The pathogenesis of type 2 diabetes involves abnormalities in insulin action, insulin secretion, and endogenous glucose output (EGO). However, the sequence with which these abnormalities develop and their relative contributions to the deterioration in glucose tolerance remain unclear in the absence of a detailed longitudinal study. We measured insulin action, insulin secretion, and EGO longitudinally in 17 Pima Indians, in whom glucose tolerance deteriorated from normal (NGT) to impaired (IGT) to diabetic over 5.1 ± 1.4 years. Transition from NGT to IGT was associated with an increase in body weight, a decline in insulin-stimulated glucose disposal, and a decline in the acute insulin secretory response (AIR) to intravenous glucose, but no change in EGO. Progression from IGT to diabetes was accompanied by a further increase in body weight, further decreases in insulin-stimulated glucose disposal and AIR, and an increase in basal EGO. Thirty-one subjects who retained NGT over a similar period also gained weight, but their AIR increased with decreasing insulin-stimulated glucose disposal. Thus, defects in insulin secretion and insulin action occur early in the pathogenesis of diabetes. Intervention to prevent diabetes should target both abnormalities.

The relative roles of obesity, insulin resistance, insulin secretory dysfunction, and excess hepatic glucose production in the development of non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM) are controversial. We conducted a prospective study to determine which of these factors predicted the development of the disease in a group of Pima Indians.

The contribution of reduced energy expenditure to the development of obesity has been a point of controversy. We measured 24-hour energy expenditure (adjusted for body composition, age, and sex), in a respiratory chamber, in 95 southwestern American Indians. Energy expenditure correlated with the rate of change in body weight over a two-year follow-up period (r = -0.39, P<0.001). The estimated risk of gaining more than 7.5 kg in body weight was increased fourfold in persons with a low adjusted 24-hour energy expenditure (200 kcal per day below predicted values) as compared with persons with a high 24-hour energy expenditure (200 kcal per day above predicted values; P<0.01). In another 126 subjects, the adjusted metabolic rate at rest at the initial visit was also found to predict the gain in body weight over a four-year follow-up period. When the 15 subjects who gained more than 10 kg were compared with the remaining 111 subjects, the initial mean (±SD) adjusted metabolic rate at rest was lower in those who gained weight (1694±103 vs. 1764±109 kcal per day; P<0.02) and increased to 1813±134 kcal per day (P<0.01) after a mean weight gain of 15.7±5.7 kg. In a group of 94 siblings from 36 families, values for adjusted 24-hour energy expenditure aggregated in families (intraclass correlation = 0.48). We conclude that a low rate of energy expenditure may contribute to the aggregation of obesity in families. (N Engl J Med 1988; 318:467–72.)

In animal studies, increased amounts of triglyceride associated with skeletal muscle (mTG) correlate with reduced skeletal muscle and whole body insulin action. The aim of this study was to test this relationship in humans. Subjects were 38 nondiabetic male Pima Indians (mean age 28 ± 1 years). Insulin sensitivity at physiological (M) and supraphysiological (MZ) insulin levels was assessed by the euglycemic clamp. Lipid and carbohydrate oxidation were determined by indirect calorimetry before and during insulin administration. mTG was determined in vastus lateralis muscles obtained by percutaneous biopsy. Percentage of body fat (mean 29 ± 1%, range 14–44%) was measured by underwater weighing. In simple regressions, negative relationships were found between mTG (mean 5.4 ± 0.3 μmol/g, range 1.3–1.9 μmol/g) and log10M (r = −0.53, P ≤ 0.001), MZ (r = −0.44, P = 0.006), and nonoxidative glucose disposal (r = −0.48 and −0.47 at physiological and supraphysiological insulin levels, respectively, both P = 0.005) but not glucose or lipid oxidation. mTG was not related to any measure of adiposity. In multiple regressions, measures of insulin resistance (log10M, MZ, log10[fasting insulin]) were significantly related to mTG independent of all measures of obesity (percentage of body fat, BMI, waist-to-thigh ratio). In turn, all measures of obesity were related to the insulin resistance measures independent of mTG. The obesity measures and mTG accounted for similar proportions of the variance in insulin resistance in these relationships. The results suggest that in this human population, as in animal models, skeletal muscle insulin sensitivity is strongly influenced by local supplies of triglycerides, as well as by remote depots and circulating lipids. The mechanism(s) underlying the relationship between mTG and insulin action on skeletal muscle glycogen synthesis may be central to an understanding of insulin resistance.

Daily human energy requirements calculated from separate components of energy expenditure are inaccurate and usually in poor agreement with measured energy intakes. Measurement of energy expenditure over periods of 24 h or longer is needed to determine more accurately rates of daily energy expenditure in humans. We provide a detailed description of a human respiratory chamber and methods used to determine rates of energy expenditure over 24-h periods in 177 subjects. The results show that: fat-free mass (FFM) as estimated by densitometry is the best available determinant of 24-h energy expenditures (24EE) and explains 81% of the variance observed between individuals (24EE [kcal/d] = 597 + 26.5 FFM); 24EE in an individual is very reproducible (coefficient of variation = 2.4%); and even when adjusted for differences in FFM, there is still considerable interperson variability of the daily energy expenditure. A large portion of the variability of 24EE among individuals, independent of differences in body size, was due to variability in the degree of spontaneous physical activity, i.e., "fidgeting," which accounted for 100-800 kcal/d in these subjects.

Background: Studies in mice indicate that the gut microbiome influences both sides of the energy-balance equation by contributing to nutrient absorption and regulating host genes that affect adiposity. However, it remains uncertain as to what extent gut microbiota are an important regulator of nutrient absorption in humans. Objective: With the use of a carefully monitored inpatient study cohort, we tested how gut bacterial community structure is affected by altering the nutrient load in lean and obese individuals and whether their microbiota are correlated with the efficiency of dietary energy harvest. Design: We investigated dynamic changes of gut microbiota during diets that varied in caloric content (2400 compared with 3400 kcal/d) by pyrosequencing bacterial 16S ribosomal RNA (rRNA) genes present in the feces of 12 lean and 9 obese individuals and by measuring ingested and stool calories with the use of bomb calorimetry. Results: The alteration of the nutrient load induced rapid changes in the gut microbiota. These changes were directly correlated with stool energy loss in lean individuals such that a 20% increase in Firmicutes and a corresponding decrease in Bacteroidetes were associated with an increased energy harvest of ≈150 kcal. A high degree of overfeeding in lean individuals was accompanied by a greater fractional decrease in stool energy loss. Conclusions: These results show that the nutrient load is a key variable that can influence the gut (fecal) bacterial community structure over short time scales. Furthermore, the observed associations between gut microbes and nutrient absorption indicate a possible role of the human gut microbiota in the regulation of the nutrient harvest. This trial was registered at clinicaltrials.gov as NCT00414063.

Energy expenditure varies among people, independent of body size and composition, and persons with a "low" metabolic rate seem to be at higher risk of gaining weight. To assess the importance of skeletal muscle metabolism as a determinant of metabolic rate, 24-h energy expenditure, basal metabolic rate (BMR), and sleeping metabolic rate (SMR) were measured by indirect calorimetry in 14 subjects (7 males, 7 females; 30 +/- 6 yr [mean +/- SD]; 79.1 +/- 17.3 kg; 22 +/- 7% body fat), and compared to forearm oxygen uptake. Values of energy expenditure were adjusted for individual differences in fat-free mass, fat mass, age, and sex. Adjusted BMR and SMR, expressed as deviations from predicted values, correlated with forearm resting oxygen uptake (ml O2/liter forearm) (r = 0.72, P less than 0.005 and r = 0.53, P = 0.05, respectively). These findings suggest that differences in resting muscle metabolism account for part of the variance in metabolic rate among individuals and may play a role in the pathogenesis of obesity.

We have compared the capillary density and muscle fiber type of musculus vastus lateralis with in vivo insulin action determined by the euglycemic clamp (M value) in 23 Caucasians and 41 Pima Indian nondiabetic men. M value was significantly correlated with capillary density (r = 0.63; P less than or equal to 0.0001), percent type I fibers (r = 0.29; P less than 0.02), and percent type 2B fibers (r = -0.38; P less than 0.003). Fasting plasma glucose and insulin concentrations were significantly negatively correlated with capillary density (r = -0.46, P less than or equal to 0.0001; r = -0.47, P less than or equal to 0.0001, respectively). Waist circumference/thigh circumference ratio was correlated with percent type 1 fibers (r = -0.39; P less than 0.002). These results suggest that diffusion distance from capillary to muscle cells or some associated biochemical change, and fiber type, could play a role in determining in vivo insulin action. The association of muscle fiber type with body fat distribution may indicate that central obesity is only one aspect of a more generalized metabolic syndrome. The data may provide at least a partial explanation for the insulin resistance associated with obesity and for the altered kinetics of insulin action in the obese.

Cross-sectional studies indicate that enlarged subcutaneous abdominal adipocyte size is associated with hyperinsulinaemia, insulin resistance and glucose intolerance. To further explore the pathophysiological significance of these associations, we examined prospectively whether enlarged subcutaneous abdominal adipocyte size predicts Type II (non-insulin-dependent) diabetes mellitus.Body composition (hydrodensitometry), mean subcutaneous abdominal adipocyte size (fat biopsy), insulin sensitivity (hyperinsulinaemic clamp) and the acute insulin secretory response (25-g i.v. GTT) were assessed in 280 Pima Indians with either normal (NGT), impaired (IGT) or diabetic glucose tolerance (75-g OGTT). Subjects with NGT were then followed prospectively.After adjusting for age, sex and per cent body fat, mean subcutaneous abdominal adipocyte size was 19% and 11% higher in subjects with diabetes and IGT, compared with those with NGT (p < 0.001). Insulin sensitivity was inversely correlated with mean subcutaneous abdominal adipocyte size (r = -0.53, p < 0.0001), even after adjusting for per cent body fat (r = -0.31, p < 0.001). In 108 NGT subjects followed over 9.3 +/- 4.1 years (33 of whom developed diabetes), enlarged mean subcutaneous abdominal adipocyte size but not high per cent body fat, was an independent predictor of diabetes, in addition to a low insulin sensitivity and acute insulin secretory response [relative hazard 10th vs 90th centile (95% CI): 5.8 (1.7-19.6), p < 0.005]. In 28 NGT subjects with a 9% weight gain over 2.7 +/- 1.3 years, changes in insulin sensitivity were inversely and independently related to changes in mean subcutaneous abdominal adipocyte size and per cent body fat.Although enlarged mean subcutaneous abdominal adipocyte size is associated with insulin resistance cross-sectionally, prospectively, both abnormalities are independent and additive predictors of Type II diabetes.