Ein neuer Ansatz zur Messung des Energieverbrauchs beim Menschen

Die hohe Prävalenz von Adipositas in den USA (17) ist ein großes Problem für die öffentliche Gesundheit, da übergewichtige und fettleibige Personen einem erhöhten Risiko für viele chronische Krankheiten ausgesetzt sind (5, 7, 15, 18). Adipositas entsteht durch ein Ungleichgewicht zwischen Gesamtkalorienverbrauch und Gesamtenergieverbrauch (TEE), obwohl die Ursachen dieses Ungleichgewichts weiterhin diskutiert werden (29). Genaue und präzise Messungen von TEE spielen daher eine entscheidende Rolle für das Verständnis und die letztendliche Umkehrung dieser Epidemie. TEE kann mit direkter (Messung der Wärmeerzeugung) oder indirekter (Messung des Atemgasaustauschs) Kalorimetrie (4) gemessen werden, aber keiner dieser Ansätze ist für die Messung von TEE bei frei lebenden Probanden praktikabel. Der Goldstandard zur Messung von TEE bei freilebenden Individuen ist die doppelt markierte Wassermethode (DLW), die auf dem Prinzip basiert, dass der Sauerstoff im Körperwasser aufgrund der Wirkung in einem vollständigen Isotopengleichgewicht mit dem Sauerstoff in gelöstem Kohlendioxid der Atemwege steht von Carboanhydrase. Die Folge dieses Austauschs ist, dass eine Isotopenmarkierung des in das Körperwasser eingeführten Sauerstoffs durch den kombinierten Fluss von Körperwasser und dem ausgeatmeten Kohlendioxid eliminiert wird. Lifson und Kollegen argumentierten, dass, da Wasserstoff nur in Wasser und nicht in Kohlendioxid gefunden wird, die Eliminierung eines Wasserstoffisotops nur durch den Fluss des Körperwassers beeinflusst würde (11). Somit ist der Unterschied in den Geschwindigkeiten der Isotopeneliminierung von gleichzeitig verabreichten Sauerstoff- und Wasserstoffmarkierungen ein Maß für die CO2-Produktion.

Trotz ihrer weit verbreiteten Verwendung (6, 9, 10, 20, 25, 29) weist die DLW-Methode jedoch einige wesentliche Einschränkungen auf. Einzelmessungen sind bestenfalls nur auf ± 7 % genau (23), sodass sich die Methode derzeit am besten für Studien an Gruppen und nicht an individuelle Variationen eignet. Ein zweites Problem besteht darin, dass die Durchführung des Tests teuer ist, da relativ große Probengrößen benötigt werden, um eine ausreichende statistische Aussagekraft zu erreichen, die großen Mengen an H218O, die für die Dosierung (23) und die IRMS-Analyse benötigt werden. Hohe 18O-Spiegel sind erforderlich, um die Dosis nach 10 bis 21 Tagen nach der Elimination von den Hintergrundisotopenwerten zu unterscheiden. Es kostet derzeit 500 bis 750 US-Dollar für die 180, die erforderlich sind, um eine DLW-Messung an einem erwachsenen Probanden (50 bis 75 kg fettfreie Masse) durchzuführen, und die Kosten sind aufgrund von Schwankungen in der Nachfrage nach dem medizinisch-diagnostischen PET-Scan nicht vorhersehbar. Die Notwendigkeit hoher 18O-Anreicherungen wird durch zeitliche Schwankungen der Hintergrundisotopenwerte verursacht (8). Diese Unsicherheit bei den Hintergrundwerten erhöht die zu verabreichende Isotopendosis und trägt zur Unsicherheit bei den DLW-Messungen im Vergleich zu den Referenzkalorimetriemessungen von TEE in Validierungsstudien bei. Schließlich bringt die IRMS-Analyse ihre eigenen Herausforderungen mit sich, einschließlich der Notwendigkeit einer hochentwickelten, teuren Instrumentierung mit engagierten, hochqualifizierten Bedienern und im Allgemeinen der Messung von jeweils nur einem Isotopenverhältnis, wodurch der Analysedurchsatz verringert wird. Aufgrund dieser Herausforderungen unterhalten die meisten Forscher, die DLW-Tests durchführen, keine internen IRMS-Einrichtungen und verlassen sich stattdessen auf teure und langsame Analysen durch externe Messlabore. Die vorgeschlagene Arbeit wird diese Probleme durch die Entwicklung einer neuen Triple-Isotopen-Methode für die DLW-Analyse angehen, die die individuelle Genauigkeit der Messungen erheblich verbessert und die Kosten der DLW-Methode senkt, was zu einer breiteren Anwendung der DLW-Methode sowohl in der Klinik als auch in der Forschung führt Anwendungen.

Das übergeordnete Ziel dieses Phase-II-Zuschusses für Small Business Innovation Research (SBIR) ist die Entwicklung und Validierung eines neuen Instruments zur Messung und Korrektur der Hintergrundisotopenwerte von 18O und 2H während der DLW-Analyse durch Messung des stabilen 17O-Isotops von Sauerstoff im Körperwasser . Dieser Ansatz wird sich mit den beiden oben angesprochenen Haupteinschränkungen befassen. Erstens wird dieser Ansatz durch die Verwendung von 17O-Messungen zur Korrektur von Hintergrundschwankungen in 18O und 2H die Menge an 18O und damit die Kosten für die Durchführung von DLW-Studien reduzieren. Die Ergebnisse unserer Phase-I-Studien (siehe vorläufige Daten unten) zeigen, dass Hintergrundschwankungen von 18O und 17O im Körperwasser mit einem R2 von 0,96 korrelieren, Hintergrundschwankungen von 2H und 17O mit einem R2 von 0,89 und Hintergrundschwankungen von 2H und 18O sind mit einem R2 von 0,92 korreliert. Basierend auf diesen Korrelationen wird die Verwendung von 17O-Messungen zur Abschätzung der Hintergrundfluktuationen von 2H und 18O eine geschätzte vierzigprozentige Verringerung der Unsicherheit des DLW-Verfahrens aufgrund von Hintergrundfluktuationen liefern. Zweitens wird das vorgeschlagene Instrument in der neuen Triple-Isotopen-Methode für DLW verwendet, die bestehende Hindernisse für eine weit verbreitete Verwendung der DLW-Methode durch verbesserte Präzision, Kostensenkung, Verringerung des für die Durchführung der Analyse erforderlichen technischen Fachwissens und Erhöhung des Durchsatzes verringern wird . Die Entwicklung des neuen Instruments wird von unseren Geschäftspartnern, Los Gatos Research, durchgeführt, und Validierungsstudien werden auf dem Anschutz Medical Campus der University of Colorado durchgeführt.

In dieser Arbeit werden wir die hochempfindliche Absorptionsspektroskopie-Technologie von Los Gatos Research, Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS), anwenden, um gleichzeitig und kostengünstig (< 50 USD pro Probe) 2H, 18O und 17O in flüssigen Wasserproben zu messen . Kurz gesagt, bei Off-Axis-ICOS wird Laserlicht außeraxial mit einem optischen Resonator gekoppelt und kontinuierlich gemessen, ähnlich wie bei einem Standard-Absorptionsexperiment (Abbildung 1) (1). Der Resonator bietet eine außergewöhnlich lange effektive optische Weglänge (z. typischerweise 5 - 10 km), was die genaue Quantifizierung schwach absorbierender Moleküle ermöglicht. Da der außeraxiale Strahlengang nicht eindeutig ist, ist das System außerdem extrem unempfindlich gegenüber Ausrichtungsänderungen, was es robust macht. Diese Robustheit in Kombination mit der langen effektiven optischen Weglänge ermöglicht es, Wasserisotopomere mit sehr hoher Präzision zu messen. Seit seiner Entwicklung haben Los Gatos Research (LGR) und seine kommerziellen Kunden viele Experimente durchgeführt, um die Empfindlichkeit und Robustheit von Off-Axis-ICOS zur Messung einer Vielzahl von Spurengasen zu validieren, darunter die Wasserisotopomere H2O, 1H2HO und H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) und zuletzt Wasserisotopomere in undestilliertem menschlichem Urin (3).