Effect of acute and chronic exercise on fat oxidation and hormonal and plasma metabolite kinetics in obese and severely obese men

Acute exercise increases energy expenditure (EE) during exercise and post-exercise recovery [excess post-exercise oxygen consumption (EPOC)] and therefore may be recommended as part of the multidisciplinary management of obesity. Moreover, chronic exercise (training) effectively promotes an increase in insulin sensitivity, which seems to be associated with increased fat oxidation rates (FORs). The main purpose of this thesis is to investigate 1) FORs and extra-muscular factors (hormones and plasma metabolites) that regulate fat metabolism during acute and chronic exercise; and 2) EPOC during acute post-exercise recovery in obese and severely obese men (class II and III). In the first study, we showed that obese and severely obese men present a lower exercise intensity (Fatmax) eliciting maximal fat oxidation and a lower reliance on fat oxidation at high, but not at low and moderate, exercise intensities compared to lean men. This was most likely related to an impaired muscular capacity to oxidize non-esterified fatty acids (NEFA) rather than decreased plasma NEFA availability or a change in the hormonal milieu during exercise. In the second study, we developed an accurate maximal incremental test to correctly and simultaneously evaluate aerobic fitness and fat oxidation kinetics during exercise in this population. This test may be used for the prescription of an appropriate exercise training intensity. In the third study, we demonstrated that only 2 wk of exercise training [continuous training at Fatmax and adapted high-intensity interval training (HIIT)], matched with respect to mechanical work, may be effective to improve aerobic fitness, FORs during exercise and insulin sensitivity, which suggest that FORs might be rapidly improved and that adapted HIIT is feasible in this population. The increased FORs concomitant with the lack of changes in lipolysis during exercise suggest an improvement in the mismatching between NEFA availability and oxidation, highlighting the importance of muscular (oxidative capacity) rather than extra-muscular (hormones and plasma metabolites) factors in the regulation of fat metabolism after a training program. In the fourth study, we observed a positive correlation between EE during exercise and EPOC, suggesting that a chronic increase in the volume or intensity of exercise may increase EE during exercise and during recovery. This may have an impact in weight management in obesity. In conclusion, these findings might have practical implications for exercise training prescriptions in order to improve the therapeutic approaches in obesity and severe obesity. -- L'exercice aigu augmente la dépense énergétique (DE) pendant l'exercice et la récupération post-exercice [excès de consommation d'oxygène post-exercise (EPOC)] et peut être utilisé dans la gestion multidisciplinaire de l'obésité. Quant à l'exercice chronique (entraînement), il est efficace pour augmenter la sensibilité à l'insuline, ce qui semble être associé à une amélioration du débit d'oxydation lipidique (DOL). Le but de cette thèse est d'étudier 1) le DOL et les facteurs extra-musculaires (hormones et métabolites plasmatiques) qui régulent le métabolisme lipidique pendant l'exercice aigu et chronique et 2) l'EPOC lors de la récupération aiguë post-exercice chez des hommes obèses et sévèrement obèses (classe II et III). Dans la première étude nous avons montré que les hommes obèses et sévèrement obèses présentent une plus basse intensité d'exercice (Fatmax) correspondant au débit d'oxydation lipidique maximale et un plus bas DOL à hautes, mais pas à faibles et modérées, intensités d'exercice comparé aux sujets normo-poids, ce qui est probablement lié à une incapacité musculaire à oxyder les acides gras non-estérifiés (AGNE) plutôt qu'à une diminution de leur disponibilité ou à un changement du milieu hormonal pendant l'exercice. Dans la deuxième étude nous avons développé un test maximal incrémental pour évaluer simultanément l'aptitude physique aérobie et la cinétique d'oxydation des lipides pendant l'exercice chez cette population. Dans la troisième étude nous avons montré que seulement deux semaines d'entraînement (continu à Fatmax et intermittent à haute intensité), appariés par la charge de travail, sont efficaces pour améliorer l'aptitude physique aérobie, le DOL pendant l'exercice et la sensibilité à l'insuline, ce qui suggère que le DOL peut être rapidement amélioré chez cette population. Ceci, en absence de changements de la lipolyse pendant l'exercice, suggère une amélioration de la balance entre la disponibilité et l'oxydation des AGNE, ce qui souligne l'importance des facteurs musculaires (capacité oxydative) plutôt que extra-musculaires (hormones et métabolites plasmatiques) dans la régulation du métabolisme lipidique après un entraînement. Dans la quatrième étude nous avons observé une corrélation positive entre la DE pendant l'exercice et l'EPOC, ce qui suggère qu'une augmentation chronique du volume ou de l'intensité de l'exercice pourrait augmenter la DE lors de l'exercice et lors de la récupération post-exercice. Ceci pourrait avoir un impact sur la gestion du poids chez cette population. En conclusion, ces résultats pourraient avoir des implications pratiques lors de la prescription des entraînements dans le but d'améliorer les approches thérapeutiques de l'obésité et de l'obésité sévère.

A high-fructose diet impairs basal and stress-mediated lipid metabolism in healthy male subjects

Rapport de synthèse : La consommation de boissons sucrées contenant du fructose a remarquablement augmenté ces dernières décennies et, on pense qu'elle joue un rôle important dans l'épidémie actuelle d'obésité et de troubles métaboliques. Des études faites sur des rats ont montré qu'une alimentation riche en sucre ou fructose induisait une obésité, une résistance à l'insuline, diabète, dyslipidémie et une hypertension artérielle, tandis que chez l'homme, une alimentation riche en fructose conduit, après quelques jours, au développement d'une hypertryglycémie et une résistance hépatique à l'insuline. Nous avons entrepris une étude de 7 jours d'alimentation riche en fructose ou d'une alimentation contrôlée chez six hommes en bonne santé. Les NEFA plasmatiques et la beta-hydroxybutyrate, l'oxydation nette de lipide (calorimétrie indirecte) et l'oxydation exogène de lipide (13 CO2) ont été surveillés dans des conditions basales, et après un chargement en lipide (huile d'olive marqué au 13C-trioléine), puis durant un stress mental standardisé. La clearance de lactate et les effets métaboliques de la perfusion de lactate exogène ont également été évalués. Nos résultats ont montré que l'alimentation riche en fructose diminue la concentration plasmatique de NEFA, de beta-hydroxybutyrate de même que l'oxydation des lipides dans les conditions de bases et après surcharge en lipides. De plus, l'alimentation riche en fructose amortie l'augmentation des NEFA plasmatique et l'oxydation des lipides exogènes durant le stress mental. Elle augmente également la concentration basale de lactate et la production de lactate de respectivement 31.8% et 53.8%, tandis que la clearance du lactate reste inchangée. L'injection de lactate diminue le taux des NEFA lors de l'alimentation de contrôle et l'alimentation de base, et l'oxydation nette de lipide lors de l'alimentation de contrôle et l'alimentation riche en fructose. Ces résultats indiquent que 7 jours d'alimentation riche en fructose inhibent remarquablement la lipolyse et l'oxydation des lipides. L'alimentation riche en fructose augmente aussi la production de lactate, et l'augmentation de l'utilisation de lactate peut contribuer à supprimer l'oxydation des lipides. Abstact : The effects of a 7 d high-fructose diet (HFrD) or control diet on lipid metabolism were studied in a group of six healthy lean males. Plasma NEFA and β-hydroxybutyrate concentrations, net lipid oxidation (indirect calorimetry) and exogenous lipid oxidation (13CO2 production) were monitored in basal conditions, after lipid loading (olive oil labelled with [13C] triolein) and during a standardised mental stress. Lactate clearance and the metabolic effects of an exogenous lactate infusion were also monitored. The HFrD lowered plasma concentrations of NEFA and (β-hydroxybutyrate as well as lipid oxidation in both basal and after lipid-loading conditions. In addition, the HFrD blunted the increase in plasma NEFA and exogenous lipid oxidation during mental stress. The HFrD also increased basal lactate concentrations by 31.8%, and lactate production by 53.8 %, while lactate clearance remained unchanged. Lactate infusion lowered plasma NEFA with the control diet, and net lipid oxidation with both the HFrD and control diet. These results indicate that a 7 d HFrD markedly inhibits lipolysis and lipid oxidation. The HFrD also increases lactate production, and the ensuing increased lactate utilisation may contribute to suppress lipid oxidation.