Effects of short-term exercise training on liver, pancreas and intestinal metabolism

Abstract

The health benefits of exercise have been known as early as the 5th century. Since then many studies have corroborated these benefits involving both animal and human subjects. But still, the scientific community is uncertain on whether exercise intensity or volume is more important for health benefits. Some studies indicate that vigorous intensity with low volume is adequate to improve whole-body insulin sensitivity and organ metabolism, while others indicate that moderate intensity and high volume exercise is required to achieve these benefits.

In this thesis, I have investigated the effects of two weeks of low volume and high intensity sprint interval training (SIT) and high volume and low intensity moderate intensity continuous training (MICT) on the liver, pancreas, and intestine in untrained healthy subjects and subjects with type 2 diabetes or prediabetes using a wide range of imaging modalities. Hepatic and pancreatic fat was measured using magnetic resonance spectroscopy (MRS). The hepatic, pancreas, and intestinal insulin-stimulated glucose and fasting free fatty acid uptake was measured using positron emission tomography (PET). Lipoprotein subfraction composition was analyzed with nuclear magnetic resonance (NMR) and gut microbiome was analyzed with 16S rRNA gene sequencing.

Both SIT and MICT reduced the liver and pancreatic fat content in subjects with high hepatic and pancreatic fat content. They also improved the lipoprotein subfraction profile with increasing the lipoproteins associated with protecting against diabetes and reducing the ones associated with acquiring diabetes. Moreover, both training modes also changed the gut microbiota profile with increasing microbes associated with protection against obesity. However, only MICT improved the hepatic and intestinal insulin-stimulated glucose and reduced fasting free fatty acid uptake.

In conclusion, two weeks of exercise improves fat content, lipoprotein, and the gut microbiota profile regardless of training intensity or volume; however, the changes in the liver and intestinal substrate uptake depend on exercise volume rather than intensity. This suggests that, in the short-term, MICT might be more beneficial in improving internal organ metabolism than SIT.

Lyhyen aikavälin kuntoilun vaikutukset maksan, haiman ja suoliston aineenvaihduntaan

Liikunnan terveyshyödyt on tunnettu jo pitkään. Lukuisat eläin- ja ihmistutkimukset ovat osoittaneet, että liikunta hyödyttää koko kehoa. Uusimmat tutkimukset puolestaan osoittavat, että suurin piirtein samat liikunnan hyödyt voi saada sekä kovatehoisella lyhytkestoisella että kohtuukuormitteisilla pidempikestoisella liikunnalla. Kumpi näistä on sitten hyödyllisempi terveyden kannalta?

Tässä väitöskirjatyössä vertasin kovatehoisen intervalliharjoittelun (SIT) ja kohtuukuormitteisen harjoittelun (MICT) vaikutuksia maksaan, haimaan ja suolistoon aiemmin vain vähän liikuntaa harrastaneilla terveillä ja tyypin 2 diabetesta tai sen esiastetta sairastavilla henkilöillä käyttäen erilaisia kuvantamismenetelmiä. Maksan ja haiman rasvan määrää mitattiin käyttäen magneettispektroskopiaa. Maksan, haiman ja suoliston insuliinistimuloitua glukoosin soluun ottoa ja vapaiden rasvahappojen soluun ottoa paastotilanteessa mitattiin käyttämällä positroniemissiotomografiaa (PET). Lisäksi lipoproteiinien alayksikkökoostumus analysoitiin ydinmagneettiresonanssispektroskopialla ja suoliston mikrobistoa analysoitiin 16S rRNAgeenisekvensoinnilla.

Sekä SIT että MICT vähensivät maksan ja haiman rasvapitoisuutta henkilöillä, joilla ne olivat ennen harjoittelua koholla. Molemmat harjoittelumuodot paransivat myös lipoproteiinien alayksikköprofiilia lisäämällä alentuneeseen diabetesriskiin ja vähentämällä lisääntyneeseen diabetesriskiin liittyviä lipoproteiineja sekä paransivat suoliston mikrobiprofiilia lisäämällä pienempään lihavuusriskiin liitettyjä mikrobeja. Ainoastaan MICT paransi maksan ja suolen insuliinistimuloitua glukoosinottoa ja vähensi vapaiden rasvahappojen ottoa paastotilanteessa.

Maksan ja haiman rasvapitoisuus, veren lipoproteiiniprofiili ja suoliston mikrobiprofiili parantuivat kahden viikon harjoittelun jälkeen harjoittelun intensiteetistä tai määrästä riippumatta. Vain MICT paransi maksan ja suolen glukoosin ja rasvahappojen soluunottoa. Näiden tulosten perusteella kohtuukuormitteinen harjoittelu näyttää olevan kovatehoista harjoittelua hyödyllisempää sisäelinten aineenvaihdunnalle.