Effect of Exercise Intensity and Volume on Lipidomics and Metabolomics Profile in Individuals with Metabolic Syndrome

Abstract

Metabolsk syndrom øker risikoen for å oppleve kardiovaskulære hendelser eller utvikle hjerte- og karsykdom. Fysisk trening har blitt anerkjent som en god behandlingsmetode for metabolsk syndrom ved å redusere de individuelle kardiovaskulære risikofaktorene som definerer sykdommen. Mer forskning er nødvendig for å bestemme optimalt volum og intensitet av treningen. Denne studien er en post-hoc-studie av "Exercise in prevention of metabolic syndrome" (EX-MET) studien. EX-MET studien var en randomisert multisenterstudie med mål om å bestemme effektene av moderatintensiv kontinuerlig trening sammenliknet med ulike volumer av høyintensiv intervalltrening på kardiovaskulære risikofaktorer hos MetS-pasienter. Det primære målet med denne post-hoc-studien var å bestemme om 16 uker med veiledet trening påvirket nivåene av lipoprotein-subfraksjoner og metabolitter i serum. Det sekundære målet var å bestemme om eventuelle endrede lipoproteinsubfraksjoner og metabolitter forble endret i løpet av oppfølgingsperioden på 1 år. Studier har antydet at sammensetningen og egenskapene til ulike lipoproteiner kan gi en bedre indikasjon av risiko enn den totale mengden lipoproteiner. Høye nivåer av lipoprotein med lav tetthet (LDL) er allment akseptert som en viktig faktor i utviklingen av hjerte- og karsykdom. De metabolske egenskapene er forskjellige for underklassene av LDL. LDL-partikler kategorisert etter størrelse og tetthet kan derfor gi prediksjoner om riskio for hjerte- og karsykdom. De nyeste fremskrittene innen nukleær magnetisk resonans (NMR) metabolomics/lipidomics gir muligheten til å kvantifisere 112 lipoprotein-subfraksjoner og 41 metabolitter samtidig i samme serumprøve. NMRlipidomics/ metabolomics har potensial til å bli et viktig verktøy i studier og behandling av metabolismeforstyrrelser og hjerte- og karsykdommer. I denne delstudien ble 66 deltakere over 30 år med metabolsk syndrom inkludert basert på tilgjengeligheten av serumprøver fra de opprinnelige 465 deltakerne i EX-MET studien. Av disse deltakerne hadde 25 også tilgjengelige serumprøver fra 1-års oppfølgingen. Deltakerne hadde allerede blitt delt inn i tre grupper i EX-MET, så forholdet var ikke perfekt 1:1:1 i denne studien. Gruppe 1 ble tildelt 1x4 minutter høyintensiv intervalltrening 3 ganger i uken (1HIIT, n=17), gruppe 2 ble tildelt 4x4 minutters høyintensiv intervalltrening 3 ganger i uken (4HIIT, n=25), og gruppe 3 ble tildelt moderat-intensiv kontinuerlig trening 5–7 ganger i uken (MICT, n=24). Etter 16 uker med trening var det en betydelig reduksjon i LDL-5 kolesterol, LDL-5 fritt kolesterol og LDL-5 fosfolipider, samt glutamin, i 1HIIT-gruppen. I 4HIIT-gruppen var det en betydelig økning i VLDL-5 fritt kolesterol og en økning i HDL-fosfolipider. I MICT-gruppen var det en betydelig økning i VLDL-4 fritt kolesterol og VLDL-4 kolesterol og VLDL-5 fritt kolesterol, samt en reduksjon av glutamin. Analyser mellom gruppene viste betydelige forskjeller i endringer i VLDL-5 kolesterol og VLDL-5 fosfolipider, da nivåene ble redusert etter 16 uker med trening i 1HIIT-gruppene, mens det var en økning både i 4HIIT- og MICT-gruppene. I tillegg ble metabolittene 2-hydroksybutyrinsyre og 2- aminobutyrsyre økt ved trening i 1HIIT-gruppen, mens de ble redusert i 4HIIT-gruppen. LDL-5 er en liten, tett LDL-partikkel som har en positiv korrelasjon med økt risiko for utvikling av aterosklerose. Reduksjonen av LDL-5 som ble observert i 1HIIT-gruppen kan gi en betydelig lavere risiko for å utvikle aterosklerose. 4HIIT-gruppen hadde en økning i HDL-fosfolipider og var den eneste gruppen som opplevde en forbedring av noen HDL-subfraksjoner, noe som antyder at både høy intensitet og høyt volum er nødvendig for å forbedre HDL. Ingen reduksjon ble funnet i totalnivåene av LDL i 1HIIT eller HDL i 4HIIT, noe som betyr at konvensjonell lipoproteinanalyse ikke ville oppdage disse gunstige endringene i lipoproteinprofilen. Positive endringer i lipoprotein-subfraksjoner sett i begge HIIT-gruppene antyder at det er en fordel å inkludere høyintensiv trening i treningsintervensjonen for pasienter med metabolsk syndrom. NMR-analyse viser lovende resultater som en overlegen og potensielt fremtidig metode for lipidprofilering, som overgår konvensjonell lipoproteinanalyse.

Metabolic syndrome increases the risk of suffering from a cardiovascular event or developing cardiovascular disease (CVD). Physical exercise has been recognized as a good way of treating metabolic syndrome by reducing the individual cardiovascular risk factors defining the disease. More research is needed to determine the optimal volume and intensity of the exercise. This study is a post-hoc study of a the “Exercise in prevention of metabolic syndrome” (EX-MET) study. The EX-MET study was a randomized multicenter trial with the primary objective of determining the effects of moderate-intensity continuous training (MICT) compared to different volumes of high intensity interval training (HIIT) on cardiovascular risk factors of MetS patients. The primary objective of this post-hoc study was to determine whether 16 weeks of supervised exercise training altered the serum levels of lipoprotein subfractions and metabolites. The secondary objective was to determine whether potential altered lipoprotein subfractions and serum metabolites remained altered during the 1-year follow-up period. Studies have suggested that the composition and properties of lipoproteins can be a better measure of risk than the total amount in serum. High levels of low-density lipoprotein (LDL) is widely accepted as a key contributor to developing CVD. The metabolic characteristics are different for the subclasses of LDL. LDL particles categorized by size and density can therefore offer distinct measures of atherogenicity and are robust predictors of CVD. The latest advances in nuclear magnetic resonance (NMR) metabolomics/lipidomics now provides the opportunity to simultaneously quantify 112 lipoprotein subfractions and 41 metabolites in the same sample. NMR lipidomics/ metabolomics has the potential to become an important tool in the study and management of lipid metabolism disorders and CVD. In this sub-study, 66 participants >30 years old with metabolic syndrome were included based on the availability of serum samples from the original 465 participants in the EX-MET study. 25 of these participants also had available serum samples from the 1-year follow-up. The participants had already been divided into three groups from EX-MET so the ratio was not a perfect 1:1:1 in this study. Group 1 was assigned 1x4 minutes high intensity interval training 3 times a week (1HIIT, n=17), group 2 was assigned 4x4 minutes high intensity interval training 3 times a week (4HIIT, n=25), and group 3 was assigned moderate intensity continuous training 5-7 times a week (MICT, n=24). After 16 weeks of exercise, there was a significant reduction in LDL-5 cholesterol, LDL-5 free cholesterol and LDL-5 phospholipids as well as serum glutamine, in the 1HIIT group. In the 4HIIT group, there was a significant increase of VLDL-5 free cholesterol, and an increase in HDL phospholipids. In the MICT group, there was a significant increase in VLDL-4 free cholesterol and VLDL-4 cholesterol from and VLDL-5 free cholesterol as well as a decrease of serum glutamine. Between-group analyses showed significant differences in changes in VLDL-5 cholesterol and VLDL-5 phospholipids, as the levels decreased after the 16-weeks of exercise training in the 1HIIT groups, whereas there was an increase in both the 4HIIT and MICT groups. In addition, the metabolites 2- hydroxybutyric acid and 2-aminobutyric acid were increased by exercise training in for 1HIIT, while they decreased in the 4HIIT group. LDL-5 is a small, dense LDL particle that is positively correlated with an increased risk of atherogenesis. The reduction of LDL-5 experienced in the 1HIIT group can give a substantially lower risk of developing atherosclerosis. The 4HIIT group had an increase of HDL phospholipids and was the only group to see an improvement of any HDL subfractions, suggesting that both high intensity and high volume is needed to improve HDL. No decrease was found in either total levels of LDL in 1HIIT or HDL in 4HIIT, meaning conventional lipoprotein analysis would not find these beneficial changes in the lipoprotein profile. Positive changes in lipoprotein subfractions seen in both HIIT groups suggest that there is a benefit to having high-intensity exercise incorporated in the training intervention of patients with MetS. NMR analysis shows promise as a superior and potentially future method for lipid profiling, surpassing conventional lipoprotein analysis.