En ny tilnærming til å måle energiforbruk hos mennesker

Den høye forekomsten av fedme i USA (17) er et stort folkehelseproblem, ettersom overvektige og overvektige individer har økt risiko for mange kroniske sykdommer (5, 7, 15, 18). Fedme stammer fra en ubalanse mellom totalt kaloriforbruk og totalt energiforbruk (TEE), selv om årsakene til denne ubalansen fortsatt er omdiskutert (29). Nøyaktige og presise målinger av TEE spiller derfor en sentral rolle for å forstå og til slutt reversere denne epidemien. TEE kan måles ved hjelp av direkte (måling av varmeproduksjon) eller indirekte (måling av respiratorisk gassutveksling) kalorimetri (4), men ingen av disse tilnærmingene er praktiske for å måle TEE i frittlevende individer. Gullstandarden for måling av TEE hos frittlevende individer er metoden med dobbelt merket vann (DLW), som er basert på prinsippet om at oksygenet i kroppsvannet er i fullstendig isotopisk likevekt med oksygenet i oppløst karbondioksid i luftveiene på grunn av virkningen. av karbonsyreanhydrase. Konsekvensen av denne utvekslingen er at en isotopmerking av oksygen introdusert i kroppsvann elimineres av den kombinerte fluksen av kroppsvann og utåndet karbondioksid. Lifson og kollegene resonnerte at siden hydrogen bare finnes i vann og ikke i karbondioksid, ville elimineringen av en hydrogenisotop utelukkende bli påvirket av fluksen av kroppsvann (11). Således er forskjellen i hastigheten for isotopeliminering av samtidig administrerte oksygen- og hydrogenmerker et mål på CO2-produksjon.

Til tross for den utbredte bruken (6, 9, 10, 20, 25, 29), har DLW-metoden noen store begrensninger. Individuelle målinger er kun nøyaktige til ± 7 % i beste fall (23), så metoden er foreløpig mest egnet for studier av grupper fremfor individuell variasjon. Et annet problem er at testen er kostbar å utføre på grunn av behovet for relativt store prøvestørrelser for å oppnå tilstrekkelig statistisk kraft, de store mengdene H218O som trengs for dosering (23), og IRMS-analyse. Høye nivåer av 18O er nødvendig for å skille dosen fra bakgrunnsisotopnivåer etter 10 - 21 dager med eliminering. Det koster for tiden $500 - $750 for 18O som kreves for å utføre en DLW-måling på et voksent individ (50 - 75 kg fettfri masse), og kostnadene er uforutsigbare på grunn av svingninger i etterspørselen fra den medisinske diagnostiske PET-skanningen. Behovet for høye 18O-anrikninger er forårsaket av fluktuasjoner i bakgrunnens isotopnivåer over tid (8). Denne usikkerheten i bakgrunnsnivåene øker isotopdosen som må administreres og bidrar til usikkerheten i DLW-målingene sammenlignet med referansekalorimetrimålingene av TEE i valideringsstudier. Til slutt presenterer IRMS-analyse sitt eget sett med utfordringer, inkludert behovet for sofistikert, kostbar instrumentering med dedikerte, høyt utdannede operatører, og generelt sett måling av kun ett isotopforhold om gangen, noe som reduserer analytisk gjennomstrømning. På grunn av disse utfordringene, vedlikeholder ikke de fleste forskere som utfører DLW-tester interne IRMS-fasiliteter, men stoler i stedet på dyre og langsomme analyser fra eksterne målelaboratorier. Det foreslåtte arbeidet vil adressere disse problemene ved å utvikle en ny trippel-isotopmetode for DLW-analyse, betydelig forbedre den individuelle nøyaktigheten av målingene og redusere kostnadene for DLW-metoden, noe som fører til mer utbredt bruk av DLW-metoden i både klinisk og forskning applikasjoner.

Det overordnede målet for dette Small Business Innovation Research (SBIR) fase II-tilskuddet er å utvikle og validere et nytt instrument for å måle og korrigere for bakgrunnsisotopnivåene på 18O og 2H under DLW-analyse ved å måle den 17O stabile isotopen av oksygen i kroppsvann . Denne tilnærmingen vil adressere de to hovedbegrensningene som er adressert ovenfor. For det første, ved å bruke 17O-målinger for å korrigere for bakgrunnssvingninger i 18O og 2H, vil denne tilnærmingen redusere mengden 18O, og dermed kostnadene, ved å utføre DLW-studier. Resultater fra våre fase I-studier (se foreløpige data nedenfor) viser at bakgrunnssvingninger i 18O og 17O i kroppsvann er korrelert med en R2 på 0,96, bakgrunnssvingninger i 2H og 17O er korrelert med en R2 på 0,89, og bakgrunnssvingninger i 2H og 18O er korrelert med en R2 på 0,92. Basert på disse korrelasjonene, vil bruk av 17O-målinger for å estimere bakgrunnssvingningene til 2H og 18O gi en estimert førti prosent reduksjon i usikkerheten til DLW-metoden på grunn av bakgrunnsfluktuasjoner. For det andre vil det foreslåtte instrumentet bli brukt i den nye trippel-isotopmetoden for DLW som vil redusere eksisterende barrierer for utbredt bruk av DLW-metoden ved å forbedre presisjonen, redusere kostnader, redusere den tekniske ekspertisen som kreves for å utføre analysen, og øke gjennomstrømningen . Utviklingen av det nye instrumentet vil bli utført av våre forretningspartnere, Los Gatos Research, og valideringsstudier vil bli utført ved University of Colorado Anschutz Medical campus.

I dette arbeidet vil vi bruke Los Gatos Research sin ultrasensitive absorpsjonsspektroskopiteknologi, Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS), for samtidig og rimelig (< $50 per prøve) å måle 2H, 18O og 17O i flytende vannprøver . Kort fortalt, i Off-Axis ICOS, er laserlys koblet til et optisk hulrom på en off-axis måte og måles kontinuerlig på samme måte som et standard absorpsjonseksperiment (Figur 1) (1). Hulrommet gir en ekstraordinær lang effektiv optisk veilengde (f.eks. typisk 5 - 10 km) som muliggjør nøyaktig kvantifisering av svakt absorberende molekyler. Dessuten, siden strålebanen utenfor aksen ikke er unik, er systemet ekstremt ufølsomt for endringer i justeringen, noe som gjør det robust. Denne robustheten kombinert med den lange effektive optiske veilengden gjør det mulig å måle vannisotopomerer med svært høy presisjon. Siden utviklingen har Los Gatos Research (LGR) og dets kommersielle kunder utført mange eksperimenter for å validere følsomheten og robustheten til Off-Axis ICOS for å måle en rekke sporgasser, inkludert vannisotopomerene H2O, 1H2HO og H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) og senest vannisotopomerer i udestillert human urin (3).