PAINONPUDOTUKSEN VAIKUTUS ENERGIANKULUTUKSEEN JA KUDOSTEN GLUKOOSIN KÄYTTÖÖN
Annikki Ahonen Ravitsemustiede Itä-Suomen yliopisto
Terveystieteiden tiedekunta Lääketieteen laitos
Kansanterveystieteen ja kliinisen ravitsemustieteen yksikkö
30.4.2021
Itä-Suomen yliopisto, Terveystieteiden tiedekunta Lääketieteen laitos
Ravitsemustieteen koulutusohjelma
Ahonen, Annikki A.: Painonpudotuksen vaikutus energiankulutukseen ja kudosten glukoosin käyttöön
Pro gradu -tutkielma, 74 sivua
Ohjaajat: professori Kirsi Virtanen, professori Marjukka Kolehmainen Huhtikuu 2021
Asiasanat: ravitsemustiede, painonpudotus, energiankulutus, rasvakudos, kudosten glukoosinkäyttö
PAINONPUDOTUKSEN VAIKUTUS ENERGIANKULUTUKSEEN JA KUDOSTEN GLUKOOSIN KÄYTTÖÖN
Tässä tutkielmassa selvitetään painonpudotuksen vaikutusta energiankulutukseen ja kudosten glukoosin käyttöön. Lihavat (BMI 34,8 ± 2,5 kg m2)tutkittavat (n = 20) osallistuivat viisi kuukautta kestävään painonpudotusohjelmaan, joka aloitettiin kuuden viikon mittaisella ENE-dieetillä.
Tutkittavilta mitattiin kehonkoostumus kaksienergiaisella röntgenabsorptiometrillä, perusaineenvaihdunta epäsuoralla kalorimetrialla ja kudosten glukoosin käyttö PET- kuvantamisen avulla. Tutkittavien paino laski keskimäärin 12,3 ± 5,3 kg. Perusaineenvaihdunta pieneni merkitsevästi (p = 0,001). Ihonalaisen ja vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen energiankulutukset pienenivät merkitsevästi (p = 0,011 ja p < 0,001), mutta ainoastaan vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen energiankulutuksen osuus perusaineenvaihdunnasta pieneni merkitsevästi (p = 0,001). Naisten ihonalaisen rasvakudoksen energiankulutus pieneni, kun miehillä se hieman suureni. Ero sukupuolten välillä oli tilastollisesti merkitsevä (p = 0,022), mutta merkitsevää eroa ei enää havaittu sukupuolten välillä, kun tarkasteltiin ihonalaisen rasvakudoksen energiankulutuksen muutosta perusaineenvaihdunnan tasolla (p = 0,072).
Vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen energiankulutuksessa ei ollut sukupuolten välillä merkitsevää eroa. Sukupuolten välillä ei ollut eroja ihonalaisen rasvakudoksen massassa lähtötilanteessa eikä massan pienenemisessä painonpudotuksen myötä. Sen sijaan vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen massa lähtötilanteessa oli miehillä merkitsevästi suurempi kuin naisilla ja
sen määrä myös pieneni merkitsevästi enemmän. Vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen ja ihonalaisen rasvakudoksen välillä näyttäisi olevan toiminnallinen yhteys, mutta selkeitä syy- yhteyksiä on vaikea osoittaa ja etenkin mitokondriaalisella tasolla tieto aiheesta on vähäistä.
Tulevaisuudessa olisi tärkeää tutkia lisää painonpudotuksen vaikutusta energia- aineenvaihduntaan, huomioiden erityisesti kudostason vaikutukset. Lihavuuden taustamekanismien ymmärtämiseksi ja sen hoidon kehittämiseksi olisi tärkeää ymmärtää vielä paremmin rasvakudoksen roolia energia-aineenvaihdunnan muutosten taustalla.
University of Eastern Finland, Faculty of Health Sciences School of Medicine
Institute of Public Health and Clinical Nutrition
Ahonen, Annikki A.: The effect of weight loss on energy expenditure and glucose uptake Master’s Thesis, 74 pages
Supervisors: Kirsi Virtanen, professor, Marjukka Kolehmainen, professor April 2021
Keywords: Nutrition, weight loss, energy expenditure, adipose tissue, glucose uptake
THE EFFECT OF WEIGHT LOSS ON ENERGY EXPENDITURE AND GLUCOSE UPTAKE
The purpose of this study was to evaluate the impact of weight loss on energy expenditure and glucose uptake in the adipose tissue. In this study, 20 obese subjects (BMI 34,8 ± 2,5 kg m2) participated in a 5-month weight loss program starting with a 6-week modified very-low-calorie diet phase. Body composition was measured with dual-energy X-ray absorptiometry (DXA), basal metabolic rate with indirect calorimetry and glucose uptake with positron emission tomography imaging. The subjects’ weight loss was 12,3 ± 5,3 kg on average. Basal metabolic rate decreased significantly (p = 0,001). Energy expenditure in subcutaneous fat and visceral fat decreased significantly (p = 0,011 and p < 0,001), but only visceral fat’s energy expenditure’s portion of metabolic rate decreased significantly (p = 0,001). The energy expenditure of subcutaneous fat decreased in women but increased slightly in men. The difference between the genders was significant (p = 0,022). However, when the changes in energy expenditure in the subcutaneous fat was examined on the basal metabolic rate level, there was no significant difference between the genders (p = 0,072). There was no significant difference in visceral fat energy expenditure between the genders. Subcutaneous fat mass in baseline and its change after weight loss was similar between the genders. Men’s visceral fat mass at baseline was greater than women’s and it also decreased significantly more than women’s visceral fat mass. There seems to be a
functional link between subcutaneous fat and visceral fat, but it’s difficult to demonstrate clear causal relations between these adipose tissues, especially on a mitochondrial level. More information is needed on the effect of weight loss on energy metabolism, especially on adipose
tissue level. To better understand the mechanisms behind obesity and develop the treatment of it, it is essential to investigate further the role of the adipose tissue in the changes of energy metabolism.
SISÄLTÖ
1 JOHDANTO ... 7
I KIRJALLISUUSKATSAUS ... 9
2 LIHAVUUDEN VAIKUTUS KUDOSTEN GLUKOOSIN KÄYTTÖÖN ... 9
2.1 Kudosten glukoosin käyttö ... 9
2.1.1 Insuliiniresistenssi ... 11
2.1.2 Kudosten glukoosin käytön kuvantaminen ... 12
2.2 Lihavuuden vaikutus lihaskudoksen toimintaan ... 13
2.3 Lihavuuden vaikutus valkoisen rasvakudoksen toimintaan ... 14
2.3.1 Rasvakudoksen endokriiniset vaikutukset ... 15
2.3.2 Lihavuus ja valkoinen rasvakudos ... 16
2.3.3 Vatsaontelon sisäinen ja ihonalainen rasvakudos ... 17
2.4 Lihavuuden vaikutus ruskean rasvakudoksen toimintaan ... 19
2.4.1 Ruskean rasvakudoksen rakenne ja toiminta ... 19
2.4.2 Lihavuus ja ruskea rasvakudos ... 22
2.5 Rasvakudoksen mitokondrioiden toiminta ... 23
2.5.1 Mitokondrioiden toiminnan häiriintyminen ... 24
2.5.2 Lihavuus ja mitokondrioiden toiminta ... 25
3 PAINONPUDOTUKSEN VAIKUTUS KUDOSTEN GLUKOOSIN KÄYTTÖÖN ... 28
3.1 Painonpudotuksen vaikutus valkoisen rasvakudoksen toimintaan ... 28
3.2 Painonpudotuksen vaikutus ruskean rasvakudoksen toimintaan ... 30
3.3 Painonpudotuksen vaikutus lihaskudoksen toimintaan ... 31
II KOKEELLINEN OSA ... 33
4 TUTKIMUKSEN TAVOITTEET ... 33
5 AINEISTO JA MENETELMÄT ... 34
5.1 Tutkimuksen kulku ja tutkittavat ... 34
5.1 Tutkimusmenetelmät ... 35
5.1 Tilastolliset menetelmät ... 36
6 TULOKSET... 38
6.1 Painonpudotuksen vaikutus energiankulutukseen ... 40
7 POHDINTA ... 47
7.1 Painonpudotuksen vaikutus energiankulutukseen ... 47
7.1.1 Energiankulutus ja paino ... 49
7.1.2 Rasvaton kudos ... 51
7.1.3 Energiansaannin rajoitus ja liikunta ... 52
7.2 Painonpudotuksen vaikutus kudosten glukoosin käyttöön ... 53
8 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 56
1 JOHDANTO
Lihavuuden ja sen liitännäissairauksien esiintyvyys on yhä kasvussa maailmalla (World Health Organisation 2020). Tämä heijastaa selvästi ylimääräistä energiaa varastoivien geenien ja
ympäristön, jossa energiaa on helposti ja rajoittamattomasti tarjolla ja joka kannustaa vähäiseen fyysiseen aktiivisuuten, yhteisvaikutusta (Rosenbaum ja Leibel 2010). Lihavuusepidemian
pysäyttämisessä ei olla onnistuttu, mikä kertoo painonpudotuksen ja erityisesti se ylläpidon haastavuudesta. Aineenvaihdunnalliset, neuroendokriiniset, autonomiset ja käyttäytymiseen liittyvät kehon vasteet ovat kehittyneet säilyttämään kehon energiavarastot, eli rasvakudoksen, keskushermoston määrittelemässä ”ideaalissa”. Tämä metaboliseksi adaptaatioksi tai
adaptiiviseksi termogeneesiksi kutsuttu ilmiö toimii kehon vastareaktiona energiavajeelle ja edesauttaa painonnousua. Painonpudotuksen aiheuttama adaptiivinen termogeneesi
määritellään energiankulutuksen pienentymisenä enemmän kuin kehonkoostumuksen ja painon perusteella on laskennallisesti arvioitu.
Rasvattoman kudoksen, eli luu- ja sidekudoksen, sisäelinten ja lihaskudoksen, aineenvaihdunnallinen aktiivisuus on korkea, ja se vastaa suurimmasta osasta
perusaineenvaihdunnasta (Stiegler ja Cunliffe 2006). Rasvakudoksen aktiivisuus on vähäisempää, ja perinteisesti painonpudotuksen myötä tapahtuvan energiankulutuksen pienenemisen on ajateltu johtuvan pääosin rasvattoman kudoksen vähenemisestä (Wang ym. 2000). Viimeisen kolmen vuosikymmenen aikana näkemys rasvakudoksesta passiivisena energiavarastona on kuitenkin muuttunut ja sen roolia aineenvaihdunnan, mm. glukoosiaineenvaihdunnan,
säätelijänä ja energiatasapainon ylläpitäjänä on tutkittu innokkaasti (Rosen ja Spiegelman 2006).
Tutkimuksia on motivoinut myös huoli lihavuusepidemiasta ja tarpeesta ymmärtää lihavuuden aineenvaihdunnallisia vaikutuksia paremmin ja löytää mahdollisia uusia hoitokeinoja
lihavuuteen.
Tästä syystä rasvakudoksen roolia painonpudotuksen aiheuttamassa energiankulutuksen
muutoksissa tutkitaan myös paljon. Tässä tutkielmassa selvitetään painonpudotuksen vaikutusta energia-aineenvaihduntaan, tarkastelemalla muutoksia energiankulutuksessa ja rasvakudoksen glukoosinkäytössä. Kudosten glukoosin käyttö soveltuu hyvin energia-aineenvaihdunnan
mittariksi, sillä se on elimistön tärkein energianlähde, jota kaikki solut kykenevät hyödyntämään (Baynes 2014a). Positroniemissiotomografian (PET) avulla pystytään mittaamaan eri kudosten glukoosinkäyttöä, jolloin elimistössä sijainniltaan erillisten rasvakudosten glukoosin käytön vertailu on mahdollista.
I KIRJALLISUUSKATSAUS
2 LIHAVUUDEN VAIKUTUS KUDOSTEN GLUKOOSIN KÄYTTÖÖN
2.1 Kudosten glukoosin käyttö
Kudosten glukoosin käyttö eroaa toisistaan (Baynes 2014b). Esimerkiksi aivot suosivat energianlähteenä pääasiallisesti glukoosia ja punasoluilla se on ainoa energianlähde.
Luustolihaksia pidetään tärkeimpänä insuliinivälitteisen glukoosin soluunoton kohdekudoksena, josta ne vastaavat lähes 80 % ( Ferrannini ym. 1988, Thiebaud ym. 1982). Lihaskudoksen lisäksi rasvakudos on insuliinille herkkää kudosta ja sillä on myös tärkeä rooli glukoosin kulutuksessa (Virtanen ym. 2002). Lihaskudokseen verrattuna rasvakudos käyttää vain pienen osan (10-15 %) aterian jälkeisestä glukoosista (Kahn 1996), mutta sillä on myös välttämätön rooli elimistön glukoositasapainon säätelijänä, joka voidaan karkeasti jakaa endokriiniseen ja ei-endokriiniseen säätelyyn (Rosen ja Spiegelman 2006).
Yksi tärkeimmistä insuliinin tehtävistä glukoosiaineenvaihdunnan kannalta on glukoosinkuljettajaproteiini 4:n (GLUT4) säätely (Alvim ym. 2015). Insuliini stimuloi tapahtumasarjan insuliinille herkissä soluissa, esimerkiksi rasva- ja lihassoluissa, jonka seurauksena glukoosin kuljetusproteiinit, siirtyvät solukalvolle ja kuljettavat glukoosin solun sisälle (Shepherd ja Kahn 1999). Glukoosin soluunotto on tärkeä vaihe insuliinin säätelemässä glukoosiaineenvaihdunnassa, mukaan lukien glykolyysissa, glykogeenin synteesissä ja
lipogeneesissä, ja vaiheen häiriintyminen lihas- ja rasvakudoksessa kertoo merkittävästä häiriöstä insuliinin toiminnassa (Alvim ym. 2015, Rothman ym. 1995). Insuliinin toiminta
insuliinille herkissä kudoksissa, kuten luustolihaksissa, rasvakudoksessa ja maksassa, käynnistyy insuliinin sitoutumisesta sille spesifiin reseptoriin (Alvim ym. 2015). Tämä aktivoi lukuisia
solunsisäisiä insuliiniriippuvaiseen glukoosin soluunoton järjestelmään kuuluvia
signaaliproteiineja, jonka seurauksena GLUT4-kuljetusproteiini siirtyy solukalvolle ja glukoosi siirtyy solun sisälle.
Kuva 1. Insuliinistimuloitu glukoosin soluunotto (mukailtu (Alvim ym. 2015)). Insuliinin
sitoutuminen solun pinnalla olevaan reseptoriin aktivoi solunsisäisen signaalinsiirtoketjun, johon osallistuu useita eri signaaliproteiineja (kuten insuliinireseptorisubstraatti (IRS), fosfatidyyli- inositoli (P13K), P13K:n regulatiivinen alayksikkö (P85), P13K:n katalyyttinen alayksikkö (P110), fosfoinositidiriippuvainen proteiinikinaasi 1 (PDK1), proteiinikinaasi C (PKC), proteiinikinaasi B (PKB tai AKT) ja glukoosinkuljettajaproteiini 4 (GLUT4).
Glukoosin soluunoton aktivointi voi myös tapahtua insuliinista riippumattomasti ja tähän on tutkimuksissa yhdistetty mm. adenosiinimonofosfaattiriippuvainen proteiinikinaasi (AMPK), kalsium, typpioksidi, bradykiniini ja reaktiiviset happiyhdisteet (ROS) (Alvim ym. 2015). AMPK:lla on ratkaiseva rooli insuliinista riippumattomassa glukoosin soluunotossa lihassoluissa. AMPK:n toimintaa stimuloi luustolihasten supistuminen, ja aktivaation aiheuttaa AMP:ATP suhteen suureneminen ja kreatiini:fosfokreatiini suhteen pieneneminen (Chen ym. 2000, Fujii ym. 2000, Winder ja Hardie 1996, Wojtaszewski ym. 2003). Luustolihaksen toistuva supistuminen voi aiheuttaa lihassolun kalsiumpitoisuuksien suurentumisen, mikä on yhdistetty GLUT4:n siirtymiseen solukalvolle ja glukoosin kuljetukseen solun sisälle (Jessen ja Goodyear 2005).
Lisäksi kalsium stimuloi glukoosin soluunottoa lihassoluun reittejä pitkin, joiden toiminta ei vaadi lihassupistusta (Youn ym. 1991).
Typpioksidilla näyttää myös olevan tärkeä rooli glukoosin soluunotossa luustolihaksissa (Alvim ym. 2015, Merry ym. 2010). Eläimillä ja ihmisillä toteutetuissa tutkimuksissa on saatu viitteitä siitä, että typpioksidin stimuloima glukoosin soluunotto olisi riippumaton sekä insuliinista että
lihassupistuksesta (Henstridge ym. 2009, Higaki ym. 2001). Peptidihormoni bradykiniini säätelee glukoosiaineenvaihdunnan lisäksi mm. tulehdusta, verenpainetta ja sileän lihaskudoksen
supistumista (Kishi ym. 1998). Bradykiniini vaikuttaa glukoosiaineenvaihduntaan sekä insuliinista riippuvaisten sekä siitä riippumattomien reittien kautta (Motoshima ym. 2000). Bradykiniini laskee korkeita insuliinipitoisuuksia ja plasman vapaiden rasvahappojen pitoisuutta, parantaa glukoosin sietoa, suurentaa insuliinin kudosaktiivisuutta (Henriksen ym. 1998) ja tehostaa liikunnan aikaista insuliiniriippuvaista glukoosin soluunottoa (Kishi ym. 1998).
Reaktiivisten happiyhdisteiden krooninen suuri pitoisuus on yhdistetty useiden sairauksien patofysiologiaan, kuten diabetekseen (Powers ja Jackson 2008), mutta on myös saatu viitteitä siitä, että fysiologiset ROS:n pitoisuudet, erityisesti vetyperoksidi, toimivat mahdollisesti signaalimolekyyleinä geenien ilmentymisen säätelyssä ja sellulaarisessa aineenvaihdunnassa (Jackson 2008, Ji 2008, Katz 2007). ROS:n tuotantoa luustolihaksissa voi edistää mm.
lihassupistus, happivaje ja insuliini (Merry ja McConell 2012). Luustolihaksen supistuksen aikana tuotettu ROS näyttäisi osallistuvan glukoosin soluunoton säätelyyn, mutta tämän molekylaarista mekanismia ei vielä osata kattavasti selittää.
On tiettyjä GLUT4:n solukalvolle siirtymiseen liittyviä signaalimolekyylejä, jotka aktivoituvat sekä insuliinin että lihassupistuksen vaikutuksesta (Alvim ym. 2015). Näistä todennäköisesti
tärkeimpiä ovat AS160 (Akt substrate of 160 kDa) ja TBC1D1 (Tre-2/BUB2/cdc 1 domain family 1).
AS160 on Rab GTPase-aktivoiva proteiini, joka säätelee GLUT4:n liikkumista insuliinille herkissä 3T3-L1 -rasvasoluissa ja L6 -lihassoluissa in vitro (Kramer ym. 2006). AS160 näyttää toimivan yleisenä loppuvaiheen yhdistävänä tekijänä insuliinivälitteisen ja lihassupistuksen aikaansaaman reittien välillä. TBC1D1 toimii glukoosin aineenvaihdunnan säätelijänä luustolihaksessa vasteena sekä insuliinin että lihassupistuksen aiheuttamalle stimulaatiolle (An ym. 2010, Szekeres ym.
2012, Pehmøller ym. 2009).
2.1.1 Insuliiniresistenssi
Insuliiniresistenssillä tarkoitetaan tilaa, jossa normaalit insuliinitasot eivät riitä tuottamaan kudoksissa normaalia vastetta (Ferrannini ym. 1997). Insuliiniresistenssin esiintyvyys kasvaa
painoindeksin mukana ja lihavuudessa glukoosiaineenvaihdunnan herkkyys insuliinille on häiriintynyt sekä rasvakudoksessa että lihaskudoksessa (Mitrou ym. 2013). Lihavuudessa ja tyypin 2 diabeteksessa ilmenevä insuliiniresistenssi näkyy insuliinille herkän glukoosin soluunoton ja aineenvaihdunnan laskuna rasvakudoksessa ja luustolihaksissa, sekä maksan glukoosin tuotannon hillinnän heikkenemisenä (Reaven 1995). Tämä voi olla seurausta
häiriintyneestä insuliinin soluviestinnästä ja lisäksi rasvakudoksessa GLUT4:n vaimentuneesta säätelystä. Insuliiniresistenssissä luustolihaksissa ja rasvakudoksessa insuliinin sitoutuminen reseptoriin, reseptorin fosforylaatio ja tyrosiinikinaasin aktiivisuus ja insuliinireseptorisubstraatin (IRS) fosforylaatio on laskenut (Kahn ja Flier 2000).
2.1.2 Kudosten glukoosin käytön kuvantaminen
Kudosten glukoosin käyttöä voidaan mitata positroniemissiotomografialla (PET) avulla. PET on isotooppikuvantamismenetelmä, joka mahdollistaa elimistön biokemiallisten ja fysiologisten prosessien määrittämisen in vivo (Virtanen 2003). PET-kuvantaminen perustuu lyhytikäisiin isotooppeihin, joita voidaan käyttää leimasimina valitussa molekyylissä, ja seurata sen
jakautumista elimistössä ajan ja paikan suhteen. Isotoopin atomiytimestä säteilee positroneja ja niiden annihilaatio elektronien kanssa tuottaa kaksi vastakkaisiin suuntiin etenevää
gammakvanttia. PET-laitteessa olevat tunnistimet rekisteröivät samanaikaiset gammakvantit ja muodostavat kerroskuvausperiaatteella kuvan merkkiaineen jakautumisesta kehossa.
18Fluorodeoksiglukoosi (18F-FDG) on glukoosin kaltainen molekyyli. 18F-FDG:n korkea spesifinen radioaktiivisuus mahdollistaa pienten molaaristen määrien käyttämisen, jotka eivät häiritse glukoosiaineenvaihduntaa. Solussa heksokinaasi fosforyloi 18F-FDG:n, mutta tämän jälkeen sen aineenvaihdunta käytännössä pysähtyy, jolloin merkkiaineen kertymä solussa ja sen myötä kudoksessa, voidaan kuvantaa (Phelps ym. 1979). Tämän vuoksi 18F-FDG soveltuu hyvin
glukoosin leimaksi sydän- ja luustolihaksissa (Phelps ym. 1978, Nuutila ym. 1992), mutta myös muissa kudoksissa, kuten rasvakudoksessa (Virtanen ym. 2001)
2.2 Lihavuuden vaikutus lihaskudoksen toimintaan
Lihavuus aiheuttaa luustolihaksissa kroonista matala-asteista tulehdusta ja insuliiniresistenssiä (Kristiansen ja Mandrup-Poulsen 2005). Lisäksi on viitteitä siitä, että ruokavalion energiamäärän ja liikunnan energiankulutuksen epätasapainon aiheuttama lihavuus voi lisätä sekä
luustolihasten että maksan tulehdusta edistävien sytokiinien tuotantoa, mukaan lukien tuumorinekroositekijä-alfan (TNF-α), interleukiini 1-beta:n (IL-1β) ja IL-6:n (Ceddia ym. 2016).
Liikunnan ja siten luustolihasten rooli insuliiniresistenssin hoidossa on tärkeä, sillä
lihassupistukset aktivoivat glukoosin soluunottoa insuliinista riippumattomien reittien avulla (Alvim ym. 2015, Lund ym. 1995).
Luustolihasten matala-asteinen tulehdus saattaa edistää lihaskudoksen menetystä, mikä entisestään laskee elimistön energiankulutusta ja siten altistaa painonnousun jatkumiselle (Sinha ym. 2017). Myös lihavuuteen liittyvä insuliiniresistenssi voi heikentää lihaskudoksen uusiutumista, koska insuliinin säätelemät aineenvaihduntareitit häiriintyvät. Lisäksi lihavuuden aiheuttama makrofaagien kertyminen rasvakudokseen lisää lipolyysiä rasvakudoksessa ja vapautuneen rasvan varastoitumista luurankolihakseen ektooppiseksi rasvaksi (Kraakman ym.
2014).
Lihavilla (Hällsten ym. 2003) ja tyypin 2 diabetesta sairastavilla (Utriainen ym. 1998) tutkittavilla on matalampi luustolihasten insuliinistimuloitu glukoosin soluunotto verrattuna
normaalipainoisiin tutkittaviin. Myös Virtanen ym. (2002) tutkimuksessa lihavien tutkittavien koko kehon ja luustolihaksiston glukoosin soluunoton määrä painokiloa kohti oli pienempi verrattuna normaalipainoisiin tutkittaviin. Tutkimuksissa, joissa on käytetty insuliini clamp- tekniikkaa, sairaalloisessa lihavuudessa ilmenevää glukoosin käytön heikkenemistä on selittänyt pääosin luustolihasten glukoosin soluunoton pieneneminen (Friedman ym. 1992, Mitrou ym.
2013).
2.3 Lihavuuden vaikutus valkoisen rasvakudoksen toimintaan
Rasvakudos jaetaan ruskeaan ja valkoiseen rasvakudokseen niiden toiminnan, rakenteen ja solukehityksen perusteella (Gunawardana 2014). Ylimäärä energiaa varastoidaan lähes
yksinomaan valkoiseen rasvakudokseen triglyserideinä, joista sitä tarpeen mukaan vapautetaan käytettäväksi rasvahappojen muodossa (Lee ym. 2014). Valkoinen rasvakudos toimii kehon energiavarastona ja jakautuu laajasti ympäri kehoa, tarjoten samalla elimistölle suojaa
mekaanista vahinkoa vastaan (Gunawardana 2014, Trayhurn 2007). Suurin rasvakudosvarasto on ihonalainen rasvakudos (Mårin ym. 1992), jonka osuus kokonaisrasvamassasta on yleensä keskimäärin 50 % miehillä ja 70 % naisilla (Hattori ym. 1991). Vatsaontelon sisäinen rasvakudos on keskimäärin 18 % miehillä (Ross ym. 1992) ja 6 % naisilla (Ross ym. 1993)
kokonaisrasvamassasta. Ruskean rasvakudoksen varastot ovat pienempiä ja sijoittuvat tiettyihin osiin kehoa. Energian varastoinnin sijaan se kuluttaa energiaa, tuottaa lämpöä ja suurentaa kehon kokonaisaineenvaihduntaa (Gunawardana 2014).
Kuva 2. Rasvakudosten alueet kehossa (mukailtu (Rodríguez ym. 2020)).
2.3.1 Rasvakudoksen endokriiniset vaikutukset
Rasvakudoksen merkitys on nähty pitkään lähinnä passiivisena rasvan ja siten tehokkaana energiavarastona tulevaa tarvetta varten, mutta nykyisin rasvakudoksella ymmärretään varastoinnin lisäksi olevan laaja-alaisia endokriinisia ja aineenvaihdunnallisia vaikutuksia (Virtanen ym. 2002). Valkoinen rasvakudos on tärkeä kehon energiatasapainon ylläpitäjä ja sen erittämät erilaiset hormonit, joita kutsutaan adipokiineiksi, vaikuttavat mm. ravintoaineiden aineenvaihduntaan, kylläisyyden säätelyyn, immuniteetti- ja tulehdusvasteisiin sekä
angiogeneesiin (Bjørndal ym. 2011, Harwood 2012, Ouchi ym. 2011, Falcão-Pires ym. 2012, Wozniak ym. 2009). Adipokiineista aineenvaihdunnan tasapainon kannalta tärkeimmässä roolissa ovat leptiini ja adiponektiini, joiden pitoisuudet veressä ovat vahvasti yhteydessä lihavuuden asteeseen (Staiger ym. 2003).
Leptiini korreloi positiivisesti (Considine ym. 1996) ja adiponektiini puolestaan negatiivisesti kehon rasvaprosentin kanssa (Weyer ym. 2001). Adiponektiinin pitoisuudet ovat käänteisesti yhteydessä insuliiniresistenssin, lihavuuden ja diabeteksen asteeseen (Gunawardana 2014).
Adiponektiini herkistää perifeerisiä kudoksia insuliinille, lisää suoraan rasvahappojen hapetusta, inhiboi glukoneogeneesiä, tehostaa glukoosin soluunottoa rasvasoluissa sen lisäksi, että sillä on tulehdusta ja ateroskleroosia estäviä vaikutuksia (Dridi ja Taouis 2009, Falcão-Pires ym. 2012, Gardener ym. 2012, Harwood 2012, Miller ym. 2011, Pereira ym. 2012, Tian ym. 2012, Tishinsky ym. 2012, Wolfson ym. 2012).
Valkoinen rasvakudos on leptiinin tärkein erityspaikka, jossa sitä tuotetaan suhteessa
rasvakudoksen määrään (Zhang ym. 1994). Ruokahalua hillitsevänä hormonina toimiva leptiini lisää rasvojen hapettamista monissa perifeerisissä kudoksissa, kuten maksassa,
rasvakudoksessa ja luustolihaksissa (Dridi ja Taouis 2009, Harwood 2012) sekä vahvistaa
immuunivasteita, tulehdusta ehkäiseviä ja edistäviä vaikutuksia sekä angiogeneesiä (Carlton ym.
2012, Falcão-Pires ym. 2012, Harwood 2012, Ouchi ym. 2011, Wozniak ym. 2009). Lihavuus on yhteydessä kohonneeseen leptiini-pitoisuuteen ja leptiinin vaikutuksen vastustukseen. Myös monilla muilla valkoisen rasvakudoksen erittämillä hormoneilla on suora tai epäsuora vaikutus glukoositasapainoon. Vaikutusreitteinä toimivat esimerkiksi insuliiniherkkyys, insuliinin eritys,
glukoosin soluunotto perifeerisissä kudoksissa, lipogeneesi tai lipolyysi ja matala-asteinen tulehdus (Bjørndal ym. 2011, Falcão-Pires ym. 2012, Harwood 2012, Kim ym. 2006, Xu ym. 2005, LeRoith ja Yakar 2007, Ouchi ym. 2011, Sun ym. 2009, Wozniak ym. 2009).
2.3.2 Lihavuus ja valkoinen rasvakudos
Rasvakudoksen suurentunut määrä on yhteydessä insuliiniresistenssiin ja
glukoosiaineenvaihdunnan häiriöihin (Virtanen ym. 2005). Kroonisen liiallisen energiansaannin johdosta rasvasolujen energian varastointikapasiteetti voi ylittyä, minkä seurauksena
rasvakudoksesta voi ”vuotaa” rasvoja muualle elimistöön ja kertyä aineenvaihdunnallisesti tärkeisiin elimiin häiriten niiden normaalia toimintaa (Kim ym. 2007, Unger ja Scherer 2010).
Rasvakudoksen ylittynyt energian varastointikapasiteetti, jonka seurauksena rasvasolujen toiminta häiriintyy, näyttäisi olevan merkittävämpi riskitekijä kuin rasvakudoksen suuri kokonaismäärä (Unger ja Scherer 2010, Wang ym. 2008).
Valkoinen rasvakudos pystyy lisäämään energian varastointikapasiteettiaan rasvasolujen koon kasvun tai/ja määrän lisääntymisen avulla (Lee ym. 2014). Rasvakudoksen laajenemistapa
näyttäisi olevan insuliiniherkkyyden kannalta oleellista, sillä ”terveellä” rasvakudoksella vaikuttaa olevan suojaava vaikutus insuliiniherkkyyden heikkenemiseltä (Unger ja Scherer 2010).
”Terveeksi” rasvakudokseksi määritellään yleensä rasvakudos, jonka rasvasolut ovat ennemmin kasvaneet määrältään kuin kooltaan, ja joka omaa hyvän verisuoniston ja minimaalisen määrän sidekudoksella korvattua kudosta, jolloin myös paikallisen rasvasolujen epänormaalien
apoptoosien määrä on laskenut. Insuliinin riittämätön määrä johtaa lipolyysiin ja rasvasolujen apoptoosiin, mikä on yhdistetty merkittävästi suurentuneeseen paikalliseen tulehdukseen ja lopulta myös laajempaan systeemiseen matala-asteiseen tulehdukseen (Gunawardana 2014, Unger ja Scherer 2010,).
Valkoinen rasvakudos kykenee välittämään terveydelle hyödyllisiä endokriinisia vaikutuksia niin kauan kun se pysyy terveenä, eikä tuota syto- tai adipokiineja epätarkoituksenmukaisesti, kuten matala-asteisessa tulehduksessa (Gunawardana 2014). Matala-asteisen tulehduksen
seurauksena valkoisen rasvakudoksen toiminta häiriintyy ja muuttuu elimistölle vahingolliseksi.
Tällöin se erittää kasvavia määriä adipokiineja, esimerkiksi resistiiniä, retinolia sitovaa proteiini 4:ää ja tulehdusta edistäviä sytokiineja, joihin lukeutuu mm. tuumorinekroositekijä-alfa (TNF-α) ja interleukiinit 1–6. Nämä tekijät lisäävät matala-asteisen tulehduksen vaikutuksia elimistössä, kuten insuliiniresistenssiä, ja sen välityksellä hyperglykemiaa (Bremer ym. 2011, Falcão-Pires ym.
2012, Hammarstedt ym. 2012, Ouchi ym. 2011). Rasvakudoksen aineenvaihdunnan häiriintymiseen on liitetty myös leptiiniresistenssin lisääntyminen ja tästä johtuva hyperleptinemia, jolloin sen tulehdusta edistävät ominaisuudet edelleen pahentavat
rasvakudoksen toiminnan häiriötä. Rasvakudoksen suurentuneen määrän sijaan rasvakudoksen aineenvaihdunnan häiriintyminen näyttäisi olevan primäärinen syy insuliiniresistenssille ja tätä kautta tyypin 2 diabeteksen kehittymiselle (Hammarstedt ym. 2012). Insuliiniresistenssissä insuliinireseptoreiden tiheys on laskenut (Kolterman ym. 1980, Pedersen ym. 1982) ja solunsisäisten glukoosinkuljettajaproteiinien määrä on vähentynyt (Hissin ym. 1982), minkä vuoksi glukoosin soluunoton teho on heikentynyt. Lisäksi lihavuudessa insuliinin kyky stimuloida triglyseridien synteesiä ja inhiboida lipolyysiä rasvakudoksessa on heikentynyt (Jansson ym.
1992). Koska lihavuudessa rasvakudoksen glukoosin soluunotto on heikentynyt, rasvahappojen hapettaminen rasvakudoksessa on kasvanut muihin kudoksiin verrattuna (Evans ym. 2002).
2.3.3 Vatsaontelon sisäinen ja ihonalainen rasvakudos
Rasvakudoksen kokonaismassan lisäksi myös rasvakudoksen sijainnilla on itsenäinen yhteys niin terveeseen aineenvaihduntaan kuin aineenvaihdunnallisiin riskitekijöihinkin, kuten rasva-
aineenvaihdunnan häiriöön ja insuliiniresistenssiin (Goodpaster ym. 2005, Grundy ym. 2008, Snijder ym. 2004, Vega ym. 2006). Reisien ja lantionalueen rasvakudoksella näyttäisi olevan suojaava vaikutus aineenvaihdunnallisia riskitekijöitä vastaan. Eräässä tutkimuksessa (Snijder ym. 2004) havaittiin, että rasvan kerääntyminen reisiin näyttäisi suojaavan
glukoosiaineenvaihdunnan häiriintymiseltä, jos myös keskivartalon alueen rasvakudos otetaan huomioon.
Rasvakudoksen kertyminen keskivartaloon vatsan alueelle on yhdistetty lihavuuteen liittyviin aineenvaihdunnallisiin riskitekijöihin (Goossens 2017). Keskivartalolihavuuden haitallisuuden syyksi on epäilty vatsaontelon sisäistä rasvakudosta, joka lisääntyessään on osallisena vapaiden
rasvahappojen (FFA), glyserolin ja laktaatin erityksen kasvuun (Virtanen 2003). Vatsaontelon sisäinen rasvakudos on verenkierron välityksellä läheisessä yhteydessä maksaan (Björntorp 1990), jolloin vapaat rasvahapot ja adipokiinit pääsevät vaikuttamaan suoraan maksan aineenvaihduntaan (Ruan ja Lodish 2004) ja tätä kautta glukoosiaineenvaihduntaan ja systeemiseen matala-asteiseen tulehdukseen (Viljanen ym. 2009).
Ihonalaisen ja vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen glukoosinkäyttö eroavat toisistaan (Viljanen ym. 2009). Henkilöillä, joilla on suurempi määrä vatsaontelon sisäistä rasvakudosta, on
glukoosirasituskokeen aikana suuremmat plasman glukoosiarvot ja verensokerin lasku on
hitaampaa (Ross ym. 2002a, Ross ym. 2002b). Keskivartalon ihonalaisen rasvakudoksen määrä ei vaikuttanut merkittävästi tuloksiin, joten vatsaontelon sisäinen rasvakudos näyttäisi olevan merkittävä tekijä insuliiniresistenssin taustalla. Toisaalta ihonalainen rasvakudos tuottaa suurimman osan verenkieron vapaista rasvahapoista, mikä johtuu sen suhteellisesti suuremmasta määrästä verrattuna vatsaontelon sisäisen rasvan määrään (Jensen 2006).
Vapaiden rasvahappojen suuri tarjonta verenkierrossa on vahvasti yhteydessä insuliiniresistenssiin.
Insuliinin pitoisuudet paaston aikana ja syömisen jälkeen korreloivat merkittävästi rasvakudoksen määrän kanssa, mitattuna BMI:n, vyötärön ympärysmitan tai
ihopoimumittauksen summan avulla (Virtanen 2003). Lihavilla insuliiniresistenteillä tutkittavilla on pienempi insuliinivälitteinen glukoosin soluunotto ja alhaisempi verenvirtaus sekä
vatsaontelon sisäisessä että ihonalaisrasvakudoksessa verrattuna hoikkiin tutkittaviin (Virtanen ym. 2002). Insuliinistimuloitu glukoosin soluunotto on tehokkaampi vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa ihonalaiseen rasvakudokseen verrattuna (Arner 1995, Mårin ym. 1992, Virtanen ym. 2005), huolimatta lihavuuden asteesta (Virtanen ym. 2002). Tätä voi selittää erot
rasvasoluissa; vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen rasvasolut ovat pienempiä kuin ihonalaisessa rasvakudoksessa, ja vatsaontelon sisäinen rasvakudos sisältää enemmän
rasvasoluja kudoksen painokiloa kohden kuin ihonalainen rasvakudos (Rebuffé-Scrive ym. 1989).
Vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen tehokkaammasta aineenvaihdunnallisesta aktiivisuudesta huolimatta koko kehon glukoosiaineenvaihdunnassa ihonalaisella rasvakudoksella on tärkeämpi
merkitys, sillä sen kokonaismassa on vatsaontelon sisäistä rasvaa suurempi, noin nelinkertainen vatsaontelon sisäiseen rasvakudokseen verrattuna (Virtanen ym. 2002).
Vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa insuliinistimuloitu glukoosin soluunotto on vain noin 40 % pienempää kuin luustolihaksissa (Virtanen ym. 2005). Tämä vahvistaa sitä, että
luustolihasten rinnalla rasvakudoksella on tärkeä rooli glukoosin käytössä. Huomattavaa on myös se, että vertaillessa insuliinistimuloitua rasvasolua ja lihassolua, rasvasolu käyttää glukoosia tehokkaasti, vaikka rasvapisarat vievät suurimman osan sen soluvolyymista (> 90 %) (Virtanen ym. 2005). Tämän perusteella rasvasolun glykolyyttinen kyky
entsyymikonsentraatioiden ja/tai -aktiivisuuden osalta on tehokkaampi kuin lepotilassa olevan lihaksen.
2.4 Lihavuuden vaikutus ruskean rasvakudoksen toimintaan
Ruskeaa rasvakudosta on talvehtivilla jyrsijöillä ja imeväisikäisillä lapsilla, joilla se edesauttaa elimistön ydinlämpötilan tasapainoa (Enerbäck 2010, Fenzl ja Kiefer 2014). Aktivoitunut ruskea rasvakudos käyttää lämmöntuotantoon glukoosia ja vapaita rasvahappoja (Virtanen ja Nuutila 2015). Ruskean rasvakudoksen kyky vapauttaa energiaa lämpönä on herättänyt tutkijoiden kiinnostuksen sen mahdollisten vaikutusten insuliiniherkkyyden, glukoosiaineenvaihdunnan ja energiatasapainon suhteen, mitä mahdollisesti voitaisiin hyödyntää diabeteksen hoidossa ja painonhallinnassa (Chondronikola ym. 2014, Ravussin ja Galgani 2011, Virtanen ja Nuutila 2015).
2.4.1 Ruskean rasvakudoksen rakenne ja toiminta
Ruskeat rasvasolut kehittyvät dermatomista lähtöisin olevista prekursori- eli esiastesoluista, jotka voivat myös kehittyä lihassoluiksi riippuen transkriptiotekijä Myf5:stä (Harms ja Seale 2013). Alkulähtökohtansa perusteella ruskean rasvasolun kehitys muistuttaa enemmän
luustolihaskudoksen kuin valkoisen rasvakudoksen solukehitystä (Billon ja Dani 2012, Hansen ja Kristiansen 2006, Kajimura ym. 2010). Ruskea rasvakudos on hapettumiskapasiteetiltaan
tehokasta kudosta, ja valkoiseen rasvakudokseen verrattuna sen verisuonitus ja hermotus on merkittävämpää, mikä tukee sen roolia energia-aineenvaihdunnassa (Gunawardana 2014).
Ruskean rasvasolun solurakenne poikkeaa valkoisesta rasvasolusta. Suurien, ja lukumäärältään vähäisempien yksilokeroisten rasvapisaroiden sijaan ruskeassa rasvasolussa on useita pieniä monilokeroisia rasvapisaroita ja suuri määrä mitokondrioita, joiden sisäkalvosta on voimakkaasti poimuttunut, poimujen (kristojen) määrä on suuri ja tiivis sijainti lisää toiminnalle oleellista pinta- alaa (Cinti 2012, Gunawardana 2014). Rasvapisaroiden pieni koko ja runsas määrä tarjoaa
suuren pinta-alan, jolloin lipolyysi on tehokasta ja vastaa hyvin aktivoituneiden mitokondrioiden rasvahappojen tarpeeseen (Virtanen ja Nuutila 2015). Aikuisilla ihmisillä on havaittu myös ruskeaa rasvakudosta, joka ei ilmennä Myf5:tä ja jonka solut kehittyvät rasvasolulinjasta.
Kyseiset solut esiintyvät valkoisen rasvakudoksen seassa, ja niitä kutsutaankin niin sanotuiksi brite-soluiksi (brown-in-white). Brite-soluja sisältävää valkoista rasvakudosta kutsutaan beigeksi rasvakudokseksi, ja sen aktivoinnissa nähdään terapeuttisia mahdollisuuksia (Wu ym. 2012).
Esimerkiksi jos lihavien ihmisten beigeä rasvakudosta pystyttäisiin aktivoimaan, voisi
mahdollisesti lisätä elimistön energiankulutusta ja lievittää rasva- ja glukoositasapainon häiriöitä.
Ruskean rasvakudoksen päätehtävä on termogeneesi, eli lämmöntuotto (Virtanen ja Nuutila 2015). Ihmiskehossa se sijaitsee lapaluiden välissä, kainaloissa, selkärangan vierellä, kaulalla, solisluiden alla ja rintakehän suurten verisuonten lähellä. Vastasyntyneillä ja pienillä lapsilla ruskealla rasvalla on tärkeämpi rooli lämmöntuotannossa kuin aikuisilla. Silloin kun lihakset eivät vielä kykene tuottamaan lämpöä, ruskea rasvakudos tuottaa lämpöä koko keholle. Aikuisilla ihmisillä ruskean rasvakudoksen vaikutus lämmöntuotantoon on lähinnä paikallista sen pienen määrän vuoksi. Vastasyntyneillä ruskean rasvakudoksen sijainti kehossa vaihtelee, ja suurin rasvakertymä sijaitsee lapaluiden päällä (Lidell ym. 2013). Lapsen lähtiessä liikkeelle ruskean rasvakudoksen määrä on pieni, mutta lapsuus- ja teini-iässä lihaskudoksen määrän kasvaessa myös ruskean rasvakudoksen määrä kasvaa samassa tahdissa (Virtanen ja Nuutila 2015).
Aikuisille tehdyssä akuutissa kylmäaltistuksessa solisluiden yläpuolisen ihon lämpötila ei laske samalla tavalla kuin perifeeristen alueiden iholla (Yoneshiro ym. 2011). Tämä viittaa siihen, että solisluiden lähellä sijaitsevan ruskean rasvakudoksen merkitys lämmöntuotannon kannalta voi olla merkityksellistä aivoihin kulkevan veren lämpötilan turvaamiseksi.
Ruskea rasvasolu kykenee vapauttamaan lämpöä mitokondrion sisäkalvolla toimivan irtikytkijäproteiini UCP1:n avulla (Feldmann ym. 2009, Virtanen ja Nuutila 2015). UCP1 mahdollistaa mitokondrion sisäkalvolla tapahtuvan ATP:ta tuottavan elektroninsiirtoketjun katkaisemisen, jolloin energiaa vapautuu lämpönä sen varastoinnin sijaan. Ruskean
rasvakudoksen runsaan sympaattisen hermotuksen vuoksi se kykenee tehokkaaseen
paikalliseen katekoliamiinien vapauttamiseen ja adrenergisvälitteisen signaalin seurauksena ATP:n tuotanto katkeaa (Virtanen ja Nuutila 2015). Solukehityksen ja rakenteen lisäksi myös ruskean rasvakudoksen herkkyys insuliinille muistuttaa lihaskudosta. Insuliinin vaikutuksesta sen glukoosinkäyttö kasvaa noin viisinkertaiseksi paastotilanteeseen verrattuna, mikä on
verrannollinen lihasten glukoosinkäyttöön (Orava ym. 2011). Ruskean rasvakudoksen
aktivoituessa sen rasvahappojen kulutus lisääntyy huomattavasti sekä solunsisäisistä lähteistä että muualta elimistön valkoisen rasvakudoksen varastoista lisääntyneen lipolyysin seurauksena (Virtanen ja Nuutila 2015).
Toiminnallisen ruskean rasvakudoksen tutkiminen ihmisellä on luotettavinta PET-kuvantamisen avulla. 18Fluorodeoksiglukoosia (18F-FDG) hyödyntävissä FDG-PET-kuvissa aktivoitunut ruskea rasvakudos näkyy merkkiainekertyminä, koska aktivoituneessa kudoksessa glukoosinkäyttö lisääntyy (Virtanen ja Nuutila 2015). Koska ruskean rasvakudoksen aineenvaihdunnallinen aktiivisuus on huoneenlämmössä samanlaista valkoisen rasvakudoksen kanssa, kuvantaminen edellyttää stimulaatiota, esimerkiksi kylmäaltistusta (Orava ym. 2011). Kylmäaltistuksessa ruskean rasvakudoksen aktivoituessa sen verenkierto lisääntyy kaksinkertaiseksi ja oksidatiivinen aineenvaihdunta lisääntyy merkittävästi (Ouellet ym. 2012). Kylmäaltistus vakioidaan esim. kylmäpeitteiden tai -puvun avulla, joiden sisällä kiertävää veden lämpötilaa voidaan säätää (Virtanen ja Nuutila 2015). Tutkimuksissa käytetyt keinot eroavat jossain määrin toisistaan. Virtanen ym. (2009) tutkimuksessa tutkittavat viettivät 2 tuntia kevyissä vaatteissa huoneessa, jonka lämpötila oli 17–19 °C. PET–CT-kuvauksen aikana tutkittavan jalka asetettiin ajoittain jääveteen (5–9 °C; vaihdellen 5 minuuttia vedessä ja 5 minuuttia poissa vedestä).
Lihasvärinä voi häiritä ruskean rasvakudoksen aiheuttaman lämmöntuotannon (non-shivering thermogenesis) tutkimista, mutta se ei vaikuta ruskean rasvakudoksen aineenvaihdunnan mittaustuloksiin (Virtanen ja Nuutila 2015). Magneettikuvaus (MK) ja magneettispektroskopia
(MRS) eivät aiheuta säderasitusta, joten niiden käyttö mahdollistaa useammat mittauskerrat ja lasten tutkimisen. Koska ruskea rasvakudos sisältää valkoista rasvakudosta vähemmän
solunsisäistä rasvaa ja enemmän vettä, tämä ilmenee MK:ssa ja MRS:ssä voimakkaampana veden ja heikompana rasvan signaalina, minkä vuoksi kudokset voidaan erottaa toisistaan. MK on hyvin toistettava menetelmä ja sitä voidaan todennäköisesti jatkossa hyödyntää myös laajemmissa tutkimuksissa ja seurantatutkimuksissa (Hu ja Kan 2013). Ruskean rasvakudoksen verenkierron lisääntymistä voidaan mitata kontrastiainetehosteisen perfuusiokuvantamisen avulla, mutta sen käyttöä rajoittaa ruskean rasvakudoksen pienet alueet (Virtanen ja Nuutila 2015).
2.4.2 Lihavuus ja ruskea rasvakudos
Ruskean rasvakudoksen aktiivisuus on käänteisesti yhteydessä painoindeksiin ja
rasvaprosenttiin (Saito ym. 2009, van Marken Lichtenbelt ym. 2009) ja sen kylmästimuloitu glukoosinkäyttö on lihavilla vain kolmannes siitä, mikä se on normaalipainoisilla (Orava ym.
2013). Sitä ei kuitenkaan tiedetä, heikentääkö pitkäaikainen lihavuus ruskean rasvakudoksen toimintaa, vai altistaako jokin muu esim. geneettinen tekijä ruskean rasvakudoksen toiminnassa lihavuuteen (Virtanen ja Nuutila 2015). Ruskea rasvakudos on myös yhdistetty normaaleihin veren glukoositasoihin ja sillä on mahdollisesti vaikutusta glukoosiaineenvaihduntaan (Matsushita ym. 2014, Ouellet ym. 2011). Tämä viittaa siihen, että ruskea rasvakudos voi
mahdollisesti suojata lihavuudelta ja diabetekselta (Chondronikola ym. 2014). Tutkittavilla, joilla on toiminnallista aktiivista ruskeaa rasvakudosta, kylmäaltistus lisää plasman glukoosin
hapettumista ja koko kehon herkkyyttä insuliinille, mikä antaa viitteitä aktiivisen ruskean rasvakudoksen ja glukoositasapainon yhteydestä. Aktiivisen ruskean rasvakudoksen
mahdollinen energiankulutuksen lisäys ei todennäköisesti olisi riittävän suuri painonpudotuksen kannalta lihavuuden hoidossa, erityisesti jos kyse on sairaalloisesta lihavuudesta (Virtanen ja Nuutila 2015). Sen sijaan ruskean rasvakudoksen aktivointia voitaisiin mahdollisesti hyödyntää pudotetun painon ylläpitämisessä.
2.5 Rasvakudoksen mitokondrioiden toiminta
Rasvasolut ovat aineenvaihdunnallisesti aktiivisia soluja, jotka tarvitsevat suuria määriä ATP:ta glukoosi- ja rasva-aineenvaihdunnan säätelyyn (Keuper ym. 2014). Tästä syystä rasvasolun normaaliin toimintaan vaaditaan hyvin aktiivisia mitokondrioita. Mitokondriat säätelevät rasvasoluissa insuliiniherkkyyttä, lipiditasapainoa, hapenottokykyä, lämmöntuotantoa,
rasvasolujen erilaistumista ja valkoisen rasvakudoksen muuntumista beigeksi. Mitokondrioiden toiminnan häiriintyminen puolestaan aiheuttaa myös aineenvaihdunnan häiriintymistä, kuten insuliiniresistenssiä, tyypin 2 diabetesta ja lihavuutta.
Rasvattoman kudoksen, kuten luustolihasten, mitokondrioilla on tärkeä rooli energiatasapainon säätelyssä (Johannsen ja Ravussin 2009, Lee ym. 2019). Nykyään tiedetään, että myös
rasvasolujen mitokondrioilla saattaa olla merkittävä rooli koko kehon energiatasapainon, insuliiniherkkyyden ja glukoosiaineenvaihdunnan säätelyssä sekä rasvakudoksen ja
lihaskudoksen välisessä vuoropuhelussa (Keuper ym. 2014, Lee, ym. 2019, Vernochet ym. 2014).
Tutkimuksissa on myös saatu viitteitä siitä, että rasvasolujen mitokondriota tarvitaan insuliinin soluviestinnän kautta tapahtuvaan glukoosin käytön säätelyyn (Gao ym. 2010, Keuper ym. 2014, Ryu ym. 2013, Sutherland ym. 2008, Wang ym. 2013).
Valkoisessa rasvakudoksessa irtikytkijäproteiini UCP1:n ilmentyminen on matala, ja
mitokondrioita on vähemmän kuin rasvattomassa kudoksessa tai ruskeassa rasvakudoksessa (Kraunsøe ym. 2010). Beigessä rasvakudoksessa puolestaan on ruskean rasvakudoksen tapaan runsaasti UCP1 ilmentäviä mitokondrioita, joiden avulla brite-rasvasolut tuottavat lämpöä tietyissä olosuhteissa, kuten kylmäaltistuksessa, ja kuluttavat siten valkoista rasvakudosta enemmän energiaa. Vatsaontelon sisäinen rasvakudos on bioenergisesti aktiivisempi ja herkempi mitokondrioiden substraattien tarjonnalle kuin ihonalainen rasvakudos. Lisäksi vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa oksidatiivisen fosforylaation (aineenvaihdunnallinen reitti, jossa elektroninsiirtoketjun avulla muodostuu ATP:ta) suhteellinen aktiivisuus on
huomattavasti suurempi verrattuna ihonalaiseen rasvakudokseen. Vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa on myös ihonalaiseen rasvakudokseen verrattuna kaksinkertaisesti enemmän mitokondrioita milligrammaa kudosta kohden.
2.5.1 Mitokondrioiden toiminnan häiriintyminen
Rasvasoluissa mitokondrioiden toiminnan häiriintymisellä on vahva korrelaatio aineenvaihdunnallisiin sairauksiin, kuten lihavuuteen, insuliiniresistenssiin ja tyypin 2 diabetekseen (Keuper ym. 2014, Wada ja Nakatsuka 2016). Pitoisuuksista ja olosuhteista riippuen ROS:lla voi olla rasvasoluissa hyödyllisiä tai haitallisia vaikutuksia (Keuper ym. 2014).
Kohtuullisilla pitoisuuksilla ROS:lla on tärkeä rooli insuliinin soluviestinnässä (Wang ym. 2010), ruskean ja beigen rasvakudoksen lämmöntuotannossa (Chouchani ym. 2017) sekä mahdollisesti insuliiniherkkyyttä tehostava vaikutus (Loh ym. 2009). Sen sijaan mitokondrioiden korkeat ROS- pitoisuudet voivat olla osallisena insuliiniresistenssin kehittymiseen ja eri aineenvaihdunnallisiin sairauksiin, kuten tyypin 2 diabetekseen (Keuper ym. 2014). Liiallinen intrasellulaarinen ROS- pitoisuus häiritsee rasvasolun toimintaa, johtaen heikentyneeseen glukoosinsietoon ja insuliiniresistenssiin (Wang ym. 2013). Se myös häiritsee rasvasolujen mitokondrioiden
toimintaa, jolloin myös rasvasolujen lämmöntuotanto ja adipogeneesi häiriintyvät (Chouchani ym. 2017).
Mitokondrioiden rakenteellinen uusiutuminen niiden välisen dynamiikan, esim. fuusion ja jakaantumisen, kautta on tärkeää mitokondrioiden normaalin toiminnan (Wai ja Langer 2016, Westermann 2010) ja terveen mitokondrioiden populaation säilyttämisen kannalta (Keuper ym.
2014). Mitokondrioiden fuusio tehostaa ATP:n tuotantoa ja jakaantuminen mm. vähentää ROS:n tuotantoa. Mitokondrioiden uusiutuminen on dynaamista ja reagoi herkästi
aineenvaihdunnallisille signaaleille. Tasapaino fuusion ja jakaantumisen välillä voi kallistua jompaankumpaan suuntaan riippuen aineenvaihdunnallisissa tarpeissa ja ravintoaineiden saatavuudessa tapahtuvista muutoksista (Liesa ja Shirihai 2013). Mitokondrioiden uusiutumisen häiriintyminen on yhteydessä aineenvaihdunnallisten sairauksien, kuten lihavuuden ja tyypin 2 diabeteksen kehittymiseen (Wada ja Nakatsuka 2016). Tämä johtuu mitokondrioiden normaalin toiminnan häiriintymisestä, joka aiheuttaa mm. liiallista ROS:n tuotantoa ja ATP:n tuotannon heikentymistä (Bhatti ym. 2017, Blake ja Trounce 2014,).
Mitokondrioiden biogeneesillä, eli uudismuodostuksella, ja mitokondrioiden hajoamisella säädellään solun mitokondrioiden määrää sekä poistetaan toimintahäiriöisiä mitokondrioita
(Keuper ym. 2014). Esim. oksidatiivinen stressi voi vahingoittaa mitokondrioita ja adipogeneesin seurauksena niiden määrä voi kerääntyä liialliseksi (Ashrafi ja Schwarz 2013). Mitokondrioiden hajoaminen tapahtuu autofagosytoosin, eli vahingoittuneiden tai turhien soluelimien
kierrättämisen tai poistamisen, avulla (Kim ym. 2007). Aineenvaihdunnallisissa häiriöissä, esim.
insuliiniresistenssissä, tulehduksessa tai oksidatiivisessa stressissä, lisääntynyt autofagosytoosi on normaali vastareaktio, jonka avulla poistetaan vahingoittuneita mitokondrioita (Keuper ym.
2014). Kliinisissä tutkimuksissa on havaittu, että lihavuudessa ja diabeteksessa autofagosytoosi lisääntyy rasvakudoksessa (Kovsan ym. 2011). Lihavilla tutkittavilla havaitaan myös suurempaa toimintahäiriöisten mitokondrioiden kertymistä kuin hoikilla tutkittavilla (Chattopadhyay ym.
2015, Kraunsøe ym. 2010). Ilmiö voi mahdollisesti viitata siihen, että ylimääräinen rasvakudos tai lihavuus aiheuttaa mitokondrioiden autofagosytoosia.
2.5.2 Lihavuus ja mitokondrioiden toiminta
Rasvakudoksen mitokondrioiden määrä on pienempi kuin luustolihaksissa, jonka vuoksi rasvakudoksen oksidatiivisen mittausten toteuttaminen on haastavampaa ja tutkimustietoa rasvasolujen mitokondrioiden oksidatiivisesta fosforylaatiosta on kertynyt vähemmän (Kraunsøe ym. 2010). On kuitenkin yhä enemmän viitteitä siitä, että ylimääräisen rasvakudoksen
kertyminen aiheuttaa muutoksia rasvakudoksen mitokondrioiden toiminnassa. BMI korreloi negatiivisesti suurista ja pienistä rasvasoluista eristettyjen mitokondrioiden maksimaalisen oksidatiivisen fosforylaation kanssa (Yin ym. 2014). Yin ym. (2014) havaitsivat, että lihavien tutkittavien rasvakudoksen hapenkulutus ja sitraattisyntaasin aktiivisuus olivat pienentyneet verrattuna ei-lihaviin tutkittaviin. Ero ei selittynyt rasvasolujen kokojen erolla. Myös Fischer ym.
(2015) tutkimuksessa BMI:n suuretessa keskivartalon ihonalaisesta rasvakudoksesta eristettyjen mitokondrioiden oksidatiivisen fosforylaation tehokkuus laski.
Lihavuudessa ihonalaisen rasvakudoksen mitokondrioiden biogeneesi, oksidatiivisten aineenvaihdunta reitit ja mitokondrioiden oksidatiivisen fosforylaation proteiinien säätely
vaimentuu (Heinonen ym. 2015). Ilmiö on yhteydessä aineenvaihdunnan häiriöihin, kuten lievään insuliiniresistenssiin ja matala-asteiseen tulehdukseen, jo ennen kliinistä lihavuutta ja siihen liittyvien aineenvaihdunnallisten sairauksien puhkeamista. Lihavuus näyttäisi siis olevan
yhteydessä ihonalaisen rasvakudoksen mitokondrioiden oksidatiivisen aktiivisuuden vaimentumiseen. Mitokondrioihin liittyvät geenit saattavat olla epigeneettisesti säädeltyjä, jolloin lihavuuteen liittyvien sairauksien kehittyminen voitaisiin mahdollisesti pysäyttää tehostamalla mitokondrioiden aktiivisuutta ihonalaisessa rasvakudoksessa.
Uusissa tutkimuksissa valkoisten rasvasolujen mitokondrioiden toiminta on osoitettu myös välttämättömäksi rasvasolujen adiponektiinin tuotannolle (Woo ym. 2019). Adiponektiinin pitoisuudet ovat käänteisesti yhteydessä insuliiniresistenssiin ja lihavuuden asteeseen (Gunawardana 2014). Adiponektiinilla on monia edullisia vaikutuksia elimistön
aineenvaihduntaan, kuten tulehdusta ja ateroskleroosia ehkäisevä vaikutus sekä
insuliiniherkkyyttä tehostava vaikutus (Gunawardana 2014, Harwood 2012). Tämä vuoksi Woo ym. (2019) esittivät uuden hypoteesin, jonka mukaan rasvasolujen mitokondrioiden
toimintähäiriö olisi syynä rasvakudoksen matala-asteiselle tulehtumiselle lihavuudessa.
Vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen mitokondrioiden toimintaa on vielä haastavampaa tutkia kuin ihonalaisen rasvakudoksen, koska biopsian ottamiseen vaaditaan leikkaus (Ngo ym. 2019).
Tämän vuoksi vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen tutkiminen on luontevaa toteuttaa lihavuusleikkauksen yhteydessä. Painonpudotuksen vaikutusta tutkittaessa näytteiden otto joudutaan vielä toistamaan, jolloin leikkaus joudutaan toteuttamaan toiseen kertaan. Dahlman ym. (2006) tutkimuksessa havaittiin tyypin 2 diabetesta sairastavilla lihavilla naisilla useiden mitokondrioiden elektroninsiirtoketjun geenien ilmentymisen vähenemä erityisesti vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa. Havainto ilmeni nimenomaan tyypin 2 diabeteksessä, eikä ollut yhteydessä lihavuuteen. Myös ihonalaisessa rasvakudoksessa havaittiin sama ilmiö, mutta huomattavasti lievempänä. Chattopadhyay ym. (2011) tutkimuksessa puolestaan ihonalaisen rasvakudoksen mitokondrioiden oksidatiivisen tehon lasku oli samankaltainen lihavilla sekä lihavilla tyypin 2 diabetesta sairastavilla tutkittavilla. Ero on mahdollisesti yhteydessä
vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen ja ihonalaisen rasvakudoksen eroihin (toiminnallinen vs.
transkriptionaalinen) (Boudina ja Graham 2014).
Vaikeassa lihavuudessa (BMI > 50 kg/m2) vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen irtikytkijäproteiini UCP1:n ilmentyminen suureni merkitsevästi ja ennusti itsenäisenä tekijänä
perusaineenvaihduntaa (Bettini ym. 2019). Lisäksi mitokondrion kompleksi II:sen aktiivisuus on pienentynyt vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa ihonalaiseen rasvakudokseen verrattuna lihavuudessa ja diabeteksessa (Ngo ym. 2019). Vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa
kompleksi II:n OPTM:n (cysteine oxidative posttranslational modifications) määrä oli suurentunut vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa. Lihavuusleikkauksen avulla pudotettu paino pienensi OPTM:n määrää ja palautti kompleksi II:n aktiivisuuden vain vatsaontelon sisäisessä
rasvakudoksessa vaikeassa lihavuudessa. Mitokondrion kompleksi II on mahdollisesti uudenlainen ja vielä tuntematon vatsaontelon sisäiseen rasvakudokseen liittyvän
insuliiniresistenssin säätelijä. Koska kompleksi II:n aktiivisuus parani painonpudotuksen myötä, se saattaa olla osallisena lihavuusleikkaukseen liittettyihin positiivisiin aineenvaihdunnan muutoksiin.
Ei-farmakologisista tai -geneettisistä keinoista liikunta ja energiansaannin rajoitus (ilman vajaaravitsemusta) vaikuttavat lupaavilta keinoilta aineenvaihdunnallisten sairauksien ennaltaehkäisyyn (Keuper ym. 2014, Omodei ja Fontana 2011). Liikunta ja energiansaannin rajoitus lisäävät mitokondrioiden määrää ja siten parantavat aineenvaihduntaa koko kehossa.
Liikunta parantaa insuliiniherkkyyttä diabeteksessa tehostamalla luustolihasten mitokontrioiden biogeneesiä, hengitysketjua ja määrää (Toledo ym. 2007). Myös energiansaannin rajoitus
näyttäisi lisäävän mitokondrioiden biogeneesiä, hapen käyttöä ja ATP:n tuotantoa (Civitarese ym.
2007). Hiirillä energiansaannin rajoituksen on osoitettu hillitsevän hyperglykemiaa luustolihasten tehostuneen glukoosin soluun oton kautta (Wang ym. 2016).
3 PAINONPUDOTUKSEN VAIKUTUS KUDOSTEN GLUKOOSIN KÄYTTÖÖN
3.1 Painonpudotuksen vaikutus valkoisen rasvakudoksen toimintaan
Lihavien ja hoikkien ihmisten kudosten glukoosin käyttö eroaa toisistaan (Viljanen ym. 2009, Virtanen ym. 2002, Virtanen ym. 2005). Virtanen ym. (2002) tutkimuksessa, jossa 10
normaalipainoiselta ja 10 lihavalta mieheltä mitattiin ihonalaisen ja vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen glukoosin soluunotto ja verenvirtaus positroniemissiotomografian (PET) avulla, havaittiin, että sekä koko kehon että luustolihaksiston glukoosin soluunotto kudosten painokiloa kohti oli pienempi lihavilla tutkittavilla verrattuna normaalipainoisiin tutkittaviin. Lihavien
tutkittavien keskivartalon ihonalaisen rasvakudoksen glukoosin soluunotto oli rasvakudoksen painokiloa kohti 67 % ja vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen 58 % pienempi kuin
normaalipainoisilla tutkittavilla.
Insuliinistimuloitu glukoosin soluunotto kudoksen painokiloa kohti oli molemmissa ryhmissä suurempi vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa kuin ihonalaisessa rasvakudoksessa. Tämä todettiin myös Virtanen ym. (2005) tutkimuksessa, jossa selvitettiin vasta diagnosoidun tyypin 2 diabeteksen ja vyötärölihavuuden vaikutusta insuliinin toimintaan luustolihaksissa ja
rasvakudoksessa. Vyötärölihavuus oli yhteydessä pienempään insuliinistimuloituun glukoosin soluunottoon kaikissa rasvakudosvarastoissa ja luustolihaksissa. Vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa ja luustolihaskudoksessa tämä pienentymä oli vastavuoroisesti ja
epälineaarisesti yhteydessä vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen määrään. Lihavuudessa glukoosin soluunotto ja kudoksen veren virtaus ilmentävät insuliiniresistenssiä, mutta
suuremman rasvakudosmassan vuoksi rasvakudos ei näyttäisi osallistuvan merkittävästi koko kehon insuliinistimuloidun glukoosin soluunoton pienentymiseen lihavuudessa (Virtanen ym.
2002). Suuri massa rasvakudosta näyttäisi toimivan eräänlaisena ”viemärinä” glukoosille, mikä kompensoi insuliiniresistenssiä koko kehon tasolla.
Painonpudotuksen vaikutusta rasvakudoksen alueelliseen glukoosin soluunottoon ja virtaukseen tutkittiin 16 terveellä lihavalla henkilöllä (Viljanen ym. 2009), jotka noudattivat ENE-dieettiä (549
kcal/pv) kuusi viikkoa ja pudottivat painoaan keskimäärin 11 ± 1 kg. Edellä mainittujen tutkimusten tulosten tapaan tutkittavien paikallinen glukoosin soluunotto ja kudoksen
verenvirtaus olivat suurempia vatsaontelon sisäisessä rasvakudoksessa verrattuna keskivartalon ihonalaiseen rasvakudokseen. Painonpudotuksen seurauksena tutkittavien vatsaontelon
sisäinen rasvakudos pieneni 25 % ja keskivartalon ihonalainen rasvakudos 16 %. Koko kehon herkkyys insuliinille parani 33 %. Kun tulokset laskettiin koko rasvakudosalueen massaa kohti glukoosin soluunotto ei muuttunut, kun taas rasvakudoksen verenvirtaus pieneni merkitsevästi sekä vatsaontelon sisäisessä että keskivartalon ihonalaisessa rasvakudoksessa. Nopea
painonpudotus siis pienentää rasvakudoksen perfuusiota, eli läpivirtausta, mutta ei vaikuta paikalliseen glukoosin ottoon. Tämä viittaa rasvakudoksen rooliin glukoosin ”viemärinä”.
Andersson ym. (2014) tutkivat rasvasolujen volyymin ja rasvamassan muutosten yhteyttä aineenvaihdunnallisiin riskitekijöihin, kuten insuliiniherkkyyteen ja plasman triglyserideihin, Roux-en-Y mahalaukun ohitusleikkauspotilailla. Tutkittavina oli 64 naista, joilta määritettiin ennen leikkausta ja kaksi vuotta sen jälkeen plasman glukoosi-, insuliini- ja lipidipitoisuudet, insuliiniherkkyys ja alueellinen kehon rasvakudosmassa kaksienergiaisella
röntgenabsorptiometrillä (DXA). Tutkittavien paino putosi 33 % ja ihonalaisen rasvakudoksen rasvasolut pienenivät volyymiltaan, mutta eivät määrältään, mikä on yhdistetty
insuliiniherkkyyden paranemiseen. Kuten aikaisemmin on havaittu (Goodpaster ym. 1999), vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen pieneneminen, mutta ei ihonalaisen rasvakudoksen pieneneminen, korreloi merkittävästi aineenvaihdunnallisten riskitekijöiden pienenemisen, kuten insuliiniherkkyyden ja plasman triglyseridipitoisuuden kanssa. Ihonalaisen rasvakudoksen tavoin sama yhteys puuttui vyötärön ja lantion alueen rasvakudoksista, jotka koostuvat suurilta osin ihonalaisesta rasvakudoksesta.
Myös Campos ym. (2010) tutkivat sairaalloisen lihavia tutkittavia, jotka pudottivat painoaan joko energiansaannin rajoituksella (n = 10) tai Roux-en-Y mahalaukun ohitusleikkauksen avulla (n = 12). Ohitusleikkauspotilaat noudattivat leikkauksen jälkeen 14 päivää ENE-dieettiä (800 kcal/pv).
Tutkittavilta määritettiin lähtötilanteessa (n = 22), 14 päivän kuluttua (n = 22) sekä kuuden kuukauden kuluttua (n = 12) perifeeristen kudosten glukoosin soluunotto clamp-tekniikalla.
Lähtötilanteessa kaikkien tutkittavien perifeeristen kudosten glukoosin soluunotto oli
merkittävästi heikentynyt ja vain kolmasosa hoikkien kontrolliryhmäläisten perifeeristen kudosten glukoosin soluunotosta (2,1 ± 0,9 vs. 7,6 ± 2,3 mg/kg/min, p < 0.01). Painonlasku oli 14 päivän kuluttua samankaltainen (Ohitusleikkauspotilaat: 12,7 % vs. Energiansaannin rajoitus:
10,9 %; p = 0,12) ja paastoinsuliini ja -verensokeri laskivat kaikilla tutkittavilla, mutta perifeeristen kudosten glukoosin soluunotossa ei tapahtunut muutoksia kummassakaan ryhmässä. Kuitenkin kuuden kuukauden kuluttua, kun tutkittavien paino oli pudonnut keskimäärin 49,7 %, glukoosin soluunotto parani huomattavasti ja korreloi merkitsevästi pudotetun painon kanssa (r = 0,68, p = 0,02).
3.2 Painonpudotuksen vaikutus ruskean rasvakudoksen toimintaan
Lihavuuden ja ruskean rasvakudoksen matalan aktiivisuuden syy-seuraussuhde ei ole selvillä.
Ruskean rasvakudoksen käänteinen yhteys BMI:n ja rasvaprosenttiin voisi viitata siihen, että ruskean rasvakudoksen matala aktiivisuus altistaisi lihavuudelle. Toisaalta ruskean
rasvakudoksen matala aktiivisuus voisi olla seurausta lihavuudesta, esimerkiksi lisääntyneen valkoisen rasvakudoksen tarjoaman lämpöeristyksen vuoksi (Vijgen ym. 2012). Tämän teorian perusteella voisi olettaa, että painonpudotuksen aiheuttama rasvaprosentin pieneminen voisi lisätä ruskean rasvakudoksen aktiivisuutta. Vijgen ym. (2012) tutkivat sairaalloisesti lihavien potilaiden (n = 10, BMI 41,7 ± 4,4 kg/m2) ruskean rasvakudoksen aktiivisuuta PET-kuvantamisen (18F-FDG-PET-CT) avulla ennen mahalaukun pantaleikkausta (laparoscopic adjustable gastric banding) ja vuosi leikkauksen jälkeen. Ennen leikkausta vain kahdella tutkittavalla havaittiin lievää kylmäaltistuksen aiheuttamaa ruskean rasvakudoksen aktiivisuutta. Leikkauksen jälkeen tutkittavien paino putosi merkittävästi (36,1 ± 8,3 kg) ja myös kolmella muulla tutkittavalla havaittiin aktiivista ruskeaa rasvakudosta. Yhdellä tutkittavalla ruskean rasvakudoksen aktiivisuus nousi, ja toisella vuorostaan laski.
Myös Orava ym. (2013) tutkivat painonpudotuksen vaikutusta kylmästimuloidun ruskean rasvakudoksen aktiivisuuteen. Tutkimuksessa oli 36 lihavaa tutkittavaa, joista 20 osallistui viisi kuukautta kestävään painonpudotusohjelmaan. Tutkittavien paino putosi keskimäärin 12,5 % (vaihteluväli 3.5-24.5 %), mutta ruskean rasvakudoksen massa ei suurentunut (19 ± 32 vs. 18 ± 29 g, p = 0,72). Tutkittavilla havaittiin trendi (p = 0,058) kylmästimuloidun ruskean rasvakudoksen
glukoosin soluunoton suurenemisesta. Kiinnostavaa oli kuitenkin se, että tutkittavilla, joilla havaittiin painonpudotuksen jälkeen suurin nousu ruskean rasvakudoksen glukoosin
soluunotossa, havaittiin myös glukoosin soluunoton tason nousu perirenaalisessa, eli munuaisia ympäröivässä, rasvakudoksessa. Perirenaalisen rasvakudoksen aktiivisuus ilmenee toisinaan samanaikaisesti selkeästi havaittavan solisluiden lähellä sijaitsevan ruskean rasvakudoksen kanssa (Bar-Shalom ym. 2004). Potilailla, joilla on katekoliamiinia erittävän lisämunuaisen ydinosan kasvain, on havaittu perirenaalisessa rasvakudoksessa ruskeaa rasvakudosta (Dundamadappa ym. 2007). Tämän vuoksi voitaisiin olettaa, että painonpudotus voisi lisätä kylmästimuloidun glukoosin soluunottoa perirenaalisessa ruskeassa rasvakudoksessa.
3.3 Painonpudotuksen vaikutus lihaskudoksen toimintaan
Painonpudotus näyttäisi parantavan tehokkaasti luustolihasten insuliinistimuloitua glukoosin soluunottoa. Jazet ym. (2008) tutkimuksessa painonpudotus (50 % ylimääräisestä painosta) paransi insuliiniherkkyyttä, erityisesti luustolihasten insuliinistimuloitua glukoosin soluunottoa clamp-tekniikalla mitattuna (lähtötilanteessa 18,8 ± 2,0 ja painonpudotustavoitteen saavutettua 39,1 ± 2,8 μmol kg rasvaton kudos−1 min−1, p = 0,001). Lihavat, tyypin 2 diabetesta sairastavat tutkittavat pudottivat erittäin niukkaenergisen dieetin (450 kcal/pv) avulla painoaan
huomattavan määrän (20,3 ± 2,2 kg toisesta tutkimuspäivästä lähtien) keskimäärin 17 viikon aikana.
Insuliinistimuloidun glukoosin soluunoton suureneminen näyttäisi myös suurenevan sitä mukaa mitä enemmän painoa pudotetaan (Magkos ym. 2016). Magkos ym. (2016) tutkimuksessa lihavat tutkittavat, joilla oli jonkin asteinen insuliiniresistenssi, mutta ei diabetesta, pudottivat painoaan 5 % ja osa edelleen ~10 % ja ~15 %. 5 % painonpudotus suurensi insuliinistimuloitua glukoosin käyttöä clamp-tekniikalla mitattuna ~25 % ja sillä saavutettiin maksimaaliset hyödyt
insuliinisäädellyn maksan glukoosintuotannon hillinnässä ja rasvakudoksen lipolyyttisessä aktiivisuudessa. Kun osa tutkittavista jatkoi painonpudotusta, luustolihasten herkkyys insuliinille parani painonpudotuksen mukana. Maksimaalinen kaksinkertainen insuliinistimuloitu glukoosin käyttö saavutettiin 11–16 % painonpudotuksen jälkeen. Aikaisemmassa tutkimuksessa
lihavuusleikkauksen avulla saavutettu 20 % painonpudotus aiheutti myös insuliinistimuloidun
glukoosin käyttö kaksinkertaistumisen (Bradley ym. 2012), minkä perusteella suurin hyöty luustolihasten insuliinistimuloidun glukoosin soluunotossa saavutetaan jo 11–16 %
painonpudotuksella.
II KOKEELLINEN OSA
4 TUTKIMUKSEN TAVOITTEET
Tämän Pro gradu -tutkimuksen tavoitteena on selvittää painonpudotuksen vaikutusta energiankulutukseen ja kudosten glukoosin käyttöön.
Tutkielman tutkimuskysymys:
1. Laskeeko painonpudotus tutkittavien energiankulutusta enemmän kuin rasvattoman kudoksen ja rasvakudoksen muutosten perusteella voisi laskennallisesti olettaa, kun mittarina käytetään kudosten glukoosin käyttöä?
5 AINEISTO JA MENETELMÄT
5.1 Tutkimuksen kulku ja tutkittavat
Pro gradu -tutkielman aineisto koostuu Blunted metabolic responses to cold and insulin
stimulation in brown adipose tissue of obese humans -tutkimuksen aineistosta (Orava ym. 2013).
Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, ovatko ruskean rasvakudoksen aineenvaihdunnalliset vasteet kylmäaltistukselle ja insuliinistimulaatiolle lihavuudessa laskeneet, ja miten
kylmäaltistuksen aikaansaama glukoosin soluunotto muuttuu painonpudotuksen jälkeen. Lisäksi tutkittiin havaittavan ruskean rasvakudoksen aktiivisuutta suhteessa erilaisiin
aineenvaihdunnallisiin mittareihin, mukaan lukien insuliiniherkkyyteen.
Ruskean rasvakudoksen aineenvaihdunnallisen aktiivisuuden eroja vertailtiin lihavien ja normaalipainoisten tutkittavien välillä sekä painonpudotuksen vaikutusta siihen. Kylmä- ja insuliinistimuloitu glukoosin soluunotto ja veren virtaus ruskeassa rasvakudoksessa lihavilla ja hoikilla tutkittavilla määritettiin PET-kuvantamisen avulla. Lihavilla tutkittavilla kylmästimuloitu glukoosin soluunotto mitattiin ennen ja jälkeen viiden kuukauden mittaisen painonpudotuksen.
Tutkimukseen osallistui 36 lihavaa tutkittavaa, joista 20 osallistui viisi kuukautta kestävään painonpudotusohjelmaan (Orava ym. 2013). Tässä pro gradu -tutkielmassa käytettiin ainoastaan painonpudotukseen osallistuvia lihavia tutkittavia. Hoikkia tutkittavia ei voitu käyttää
kontrolliryhmänä, koska heiltä ei ollut saatavilla kaikkia mittaustuloksia. Tutkittaviin lukeutui 12 naista ja kahdeksan miestä. Tutkittavien keskimääräinen ikä oli 35,7 (±7,7) vuotta.
Sisäänottokriteerinä tutkimukseen oli, että tutkittavilla ei ole diabetesta ja kilpirauhasen toiminta on normaali. Kaikilta tutkittavilta pyydettiin kirjallinen suostumus tutkimukseen osallistumisesta.
Aineistoissa mitattiin myös tutkittavien perusaineenvaihdunta epäsuoralla kalorimetrialla ennen ja jälkeen painonpudotuksen, jonka avulla tässä pro gradu -tutkielmassa tutkitaan
painonpudotuksen vaikutusta energiankulutukseen. Painonpudotuksen vaikutuksia kudosten glukoosin käyttöön arvioidaan aineistossa tehtyjen PET-kuvausten avulla.
Painonpudotusohjelmassa tutkittaville annettiin Helsingin lihavuustutkimusyksikössä ohjausta ruokavalioon ja liikuntaan, sekä ryhmäohjauksen että yksilöohjauksen avulla kerran kahdessa kuukaudessa (Pietiläinen ym. 2013). Ohjaajana toimi ravitsemusterapeutti. Painonpudotus aloitettiin kuuden viikon mittaisella ENE-dieetillä. ENE-dieetin aikana käytettiin Nutrilettilta ja Allevolta saatuja valmisteita. ENE-dieetin aikana tutkittavat söivät valmisteiden lisäksi 70-90 grammaa proteiinia päivässä. Proteiinin lähteinä käytettiin proteiinipitoisia ja vähärasvaisia tuotteita, kuten vähärarasvaista lihaa tai maitotuotteita. Lisäksi tutkittavia ohjattiin syömään 0,5 kilogrammaa vihanneksia päivässä vitamiinien ja kuidun saannin lisäämiseksi. ENE-dieetin jälkeen tutkittavia ohjattiin syömään päivässä 1,2-1,5 grammaa proteiinia painokiloa kohti.
Tutkittaville tarjottiin monivitamiinivalmisteet (Multi-tabs, Orion Pharma) ravintoaineiden riittävän saannin varmistamiseksi. Fyysistä aktiivisuutta suositeltiin Suomalaisten vuoden 2011 lihavuuden hoitosuositusten mukaisesti. Ravitsemusohjauksen yksilöllistämiseksi tutkittavat saivat yksilöohjausta ensimmäisenä, toisena ja viidentänä kuukautena. Muuten tapaamiset järjestettiin ryhmäohjauksen muodossa.
5.1 Tutkimusmenetelmät
Paino mitattiin paaston jälkeen paljain jaloin ja kevyissä alusvaatteissa digitaalisella puntarilla (Seca) ja pyöristettiin lähimpään 0,1 kilogrammaan. Pituus mitattiin pituusmitalla (Seca) ja pyöristettiin lähimpään 0,1 senttimetriin. Kehonkoostumus mitattiin kaksienergiaisella röntgenabsorptiometrillä (DXA) (Lunar Prodigy, ohjelmisto versio 8.8) standardisoiduissa
olosuhteissa, vähintään neljän tunnin jälkeen edeltävästä ateriasta ja vessassa käynnin jälkeen.
Keskivartalon rasvakudoksen (kg) määrittämiseksi DXA:ssa käytettiin laitteen valmistajan ohjetta.
Keskivartalon rasvakudokseksi määriteltiin rasvamassa, joka paikantui horisontaalisesti lantion ja reisiluun kaulan väliseen tilaan sekä toisaalta rajoittuivat kylkiluihin. PET-kuvantaminen suoritettiin 12 tunnin yöpaaston jälkeen, ja samalla mitattiin energiankulutus, eli
perusaineenvaihdunta. Perusaineenvaihdunta mitattiin epäsuoralla kalorimetrialla.
Perusaineenvaihdunnan mittausta edeltävänä kahtena vuorokautena tutkittavien tuli välttää alkoholin käyttöä ja tutkimusaamuna tuli välttää tupakointia. Voimakasta ruumillista rasitusta
tuli välttää 12 tuntia ennen mittausta. Peruaineenvaihdunta ilmoitetaan kilokaloreina vuorokaudessa (kcal/24 h).
Rasvakudoksen glukoosin soluunotto mitattiin PET-kuvauksilla käyttämällä 18F-FDG-
merkkiainetta. Tutkittavat kuvattiin ECAT EXACT HR+ scanner (Siemens/CTI, Knoxville, TN) - laitteen avulla, ja magneettikuvaus (MRI) lisättiin anatomisen referenssikuvan saamiseksi.
Kuvantamisen aikana mitattiin verensokerin pitoisuutta. PET-kuvauksella saatiin tietää kudoksen glukoosin soluunotto mikromooleina minuutin aikana (glukoosi (µmol)/100 g/min).
Kaksi painonpudotusohjelmaan osallistuneista tutkittavista vetäytyi tutkimuksista ennen kuin toiset PET-kuvaukset sekä energiankulutuksen ja kehonkoostumuksen mittaukset toteutettiin.
Keskeyttäneistä tutkittavista toiselta ei myöskään saatu painonpudotuksen jälkeisen painon mittausta. Näiden tutkittavien lisäksi yhdelle tutkittavalla energiankulutuksen mittauksia ei voitu suorittaa.
5.1 Tilastolliset menetelmät
Tilastolliset analyysit suoritettiin IBM SPSS statistic-tilastolaskentaohjelmalla (versio 27, IBM inc., Armonk, NY). Tulokset on ilmoitettu muodossa keskiarvo ± keskihajontana ja p-arvoa < 0,05 pidettiin merkitsevänä. Muuttujien jakaumien normaalisuutta tarkasteltiin visuaalisesti.
Muuttujista vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen massa (kg), vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen energiankulutus (kcal/24 h) sekä vatsaontelon sisäisen rasvakudoksen
energiankulutuksen osuus perusaineenvaihdunnasta (%) eivät jakautuneet normaalisti. Näiden muuttujien jakaumia korjattiin logaritmin muunnoksella. Ainoastaan painon pudotusta
edeltävän ja sen jälkeisten arvojen välisille erotuksille logaritmin muunnosta ei voitu tehdä negatiivisten lukujen vuoksi. Jakaumien korjaus logaritmin muunnoksella ei saanut jakaumia jakautumaan normaalisti, joten kaikille näille muuttujille käytettiin ei-parametrisia testejä.
Normaalisti jakautuneille muuttujille käytettiin parametrisia testejä.
Muuttujien muutoksia tarkasteltiin toisistaan riippuvien otosten ei-parametrisella Wilcoxon- testilläja parametrisella toisistaan riippuvien otosten t-testillä. Sukupuolten väliset erot testattiin
