人間のエネルギー消費を測定する新しいアプローチ

太りすぎや肥満の人は多くの慢性疾患のリスクが高いため、米国での肥満率の高さ (17) は公衆衛生上の大きな懸念事項です (5、7、15、18)。 肥満は、総カロリー消費量と総エネルギー消費量 (TEE) の不均衡に起因しますが、この不均衡の原因については議論が続いています (29)。 したがって、TEE の正確で正確な測定は、この流行を理解し、最終的に逆転させる上で極めて重要な役割を果たします。 TEE は、直接 (熱産生の測定) または間接 (呼吸ガス交換の測定) 熱量測定を使用して測定できます (4) が、これらのアプローチはいずれも自由生活者の TEE の測定には実用的ではありません。 自由生活者の TEE を測定するためのゴールド スタンダードは、二重標識水 (DLW) 法です。これは、体内の酸素が呼吸用二酸化炭素の酸素と完全同位体平衡にあるという原理に基づいています。炭酸脱水酵素の。 この交換の結果、体水に導入された酸素の同位体ラベルは、体水と吐き出された二酸化炭素の結合フラックスによって除去されます。 Lifson らは、水素は水にのみ存在し、二酸化炭素には存在しないため、水素同位体の除去は体内の水分の流れのみに影響されると推論しました (11)。 したがって、同時に投与された酸素標識と水素標識の同位体除去率の差は、CO2 生成の尺度となります。

ただし、広く使用されているにもかかわらず (6、9、10、20、25、29)、DLW メソッドにはいくつかの大きな制限があります。 個々の測定値はせいぜい ± 7 % の精度しかないため (23)、この方法は現在、個人差よりもグループの研究に最も適しています。 2 番目の問題は、十分な統計的検出力を達成するために比較的大きなサンプル サイズが必要であること、投与に必要な大量の H218O (23)、および IRMS 分析のために、テストの実行に費用がかかることです。 排泄から 10 ～ 21 日後にバックグラウンド同位体レベルと線量を区別するには、高レベルの 18O が必要です。 現在、成人被験者 (50 ～ 75 kg の除脂肪体重) の DLW 測定に必要な 18O には 500 ～ 750 ドルかかり、医療診断用 PET スキャンの需要の変動により、コストは予測できません。 高い 18O 濃縮の必要性は、経時的なバックグラウンド同位体レベルの変動によって引き起こされます (8)。 このバックグラウンド レベルの不確実性により、投与しなければならない同位体線量が増加し、検証研究における TEE の参照熱量測定と比較して、DLW 測定の不確実性に寄与します。 最後に、IRMS 分析には独自の一連の課題があります。これには、専用の高度に訓練されたオペレーターによる高度で高価な機器の必要性や、一般に、一度に 1 つの同位体比しか測定しないため、分析スループットが低下することが含まれます。 これらの課題のため、DLW テストを実施するほとんどの研究者は、社内の IRMS 施設を維持せず、代わりに外部の測定研究所による高価で時間のかかる分析に依存しています。 提案された作業は、DLW分析のための新しい三重同位体法を開発することでこれらの問題に対処し、測定の個々の精度を大幅に改善し、DLW法のコストを削減し、臨床と研究の両方でDLW法がより広く使用されるようにします。アプリケーション。

この中小企業イノベーション研究 (SBIR) フェーズ II 助成金の全体的な目標は、体内水中の酸素の 17O 安定同位体を測定することにより、DLW 分析中に 18O および 2H のバックグラウンド同位体レベルを測定および補正する新しい機器を開発および検証することです。 . このアプローチは、上記の 2 つの主要な制限に対処します。 まず、17O 測定を使用して 18O および 2H のバックグラウンド変動を補正することにより、このアプローチは 18O の量を削減し、したがって DLW 研究を実施するコストを削減します。 当社のフェーズ I 研究の結果 (以下の予備データを参照) は、体内水中の 18O および 17O のバックグラウンド変動が 0.96 の R2 と相関し、2H および 17O のバックグラウンド変動が 0.89 の R2 と相関し、2H のバックグラウンド変動が相関することを示しています。および 18O は、0.92 の R2 と相関しています。 これらの相関関係に基づいて、17O 測定値を使用して 2H と 18O のバックグラウンド変動を推定すると、バックグラウンド変動による DLW 法の不確実性が 40% 減少すると推定されます。 第二に、提案された機器は、精度を向上させ、コストを削減し、分析の実行に必要な技術的専門知識を減らし、スループットを向上させることにより、DLW 法の広範な使用に対する既存の障壁を軽減する DLW の新しい三重同位体法で利用されます。 . 新しい機器の開発は、当社のビジネス パートナーである Los Gatos Research によって行われ、検証研究はコロラド大学アンシュッツ メディカル キャンパスで行われます。

この作業では、Los Gatos Research の超高感度吸収分光技術である Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS) を適用して、液体の水サンプル中の 2H、18O、および 17O を同時に安価に (サンプルあたり 50 ドル未満) 測定します。 . 簡単に言うと、Off-Axis ICOS では、レーザー光が軸外の方法で光学キャビティに結合され、標準的な吸収実験と同様に連続的に測定されます (図 1) (1)。 キャビティは、非常に長い実効光路長を提供します (例: 通常 5 ～ 10 km) 吸収の弱い分子の正確な定量化を可能にします。 さらに、軸外ビーム経路は固有のものではないため、システムはアライメントの変化に非常に鈍感になり、堅牢になります。 この堅牢性と長い有効光路長を組み合わせることで、水のアイソトポマーを非常に高い精度で測定することができます。 開発以来、Los Gatos Research (LGR) とその商用顧客は、水アイソトポマー H2O、1H2HO、および H218O (2、12、 14, 19, 26, 27)、そして最近では未蒸留のヒト尿中の水アイソトポマー (3)。