WikiDer > Принцип плато

Plateau principle

В принцип плато это математическая модель или же научный закон первоначально был разработан для объяснения динамики действия лекарств (фармакокинетика).[1] Этот принцип имеет широкое применение в фармакологии, физиологии, питании, биохимии и системной динамике. Он применяется всякий раз, когда лекарство или питательное вещество вводится или проглатывается с относительно постоянной скоростью и когда постоянная фракция удаляется в течение каждого временного интервала. В этих условиях любое изменение скорости инфузии приводит к экспоненциальному увеличению или уменьшению до достижения нового уровня. Такое поведение также называют подход к устойчивое состояние потому что вместо того, чтобы вызывать неопределенное увеличение или уменьшение, естественный баланс достигается, когда скорость инфузии или производства уравновешивается скоростью потери.

Особенно важно использовать принцип плато для изучения обновления компонентов тканей в организме человека и животных. У взрослых ежедневный синтез составляющих ткани почти постоянен, и большинство составляющих удаляются в первую очередь.порядок скорость реакции. Применимость принципа плато была признана во время радиоактивный индикатор исследования белкового обмена в 1940-х годах Рудольф Шёнхаймер[2] и Дэвид Риттенберг.[3] В отличие от лекарств, начальное количество ткани или тканевого белка не равно нулю, потому что ежедневный синтез компенсирует ежедневное выведение. В этом случае также говорят, что модель приближается к устойчивое состояние с экспоненциальный или же логарифмический кинетика. Говорят, что избиратели, которые изменяются таким образом, имеют биологический период полураспада.

Практическое применение принципа плато состоит в том, что у большинства людей наблюдается «плато» во время режимов контроля веса или тренировок для занятий спортом. После нескольких недель прогресса кажется, что человек не может продолжать набирать способности или терять вес. Этот результат является результатом той же основной количественной модели. В этой статье будут описаны популярные концепции, а также развитие принципа плато как научной математической модели.

В науке самым широким применением принципа плато является создание реалистичных временных сигнатур для изменения кинетических моделей (см. Математическая модель). Одним из примеров этого принципа является длительное время, необходимое для эффективного изменения состава человеческого тела. Теоретические исследования показали, что для достижения постоянной стабильности веса у людей, которые ранее были лишний вес.[4]

Принцип плато в фармакокинетике

Большинство лекарств выводятся из плазма крови с первым-порядок кинетика. По этой причине, когда лекарство поступает в организм с постоянной скоростью внутривенная терапия, он приближается к новой устойчивой концентрации в крови со скоростью, определяемой его период полураспада. Точно так же, когда внутривенная инфузия закончена, концентрация лекарственного средства уменьшается экспоненциально и достигает неопределяемого уровня после 5-6 периодов полувыведения.[5][6] Если тот же препарат вводится как болюс (лекарство) при однократном введении пиковая концентрация достигается почти сразу, а затем концентрация уменьшается экспоненциально.

Большинство лекарств принимают внутрь. В этом случае предположение о постоянной инфузии только приблизительно при повторении доз в течение нескольких дней. Принцип плато по-прежнему применяется, но требуются более сложные модели для учета путь введения.

Уравнения для подхода к установившемуся режиму

Вывод уравнений, описывающих динамику изменения системы с нулевымпорядок ввод и исключение первого порядка представлены в статьях Экспоненциальный спад и Биологический период полураспада, и в научной литературе.[1][7]

  • Cт концентрация после времени т
  • C0 - начальная концентрация (т = 0)
  • kе константа скорости элиминации

Связь между константой скорости выведения и периодом полураспада определяется следующим уравнением:

Поскольку ln 2 равен 0,693, период полураспада легко рассчитывается по константе скорости выведения. Период полураспада имеет единицы времени, а константа скорости выведения имеет единицы 1 / время, например, за час или за день.

Уравнение можно использовать для прогнозирования концентрации соединения в любое время в будущем, когда известны относительная скорость деградации и концентрация в установившемся состоянии:

  • CSS - это концентрация после достижения устойчивого состояния.

Экспоненциальная функция в скобках соответствует доле общего изменения, которое было достигнуто с течением времени, и разнице между CSS и C0 равно общей сумме сдачи. Наконец, в установившемся состоянии ожидается, что концентрация будет равна скорости синтеза, продукции или инфузии, деленной на константу элиминации первого порядка.

  • ks скорость синтеза или инфузии

Хотя эти уравнения были получены для помощи в прогнозировании динамики действия лекарства,[1] то же уравнение можно использовать для любого вещества или количества, которое производится с измеримой скоростью и ухудшается с помощью кинетики первого порядка. Поскольку уравнение применяется во многих случаях баланс массы, он имеет очень широкое применение в дополнение к фармакокинетика. Наиболее важный вывод, полученный из уравнения установившегося состояния и уравнения для частичного изменения во времени, заключается в том, что константа скорости удаления (kе) или сумма констант скорости, которые применяются в модели, определяют динамику изменения массы при возмущении системы (либо путем изменения скорости притока или добычи, либо путем изменения скорости (ов) исключения).

Расчетные значения параметров кинетической скорости

Когда доступны экспериментальные данные, обычная процедура оценки параметров скорости, таких как kе и CSS сводить к минимуму сумма площадей различий между наблюдаемыми данными и значениями, предсказанными на основе первоначальных оценок константы скорости и значения устойчивого состояния. Это можно сделать с помощью любого программного пакета, содержащего подгонка кривой рутина. Сообщается о примере этой методологии, реализованной с помощью программного обеспечения для работы с электронными таблицами.[8] В той же статье описывается метод, который требует только 3 равноотстоящих точек данных для получения оценок кинетических параметров. Доступны электронные таблицы, в которых сравниваются эти методы.[9]

Принцип плато в питании

Доктор Уилбур О. Этуотер, который разработал первую базу данных о составе пищевых продуктов в Соединенных Штатах, признал, что реакция на чрезмерное или недостаточное потребление питательных веществ включает корректировку эффективности, которая приведет к плато. Он заметил: «В ходе многочисленных экспериментов было обнаружено, что, когда питательные вещества поступают в большом избытке, организм может какое-то время откладывать часть лишнего материала, но после того, как он накопит определенное количество, он отказывается принимать больше, и ежедневное потребление равно поставке, даже если это связано с большими отходами ".[10]

В общем нет необходимое питательное вещество производится в теле. Таким образом, кинетика питательных веществ соответствует принципу плато с той разницей, что большинство из них попадает в организм через рот, и в организме должно содержаться количество, достаточное для здоровья. Принцип плато важен для определения того, сколько времени необходимо для возникновения дефицита при недостаточном потреблении. Из-за этого фармакокинетические соображения должны быть частью информации, необходимой для определения рекомендуемая диета для основных питательных веществ.

Витамин С

Концентрация в плазме крови Витамин С или же аскорбиновая кислота в зависимости от дозы достигает плато с периодом полувыведения около 2 недель.[11] Биодоступность витамина С наиболее высока при дозировке ниже 200 мг в день. При дозе выше 500 мг почти весь избыток витамина С выводится с мочой.

Витамин Д

Метаболизм витамина D сложен, потому что провитамин может образовываться в коже под действием ультрафиолетового излучения или поступать с пищей. После гидроксилирования витамин имеет период полураспада около 2 месяцев.[12]Различные исследования показали, что нынешнее потребление неадекватно для оптимального здоровья костей, и большая часть текущих исследований направлена ​​на выработку рекомендаций по получению адекватного циркулирующего витамина D3 и кальций, при этом сводя к минимуму потенциальную токсичность.[13]

Фитохимические вещества в продуктах питания и напитках

Многие полезные свойства продуктов питания и напитков могут быть связаны с содержанием фитохимических веществ (см. Список фитохимических веществ в пище). Яркими примерами являются флавоноиды содержится в зеленом чае, ягодах, какао, и специи а также в кожуре и семенах яблок, лука и винограда.

Исследования полезности фитохимических веществ для здоровья следуют точно таким же принципам фармакокинетики, которые необходимы для изучения лекарственной терапии. Начальная концентрация любого непитательного фитохимического вещества в плазме крови равна нулю, если человек недавно не принимал пищу или напиток. Например, по мере употребления все большего количества экстракта зеленого чая постепенное увеличение концентрации в плазме катехин можно измерить, и основное соединение выводится с периодом полураспада около 5 часов.[14] Другие соображения, которые необходимо оценить, включают, взаимодействует ли проглоченное соединение благоприятно или неблагоприятно с другими питательными веществами или лекарствами, и есть ли доказательства для порогового значения или токсичность при более высоких уровнях потребления.

Переходы в составе тела

Плато при диете и похудании

Особенно часто у людей, которые пытаются похудеть, наблюдается плато после нескольких недель успешного снижения веса. Принцип плато предполагает, что это выравнивание является признаком успеха. В основном, когда человек худеет, меньше пищевая энергия требуется для поддержания скорости метаболизма в покое, что делает начальный режим менее эффективным.[15] Идея плато веса обсуждалась испытуемыми, которые участвовали в эксперимент с ограничением калорий [16] Пищевая энергия расходуется в основном за счет работы, выполняемой против силы тяжести (см. Джоуль), поэтому снижение веса снижает эффективность данной тренировки. Кроме того, тренированный человек имеет больше навыков и, следовательно, большую эффективность во время тренировки. Средства правовой защиты включают увеличение интенсивности или продолжительности тренировки и уменьшение размеров порций при приеме пищи больше, чем это было сделано изначально.

Тот факт, что потеря веса и диета снижают скорость метаболизма, подтверждается исследованиями. В одном исследовании тепловыделение снизилось на 30% у мужчин с ожирением после программы похудания, и это привело к сопротивлению дальнейшему снижению веса.[17] Независимо от того, увеличивается или уменьшается масса тела, корректировки в термический эффект пищи, расход энергии в состоянии покоя и расход энергии без отдыха - все они выступают против дальнейших изменений.[18]

Плато во время силовой тренировки

Любой спортсмен, который тренировался в каком-либо виде спорта, вероятно, испытал плато, и это привело к появлению различных стратегий для дальнейшего улучшения.[19] Добровольно скелетные мышцы находится в балансе между количеством мышц, синтезируемых или обновляемых каждый день, и количеством, которое разрушается. Мышечные волокна реагируют на повторение и нагрузку, а усиление тренировок вызывает экспоненциальное увеличение количества прорабатываемых мышечных волокон (это просто означает, что наибольший прирост наблюдается в течение первых недель тренировок). Успешное обучение дает гипертрофия мышечных волокон как адаптация к тренировочному режиму. Чтобы добиться дальнейшего прогресса, требуется большая интенсивность тренировки с более тяжелыми нагрузками и большим количеством повторений, хотя улучшение навыков может способствовать увеличению способностей.

Когда компонент тела экспоненциально корректируется с течением времени, он обычно достигает нового стабильного уровня в результате принципа плато. Новый уровень может быть выше начального (гипертрофия) в случае силовых тренировок или ниже в случае диеты или неиспользования атрофия. Эта корректировка способствует гомеостаз но не требует Обратная связь регулирование. Постепенный, асимптотический подход к новому балансу между синтезом и деградацией дает стабильный уровень. Из-за этого принцип плато иногда называют принцип устойчивости. Математически результат линейный динамика, несмотря на то, что большинство биологических процессов нелинейны (см. Нелинейная система), если рассматривать очень широкий диапазон входных данных.

Изменения в составе тела при ограничении еды

Данные из Миннесотский эксперимент по голоданию к Ансель Ключи и другие[20] продемонстрировать, что во время ограничения в еде общая масса тела, жировая масса и безжировая масса тела следуют экспоненциальному подходу к новому устойчивому состоянию.[21] Наблюдение за тем, что масса тела изменяется экспоненциально во время частичного или полного голодания, кажется общим признаком адаптации к ограничению энергии.[22]

Принцип плато в биохимии

Каждая ячейка производит тысячи различных видов белок и ферменты. Один из ключевых методов клеточной регуляции - изменение скорости транскрипция из информационная РНК, что приводит к изменению скорости синтеза белка, кодируемого информационной РНК. Принцип плато объясняет, почему концентрация различных ферментов увеличивается с уникальной скоростью в ответ на один гормон. Поскольку каждый фермент разлагается с уникальной скоростью (у каждого свой период полураспада) скорость изменения различается даже при применении одного и того же стимула. Этот принцип был продемонстрирован для реакции ферментов печени, которые разлагают аминокислоты до кортизон, который является катаболический гормон.[7]

Метод подхода к установившемуся состоянию также использовался для анализа изменения уровней информационной РНК при изменении синтеза или деградации, и также сообщалось о модели, в которой принцип плато используется для связи изменения в синтезе информационной РНК с ожидаемым изменение синтеза и концентрации белка как функция времени.[23]

Принцип плато в физиологии

Чрезмерная прибавка в массе тела способствует метаболический синдром, который может включать повышенное голодание содержание сахара в крови (или же глюкоза), устойчивость к действию инсулин, повышенный липопротеин низкой плотности (Холестерин ЛПНП) или пониженный липопротеин высокой плотности (Холестерин ЛПВП) и повышенный артериальное давление. Несмотря на то что ожирение сам по себе не считается заболеванием, он увеличивает риск Сахарный диабет II типа. Поскольку масса тела, масса жира и масса без жира изменяются экспоненциально во время снижения веса, разумно ожидать, что симптомы метаболического синдрома также будут экспоненциально корректироваться до нормальных значений.

Принцип плато в компартментном моделировании

Ученые оценили оборот компонентов тела, используя радиоактивные индикаторы и стабильный изотоп трассеры.[24] При пероральном введении индикаторы абсорбируются и перемещаются в плазма крови, а затем распределяются по тканям тела. В таких исследованиях многокамерная модель требуется для анализа оборота по изотопная маркировка. Изотопный маркер называется трассирующий а анализируемый материал - это след.

В исследованиях на людях плазма крови - единственная ткань, из которой можно легко взять образцы. Распространенной процедурой является анализ динамики, предполагая, что изменения можно отнести к сумме экспонент. Единый математический купе обычно предполагается, что кинетика первого порядка соответствует принципу плато. Есть много примеров такого рода анализа в питании, например, при изучении метаболизма цинка,[25] и каротиноиды.[26]

Наиболее распространенное допущение при компартментном моделировании состоит в том, что материал в однородном отсеке ведет себя экспоненциально. Однако это предположение иногда модифицируют, чтобы включить насыщаемый отклик, следующий за Кинетика Михаэлиса – Ментен или родственная модель, называемая уравнением Хилла. Когда рассматриваемый материал присутствует в концентрации около KM, он часто ведет себя с кинетикой псевдопервого порядка (см. Уравнение оценки) и принцип плато применяется, несмотря на то, что модель является нелинейной.

Принцип плато в системной динамике

Компартментное моделирование в биомедицинских науках в первую очередь возникло из-за необходимости изучения метаболизма с помощью индикаторов. В отличие, Системная динамика возник как простой метод разработки математических моделей Джей Райт Форрестер и коллеги. Системная динамика представляет собой отсек или бассейн как акции и перемещение между отсеками как потоки. Как правило, скорость потока зависит от количества материала в запасе, к которому он подключен. Обычно эту зависимость представляют как постоянную пропорцию (или первого порядка), используя соединитель элемент в модели.

Системная динамика - одно из приложений области теория управления. В области биомедицины одним из самых ярых сторонников компьютерного анализа физиологических проблем был д-р. Артур Гайтон. Например, системная динамика была использована для анализа проблемы регулирования массы тела.[27] Подобные методы использовались для изучения распространения эпидемий (см. Компартментные модели в эпидемиологии).

Программное обеспечение, которое решает системы уравнений, необходимые для компартментного моделирования и системной динамики, использует конечная разница методы для представления набора обыкновенные дифференциальные уравнения. Опубликована экспертная оценка различных типов динамического поведения, которые могут быть получены путем применения принципа плато в области системной динамики.[28]

Рекомендации

  1. ^ а б c Goldstein A, Aronow L, и Kalman SM. Принципы действия лекарств. Основы фармакологии. Харпер и Роу, Нью-Йорк, 1968.
  2. ^ Шенхаймер Р. Динамическое состояние компонентов тела. Издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс, 1942.
  3. ^ Сан-Пьетро А., Риттенберг Д. Исследование скорости синтеза белка у людей. II. Измерение метаболического пула и скорости синтеза белка. J Biol Chem. 201: 457, 1953.
  4. ^ Chow CC, Hall KD. Динамика изменения массы тела человека. PLoS Comput. Биол. 4 (3): e1000045, 2008.
  5. ^ Пратт, У. Б. и Тейлор П., Принципы действия лекарств: основы фармакологии. Черчилль-Ливингстон, Нью-Йорк, 1990 г.
  6. ^ Окпако, Д.Т. Принципы фармакологии: актуальный подход. Издательство Кембриджского университета. 1991 г.
  7. ^ а б Берлин CM, Schimke RT. Влияние скорости оборота на реакцию ферментов на кортизон. Mol Pharmacol. 1: 149, 1965.
  8. ^ Харгроув Дж. Л., Хайнц Г., Хайнц О. Моделирование переходов в составе тела: подход к устойчивому состоянию для антропометрических измерений и физиологических функций в исследовании голодания человека в Миннесоте. Dyn Med. 7 октября 2008 г .; 7:16.
  9. ^ Объяснение трехточечного метода
  10. ^ Этуотер, W.O. Потенциальная энергия пищи. Химия и экономика продуктов питания. III. Век 1887 г .; 34: 397–405.
  11. ^ Левин М., Конри-Кантилена С., Ван И, Уэлч Р. В. и др. Фармакокинетика витамина С у здоровых добровольцев: данные о рекомендуемой дозе диеты. Proc Natl Acad Sci U S. A. 93 (8): 3704–9, 1996.
  12. ^ Джонс Г. Фармакокинетика токсичности витамина D. Am J Clin Nutr. 88: 582S, 2008.
  13. ^ Хини Р.П., Армас Л.А., Шари-младший, Белл Н.Х., Бинкли Н., Холлис Б.В. 25-Гидроксилирование витамина D3: отношение к циркулирующему витамину D3 при различных условиях ввода. Am J Clin Nutr. 87: 1738, 2008.
  14. ^ Ян К.С., Чен Л., Ли М.Дж. и др. Уровни катехинов чая в крови и моче после употребления добровольцами разных количеств зеленого чая. Эпидемиологические биомаркеры рака, Пред. 7: 351, 1998.
  15. ^ Фрейтаг, К. Давайте разрушим это плато. Журнал Prevention, май 2007 г.
  16. ^ Das SK, Gilhooly CH, Golden JK et al. Долгосрочные эффекты 2 диет с ограничением энергии, различающихся гликемической нагрузкой, на соблюдение диеты, состав тела и метаболизм в CALERIE: однолетнее рандомизированное контролируемое исследование. Am J Clin Nutr. 85: 1023, 2007.
  17. ^ Chaput JP и Tremblay A. Адаптивное снижение термогенеза и устойчивости к потере жира у мужчин с ожирением. Британский журнал питания. 102: 488, 2009.
  18. ^ Лейбель Р.Л., Розенбаум М., Хирш Дж. Изменения в расходе энергии в результате изменения массы тела. N Engl J Med. 332: 621, 1995.
  19. ^ Гэнли, Т. Уклонение от ужасного плато: путаница в мышцах для улучшения физической формы. Тампа Бэй Велнес. Тампа, Флорида. Июнь 2008 г.
  20. ^ Ключи A, Brozek J, Henschel A, Mickelsen O, Taylor HL. Биология человеческого голода. Миннеаполис: Университет Миннесоты Пресс; 1950 г.
  21. ^ Альперт СС. Энергетическая модель человеческого тела с двумя резервуарами // Am J Clin Nutr. 32: 1710, 1979.
  22. ^ Клейбер М. Огонь жизни, введение в энергию животных. Нью-Йорк: Хантингтон: Роберт Крейгер; 1975 г.
  23. ^ Харгроув Дж. Л., Шмидт Ф. Х. Роль мРНК и стабильности белка в экспрессии генов. FASEB J. 3: 2360, 1989.
  24. ^ Берман М., Вайс М.Ф., Шон Э. Некоторые формальные подходы к анализу кинетических данных в терминах линейных компартментальных систем. Biophys J. 2: 289, 1962.
  25. ^ Wastney ME, House WA и др. Кинетика метаболизма цинка: вариации в зависимости от диеты, генетики и болезней. J. Nutr. 130: 1355S, 2000.
  26. ^ Diwadkar-Navsariwala V, Новотный JA, Gustin DM, et al. Физиологическая фармакокинетическая модель, описывающая распределение ликопина у здоровых мужчин. J. Lipid Res. 44: 1927, 2003.
  27. ^ Flatt JP. Взаимодействие углеводов и жиров и ожирение изучены с помощью двухкомпонентной компьютерной модели Obes Res. 12: 2013, 2004.
  28. ^ Gallaher EJ. Динамика биологических систем: от личного открытия до универсального применения. Моделирование. 66: 243, 1996 г.

внешняя ссылка