Giorgio Bedogni 1, 2, Athos Borghi 2, Nino Battistini 1
1 Cattedra di Nutrizione Umana, Università di Modena.
2 Dipartimento di Medicina Interna, Università di Modena.
Le componenti del bilancio energetico
Il bilancio energetico (ΔE) rappresenta la differenza tra l’ introito (Ei, energy input) e il dispendio energetico (Eo, energy output):
ΔE = Ei – Eo (1)
Esso è l’ indicatore più accurato delle modificazioni a breve termine dello stato nutrizionale.
Valutazione dell’ introito energetico
La valutazione dell’ introito energetico può essere effettuata con metodi longitudinali o retrospettivi (1).
La valutazione longitudinale dell’ introito energetico comporta l’ impiego di diari alimentari. Il soggetto registra sul diario gli alimenti assunti nel corso della giornata per più giornate consecutive. Ciò consente una valutazione quali- e quanti-tativa delle sue abitudini alimentari. Per realizzare quest’ ultima gli alimenti vengono “scomposti” nei nutrienti costitutivi utilizzando apposite tabelle di conversione o banche dati (analisi bromatologica). Utilizzando come tecnica di riferimento l’ analisi chimica degli alimenti (metodo delle doppie porzioni), abbiamo osservato che 5-7 giorni di registrazione longitudinale sono in genere sufficienti per ottenere una stima accurata dell’ introito di energia e macronutrienti (2, 3).
I metodi retrospettivi assumono principalmente la forma di recalls o questionari di frequenza di assunzione degli alimenti (FFQ, food-frequency questionnaries). Essi sono più semplici da attuare dei metodi longitudinali ma risentono di problemi di memoria e non consentono un’ analisi bromatologica accurata come i metodi longitudinali. Il loro uso appropriato è quello epidemiologico.
Valutazione del dispendio energetico
La spesa energetica totale (TEE, total energy expenditure) dell’ adulto comprende la spesa energetica basale (BEE, basal energy expenditure), l’ effetto termico del cibo (TEF, thermic effect of food), l’ attività fisica (ACT, activity) e altre componenti “minori” (other; termogenesi da brivido, ecc.):
TEE = BEE + TEF + ACT + other (1)
La somma di BEE e TEF definisce la spesa energetica a riposo (REE, resting energy expenditure), sicché è anche possibile scrivere:
TEE = REE + ACT + other (2)
Il contributo delle componenti di TEE al dispendio energetico di un adulto sedentario è illustrato in fig. 1.
Figura 1
Le componenti di TEE in un uomo sedentario. I dati utilizzati sono quelli tabulati da Elia (10). Abbreviazioni: TEE = total energy expenditure; other = altre componenti; ACT = (physical) activity; REE = resting energy expenditure; TEF = thermic effect of food; BEE = basal energy expenditure.
Nel bambino occorre considerare anche l’ energia spesa per l’ accrescimento (GRW, growth), sicché l’ equazione (2) assume la forma:
TEE = REE + ACT + GRW + other (3)
Consideriamo ora in maggior dettaglio TEE e le sue componenti.
TEE
La misurazione di TEE richiede tecniche complesse e dal costo elevato.
Per la misurazione diretta di TEE è necessaria una camera metabolica (4). Poiché il dispendio energetico è ricavato dal calore rilasciato dall’ individuo durante un soggiorno di almeno 24 ore all’ interno della camera, la tecnica è nota come "calorimetria diretta". Pur essendo la tecnica di riferimento per la valutazione di TEE, la calorimetria diretta non è applicabile in clinica e non può essere utilizzata per studiare gli individui nel loro ambiente naturale.
TEE può essere misurato indirettamente utilizzando la diluizione dell’ acqua marcata con deuterio e ossigeno-18 (DLW, doubly-labelled water) (5). Il metodo più utilizzato prevede la somministrazione di una quantità nota di DLW e la misurazione dei livelli di 2H e 18O nella saliva o nelle urine per i successivi 14 giorni. Applicando i passaggi riportati in fig. 2, si risale alla quantità di CO2 prodotta nelle 2 settimane. Da quest’ ultima, conoscendo il quoziente respiratorio del soggetto (v. sotto) si risale al consumo di O2 e a TEE. La DLW non è invasiva e può essere utilizzata per studiare gli individui nel loro ambiente naturale. Confrontata con la calorimetria diretta, essa appare sufficientemente accurata ma sussiste il problema della sua precisione, specialmente in ambito clinico, dove sono disponibili pochi studi (4). L’ alto costo e l’ impiego di metodiche specializzate restringono comunque l’ impiego della DLW a pochi centri specializzati. Per i motivi sopra riportati, sono disponibili soltanto pochi dati sulle modificazioni di TEE che hanno luogo nel corso della vita e con la malattia. La mancanza di valori di riferimento fa sì che la valutazione di TEE abbia attualmente una scarsa rilevanza clinica.
Figura 2
Misurazione del dispendio energetico totale (TEE) attraverso l’ acqua doppiamente marcata. Abbreviazioni: r = (production) rate, k = costante associata ad r (determinata sperimentalmente). Modificata da IDECG (5).
BEE e REE
La spesa energetica basale può essere definita come la quantità di energia utilizzata per assicurare le funzioni vitali dell’ organismo. Essa rappresenta, di norma, la maggior componente di TEE (60-75%; fig. 1).
Il contributo dei principali organi e tessuti a BEE è illustrato in fig. 3 per il bambino (6 mesi), la donna e l’ uomo di riferimento. Nell’ uomo e nella donna adulti, il contributo del fegato a BEE (20%) è sovrapponibile a quello del cervello e di poco inferiore a quello del muscolo a riposo. Poiché l’ adipocita accumula molta più energia di quanta ne consumi, il contributo del tessuto adiposo a BEE è minimo (5%). In base alla fig. 3, è facile prevedere che BEE varierà con la composizione corporea dell’ individuo. In generale, vi è una corrispondenza stretta tra la quantità di tessuti “magri” e BEE. Poiché i soggetti obesi presentano di regola un’ espansione della massa magra (FFM, fat-free mass), essi hanno solitamente valori “elevati” di BEE. Il rapporto BEE:FFM (dispendio energetico basale per unità di massa magra) è comunque sovrapponibile nei soggetti obesi e in quelli normopeso (6).
Figura 3
Componenti della spesa energetica basale (BEE) nell’ uomo, nella donna e nel bambino di riferimento. I dati utilizzati sono quelli tabulati da Elia (13).
La tecnica utilizzata per la misurazione di BEE è la calorimetria indiretta. Essa assume che l’ energia prodotta dalla combustione dei macronutrienti all’ interno del corpo umano sia uguale a quella prodotta all’ interno di una bomba calorimetrica. (Ciò non è vero per le proteine, per le quali deve essere introdotto un apposito fattore di correzione.) In tal modo è possibile calcolare la produzione di energia (EE, energy expenditure) misurando il consumo di O2 (VO2), la produzione di CO2 (VCO2) e l’ eliminazione di N (Nu, urine) da parte dell’ organismo (7). (Naturalmente l’ azoto non viene eliminato esclusivamente per via urinaria. Ciononostante, questa è l’ unica via di eliminazione che può essere valutata nella routine clinica e pertanto quest’ approssimazione viene usualmente accettata.) Questo calcolo, da tener ben distinto dalla misurazione di VO2, VCO2 e Nu, viene fatto a partire da equazioni stechiometriche sviluppate in vitro.
Per quanto la misurazione di CO2 sia tecnicamente più semplice di quella di O2, essa può nondimeno causare problemi in ragione della sensibilità di VCO2 al pattern respiratorio del paziente. Per essere (ragionevolmente) certi che la CO2 espirata corrisponda a quella effettivamente prodotta a livello cellulare, è necessario protrarre la misurazione di CO2 per un periodo di tempo sufficientemente lungo. In generale 20 o 30 minuti sono sufficienti ma in casi particolari il tempo richiesto è notevolmente superiore (8). Nel soggetto a digiuno da almeno 8 ore EE può essere assunto a misura di BEE; se il soggetto non è a digiuno EE fornisce una misura di REE, perché il valore misurato include TEF (fig. 1).
BEE e REE possono essere stimati anche solo da VO2 e VCO2 o da VO2 soltanto. Nei soggetti sani e in diverse tipologie di ammalati, la differenza rispetto al valore ottenuto dalla misurazione di VO2, VCO2 e Nu è minima (12). La misurazione di VCO2 non dovrebbe essere comunque tralasciata per l’ interesse nutrizionale del quoziente respiratorio (v. sotto).
TEF
Il TEF è il costo metabolico associato all’ assorbimento e all’ utilizzazione degli alimenti. Per quanto sia noto da circa cent’ anni, le sue basi fisiologiche sono ancora oggetto di controversia (9). Il contributo di TEF a REE oscilla tra il 7 e il 13%. È stato ipotizzato che una riduzione di TEF possa contribuire allo sviluppo dell’ obesità. In ogni caso, la misurazione di TEF ha attualmente più importanza in ambito sperimentale che non clinico.
ACT
Nell’ adulto sedentario, ACT rappresenta il 15-30% di TEE (fig. 1). La misurazione di ACT può essere effettuata utilizzando la calorimetria indiretta in corso di attività fisica. L’ incremento di ACT nel soggetto in sovrappeso contribuisce alla negativizzazione del bilancio energetico necessaria per ottenere il calo ponderale. Tale approccio è particolarmente indicato nel soggetto in sovrappeso sottoposto in passato a diete sbilanciate che hanno prodotto una riduzione della FFM e, quindi, di BEE.
Misurazione o predizione del dispendio energetico ?
Sin dagli inizi del secolo scorso, sono stati fatti numerosi tentativi per predire BEE o REE da variabili biologiche e antropometriche come l’ età, il peso, la statura e la superficie corporea (10). Successivamente, quando fu possibile ottenere una misurazione della massa magra, vennero sviluppate equazioni per predire BEE o REE da FFM. (Naturalmente, queste equazioni hanno un vistoso limite pratico nel fatto che non è possibile una valutazione routinaria della FFM così come è invece possibile per il peso e la statura.)
In generale, le equazioni basate su peso corporeo, statura ed età commettono un errore “accettabile” (≈ 10%) a livello di popolazione ma non nel singolo individuo (10). Le equazioni consigliate dalla Società Italiana di Nutrizione (SINU) per l’ impiego in soggetti sani sono quelle dell’ Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), basate sul peso corporeo (11).
Anche se un errore simile a quello riscontrato su soggetti sani è talvolta riscontrabile in soggetti ammalati, l’ interesse del clinico è rivolto al malato come tale e non alla popolazione degli ammalati. A tale riguardo, numerosi studi hanno dimostrato che, nel singolo ammalato, la predizione anziché la misurazione di BEE o REE può portare ad errori grossolani e ad approcci terapeutici inadeguati (12). Pertanto, in un contesto clinico, la predizione non sostituisce la misurazione di BEE od REE. Anche in soggetti apparentemente “sani” come quelli obesi, la predizione di BEE o REE può dare risultati inattendibili. Ciò non sorprende se si considera che: i) la maggioranza delle equazioni predittive è stata sviluppata su soggetti normopeso o su casistiche includenti una minoranza di soggetti sovrappeso (10) e, ii) il rapporto tra la FFM, il peso corporeo, l’ altezza e la superficie corporea è diverso nel soggetto obeso rispetto a quello normopeso (6).
Il quoziente respiratorio e la composizione in nutrienti energetici della dieta
Il quoziente respiratorio (RQ, respiratory quotient) è il rapporto tra VCO2 e VO2:
RQ = VCO2 (L) / VO2 (L) (4)
I valori di RQ per i carboidrati, i lipidi e le proteine, facilmente calcolabili dai valori di VCO2 e VO2, ammontano rispettivamente a 1.000, 0.707 e 0.809. RQ fornisce dunque un informazione sul substrato energetico utilizzato.
Valori di RQ inferiori a 0.707 possono riscontrarsi in corso di gluconeogenesi e chetogenesi. Entrambi questi processi portano alla sintesi di molecole (carboidrati e corpi chetonici) più ricche di O2 rispetto a quelle di partenza (proteine e lipidi). Pertanto, sia la gluconeogenesi che la chetogenesi portano ad una diminuzione di RQ. (In teoria, l’ unica condizione in cui si riscontrerebbe un accumulo netto di carboidrati nell’ uomo è sotto l’ effetto di una dieta ricca in proteine e priva di carboidrati.)
Valori di RQ superiori a 1.000 possono aversi in corso di lipogenesi. In questo caso, mentre il valore di VO2 rimane costante, quello di VCO2 aumenta, spiegando l’ incremento complessivo di RQ. In pratica, tutte le condizioni che si associano ad un RQ al di fuori del limite fisiologico sono accertabili clinicamente (ad es., chetoacidosi diabetica) e devono essere tenute in adeguata considerazione per la corretta interpretazione del dato calorimetrico.
Conclusione
La misurazione di BEE od REE è utile in tutte quelle condizioni in cui sia necessario il controllo delle modificazioni a breve termine dello stato nutrizionale del paziente. Oltre al paziente “critico”, queste comprendono una varietà di malattie che necessitano di una somministrazione dei nutrienti per via parenterale (12). La valutazione del dispendio energetico, unitamente a quella di RQ, è pure utile nel paziente “nutrizionale” che più frequentemente s’ incontra a livello ambulatoriale: quello obeso. La misurazione seriata di BEE consente infatti di adeguare la dieta alla sua composizione corporea e di seguirne nel tempo la FFM, parametro di fondamentale importanza nella prevenzione della “weight-cycling syndrome”.
Bibliografia
1. Dwyer JT. Dietary assessment. In: Shils ME, Olson JA, Shike M, editors. Modern Nutrition in health and disease. 8th ed. Philadelphia: Lea & Febiger; 1994. p. 842-60.
2. Battistini N, Caselli D, Bedogni G, Gatti G. Food intake in University students and its impact on nutritional status. Nutr. Res. 1992;12:222-33.
3. Bedogni G, Bernini Carri E, Gatti G, Severi S, Poli M, Ferrari F, Battistini N. Comparison of food composition tables and direct chemical analysis for the assessment of food intake in a military community. Int. J. Food Sci. Nutr. in press.
4. Ravussin E, Rising R. Daily energy expenditure in humans: measurements in a respiratory chamber and by doubly labelled water. In: Kinney JM, Tucker HN, editors. Energy Metabolism: Tissue determinants and cellular corollaries. NY: Raven Press; 1992. p. 81-94.
5. IDECG (International Dietary Energy Consultancy Group). The doubly-labelled water method for measuring energy expenditure. Technical recommendations for use in humans. Vienna: International Atomic Energy Agency; 1990.
6. Battistini N, Bedogni G. La composizione corporea del soggetto obeso: peculiarità e suggerimenti per una sua valutazione clinica. In: Contaldo, Giorgino, Mancini, editors. Obesità: Gnocchi; 1996. p. 36-9.
7. Ferranini E. The theoretical bases of indirect calorimetry: a review. Metabolism 1988;37:287-301.
8. Ferranini E. Equations and assumptions of indirect calorimetry: a review. In: Kinney JM, Tucker HN, editors. Energy Metabolism: Tissue determinants and cellular corollaries. NY: Raven Press; 1992. p. 1-17.
9. James WPT. From SDA to DIT to TEF. In: Kinney MJ, Tucker HN, editors. Energy metabolism: tissue determinants and cellular corollaries. NY: Raven Press; 1992. p. 163-83.
10. Elia M. Energy expenditure in the whole body. In: Kinney JM, Tucker HN, editors. Energy metabolism: tissue determinants and cellular corollaries. NY: Raven Press; 1992. p. 19-47.
11. SINU (Società Italiana di Nutrizione Umana). Energia. In: SINU, editor. LARN (Livelli di Assunzione Raccomandata dei Nutrienti). Revisione 1996. Milano: EDRA; 1998. p. 20-57.
12. Burzstein S, Elwyn DH, Askanazi J, Kinney MJ. Energy Metabolism, Indirect Calorimetry and Nutrition. Baltimore: Williams & Wilkins; 1989.
13. Elia M. Organ and tissue contribution to metabolic rate. In: Kinney JM, Tucker HN, editors. Energy metabolism: tissue determinants and cellular corollaries. NY: Raven Press; 1992. p. 61-79.