Een nieuwe benadering voor het meten van energie-uitgaven bij mensen

De hoge prevalentie van obesitas in de VS (17) is een groot probleem voor de volksgezondheid, aangezien mensen met overgewicht en obesitas een verhoogd risico lopen op veel chronische ziekten (5, 7, 15, 18). Obesitas komt voort uit een onbalans tussen het totale calorieverbruik en het totale energieverbruik (TEE), hoewel de oorzaken van deze onevenwichtigheid nog steeds ter discussie staan ​​(29). Nauwkeurige en precieze metingen van TEE spelen daarom een ​​cruciale rol bij het begrijpen en uiteindelijk omkeren van deze epidemie. TEE kan worden gemeten met behulp van directe (meting van warmteproductie) of indirecte (meting van respiratoire gasuitwisseling) calorimetrie (4), maar geen van deze benaderingen is praktisch voor het meten van TEE bij vrijlevende proefpersonen. De gouden standaard voor het meten van TEE bij vrijlevende individuen is de dubbel gelabeld water (DLW) methode, die gebaseerd is op het principe dat de zuurstof in lichaamswater in volledig isotoopevenwicht is met de zuurstof in opgelost respiratoir kooldioxide als gevolg van de actie van koolzuuranhydrase. Het gevolg van deze uitwisseling is dat een isotopisch label van zuurstof dat in het lichaamswater wordt ingebracht, wordt geëlimineerd door de gecombineerde stroom van lichaamswater en het uitgeademde koolstofdioxide. Lifson en collega's redeneerden dat, aangezien waterstof alleen in water en niet in koolstofdioxide wordt aangetroffen, de eliminatie van een waterstofisotoop alleen zou worden beïnvloed door de stroom van lichaamswater (11). Het verschil in de snelheid van isotopeneliminatie van gelijktijdig toegediende zuurstof- en waterstoflabels is dus een maat voor de CO2-productie.

Ondanks het wijdverspreide gebruik ervan (6, 9, 10, 20, 25, 29), heeft de DLW-methode enkele belangrijke beperkingen. Individuele metingen zijn hoogstens ± 7 % nauwkeurig (23), dus de methode is momenteel het meest geschikt voor studies van groepen in plaats van individuele variatie. Een tweede probleem is dat de test duur is om uit te voeren vanwege de behoefte aan relatief grote steekproeven om voldoende statistisch vermogen te bereiken, de grote hoeveelheden H218O die nodig zijn voor dosering (23) en IRMS-analyse. Hoge niveaus van 18O zijn vereist om de dosis te onderscheiden van achtergrondisotoopniveaus na 10 - 21 dagen eliminatie. Het kost momenteel $ 500 - $ 750 voor de 18O die nodig is om een ​​DLW-meting uit te voeren bij een volwassen proefpersoon (50 - 75 kg vetvrije massa) en de kosten zijn onvoorspelbaar vanwege fluctuaties in de vraag van de medisch diagnostische PET-scan. De behoefte aan hoge 18O-verrijkingen wordt veroorzaakt door fluctuaties in de achtergrondisotoopniveaus in de tijd (8). Deze onzekerheid in de achtergrondniveaus verhoogt de isotopendosis die moet worden toegediend en draagt ​​bij aan de onzekerheid in de DLW-metingen in vergelijking met de referentiecalorimetriemetingen van TEE in validatiestudies. Ten slotte biedt IRMS-analyse zijn eigen uitdagingen, waaronder de behoefte aan geavanceerde, dure instrumenten met toegewijde, goed opgeleide operators en, in het algemeen, meting van slechts één isotoopverhouding tegelijk, waardoor de analytische doorvoer wordt verminderd. Vanwege deze uitdagingen onderhouden de meeste onderzoekers die DLW-testen uitvoeren geen eigen IRMS-faciliteiten, maar vertrouwen ze op dure en trage analyses door externe meetlaboratoria. Het voorgestelde werk zal deze problemen aanpakken door een nieuwe drievoudige isotopenmethode voor DLW-analyse te ontwikkelen, waardoor de individuele nauwkeurigheid van de metingen aanzienlijk wordt verbeterd en de kosten van de DLW-methode worden verlaagd, wat leidt tot een breder gebruik van de DLW-methode in zowel klinische als onderzoekspraktijken. toepassingen.

Het algemene doel van deze Fase II-subsidie ​​voor Small Business Innovation Research (SBIR) is het ontwikkelen en valideren van een nieuw instrument voor het meten en corrigeren van de achtergrondisotoopniveaus van 18O en 2H tijdens DLW-analyse door de 17O stabiele isotoop van zuurstof in lichaamswater te meten. . Deze aanpak zal de twee belangrijkste beperkingen aanpakken die hierboven zijn besproken. Ten eerste, door 17O-metingen te gebruiken om te corrigeren voor achtergrondfluctuaties in 18O en 2H, zal deze benadering de hoeveelheid 18O, en dus de kosten, van het uitvoeren van DLW-onderzoeken verminderen. Resultaten van onze fase I-onderzoeken (zie voorlopige gegevens hieronder) laten zien dat achtergrondfluctuaties in 18O en 17O in lichaamsvocht gecorreleerd zijn met een R2 van 0,96, achtergrondfluctuaties in 2H en 17O zijn gecorreleerd met een R2 van 0,89, en achtergrondfluctuaties in 2H en 18O zijn gecorreleerd met een R2 van 0,92. Op basis van deze correlaties zal het gebruik van 17O-metingen om de achtergrondfluctuaties van de 2H en 18O te schatten een geschatte afname van veertig procent opleveren in de onzekerheid van de DLW-methode als gevolg van achtergrondfluctuatie. Ten tweede zal het voorgestelde instrument worden gebruikt in de nieuwe, drievoudige isotopenmethode voor DLW, die de bestaande belemmeringen voor wijdverbreid gebruik van de DLW-methode zal verminderen door de precisie te verbeteren, de kosten te verlagen, de technische expertise die nodig is om de analyse uit te voeren te verminderen en de doorvoer te vergroten. . De ontwikkeling van het nieuwe instrument zal worden uitgevoerd door onze zakenpartners, Los Gatos Research, en er zullen validatiestudies worden uitgevoerd op de campus van Anschutz Medical van de Universiteit van Colorado.

In dit werk zullen we de ultragevoelige absorptiespectroscopietechnologie van Los Gatos Research, Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopie (Off-Axis ICOS), toepassen om gelijktijdig en goedkoop (< $ 50 per monster) 2H, 18O en 17O te meten in vloeibare watermonsters . In het kort: in Off-Axis ICOS wordt laserlicht off-axis gekoppeld aan een optische holte en continu gemeten, vergelijkbaar met een standaard absorptie-experiment (Figuur 1) (1). De holte biedt een buitengewoon lange effectieve optische weglengte (bijv. typisch 5 - 10 km) waardoor de nauwkeurige kwantificering van zwak absorberende moleculen mogelijk is. Bovendien is het systeem, aangezien het off-axis straalpad niet uniek is, extreem ongevoelig voor veranderingen in de uitlijning, waardoor het robuust is. Deze robuustheid in combinatie met de lange effectieve optische weglengte maakt het mogelijk om waterisotopomeren met zeer hoge precisie te meten. Sinds de ontwikkeling ervan hebben Los Gatos Research (LGR) en zijn commerciële klanten vele experimenten uitgevoerd om de gevoeligheid en robuustheid van Off-Axis ICOS te valideren voor het meten van een verscheidenheid aan sporengassen, waaronder waterisotopomeren H2O, 1H2HO en H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) en recentelijk waterisotopomeren in ongedestilleerde menselijke urine (3).