Анализ выдыхаемого воздуха помогает контролировать метаболизм жиров

В мире 43% взрослых и 20% детей страдают от избыточного веса или ожирения, что является фактором риска развития диабета, сердечно-сосудистых заболеваний и рака. Портативный прибор Nutrion для анализа выдыхаемого воздуха, созданный швейцарскими исследователями, позволяет следить за сжиганием жира в режиме реального времени. Человек, стремящийся похудеть, может наблюдать за своим прогрессом без необходимости ждать несколько недель, чтобы увидеть изменения на весах. 

Один из биохимических путей утилизации жира — это поддержание в организме кетоза, то есть метаболического состояния, при котором свободные жирные кислоты метаболизируются в печени. Это состояние достигается с помощью низкоуглеводных диет и (или) интенсивных физических упражнений. Однако существующие портативные приборы для анализа дыхания не могут достоверно выявить кетоз. Есть точные методы измерения количества жира в организме, позволяющие обнаружить даже незначительную динамику, такие как МРТ и сканирование состава тела, однако они могут быть выполнены только в клинике. Уровень кетонов можно измерить в крови, но это инвазивный метод.

Исследователи из Федерального технологического института (ETH Zurich), Цюрихского университетского госпиталя и швейцарской компании Alivion AG (дочерняя компания ETH) разработали анализатор дыхания, который измеряет уровень ацетона, побочного продукта расщепления жирных кислот. Свободные жирные кислоты в печени превращаются в ацил-КоА, который затем окисляется в митохондриях до ацетил-КоА. Избыток ацетил-КоА образует ацетоацетат, который либо восстанавливается до β-гидроксибутирата (BOHB) — циркулирующего кетонового тела, которое обычно и измеряется в крови для оценки кетоза, либо декарбоксилируется до ацетона.

Та же научная группа в 2017 году описала метод детекции летучего ацетона с помощью чипа, покрытого наночастицами из допированного кремнием триоксида вольфрама WO₃. Наночастицы связывают ацетон, и при этом изменяется сопротивление сенсора. Изначально предполагалось использовать датчик для диагностики диабета, развитие которого также сопровождается увеличением концентрации ацетона в выдыхаемом воздухе, однако прибор оказался достаточно чувствительным, чтобы детектировать гораздо более слабые изменения концентрации, сопровождающие физическую активность.

Разработчики отмечают, что точность нового устройства повышает простое приложение для смартфона, который можно подключить к Nutrion через Bluetooth: диаметр круга на экране помогает пользователю поддерживать оптимальную силу выдоха. Кроме того, воздух проходит через сорбционную колонку, где ацетон очищается от мешающих соединений (на показания могут влиять влажность воздуха и другие компоненты, например, связанные с диетой) и только потом попадает на хеморезистивный датчик.

При калибровке устройства через него продували воздух, содержащий ацетон в концентрациях 0,5–25 ppm и сравнивали с показаниями масс-спектрометра с времяпролетным детектированием (PTR-MS) — эта высокоточная методика считается золотым стандартом анализа выдыхаемого воздуха. Портативное устройство показало хорошее соответствие измерениям PTR-MS, высокую воспроизводимость и низкую межприборную вариабельность.

Затем провели исследования на 12 здоровых добровольцах, которые проходили программы высокоинтенсивных и низкоинтенсивных физических упражнений в сочетании с различными вариантами диет, богатыми углеводами или кетогенными, или же придерживались той или иной диеты без дополнительных физических нагрузок. У них регулярно измеряли содержание ацетона в выдыхаемом воздухе с помощью портативного прибора или PTR-MS, а также определяли уровень BOHB в крови из пальца. Параллельно, чтобы контролировать влияние углеводной диеты, измеряли глюкозу в межклеточной жидкости.

Во время легких упражнений с последующим приемом пищи, богатой углеводами, уровень ацетона в выдыхаемом воздухе оставался низким, то есть основным источником энергии были углеводы, а не жиры. Напротив, когда участник завершал упражнения высокой интенсивности, уровень ацетона поднимался, но снижался после приема высокоуглеводной пищи. Если еда была богата жирами, концентрация ацетона оставалась повышенной, а если человек не ел после тренировки, она продолжала расти.

Примечательно, что динамика уровня ацетона (и следовательно, метаболизма жиров) различалась у разных индивидов. Например, у двух из пяти человек она была существенно выше, чем у остальных, как до, так и после интенсивной тренировки и жирной пищи, хотя у тех и других концентрация выросла в 5–10 раз.

В этой работе участвовали только здоровые люди. Однако руководитель исследования Андреас Гюнтнер заявил, что команда планирует масштабные клинические исследования при участии людей с метаболическими заболеваниями, чтобы в итоге получить разрешение регуляторов на медицинское использование устройства. «Потребности пациентов с хроническими заболеваниями могут отличаться от потребностей спортсменов или людей, соблюдающих программы по снижению веса», — говорит Гюнтнер. В настоящее время Nutrion используется в международных исследовательских проектах и медицинских учреждениях; для расширения масштабов применения Alivion ищет отраслевых партнеров и стратегических инвесторов.

В итоге это устройство может помочь контролировать диеты, лечение метаболических расстройств, таких как диабет, в том числе с применением агонистов рецептора GLP-1, и кетогенную терапию при эпилепсии.

Эффект «йо-йо» при похудении связан с эпигенетической памятью адипоцитов