Menopause, Physical Activity, and Whole-Body Metabolism with an Emphasis on Resting Energy Expenditure, Fat Oxidation, and Serum Metabolome

Abstract

Menopause is thought to impair cardiometabolic health, while physical activity is believed to promote it. This PhD thesis investigated the associations between these two exposures and resting energy expenditure, fat oxidation at rest and during exercise, and changes in the serum metabolome. The thesis also examined the relationship between fat oxidation and blood glucose regulation abilities. The data came from four studies. The longitudinal ERMA study measured serum metabolites with nuclear magnetic resonance spectroscopy from 218 women who were in perimenopause and postmenopause stages (with a median follow-up of 14 months). During the follow-up period, 35 women began using menopausal hormone therapy. The other three studies were cross-sectional and measured resting energy expenditure and fat oxidation at rest and during exercise with indirect calorimetry. The EsmiRs study recruited 42 women (aged 52–58 years) representing different menopause stages. The resting energy expenditure data were supplemented with data from 17 women in the Calex study (aged 42–58 years). The FITFATTWIN study included 23 pairs of monozygotic male twins (aged 32–37 years). Cotwins of 10 pairs were discordant for physical activity over the past 3 years. EsmiRs and FITFATTWIN participants also underwent oral glucose tolerance testing. Based on the results, menopause was associated with increased apolipoprotein B-containing lipoprotein particle number and changes in system biomarkers indicative of overnutrition and declining metabolic health. The changes in metabolite levels were partially explained by shifts in the sex hormone levels. Menopausal hormone therapy improved the apolipoprotein B/A-I ratio. Menopause status or serum sex hormone levels were not associated with resting energy expenditure or fat oxidation. Physical activity discordant cotwins also did not differ in these measures. However, higher physical activity was associated with higher peak fat oxidation during exercise in middle-aged women. Neither resting nor peak fat oxidation indicated better glycemic control or insulin sensitivity. Therefore, menopause may increase cardiometabolic risk by altering the serum metabolome rather than by decreasing resting energy expenditure or fat oxidation capacity. Physical activity may improve fat oxidation capacity during exercise in middle-aged women but without necessarily increasing the ability to regulate blood glucose levels.

Keywords: menopause, physical activity, energy metabolism, metabolomics

Menopaussin ajatellaan heikentävän ja fyysisen aktiivisuuden edistävän aineenvaihduntaterveyttä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin, ovatko menopaussi ja fyysinen aktiivisuus yhteydessä lepoenergiankulutukseen, rasvan käytön tehoon levossa ja liikkuessa tai muutoksiin seerumin metabolomissa. Lisäksi tarkasteltiin rasvan käytön tehon ja sokeriaineenvaihduntaterveyden välisiä yhteyksiä. Väitöskirjatutkimuksessa käytettiin neljän tutkimuksen aineistoa. ERMA-tutkimuksessa seurattiin 218 naista heidän ylittäessään menopaussin (seurannan mediaani 14 kk). Tutkimuksen aikana 35 tutkittavista aloitti hormonikorvaushoidon. Seerumin metabolomi määritettiin ydinmagneettisella resonanssispektroskopialla alku- ja loppumittausnäytteistä. Muissa tutkimuksissa mitattiin aineenvaihduntaa epäsuoralla kalorimetrialla levossa ja liikkuessa. EsmiRs-tutkimukseen rekrytoitiin 42 menopaussin suhteen eri vaiheissa olevaa naista (ikä 52–58 vuotta). Aineistoa täydennettiin Calex-tutkimuksen 17 naisen (ikä 42–58 vuotta) tuloksilla kun tutkittiin lepoenergiankulutusta. FITFATTWIN-tutkimukseen osallistui 23 identtistä mieskaksosparia (ikä 32–37 vuotta), joista 10 parin veljekset erosivat fyysiseltä aktiivisuudeltaan. EsmiRs- ja FITFATTWIN-tutkimukset sisälsivät myös sokerirasituskokeen. Menopaussi oli yhteydessä apoB:tä sisältävien lipoproteiinipartikkeleiden määrän kasvuun ja laajemmin aineenvaihduntaterveyden heikkenemisestä kertoviin biomarkkerimuutoksiin. Muutokset sukupuolihormonien pitoisuuksissa selittivät osan löydöksistä. Hormonikorvaushoito paransi apoB/A-I-suhdetta. Menopaussistatus ei ollut yhteydessä lepoenergiankulutukseen eikä rasvan käytön tehokkuuteen. Fyysiseltä aktiivisuudelta eroavat kaksosveljet eivät myöskään eronneet lepoenergiankulutuksen eivätkä rasvan käytön suhteen. Keski-ikäisten naisten aineistossa korkeampi fyysinen aktiivisuus oli yhteydessä korkeampaan rasvan käyttökykyyn liikkuessa. Korkeampi rasvan käytön teho levossa tai liikkuessa ei kertonut paremmasta sokerinsiedosta eikä insuliiniherkkyydestä. Menopaussi heikentää aineenvaihduntaterveyttä siis ennemmin muuttamalla seerumin metabolomia kuin alentamalla lepoenergiankulutusta tai rasvan käyttöä. Fyysinen aktiivisuus voi tehostaa rasvan käyttöä liikkuessa, mutta tällä ei välttämättä ole merkitystä sokeriaineenvaihduntaterveydelle.

Avainsanat: vaihdevuodet, liikunta, energia-aineenvaihdunta, metabolomiikka