En ny tilgang til måling af energiforbrug hos mennesker

Den høje forekomst af fedme i USA (17) er et stort folkesundhedsproblem, da overvægtige og fede personer har øget risiko for mange kroniske sygdomme (5, 7, 15, 18). Fedme stammer fra en ubalance mellem det samlede kalorieforbrug og det samlede energiforbrug (TEE), selvom årsagerne til denne ubalance stadig er omdiskuterede (29). Nøjagtige og præcise målinger af TEE spiller derfor en afgørende rolle i forståelsen og i sidste ende vende denne epidemi. TEE kan måles ved hjælp af direkte (måling af varmeproduktion) eller indirekte (måling af respiratorisk gasudveksling) kalorimetri (4), men ingen af ​​disse fremgangsmåder er praktiske til måling af TEE i frit levende individer. Guldstandarden for måling af TEE hos fritlevende individer er metoden med dobbelt mærket vand (DLW), som er baseret på princippet om, at ilten i kropsvandet er i fuldstændig isotopisk ligevægt med ilten i opløst kuldioxid i luftvejene på grund af virkningen af kulsyreanhydrase. Konsekvensen af ​​denne udveksling er, at et isotopmærke af oxygen, der indføres i kropsvandet, elimineres af den kombinerede flux af kropsvand og den udåndede kuldioxid. Lifson og kolleger begrundede, at eftersom brint kun findes i vand og ikke i kuldioxid, ville elimineringen af ​​en brintisotop udelukkende blive påvirket af strømmen af ​​kropsvand (11). Således er forskellen i hastighederne for isotopeliminering af samtidigt administrerede ilt- og brintmærker et mål for CO2-produktion.

På trods af dens udbredte brug (6, 9, 10, 20, 25, 29) har DLW-metoden nogle store begrænsninger. Individuelle målinger er kun præcise til ± 7 % i bedste fald (23), så metoden er i øjeblikket mest velegnet til undersøgelser af grupper frem for individuel variation. Et andet problem er, at testen er dyr at udføre på grund af behovet for relativt store prøvestørrelser for at opnå tilstrækkelig statistisk effekt, de store mængder H218O, der er nødvendige til dosering (23), og IRMS-analyse. Høje niveauer af 18O er nødvendige for at skelne dosis fra baggrundsisotopniveauer efter 10 - 21 dages elimination. Det koster i øjeblikket $500 - $750 for de 18O, der kræves for at udføre en DLW-måling på et voksent individ (50 - 75 kg fedtfri masse), og prisen er uforudsigelig på grund af udsving i efterspørgslen fra den medicinske diagnostiske PET-scanning. Behovet for høje 18O berigelser er forårsaget af fluktuationer i baggrundens isotopniveauer over tid (8). Denne usikkerhed i baggrundsniveauerne øger isotopdosis, der skal administreres, og bidrager til usikkerheden i DLW-målingerne sammenlignet med referencekalorimetrimålingerne af TEE i valideringsundersøgelser. Endelig præsenterer IRMS-analyse sit eget sæt af udfordringer, herunder behovet for sofistikeret, dyr instrumentering med dedikerede, højtuddannede operatører og generelt kun måling af ét isotopforhold ad gangen, hvilket reducerer analytisk gennemløb. På grund af disse udfordringer vedligeholder de fleste forskere, der udfører DLW-test, ikke interne IRMS-faciliteter, men stoler i stedet på dyre og langsomme analyser fra eksterne målelaboratorier. Det foreslåede arbejde vil løse disse problemer ved at udvikle en ny triple-isotop-metode til DLW-analyse, hvilket væsentligt forbedrer den individuelle nøjagtighed af målingerne og reducerer omkostningerne ved DLW-metoden, hvilket fører til mere udbredt brug af DLW-metoden i både klinisk og forskning applikationer.

Det overordnede mål for denne Small Business Innovation Research (SBIR) fase II-bevilling er at udvikle og validere et nyt instrument til at måle og korrigere for baggrundsisotopniveauerne på 18O og 2H under DLW-analyse ved at måle den 17O stabile isotop af oxygen i kropsvand. . Denne tilgang vil adressere de to hovedbegrænsninger, der er behandlet ovenfor. For det første, ved at bruge 17O-målinger til at korrigere for baggrundssvingninger i 18O og 2H, vil denne tilgang reducere mængden af ​​18O og dermed omkostningerne ved at udføre DLW-undersøgelser. Resultater fra vores fase I undersøgelser (se foreløbige data nedenfor) viser, at baggrundsudsving i 18O og 17O i kropsvand er korreleret med en R2 på 0,96, baggrundsudsving i 2H og 17O er korreleret med en R2 på 0,89, og baggrundssvingninger i 2H og 18O er korreleret med en R2 på 0,92. Baseret på disse korrelationer vil brug af 17O-målinger til at estimere baggrundsudsvingene for 2H og 18O give et estimeret 40 procent fald i usikkerheden af ​​DLW-metoden på grund af baggrundsfluktuationer. For det andet vil det foreslåede instrument blive brugt i den nye tredobbelte isotopmetode for DLW, som vil reducere eksisterende barrierer for udbredt brug af DLW-metoden ved at forbedre præcisionen, reducere omkostningerne, reducere den tekniske ekspertise, der kræves for at udføre analysen, og øge gennemløbet . Udviklingen af ​​det nye instrument vil blive udført af vores forretningspartnere, Los Gatos Research, og valideringsundersøgelser vil blive udført på University of Colorado Anschutz Medical campus.

I dette arbejde vil vi anvende Los Gatos Researchs ultrafølsomme absorptionsspektroskopiteknologi, Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS), til samtidig og billigt (< $50 pr. prøve) at måle 2H, 18O og 17O i flydende vandprøver . Kort fortalt, i Off-Axis ICOS er laserlys koblet til et optisk hulrum på en off-axis måde og måles kontinuerligt svarende til et standard absorptionseksperiment (figur 1) (1). Kaviteten giver en ekstraordinær lang effektiv optisk vejlængde (f.eks. typisk 5 - 10 km), hvilket giver mulighed for nøjagtig kvantificering af svagt absorberende molekyler. Da strålegangen uden for aksen desuden ikke er unik, er systemet ekstremt ufølsomt over for ændringer i justeringen, hvilket gør det robust. Denne robusthed kombineret med den lange effektive optiske vejlængde gør det muligt at måle vandisotopomerer med meget høj præcision. Siden udviklingen har Los Gatos Research (LGR) og dets kommercielle kunder udført mange eksperimenter for at validere følsomheden og robustheden af ​​Off-Axis ICOS til at måle en række sporgasser, herunder vandisotopomerer H2O, 1H2HO og H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) og senest vandisotopomerer i udestilleret human urin (3).