Uusi lähestymistapa ihmisten energiakulujen mittaamiseen

Liikalihavuuden korkea esiintyvyys Yhdysvalloissa (17) on suuri kansanterveyshuoli, sillä ylipainoisilla ja lihavilla henkilöillä on lisääntynyt riski sairastua moniin kroonisiin sairauksiin (5, 7, 15, 18). Liikalihavuus johtuu kokonaiskaloreiden kulutuksen ja kokonaisenergiankulutuksen (TEE) välisestä epätasapainosta, vaikka tämän epätasapainon syistä keskustellaan edelleen (29). TEE:n tarkoilla ja tarkoilla mittauksilla on siksi keskeinen rooli tämän epidemian ymmärtämisessä ja viime kädessä kääntämisessä. TEE voidaan mitata käyttämällä suoraa (lämmöntuotannon mittaus) tai epäsuoraa (hengityskaasunvaihdon mittaus) kalorimetriaa (4), mutta kumpikaan näistä lähestymistavoista ei ole käytännöllinen TEE:n mittaamiseen vapaana elävillä koehenkilöillä. Kultastandardi vapaana elävien yksilöiden TEE:n mittaamisessa on kaksoisleimattu vesi (DLW) -menetelmä, joka perustuu periaatteeseen, että kehon veden happi on toiminnan ansiosta täydellisessä isotooppitasapainossa liuenneen hengitystiehiilidioksidin hapen kanssa. hiilihappoanhydraasista. Tämän vaihdon seurauksena kehon veteen joutunut hapen isotooppinen leima eliminoituu kehon veden ja uloshengitetyn hiilidioksidin yhteisvirtauksen vaikutuksesta. Lifson ja kollegat päättelivät, että koska vetyä löytyy vain vedestä, ei hiilidioksidista, vedyn isotoopin eliminoitumiseen vaikuttaisi yksinomaan kehon vesivirta (11). Siten ero samanaikaisesti annettujen happi- ja vetyleimojen isotooppien eliminaationopeuksissa on CO2-tuotannon mitta.

Kuitenkin laajasta käytöstään (6, 9, 10, 20, 25, 29) huolimatta DLW-menetelmällä on joitain suuria rajoituksia. Yksittäisten mittausten tarkkuudet ovat parhaimmillaan vain ± 7 % (23), joten menetelmä soveltuu tällä hetkellä parhaiten ryhmien tutkimukseen yksilöllisen vaihtelun sijaan. Toinen ongelma on, että testi on kallis suorittaa, koska tarvitaan suhteellisen suuria näytekokoja riittävän tilastollisen tehon saavuttamiseksi, annosteluun tarvitaan suuria määriä H218O:ta (23) ja IRMS-analyysiä. Suuria 18O-pitoisuuksia tarvitaan erottamaan annos taustaisotooppitasoista 10–21 päivän eliminaation jälkeen. Tällä hetkellä se maksaa 500 - 750 dollaria 18O:sta, joka tarvitaan DLW-mittauksen suorittamiseen aikuiselle henkilölle (50 - 75 kg rasvaton massa), ja hinta on arvaamaton lääketieteellisen diagnostisen PET-skannauksen kysynnän vaihteluiden vuoksi. Korkeiden 18O-rikasteiden tarve johtuu tausta-isotooppipitoisuuden vaihteluista ajan myötä (8). Tämä taustatasojen epävarmuus lisää annettavaa isotooppiannosta ja lisää DLW-mittausten epävarmuutta verrattuna TEE:n kalorimetrisiin vertailumittauksiin validointitutkimuksissa. Lopuksi IRMS-analyysi esittää omat haasteensa, mukaan lukien tarve kehittyneisiin, kalliisiin instrumentteihin, joissa on omistettuja, korkeasti koulutettuja käyttäjiä, ja yleensä vain yhden isotooppisuhteen mittaaminen kerrallaan, mikä vähentää analyyttistä suorituskykyä. Näiden haasteiden vuoksi useimmat DLW-testejä suorittavat tutkijat eivät ylläpidä sisäisiä IRMS-tiloja, vaan luottavat sen sijaan ulkopuolisten mittauslaboratorioiden kalliisiin ja hitaisiin analyyseihin. Ehdotetussa työssä käsitellään näitä ongelmia kehittämällä uusi kolmi-isotooppimenetelmä DLW-analyysiin, mikä parantaa merkittävästi mittausten yksilöllistä tarkkuutta ja alentaa DLW-menetelmän kustannuksia, mikä johtaa DLW-menetelmän laajempaan käyttöön sekä kliinisissä että tutkimuksessa. sovellukset.

Tämän Small Business Innovation Researchin (SBIR) vaiheen II apurahan yleistavoitteena on kehittää ja validoida uusi instrumentti, jolla mitataan ja korjataan tausta-isotooppitasoja 18O ja 2H DLW-analyysin aikana mittaamalla hapen stabiili 17O isotooppi kehon vedestä. . Tämä lähestymistapa ratkaisee kaksi edellä mainittua päärajoitusta. Ensinnäkin käyttämällä 17O-mittauksia 18O:n ja 2H:n taustavaihteluiden korjaamiseen tämä lähestymistapa vähentää 18O:n määrää ja siten DLW-tutkimusten suorittamisen kustannuksia. Vaiheen I tutkimuksiemme tulokset (katso alustavat tiedot alla) osoittavat, että taustavaihtelut 18O:ssa ja 17O:ssa kehon vedessä korreloivat R2:n kanssa 0,96, taustavaihtelut 2H:ssa ja 17O:ssa korreloivat R2:n kanssa 0,89 ja taustavaihtelut 2H:ssa. ja 18O korreloivat R2:n kanssa 0,92. Näihin korrelaatioihin perustuen 17O-mittausten käyttäminen 2H:n ja 18O:n taustavaihteluiden arvioimiseen antaa arviolta 40 prosentin vähennyksen DLW-menetelmän taustavaihtelusta johtuvaan epävarmuuteen. Toiseksi ehdotettua instrumenttia hyödynnetään uudessa, kolmi-isotooppimenetelmässä DLW:lle, joka vähentää olemassa olevia esteitä DLW-menetelmän laajalle leviämiselle parantamalla tarkkuutta, vähentämällä kustannuksia, vähentämällä analyysin suorittamiseen vaadittavaa teknistä asiantuntemusta ja lisäämällä suorituskykyä. . Uuden instrumentin kehittämisestä vastaavat liikekumppanimme Los Gatos Research, ja validointitutkimukset suoritetaan Coloradon yliopiston Anschutzin lääketieteellisen kampuksella.

Tässä työssä käytämme Los Gatos Researchin ultraherkkää absorptiospektroskopiatekniikkaa, Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS) mittaamaan samanaikaisesti ja edullisesti (< 50 dollaria per näyte) nestemäisistä vesinäytteistä 2H, 18O ja 17O. . Lyhyesti sanottuna Off-Axis ICOS:ssa laservalo kytketään optiseen onteloon akselin ulkopuolisella tavalla ja sitä mitataan jatkuvasti samalla tavalla kuin tavallinen absorptiokoe (kuva 1) (1). Onkalo tarjoaa poikkeuksellisen pitkän tehokkaan optisen polun (esim. tyypillisesti 5-10 km), mikä mahdollistaa heikosti absorboivien molekyylien tarkan kvantifioinnin. Lisäksi, koska akselin ulkopuolinen säteen reitti ei ole ainutlaatuinen, järjestelmä on erittäin herkkä kohdistuksen muutoksille, mikä tekee siitä kestävän. Tämä kestävyys yhdistettynä pitkän tehokkaan optisen reitin kanssa mahdollistaa veden isotopomeerien mittaamisen erittäin suurella tarkkuudella. Sen kehittämisen jälkeen Los Gatos Research (LGR) ja sen kaupalliset asiakkaat ovat tehneet monia kokeita vahvistaakseen Off-Axis ICOS:n herkkyyden ja kestävyyden useiden hivenkaasujen mittaamiseen, mukaan lukien vesi-isotopomeerit H2O, 1H2HO ja H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) ja viimeksi veden isotopomeerit tislaamattomassa ihmisen virtsassa (3).