bei leichter bzw kj (2000 kcal) bei mittelschwerer körperlicher Tätigkeit. Empfehlung: Es wird eine ambulante Gewichtsreduktion mit psychotherapeutischer Betreuung unter Einbeziehung der Eltern empfohlen.

9 Tabelle 5 Fallbeispiel 3 Magersüchtige Patientin, gibt an, sehr viel zu essen und nicht zuzunehmen. Verdacht auf Anorexia nervosa oder Malassimilationssyndrom Stoffwechseluntersuchung am Name: N. N. Alter: 37 Jahre, Körperhöhe: 171 cm, Körpergewicht: 48.5 kg, BMI: 16,6 kg/m 2 Optimalgewicht: 63.4 kg nach Moehr (Mitteltyp) Untergewicht: 15.0 kg = -24% Ruhe-Nüchtern-Energieverbrauch: Sollwert [nach Kleiber]: 5889 kj/d = 1408 kcal/d (bei aktuellem Körpergewicht) Meßwert: 6740 kj/d = 1628 kcal/d (bei Normalgewicht) 5885 kj/d = 1406 kcal/d = 100 % Soll = 86 % Soll (bei Normalgewicht) Stimulierung des Stoffwechsels durch Nahrungsaufnahme: Testmahlzeit: 300 g Magerquark (1050 kj = 250 kcal) Postprandiale (nahrungsinduzierte) Thermogenese Sollwert: 294 kj/6 h über nüchtern Meßwert: 312 kj/6 h = % Soll Einschätzung: Patientin mit normalen Stoffwechselverhältnissen. Keine Erhöhung des Energieumsatzes als Anzeichen einer Anorexie, keine verminderte Thermogenese als Anzeichen von Assimilationsstörungen, normale Nahrungsverwertung. Täglicher Energiebedarf 6470 kj (1550 kcal) bei leichter bzw kj (1 760 kcal) bei mittelschwerer körperlicher Tätigkeit bei aktuellen Körpergewicht. Empfehlung: psychotherapeutische Beratung und Betreuung Literaturverzeichnis 1. Karst H, Möhr M: Die Ernährung fettsüchtiger und normalgewichtiger Männer und Frauen aus 6 Bezirken der DDR. Z ges Hyg 26 (1981) Kleiber M: Der Energiehaushalt von Mensch und Haustier. Parey, Hamburg (1957) 3. Morgan JB, York DA, Wasilewska A, Portman J: A study to the thermic response to a meal and a sympathomimetic drug (ephedrine) in relation to energy balance in man. Br J Nutr 47 (1982) Noack R, Steiniger J, Karst H, Steglich HD: Energieverwertung und Risikofaktoren für Herz- Kreislauf-Krankheiten Z. Klin. Med. 41 (1986), Noack R, Leopold F. Frenz U, Rehorek A. Remke H, Steiniger J: Energieverwertung und metabolisches Syndrom. Ernährungsforschung 34 (1989) Steiniger, J: Meßsystem zur Registrierung des Gesamtenergiestoffwechsel des Menschen, medizintechnik 24 (1984) Steiniger J: Neue Aspekte bei der Bestimmung von Energie- und Substratumsätzen mittels indirekter Kalorimetrie. In: (U. Spahn ed): Aktuelle Probleme der Ernährung im Kindesalter Wiss. Beiträge der Friedrich-Schiller-Universität Jena (1990) Steiniger J, Karst H, Noack R, Steglich HD: Diet-induced thermogenesis in man: Thermic effects of single protein and carbohydrate test meals in lean and obese subjects. Ann Nutr Metab 31 (1987) Steiniger J, Noack R: Bestimmung von Energie- und Substratumsätzen mittels indirekter Kalorimetrie. Z med Lab-diagnostik 29 (1988) 17-27