Afilieri Departamentul de Inginerie Industrială și de Sisteme, Virginia Tech, Falls Church, Virginia, Statele Unite ale Americii, Sloan School of Management, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts, Statele Unite ale Americii

creșterii

Cifre

Abstract

Citare: Rahmandad H (2014) Creșterea umană și dinamica greutății corporale: un model de sisteme integrate. PLoS ONE 9 (12): e114609. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0114609

Editor: David Meyre, Universitatea McMaster, Canada

Primit: 1 august 2014; Admis: 11 noiembrie 2014; Publicat: 5 decembrie 2014

Disponibilitatea datelor: Autorii confirmă că toate datele care stau la baza constatărilor sunt pe deplin disponibile fără restricții. Datele la nivel individual utilizate pentru validarea modelului sunt disponibile din fișierele publice ale sondajului național de examinare a sănătății și nutriției (http://www.cdc.gov/nchs/nhanes.htm). Alte date de validare sunt disponibile în textul publicațiilor de referință.

Finanțarea: Finanțarea pentru acest proiect a fost asigurată prin intermediul Institutului Național de Sănătate, al Biroului de cercetare comportamentală și științei sociale contract HHSN276201000004C și 1R21HL113680-01. Autorul nu a primit alte fonduri pentru această lucrare. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorul a declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Tendințele obezității din întreaga lume sunt alarmante [1], [2] și se întind pe diferite vârste, sexe și grupuri etnice [3], cu costuri economice și de sănătate semnificative [4]. Au fost necesare modele de calcul validate pentru a evalua impactul intervențiilor și politicilor alternative. De exemplu, utilizarea modelelor simpliste poate duce la așteptări excesiv de optimiste cu privire la o intervenție care poate dezamăgi ulterior și poate răni aderarea [5]. Modelele computaționale ale dinamicii greutății și înălțimii pot informa, de asemenea, monitorizarea creșterii individuale și a îmbătrânirii, proiectarea și evaluarea intervențiilor de subnutriție și creștere a creșterii, precum și diagnosticul tulburărilor alimentare și de creștere, printre altele. În cele din urmă, modelele matematice integrează constatările existente, oferă previziuni cantitative și motivează studii empirice care vizează lacunele de cunoștințe identificate de model.

O literatură în creștere include modele de dinamică a greutății corporale la adulți [6] - [10]. Câteva astfel de modele există pentru creșterea copilăriei [11], [12]. Cu toate acestea, modelele actuale nu includ 1) sugari și copii cu vârsta mai mică de cinci ani. 2) Captează dinamica creșterii în înălțime. 3) Luați în considerare dinamica pe termen lung, inclusiv modificările compoziției corpului datorate îmbătrânirii. 4) Capturați diferențele rasiale sau oferiți puncte clare pentru a personaliza modelul pentru anumite subpopulații. Această lucrare introduce un model mecanicist al greutății corporale individuale, compoziției și dinamicii înălțimii de la naștere până la vârste vechi, incluzând variații între indivizi în ceea ce privește sexul și rasa. Modelul este validat utilizând un set divers de studii anterioare neutilizate în formularea modelului, sporind robustețea și aplicabilitatea la proiectarea intervenției și analiza politicilor. Modelul și instrucțiunile de simulare documentate sunt furnizate pentru a permite replicarea, extensiile și diversele analize de către cercetătorii și practicienii interesați.

Materiale și metode

Se urmărește o abordare de modelare mecanicistă în care un sistem de ecuații diferențiale obișnuite reprezintă un corp uman cu variabile de stare reprezentând concepte cheie necesare pentru a cuantifica greutatea corporală, înălțimea și compoziția de-a lungul vieții. Folosesc trei variabile de stare în acest scop. În urma cercetărilor anterioare, greutatea corporală este împărțită în masă grasă (FM) și masă fără grăsimi (FFM). Acesta din urmă combină într-o singură proteină variabilă, glicogen, mase fluide intra și extracelulare și alte componente fără grăsime. FM și FFM sunt suficiente pentru modelarea dinamicii pe termen lung discutate în această lucrare [10], în timp ce sunt necesare mai multe detalii pentru captarea dinamicii orare și zilnice [9]. O a treia variabilă a stării, înălțimea (H), permite acestui model să țină seama de variațiile de înălțime și de potențialul de creștere scăzută ca urmare a malnutriției. Includerea înălțimii facilitează, de asemenea, utilizarea IMC, mai degrabă decât a greutății, în specificarea datelor de referință pentru model și analiza obezității și a altor condiții. Există o variație mai mică a IMC decât în ​​greutate, ceea ce face ca curbele de referință rezultate să fie mai robuste.

Pe lângă modelarea înălțimii în mod endogen, două idei de îndrumare disting modelul actual de cercetările anterioare și permit noi caracteristici. Mai jos discut despre modul în care modelul este formulat pe baza acestor două idei: canalizarea creșterii și alocarea energiei. Formulările detaliate ale modelelor și modelele originale cu instrucțiuni pentru rularea modelelor sunt disponibile în fișierele suport (anexele S1, S3 și S4), aici sunt rezumate procesele cheie.

În centrul modelului se află ideea că creșterea umană este canalizată până în copilărie [13], prin urmare există o tendință naturală de a reduce decalajul dintre valorile actuale și valorile indicate pentru H și, într-o oarecare măsură, FM și FFM. Folosesc această idee pentru a specifica formulările pentru modificări în diferite variabile de stare (H, FM și FFM). În mod specific, pentru a surprinde creșterea înălțimii în timpul copilăriei, abaterile de la înălțimea indicată indică viteza de înălțime dorită pentru creșterea normală. Această rată de creștere dorită este apoi modificată pe baza disponibilității energiei necesare creșterii, astfel înălțimea reală este ghidată de H *, dar uneori poate rămâne în urmă. Înălțimea indicată pentru un individ agregează mulți factori determinanți genetici și de mediu complexi sub nivelul de agregare al modelului într-o singură curbă. Folosesc diagramele de creștere referitoare la Centrele 50 pentru Controlul și Prevenirea Bolilor (CDC) pentru a specifica H * în funcție de vârstă [14] și îl modific pentru trei efecte de rasă pe baza diferențelor de înălțime observate în Studiul de examinare a sănătății și nutriției (NHANES) date [15]. În acest studiu folosesc datele din undele NHANES continue între 1999 și 2008 și orice referință la datele NHANES se referă la acest subset.

Modelul surprinde schimbările în greutate și compoziția corpului prin alocarea energiei disponibile furnizate (adică aportul de energie (EI)) la diferite cerințe din organism (adică pentru metabolismul de bază și repararea țesutului existent, precum și depunerea de țesut nou în creștere fază). Dezechilibrul dintre cerere și ofertă va duce la depunerea FM și FFM (dacă oferta depășește cererile) sau încetinirea creșterii și pierderea masei existente (dacă cererea depășește oferta). Cererile de energie care urmează să fie alocate creșterii FM și FFM sunt determinate de valorile lor indicate, care în orice moment informează traiectoria naturală de creștere pentru un individ simulat. Presupun o dietă echilibrată și, prin urmare, nu dezagreg aportul de energie pentru a lua în considerare compoziția macronutrienților din dietă.

Conținutul de energie metabolizabil al FM este presupus constant și o relație liniară descrie conținutul de energie FFM ca o funcție a FFM [12], saturând la o valoare pentru adulți de 5 MJ/kg.

Ecuația 3 rezumă componentele de întreținere și creștere ale cererii de energie (). Cererea de energie pentru BMR este calculată pe baza cerințelor de energie ale ficatului, creierului, inimii, rinichilor și ale FM și FFM rămase, deoarece acestea se modifică odată cu vârsta pe baza datelor de la Altman și Dittmer [19]. Aceste valori sunt ajustate pentru celularitatea relativă a organelor de la naștere și până la viață, în conformitate cu Wang [20]. Dimensiunile relative ale acestor organe se modifică pe măsură ce greutatea individului se abate de la valorile indicate, modificând cererea de energie BMR pe baza estimărilor de Hall [9]. Costurile energetice pentru stocarea FM și FFM și cifra de afaceri sunt calculate pe baza vitezei de masă indicate. (și). calculează necesarul de energie pentru activitate fizică, unde valorile PA de referință sunt luate din estimările lui Torun [21] pentru copilărie și ajustate în timpul maturității pe baza tendințelor din datele NHANES. Costul metabolic al hrănirii este capturat în termen. În cele din urmă, raportul dintre IE și cererea de energie pentru componentele anterioare, atunci când este aplicat la BMR (, este utilizat pentru a calcula modificările cheltuielilor totale de energie datorate termogenezei adaptative [22]. Individul va urmări traiectoria de creștere de referință dacă și abaterile în EI din această valoare conduce la schimbarea greutății pe baza mecanismului de alocare a energiei. (3)

Nu există date fiabile cu privire la impactul deficitului energetic asupra încetinirii creșterii înălțimii, din cauza orizonturilor lungi de timp pe care se desfășoară aceste dinamici și a provocărilor etice și de măsurare. Cu toate acestea, modelul actual este parametrizat pentru a reflecta trei constatări stilizate în ceea ce privește stunting-ul și recuperarea creșterii [23]. În primul rând, copiii care, din cauza malnutriției, au rămas în urma traiectoriei lor de creștere, prezintă o creștere rapidă a ritmului de creștere atunci când li se oferă o nutriție adecvată, de până la patru ori mai rapidă decât rata lor de creștere normală specifică vârstei [24]. În al doilea rând, creșterea în înălțime este oprită la vârsta adultă și, în absența unei creșteri suficiente din urmă, înainte ca aceștia să nu ajungă niciodată la înălțimea lor potențială. În cele din urmă, creșterea în înălțime va fi îngreunată dacă individul are sub 85% din IMC-ul normal pentru vârstă [25].

Rezultate

Modelul actual oferă primul model mecanic de dinamică a creșterii și a greutății care se întinde de la naștere la vârste vechi și încorporează dinamica înălțimii. Trei pași sunt incluși în analiză. În primul rând, predicțiile modelului sunt comparate cu studiile empirice anterioare neutilizate în construcția modelului. Aceste simulări de validare permit consolidarea încrederii în model și identificarea discrepanțelor potențiale. Având în vedere că nu există un model anterior pentru dinamica de greutate a copilăriei și a copilăriei timpurii, precum și dinamica înălțimii de-a lungul vârstelor, este necesară compararea cu probele empirice pentru a înțelege punctele tari și punctele slabe ale modelului. Apoi, pentru variabilele și intervalele de vârstă în care pot fi obținute estimări din modelele anterioare, noul model este comparat cu predicțiile din acele alternative și se discută sursele de variație. Această discuție oferă informații suplimentare despre diferențele dintre mecanisme și presupuneri de modelare între arhitecții modelului existent. Aceste informații pot ghida viitorii modelatori și pot informa experimentele necesare pentru a elimina formulările alternative. În cele din urmă, întrebările relevante pentru obezitate și creștere sunt explorate în câteva exemple de analize.