Динаміка зростання та ваги тіла людини: інтегративна модель систем

Департамент промислової та системної інженерії, Virginia Tech, Фолс-Черч, штат Вірджинія, Сполучені Штати Америки, Школа менеджменту Слоуна, Массачусетський технологічний інститут, Кембридж, штат Массачусетс, Сполучені Штати Америки

Цифри

Анотація

Цитування: Рахмандад Н (2014) Динаміка росту та маси тіла людини: модель інтегративних систем. PLoS ONE 9 (12): e114609. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0114609

Редактор: Девід Мейр, Університет Макмастера, Канада

Отримано: 1 серпня 2014 р .; Прийнято: 11 листопада 2014 р .; Опубліковано: 5 грудня 2014 року

Наявність даних: Автори підтверджують, що всі дані, що лежать в основі висновків, є повністю доступними без обмежень. Дані на індивідуальному рівні, що використовуються для перевірки моделі, доступні у відкритих файлах Національного обстеження здоров’я та харчування (http://www.cdc.gov/nchs/nhanes.htm). Інші дані перевірки доступні в тексті публікацій, на які посилаються.

Фінансування: Фінансування цього проекту здійснювалось через Національний інститут охорони здоров’я, Управління з питань поведінкових та соціальних досліджень за контрактом HHSN276201000004C та 1R21HL113680-01. Інше фінансування для цієї роботи автор не отримав. Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автор заявив, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Тенденції ожиріння у всьому світі викликають занепокоєння [1], [2] і охоплюють різні вікові, статеві та етнічні групи [3] із значними витратами на охорону здоров’я та економіку [4]. Для оцінки впливу альтернативних втручань та політики необхідні перевірені обчислювальні моделі. Наприклад, використання спрощених моделей може призвести до надмірно оптимістичних очікувань від втручання, що згодом може розчарувати та зашкодити прихильності [5]. Обчислювальні моделі динаміки ваги та зросту можуть також інформувати про моніторинг індивідуального росту та старіння, розробку та оцінку недоїдання та затримок у рості, а також діагностику порушень харчування та росту, серед іншого. Нарешті, математичні моделі інтегрують наявні висновки, надають кількісні прогнози та спонукають емпіричні дослідження, спрямовані на виявлення прогалин знань, визначених моделлю.

Зростаюча література включає моделі динаміки маси тіла у дорослих [6] - [10]. Існує кілька таких моделей для зростання в дитинстві [11], [12]. Однак нинішні моделі не 1) Включають немовлят та дітей молодше п’яти років. 2) Захоплення динаміки зростання у висоту. 3) Розглянемо довгострокову динаміку, включаючи зміни у складі тіла внаслідок старіння. 4) Влаштуйте расові відмінності або надайте чіткі моменти для налаштування моделі для конкретних підгруп. Ця стаття вводить механістичну модель індивідуальної ваги тіла, складу та динаміки зросту від народження до старості, включаючи варіації між особами щодо статі та раси. Модель перевірена за допомогою різноманітного набору попередніх досліджень, які не використовувались у формулюванні моделі, що підвищує стійкість та застосовність до розробки втручань та аналізу політики. Документована імітаційна модель та інструкції надаються, щоб забезпечити тиражування, розширення та різноманітний аналіз зацікавленими дослідниками та практиками.

Матеріали і методи

Застосовується підхід механістичного моделювання, в якому система звичайних диференціальних рівнянь представляє тіло людини зі змінними стану, що представляють ключові поняття, необхідні для кількісної оцінки маси тіла, зросту та складу протягом життя. Для цього я використовую три змінні стану. Згідно з попередніми дослідженнями, маса тіла поділяється на жирову масу (FM) та масу без жиру (FFM). Останній поєднує в собі один змінний білок, глікоген, внутрішньоклітинні та позаклітинні маси рідини та інші нежирні компоненти. FM та FFM достатньо для моделювання більш довгострокової динаміки, про яку йдеться в цій роботі [10], тоді як детальніше потрібно для фіксування погодинної та добової динаміки [9]. Третя змінна стану, висота (H), дозволяє цій моделі враховувати коливання висоти та потенціал затримки росту в результаті недоїдання. Включення зросту також полегшує використання ІМТ, а не ваги, для визначення еталонних даних для моделі та аналізу ожиріння та інших станів. Існує менша різниця в ІМТ, ніж вага, що робить отримані контрольні криві більш надійними.

Окрім ендогенного моделювання висоти, дві провідні ідеї відрізняють поточну модель від попереднього дослідження та надають нові можливості. Нижче я обговорюю, як формулюється модель на основі цих двох ідей: каналізація зростання та розподіл енергії. Детальні формулювання моделей та оригінальні моделі з інструкціями щодо запуску моделей доступні у допоміжних файлах (Додатки S1, S3 та S4), тут узагальнено ключові процеси.

В основі моделі лежить ідея про те, що ріст людини каналізується через дитинство [13], тому існує закономірна тенденція до зменшення розриву між поточними значеннями та вказаними значеннями для H, а певною мірою FM та FFM. Я використовую цю ідею, щоб вказати формулювання змін різних змінних стану (H, FM та FFM). Зокрема, щоб зафіксувати зростання висоти протягом дитинства, відхилення від вказаної висоти, сигналізує про бажану швидкість висоти для нормального росту. Потім бажаний темп зростання модифікується на основі наявності енергії, необхідної для росту, таким чином фактична висота орієнтується на H *, але часом може відставати від цього. Вказана висота для окремої людини агрегує багато складних генетичних та екологічних детермінант нижче рівня агрегації моделі в єдину криву. Я використовую еталонні таблиці росту 50-го процентиля для контролю та профілактики захворювань (CDC) для визначення H * як функції віку [14] і модифікую це для трьох расових ефектів на основі різниці у зрості, що спостерігається в Національному обстеженні здоров'я та харчування. Дані (NHANES) [15]. У цьому дослідженні я використовую дані від безперервних хвиль NHANES між 1999 і 2008 роками, і будь-яке посилання на дані NHANES посилається на цю підмножину.

Модель фіксує зміни у вазі та складі тіла, розподіляючи доступну енергію, що надходить (тобто споживання енергії (ЕІ)), на різні потреби в організмі (тобто на основний обмін речовин та відновлення існуючої тканини, а також відкладення нової тканини в рості фаза). Дисбаланс між попитом та пропозицією призведе до випадання FM та FFM (якщо пропозиція перевищує попит) або уповільнення зростання та втрати існуючої маси (якщо попит перевищує пропозицію). Потреби в енергії, що виділяються для зростання FM та FFM, визначаються їх вказаними значеннями, які в будь-який момент часу інформують про природну траєкторію зростання для модельованої особини. Я припускаю збалансовану дієту і тому не розподіляю споживання енергії, враховуючи склад макроелементів у раціоні.

Вміст енергії, що піддається метаболізму, приймається постійним, а лінійне співвідношення описує вміст енергії FFM як функцію FFM [12], насичуючи значенням для дорослого 5 МДж/кг.

Рівняння 3 узагальнює компоненти підтримки та зростання попиту на енергію (). Потреба в енергії для BMR обчислюється на основі енергетичних потреб печінки, мозку, серця, нирок та решти FM та FFM, оскільки вони змінюються з віком на основі даних Альтмана та Діттмера [19]. Ці значення скориговані для відносної клітинності органів від народження та протягом життя згідно з Вангом [20]. Відносні розміри цих органів змінюються, оскільки вага особини відхиляється від зазначених значень, змінюючи потреби в енергії BMR на основі оцінок Холла [9]. Витрати енергії на зберігання та оборот FM та FFM розраховуються на основі вказаних масових швидкостей. (і). розраховує енергетичну потребу для фізичної активності, де референтні значення ПА беруться з оцінок Торуна [21] для дитинства та коригуються у зрілому віці на основі тенденцій даних NHANES. Метаболічні витрати на годування враховуються в термін. Нарешті, співвідношення ЕІ та потреби енергії для попередніх компонентів, застосовуючи до BMR (, використовується для обчислення змін загальних витрат енергії внаслідок адаптивного термогенезу [22]. Індивід дотримуватиметься еталонної траєкторії зростання, якщо та відхилення в ЕІ від цього значення призводить до зміни ваги на основі механізму розподілу енергії. (3)

Надійних даних про вплив дефіциту енергії на уповільнення зростання висоти немає, через тривалий часовий горизонт, над яким ця динаміка розгортається, та етичні та вимірювальні проблеми. Тим не менше, поточна модель параметризована, щоб відображати три стилізовані висновки щодо затримки росту та наздогнання зростання [23]. По-перше, діти, які внаслідок недоїдання відстають від своєї траєкторії росту, демонструють швидкий наздоганяючий ріст при забезпеченні адекватним харчуванням, до чотирьох разів швидшим за їх віковий нормальний темп росту [24]. По-друге, зростання у висоті зупиняється дорослим віком, і за відсутності достатнього для того, щоб наздогнати зростання до цього, затримані діти можуть ніколи не досягти свого потенційного зростання. Нарешті, зростання у висоті буде заважати, якщо особа не перевищує 85% свого нормального ІМТ для віку [25].

Результати

Сучасна модель забезпечує першу механістичну модель зростання та динаміки ваги, яка охоплює народження до старості та включає динаміку висоти. Три етапи включають аналіз. По-перше, прогнози моделей порівнюються з попередніми емпіричними дослідженнями, які не використовувались у побудові моделі. Ці моделювання валідації дозволяють створити впевненість у моделі та виявити потенційні розбіжності. З огляду на те, що попередньої моделі динаміки ваги немовлят та дітей раннього віку, а також динаміки зросту по віках не існує, для розуміння сильних та слабких сторін моделі потрібно порівняння. Далі, для змінних та вікових діапазонів, де можна отримати оцінки з попередніх моделей, нова модель порівнюється з прогнозами цих альтернатив та обговорюються джерела варіацій. Ця дискусія надає додаткові уявлення про відмінності у механізмах та припущеннях моделювання в існуючих архітектурах моделей. Ці ідеї можуть допомогти майбутнім моделістам та надати експерименти, необхідні для дратування альтернативних рецептур. Нарешті, питання, що стосуються ожиріння та зростання, розглядаються у кількох прикладах аналізу.