Un nuevo enfoque para medir el gasto energético en humanos

La alta prevalencia de la obesidad en los EE. UU. (17) es un problema importante de salud pública, ya que las personas obesas y con sobrepeso tienen un mayor riesgo de muchas enfermedades crónicas (5, 7, 15, 18). La obesidad se deriva de un desequilibrio entre el consumo calórico total y el gasto energético total (TEE), aunque las causas de este desequilibrio siguen siendo objeto de debate (29). Por lo tanto, las mediciones exactas y precisas de TEE juegan un papel fundamental en la comprensión y, en última instancia, en la reversión de esta epidemia. El TEE se puede medir mediante calorimetría directa (medición de la producción de calor) o indirecta (medición del intercambio de gases respiratorios) (4), pero ninguno de estos enfoques es práctico para medir el TEE en sujetos de vida libre. El estándar de oro para medir el TEE en individuos de vida libre es el método del agua doblemente marcada (DLW), que se basa en el principio de que el oxígeno en el agua corporal está en completo equilibrio isotópico con el oxígeno en el dióxido de carbono respiratorio disuelto debido a la acción de anhidrasa carbónica. La consecuencia de este intercambio es que una etiqueta isotópica de oxígeno introducida en el agua corporal es eliminada por el flujo combinado de agua corporal y dióxido de carbono exhalado. Lifson y sus colegas razonaron que, dado que el hidrógeno se encuentra solo en el agua y no en el dióxido de carbono, la eliminación de un isótopo de hidrógeno se vería afectada únicamente por el flujo de agua corporal (11). Por lo tanto, la diferencia en las tasas de eliminación de isótopos de marcadores de oxígeno e hidrógeno administrados simultáneamente es una medida de la producción de CO2.

Sin embargo, a pesar de su uso generalizado (6, 9, 10, 20, 25, 29), el método DLW tiene algunas limitaciones importantes. Las mediciones individuales solo tienen una precisión de ± 7 % en el mejor de los casos (23), por lo que el método es actualmente más adecuado para estudios de grupos en lugar de variaciones individuales. Un segundo problema es que la prueba es costosa de realizar debido a la necesidad de tamaños de muestra relativamente grandes para lograr suficiente potencia estadística, las grandes cantidades de H218O necesarias para la dosificación (23) y el análisis IRMS. Se requieren niveles altos de 18O para distinguir la dosis de los niveles de isótopos de fondo después de 10 a 21 días de eliminación. Actualmente cuesta $500 - $750 por el 18O requerido para realizar una medición de DLW en un sujeto adulto (50 - 75 kg de masa libre de grasa) y el costo es impredecible debido a las fluctuaciones en la demanda de la exploración PET de diagnóstico médico. La necesidad de enriquecimientos elevados de 18O se debe a las fluctuaciones en los niveles de isótopos de fondo a lo largo del tiempo (8). Esta incertidumbre en los niveles de fondo aumenta la dosis de isótopos que se debe administrar y contribuye a la incertidumbre en las mediciones de DLW en comparación con las mediciones de calorimetría de referencia de TEE en los estudios de validación. Finalmente, el análisis IRMS presenta su propio conjunto de desafíos, incluida la necesidad de instrumentación sofisticada y costosa con operadores dedicados y altamente capacitados y, en general, la medición de una sola proporción de isótopos a la vez, lo que reduce el rendimiento analítico. Debido a estos desafíos, la mayoría de los investigadores que realizan pruebas de DLW no mantienen instalaciones internas de IRMS, sino que confían en análisis costosos y lentos realizados por laboratorios de medición externos. El trabajo propuesto abordará estos problemas mediante el desarrollo de un nuevo método de triple isótopo para el análisis de DLW, mejorando significativamente la precisión individual de las mediciones y reduciendo el costo del método DLW, lo que conducirá a un uso más generalizado del método DLW tanto en la investigación como en la clínica. aplicaciones

El objetivo general de esta subvención de la Fase II de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas (SBIR, por sus siglas en inglés) es desarrollar y validar un nuevo instrumento para medir y corregir los niveles de isótopos de fondo de 18O y 2H durante el análisis de DLW midiendo el isótopo estable de oxígeno 17O en el agua corporal. . Este enfoque abordará las dos limitaciones principales mencionadas anteriormente. En primer lugar, mediante el uso de mediciones de 17O para corregir las fluctuaciones de fondo en 18O y 2H, este enfoque reducirá la cantidad de 18O y, por lo tanto, el costo de realizar estudios de DLW. Los resultados de nuestros estudios de Fase I (ver Datos preliminares a continuación) muestran que las fluctuaciones de fondo en 18O y 17O en el agua corporal se correlacionan con un R2 de 0,96, las fluctuaciones de fondo en 2H y 17O se correlacionan con un R2 de 0,89 y las fluctuaciones de fondo en 2H y 18O se correlacionan con un R2 de 0,92. Con base en estas correlaciones, el uso de mediciones de 17O para estimar las fluctuaciones de fondo de 2H y 18O proporcionará una disminución estimada del cuarenta por ciento en la incertidumbre del método DLW debido a la fluctuación de fondo. En segundo lugar, el instrumento propuesto se utilizará en el nuevo método de triple isótopo para DLW que reducirá las barreras existentes para el uso generalizado del método DLW al mejorar la precisión, reducir costos, reducir la experiencia técnica requerida para realizar el análisis y aumentar el rendimiento. . El desarrollo del nuevo instrumento estará a cargo de nuestros socios comerciales, Los Gatos Research, y los estudios de validación se realizarán en el campus médico de la Universidad de Colorado Anschutz.

En este trabajo, aplicaremos la tecnología de espectroscopia de absorción ultrasensible de Los Gatos Research, la espectroscopia de salida de cavidad integrada fuera del eje (ICOS fuera del eje), para medir simultáneamente y de forma económica (<$50 por muestra) 2H, 18O y 17O en muestras de agua líquida. . Brevemente, en Off-Axis ICOS, la luz láser se acopla a una cavidad óptica fuera del eje y se mide continuamente de forma similar a un experimento de absorción estándar (Figura 1) (1). La cavidad proporciona un camino óptico efectivo extraordinariamente largo (p. normalmente de 5 a 10 km), lo que permite la cuantificación precisa de moléculas de absorción débil. Además, dado que la trayectoria del haz fuera del eje no es única, el sistema es extremadamente insensible a los cambios de alineación, lo que lo hace robusto. Esta robustez combinada con el largo camino óptico efectivo hace posible medir isotopómeros de agua con una precisión muy alta. Desde su desarrollo, Los Gatos Research (LGR) y sus clientes comerciales han realizado muchos experimentos para validar la sensibilidad y robustez de Off-Axis ICOS para medir una variedad de gases traza, incluidos los isotopómeros de agua H2O, 1H2HO y H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) y, más recientemente, isotopómeros de agua en orina humana sin destilar (3).