Új megközelítés az emberek energiakiadásainak mérésére

Az elhízás nagy prevalenciája az Egyesült Államokban (17) komoly közegészségügyi probléma, mivel a túlsúlyos és elhízott egyének több krónikus betegség kockázatának vannak kitéve (5, 7, 15, 18). Az elhízás a teljes kalóriafogyasztás és a teljes energiafelhasználás (TEE) közötti egyensúlyhiányból ered, bár ennek az egyensúlytalanságnak az okai továbbra is vitatottak (29). A TEE pontos és precíz mérése ezért kulcsszerepet játszik a járvány megértésében és végső soron visszafordításában. A TEE mérhető direkt (hőtermelés mérése) vagy indirekt (légzési gázcsere mérése) kalorimetriával (4), de ezek a megközelítések egyike sem praktikus a TEE mérésére szabadon élő alanyokon. A szabadon élő egyedeken a TEE mérésének aranystandardja a duplán címkézett víz (DLW) módszer, amely azon az elven alapul, hogy a testvíz oxigénje teljes izotópos egyensúlyban van az oldott légúti szén-dioxid oxigénjével a hatás következtében. szénsav-anhidráz. Ennek a kicserélődésnek az a következménye, hogy a testvízbe juttatott oxigén izotópos jelölése a testvíz és a kilélegzett szén-dioxid együttes áramlása révén megszűnik. Lifson és munkatársai úgy érveltek, hogy mivel a hidrogén csak vízben található, a szén-dioxidban nem, a hidrogénizotóp eliminációját kizárólag a testvíz áramlása befolyásolja (11). Így az egyidejűleg beadott oxigén- és hidrogénjelölések izotóp-eltávolítási sebességének különbsége a CO2-termelés mértéke.

Széles körben elterjedt használata (6, 9, 10, 20, 25, 29) ellenére azonban a DLW módszernek vannak jelentős korlátai. Az egyéni mérések legfeljebb ± 7 %-os pontosságúak (23), így a módszer jelenleg leginkább csoportok vizsgálatára alkalmas, nem pedig egyéni variációkra. A másik probléma az, hogy a teszt elvégzése költséges, mivel viszonylag nagy mintaméretekre van szükség a kellő statisztikai teljesítmény eléréséhez, az adagoláshoz szükséges nagy mennyiségű H218O (23) és az IRMS-analízis miatt. A 10-21 napos elimináció után magas 18O-szintre van szükség ahhoz, hogy a dózist megkülönböztessék a háttér izotópszintjétől. Jelenleg 500–750 dollárba kerül a 18O, amely egy felnőtt alanyon (50–75 kg zsírmentes tömegű) DLW-mérés elvégzéséhez szükséges, és a költség kiszámíthatatlan az orvosi diagnosztikai PET-vizsgálat iránti kereslet ingadozása miatt. A magas 18O-dúsítás szükségességét a háttér izotópszintjének időbeli ingadozása okozza (8). Ez a háttérszintek bizonytalansága megnöveli a beadandó izotópdózist, és hozzájárul a DLW mérések bizonytalanságához a TEE referencia kalorimetriás méréseihez képest a validációs vizsgálatokban. Végezetül, az IRMS-elemzés saját kihívásokat jelent, beleértve a kifinomult, drága műszerek szükségességét dedikált, magasan képzett kezelőkkel, és általában egyszerre csak egy izotóp arány mérését, ami csökkenti az analitikai teljesítményt. E kihívások miatt a legtöbb DLW-tesztet végző kutató nem tart fenn házon belüli IRMS-létesítményeket, hanem külső mérőlaboratóriumok drága és lassú elemzéseire hagyatkozik. A javasolt munka ezekre a problémákra fog megoldást találni egy új, hármas izotópos módszer kifejlesztésével a DLW-analízishez, jelentősen javítva a mérések egyedi pontosságát és csökkentve a DLW-módszer költségét, ami a DLW-módszer szélesebb körű alkalmazását eredményezi mind klinikai, mind kutatási területen. alkalmazások.

A Small Business Innovation Research (SBIR) II. fázisú támogatásának átfogó célja egy új eszköz kifejlesztése és validálása a 18O és 2H háttérizotópszintek mérésére és korrekciójára a DLW elemzés során a testvízben lévő oxigén 17O stabil izotópjának mérésével. . Ez a megközelítés a fent említett két fő korlátot kezeli. Először is, ha 17O méréseket használunk a 18O és 2H háttér-ingadozásainak korrigálására, ez a megközelítés csökkenti a 18O mennyiségét, és így a DLW-vizsgálatok elvégzésének költségeit. Az I. fázisú vizsgálataink eredményei (lásd alább az előzetes adatokat) azt mutatják, hogy a testvízben a 18O és 17O háttér-ingadozása 0,96-os R2-vel, a 2H és 17O háttéringadozása 0,89-es R2-vel, a 2H háttér-ingadozásai pedig korrelálnak. és 18O 0,92 R2-vel korrelál. Ezen összefüggések alapján a 17O mérések a 2H és 18O háttéringadozások becslésére a becslések szerint negyven százalékos csökkenést eredményeznek a DLW módszer háttér-fluktuáció miatti bizonytalanságában. Másodszor, a javasolt eszközt az új, három izotópos DLW-módszerben fogják használni, amely csökkenti a DLW-módszer széles körű elterjedése előtt álló meglévő akadályokat azáltal, hogy javítja a pontosságot, csökkenti a költségeket, csökkenti az elemzés elvégzéséhez szükséges műszaki szakértelem mennyiségét és növeli az áteresztőképességet. . Az új műszer fejlesztését üzleti partnereink, a Los Gatos Research végzi, a validációs vizsgálatokat pedig a Colorado Egyetem Anschutz Medical campusán végzik majd.

Ebben a munkában a Los Gatos Research ultraérzékeny abszorpciós spektroszkópiai technológiáját, az Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS) alkalmazását fogjuk alkalmazni, hogy egyidejűleg és olcsón (mintánként <50 USD) mérjünk 2H, 18O és 17O folyékony vízmintákban. . Röviden, az Off-Axis ICOS-ben a lézerfény tengelyen kívüli módon kapcsolódik egy optikai üreghez, és folyamatosan mérik, hasonlóan egy szabványos abszorpciós kísérlethez (1. ábra) (1). Az üreg rendkívül hosszú effektív optikai utat biztosít (pl. jellemzően 5-10 km), ami lehetővé teszi a gyengén elnyelő molekulák pontos számszerűsítését. Sőt, mivel a tengelyen kívüli sugárpálya nem egyedi, a rendszer rendkívül érzéketlen a beállítási változásokra, így robusztus. Ez a robusztusság a hosszú effektív optikai úthosszal kombinálva lehetővé teszi a vízizopomerek nagyon nagy pontosságú mérését. Fejlesztése óta a Los Gatos Research (LGR) és kereskedelmi ügyfelei számos kísérletet végeztek az Off-Axis ICOS érzékenységének és robusztusságának igazolására különféle nyomgázok mérésére, beleértve a H2O, 1H2HO és H218O vízizopomereket (2, 12, 14, 19, 26, 27) és legutóbb vízizopomerek desztillálatlan emberi vizeletben (3).