Nový přístup k měření energetického výdeje u lidí

Vysoká prevalence obezity v USA (17) je hlavním problémem veřejného zdraví, protože jedinci s nadváhou a obézní jsou vystaveni zvýšenému riziku mnoha chronických onemocnění (5, 7, 15, 18). Obezita pramení z nerovnováhy mezi celkovou spotřebou kalorií a celkovým výdejem energie (TEE), i když příčiny této nerovnováhy zůstávají diskutovány (29). Přesná a přesná měření TEE proto hrají klíčovou roli v pochopení a konečném zvrácení této epidemie. TEE lze měřit pomocí přímé (měření produkce tepla) nebo nepřímé (měření výměny dýchacích plynů) kalorimetrie (4), ale ani jeden z těchto přístupů není praktický pro měření TEE u volně žijících subjektů. Zlatým standardem pro měření TEE u volně žijících jedinců je metoda dvojitě značené vody (DLW), která je založena na principu, že kyslík v tělesné vodě je v úplné izotopové rovnováze s kyslíkem v rozpuštěném respiračním oxidu uhličitém. karboanhydrázy. Důsledkem této výměny je, že izotopová značka kyslíku zavedená do tělesné vody je eliminována kombinovaným tokem tělesné vody a vydechovaného oxidu uhličitého. Lifson a kolegové usoudili, že protože vodík se nachází pouze ve vodě a nikoli v oxidu uhličitém, eliminace izotopu vodíku by byla ovlivněna pouze tokem tělesné vody (11). Rozdíl v rychlostech eliminace izotopů současně podávaných kyslíkových a vodíkových značek je tedy měřítkem produkce CO2.

Navzdory širokému použití (6, 9, 10, 20, 25, 29) má však metoda DLW některá zásadní omezení. Jednotlivá měření jsou v nejlepším případě pouze s přesností ± 7 % (23), takže metoda je v současné době nejvhodnější pro studie skupin spíše než individuální variace. Druhým problémem je, že provedení testu je nákladné kvůli potřebě relativně velkých velikostí vzorků k dosažení dostatečné statistické síly, velkým množstvím H218O potřebným pro dávkování (23) a analýze IRMS. Vysoké hladiny 18O jsou nutné k rozlišení dávky od hladin izotopů pozadí po 10 - 21 dnech eliminace. V současné době stojí 500 - 750 USD za 18O, které je nutné k provedení měření DLW u dospělého subjektu (50 - 75 kg beztukové hmoty) a náklady jsou nepředvídatelné kvůli kolísání poptávky z lékařského diagnostického PET skenu. Potřeba vysokého obohacení 18O je způsobena kolísáním hladin izotopů pozadí v průběhu času (8). Tato nejistota hladin pozadí zvyšuje dávku izotopu, která musí být podána, a přispívá k nejistotě měření DLW ve srovnání s referenčními kalorimetrickými měřeními TEE ve validačních studiích. A konečně, IRMS analýza představuje vlastní sadu výzev, včetně potřeby sofistikovaného, ​​drahého přístrojového vybavení s vyhrazenými, vysoce vyškolenými operátory a obecně měření pouze jednoho poměru izotopů v jednom okamžiku, což snižuje analytickou propustnost. Kvůli těmto výzvám většina výzkumníků provádějících testy DLW neudržuje vlastní zařízení IRMS a místo toho se spoléhá na drahé a pomalé analýzy externími měřicími laboratořemi. Navrhovaná práce bude řešit tyto problémy vývojem nové metody trojitého izotopu pro analýzu DLW, která výrazně zlepší individuální přesnost měření a sníží náklady na metodu DLW, což povede k širšímu využití metody DLW v klinické i výzkumné oblasti. aplikací.

Celkovým cílem tohoto grantu fáze II Small Business Innovation Research (SBIR) je vyvinout a ověřit nový přístroj pro měření a korekci hladin izotopů pozadí 18O a 2H během analýzy DLW měřením stabilního izotopu 17O kyslíku v tělesné vodě. . Tento přístup se bude zabývat dvěma hlavními omezeními uvedenými výše. Za prvé, použitím měření 17O ke korekci kolísání pozadí v 18O a 2H tento přístup sníží množství 18O, a tím i náklady na provádění studií DLW. Výsledky našich studií fáze I (viz Předběžná data níže) ukazují, že kolísání pozadí 18O a 17O v tělesné vodě koreluje s R2 0,96, kolísání pozadí 2H a 17O koreluje s R2 0,89 a kolísání pozadí 2H a 180 korelují s R2 0,92. Na základě těchto korelací poskytne použití měření 17O k odhadu kolísání pozadí 2H a 18O odhadované čtyřicetiprocentní snížení nejistoty metody DLW v důsledku kolísání pozadí. Zadruhé, navrhovaný nástroj bude využit v nové metodě s trojitým izotopem pro DLW, která sníží stávající překážky pro široké použití metody DLW zlepšením přesnosti, snížením nákladů, snížením technické odbornosti potřebné k provedení analýzy a zvýšením propustnosti. . Vývoj nového přístroje provedou naši obchodní partneři, Los Gatos Research, a validační studie budou provedeny v kampusu University of Colorado Anschutz Medical.

V této práci použijeme technologii ultrasenzitivní absorpční spektroskopie společnosti Los Gatos Research, Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS), k současnému a levnému (< 50 USD za vzorek) měření 2H, 18O a 17O v kapalných vzorcích vody. . Stručně řečeno, v ICOS mimo osu je laserové světlo připojeno k optické dutině způsobem mimo osu a je nepřetržitě měřeno podobně jako standardní absorpční experiment (obrázek 1) (1). Dutina poskytuje mimořádně dlouhou efektivní délku optické dráhy (např. typicky 5 - 10 km), což umožňuje přesnou kvantifikaci slabě absorbujících molekul. Kromě toho, protože dráha paprsku mimo osu není jedinečná, je systém extrémně necitlivý na změny v vyrovnání, takže je robustní. Tato robustnost v kombinaci s dlouhou efektivní délkou optické dráhy umožňuje měřit izotopomery vody s velmi vysokou přesností. Od svého vývoje provedla společnost Los Gatos Research (LGR) a její komerční zákazníci mnoho experimentů k ověření citlivosti a robustnosti Off-Axis ICOS k měření různých stopových plynů včetně izotopomerů vody H2O, 1H2HO a H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) a nejnověji izotopomery vody v nedestilované lidské moči (3).