Une nouvelle approche pour mesurer la dépense énergétique chez les humains

La forte prévalence de l'obésité aux États-Unis (17) est un problème majeur de santé publique, car les personnes en surpoids et obèses courent un risque accru de contracter de nombreuses maladies chroniques (5, 7, 15, 18). L'obésité résulte d'un déséquilibre entre la consommation calorique totale et la dépense énergétique totale (TEE), bien que les causes de ce déséquilibre restent débattues (29). Des mesures exactes et précises de l'ETO jouent donc un rôle central dans la compréhension et finalement l'inversion de cette épidémie. Le TEE peut être mesuré par calorimétrie directe (mesure de la production de chaleur) ou indirecte (mesure des échanges gazeux respiratoires) (4), mais aucune de ces approches n'est pratique pour mesurer le TEE chez des sujets vivants libres. L'étalon-or pour mesurer l'ETO chez les individus vivant en liberté est la méthode de l'eau doublement marquée (DLW), qui est basée sur le principe que l'oxygène dans l'eau corporelle est en équilibre isotopique complet avec l'oxygène dans le dioxyde de carbone respiratoire dissous en raison de l'action d'anhydrase carbonique. La conséquence de cet échange est qu'un marqueur isotopique de l'oxygène introduit dans l'eau corporelle est éliminé par le flux combiné d'eau corporelle et de dioxyde de carbone expiré. Lifson et ses collègues ont estimé que, puisque l'hydrogène se trouve uniquement dans l'eau et non dans le dioxyde de carbone, l'élimination d'un isotope de l'hydrogène serait affectée uniquement par le flux d'eau corporelle (11). Ainsi, la différence dans les taux d'élimination des isotopes des marqueurs oxygène et hydrogène administrés simultanément est une mesure de la production de CO2.

Cependant, malgré son utilisation répandue (6, 9, 10, 20, 25, 29), la méthode DLW présente des limitations majeures. Les mesures individuelles ne sont précises qu'à ± 7 % au mieux (23), de sorte que la méthode est actuellement plus adaptée aux études de groupes plutôt qu'aux variations individuelles. Un deuxième problème est que le test est coûteux à réaliser en raison de la nécessité d'échantillons relativement importants pour obtenir une puissance statistique suffisante, des grandes quantités de H218O nécessaires pour le dosage (23) et de l'analyse IRMS. Des niveaux élevés de 18O sont nécessaires pour distinguer la dose des niveaux d'isotopes de fond après 10 à 21 jours d'élimination. Il en coûte actuellement entre 500 $ et 750 $ pour les 18O requis pour effectuer une mesure DLW sur un sujet adulte (masse sans graisse de 50 à 75 kg) et le coût est imprévisible en raison des fluctuations de la demande de la TEP de diagnostic médical. Le besoin d'enrichissements élevés en 18O est causé par les fluctuations des niveaux d'isotopes de fond au fil du temps (8). Cette incertitude dans les niveaux de fond augmente la dose d'isotope qui doit être administrée et contribue à l'incertitude dans les mesures DLW par rapport aux mesures calorimétriques de référence de l'ETO dans les études de validation. Enfin, l'analyse IRMS présente son propre ensemble de défis, notamment le besoin d'instruments sophistiqués et coûteux avec des opérateurs dédiés et hautement qualifiés et, en général, la mesure d'un seul rapport isotopique à la fois, ce qui réduit le débit analytique. En raison de ces défis, la plupart des chercheurs effectuant des tests DLW ne maintiennent pas d'installations IRMS internes, s'appuyant plutôt sur des analyses coûteuses et lentes par des laboratoires de mesure extérieurs. Le travail proposé abordera ces problèmes en développant une nouvelle méthode triple isotope pour l'analyse DLW, améliorant considérablement la précision individuelle des mesures et réduisant le coût de la méthode DLW, conduisant à une utilisation plus répandue de la méthode DLW en clinique et en recherche. applications.

L'objectif global de cette subvention de phase II pour la recherche sur l'innovation dans les petites entreprises (SBIR) est de développer et de valider un nouvel instrument pour mesurer et corriger les niveaux d'isotopes de fond de 18O et 2H pendant l'analyse DLW en mesurant l'isotope stable 17O de l'oxygène dans l'eau corporelle. . Cette approche répondra aux deux principales limitations évoquées ci-dessus. Tout d'abord, en utilisant des mesures de 17O pour corriger les fluctuations de fond en 18O et 2H, cette approche réduira la quantité de 18O, et donc le coût, de la réalisation d'études DLW. Les résultats de nos études de phase I (voir les données préliminaires ci-dessous) montrent que les fluctuations de fond en 18O et 17O dans l'eau corporelle sont corrélées avec un R2 de 0,96, les fluctuations de fond en 2H et 17O sont corrélées avec un R2 de 0,89 et les fluctuations de fond en 2H et 18O sont corrélés avec un R2 de 0,92. Sur la base de ces corrélations, l'utilisation des mesures de 17O pour estimer les fluctuations de fond du 2H et du 18O fournira une diminution estimée de quarante pour cent de l'incertitude de la méthode DLW en raison de la fluctuation de fond. Deuxièmement, l'instrument proposé sera utilisé dans la nouvelle méthode à trois isotopes pour DLW, ce qui réduira les obstacles existants à l'utilisation généralisée de la méthode DLW en améliorant la précision, en réduisant les coûts, en réduisant l'expertise technique requise pour effectuer l'analyse et en augmentant le débit. . Le développement du nouvel instrument sera réalisé par nos partenaires commerciaux, Los Gatos Research, et des études de validation seront réalisées sur le campus médical de l'Université du Colorado à Anschutz.

Dans ce travail, nous appliquerons la technologie de spectroscopie d'absorption ultrasensible de Los Gatos Research, la spectroscopie de sortie de cavité intégrée hors axe (ICOS hors axe), pour mesurer simultanément et à peu de frais (< 50 $ par échantillon) 2H, 18O et 17O dans des échantillons d'eau liquide. . En bref, dans Off-Axis ICOS, la lumière laser est couplée à une cavité optique de manière hors axe et est mesurée en continu comme dans une expérience d'absorption standard (Figure 1) (1). La cavité fournit une longueur de trajet optique efficace extraordinairement longue (par ex. généralement 5 à 10 km) permettant la quantification précise des molécules faiblement absorbantes. De plus, comme le trajet du faisceau hors axe n'est pas unique, le système est extrêmement insensible aux changements d'alignement, ce qui le rend robuste. Cette robustesse associée au long trajet optique efficace permet de mesurer les isotopomères de l'eau avec une très grande précision. Depuis son développement, Los Gatos Research (LGR) et ses clients commerciaux ont réalisé de nombreuses expériences pour valider la sensibilité et la robustesse de l'ICOS hors axe pour mesurer une variété de gaz traces, y compris les isotopomères de l'eau H2O, 1H2HO et H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) et plus récemment les isotopomères de l'eau dans l'urine humaine non distillée (3).