인간의 에너지 소비 측정에 대한 새로운 접근 방식

미국의 높은 비만 유병률(17)은 과체중 및 비만 개인이 많은 만성 질환에 대한 위험이 증가하기 때문에 주요 공중 보건 문제입니다(5, 7, 15, 18). 비만은 총 칼로리 소비와 총 에너지 소비(TEE) 사이의 불균형에서 비롯되지만 이러한 불균형의 원인은 여전히 ​​논의되고 있습니다(29). 따라서 TEE의 정확하고 정밀한 측정은 이 전염병을 이해하고 궁극적으로 역전시키는 데 중추적인 역할을 합니다. TEE는 직접(열 생성 측정) 또는 간접(호흡기체 교환 측정) 열량계(4)를 사용하여 측정할 수 있지만 이러한 접근 방식 중 어느 것도 자유 생활 대상의 TEE를 측정하는 데 실용적이지 않습니다. 자유 생활 개인의 TEE 측정을 위한 황금 표준은 이중 표지 물(DLW) 방법으로, 체수분의 산소가 용해된 호흡 이산화탄소의 산소와 완전한 동위원소 평형을 이룬다는 원리를 기반으로 합니다. 탄산탈수효소. 이 교환의 결과는 체수분과 내뿜는 이산화탄소의 결합 플럭스에 의해 체수분으로 도입된 산소의 동위원소 표지가 제거된다는 것입니다. Lifson과 동료들은 수소가 이산화탄소가 아닌 물에서만 발견되기 때문에 수소 동위원소의 제거는 체수분의 흐름에 의해서만 영향을 받을 것이라고 추론했습니다(11). 따라서 동시에 투여된 산소 및 수소 라벨의 동위원소 제거 속도의 차이는 CO2 생산의 척도입니다.

그러나 광범위한 사용(6, 9, 10, 20, 25, 29)에도 불구하고 DLW 방법에는 몇 가지 주요 제한 사항이 있습니다. 개별 측정은 기껏해야 ± 7%까지만 정확하기 때문에(23) 현재 이 방법은 개인 변동보다는 그룹 연구에 가장 적합합니다. 두 번째 문제는 충분한 통계 검정력을 달성하기 위해 상대적으로 큰 샘플 크기, 투약에 필요한 대량의 H218O(23) 및 IRMS 분석으로 인해 테스트를 수행하는 데 비용이 많이 든다는 것입니다. 제거 10-21일 후에 배경 동위원소 수준과 선량을 구별하려면 높은 수준의 18O가 필요합니다. 현재 성인 피험자(50 - 75kg 무지방 질량)에 대해 DLW 측정을 수행하는 데 필요한 18O의 비용은 $500 - $750이며 의료 진단 PET 스캔의 수요 변동으로 인해 비용을 예측할 수 없습니다. 높은 18O 농축에 대한 필요성은 시간 경과에 따른 배경 동위원소 수준의 변동으로 인해 발생합니다(8). 배경 수준의 이러한 불확실성은 관리해야 하는 동위원소 선량을 증가시키고 검증 연구에서 TEE의 기준 열량계 측정과 비교하여 DLW 측정의 불확실성에 기여합니다. 마지막으로, IRMS 분석은 고도로 훈련된 전담 작업자가 있는 정교하고 값비싼 장비에 대한 필요성과 일반적으로 한 번에 하나의 동위 원소 비율만 측정하여 분석 처리량을 줄이는 등 고유한 일련의 문제를 제시합니다. 이러한 문제로 인해 DLW 테스트를 수행하는 대부분의 연구원은 사내 IRMS 시설을 유지하지 않고 대신 외부 측정 실험실에서 비용이 많이 들고 느린 분석에 의존합니다. 제안된 작업은 DLW 분석을 위한 새로운 삼중 동위원소 방법을 개발하여 이러한 문제를 해결할 것이며, 측정의 개별 정확도를 크게 개선하고 DLW 방법의 비용을 줄임으로써 임상 및 연구 모두에서 DLW 방법의 보다 광범위한 사용을 유도할 것입니다. 응용 프로그램.

이 SBIR(Small Business Innovation Research) 2상 보조금의 전체 목표는 체내 수분 내 산소의 17O 안정 동위원소를 측정하여 DLW 분석 중에 18O 및 2H의 배경 동위원소 수준을 측정하고 보정하는 새로운 도구를 개발하고 검증하는 것입니다. . 이 접근 방식은 위에서 언급한 두 가지 주요 제한 사항을 해결합니다. 첫째, 18O 및 2H의 배경 변동을 보정하기 위해 17O 측정을 사용함으로써 이 접근 방식은 18O의 양을 줄여 DLW 연구 수행 비용을 줄입니다. 우리의 1상 연구(아래 예비 데이터 참조)의 결과는 체수분의 18O 및 17O의 배경 변동이 0.96의 R2와 상관관계가 있고, 2H 및 17O의 배경 변동이 0.89의 R2와 상관관계가 있으며, 2H의 배경 변동이 상관관계가 있음을 보여줍니다. 및 18O는 0.92의 R2와 상관관계가 있습니다. 이러한 상관 관계를 기반으로 17O 측정을 사용하여 2H 및 18O의 배경 변동을 추정하면 배경 변동으로 인한 DLW 방법의 불확실성이 40% 감소할 것으로 추정됩니다. 둘째, 제안된 장비는 DLW를 위한 새로운 삼중 동위 원소 방법에 활용될 것이며, 이는 정밀도를 개선하고 비용을 절감하며 분석을 수행하는 데 필요한 기술 전문 지식을 줄이고 처리량을 증가시킴으로써 DLW 방법의 광범위한 사용에 대한 기존 장벽을 줄일 것입니다. . 새로운 기기의 개발은 우리의 비즈니스 파트너인 Los Gatos Research에서 수행할 것이며 검증 연구는 University of Colorado Anschutz Medical 캠퍼스에서 수행할 것입니다.

이 작업에서는 Los Gatos Research의 초고감도 흡수 분광 기술인 Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy(Off-Axis ICOS)를 적용하여 동시에 저렴하게(샘플당 < $50) 액체 물 샘플에서 2H, 18O 및 17O를 측정합니다. . 간단히 말해서 Off-Axis ICOS에서 레이저 광은 축외 방식으로 광학 공동에 결합되며 표준 흡수 실험과 유사하게 연속적으로 측정됩니다(그림 1)(1). 공동은 매우 긴 유효 광학 경로 길이(예: 약하게 흡수하는 분자의 정확한 정량화를 허용합니다. 또한 축외 빔 경로가 고유하지 않기 때문에 시스템은 정렬 변화에 매우 둔감하여 견고합니다. 긴 유효 광학 경로 길이와 결합된 이 견고성은 매우 높은 정밀도로 물 동위원소를 측정할 수 있게 합니다. 개발 이후 LGR(Los Gatos Research)과 그 상업 고객은 물 동위원소 H2O, 1H2H2O 및 H218O(2, 12, 14, 19, 26, 27) 그리고 가장 최근에는 증류되지 않은 인간 소변의 물 동위원소(3).