Nowe podejście do pomiaru wydatków na energię u ludzi

Wysoka częstość występowania otyłości w Stanach Zjednoczonych (17) jest poważnym problemem zdrowia publicznego, ponieważ osoby z nadwagą i otyłością są bardziej narażone na wiele chorób przewlekłych (5, 7, 15, 18). Otyłość wynika z braku równowagi między całkowitym zużyciem kalorii a całkowitym wydatkiem energetycznym (TEE), chociaż przyczyny tego braku równowagi pozostają przedmiotem dyskusji (29). Dokładne i precyzyjne pomiary TEE odgrywają zatem kluczową rolę w zrozumieniu i ostatecznym odwróceniu tej epidemii. TEE można zmierzyć za pomocą kalorymetrii bezpośredniej (pomiar produkcji ciepła) lub pośredniej (pomiar wymiany gazów oddechowych) (4), ale żadne z tych podejść nie jest praktyczne do pomiaru TEE u osobników żyjących na wolności. Złotym standardem pomiaru TEE u osobników żyjących na wolności jest metoda podwójnie znakowanej wody (DLW), która opiera się na zasadzie, że tlen w wodzie ustrojowej jest w całkowitej równowadze izotopowej z tlenem w rozpuszczonym oddechowym dwutlenku węgla dzięki działaniu anhydrazy węglanowej. Konsekwencją tej wymiany jest to, że znak izotopowy tlenu wprowadzonego do wody ustrojowej jest eliminowany przez połączony przepływ wody ustrojowej i wydychanego dwutlenku węgla. Lifson i współpracownicy doszli do wniosku, że skoro wodór znajduje się tylko w wodzie, a nie w dwutlenku węgla, na eliminację izotopu wodoru będzie miał wpływ wyłącznie przepływ wody w organizmie (11). Zatem różnica w szybkości eliminacji izotopów jednocześnie podawanych znaczników tlenu i wodoru jest miarą produkcji CO2.

Jednak pomimo powszechnego stosowania (6, 9, 10, 20, 25, 29) metoda DLW ma pewne istotne ograniczenia. Indywidualne pomiary są w najlepszym razie dokładne tylko do ± 7 % (23), więc metoda ta jest obecnie najbardziej odpowiednia do badania grup, a nie zmienności indywidualnej. Drugi problem polega na tym, że test jest kosztowny w wykonaniu ze względu na potrzebę stosunkowo dużych rozmiarów próbek w celu uzyskania wystarczającej mocy statystycznej, duże ilości H218O potrzebne do dozowania (23) oraz analizę IRMS. Wysokie poziomy 18O są wymagane do odróżnienia dawki od poziomów izotopów tła po 10-21 dniach eliminacji. Obecnie kosztuje 500 - 750 USD za 18O wymagane do wykonania pomiaru DLW u osoby dorosłej (50 - 75 kg beztłuszczowej masy ciała), a koszt jest nieprzewidywalny ze względu na wahania popytu na diagnostyczny skan PET. Potrzeba wysokiego wzbogacenia 18O jest spowodowana wahaniami poziomów izotopów tła w czasie (8). Ta niepewność poziomów tła zwiększa dawkę izotopu, którą należy podać, i przyczynia się do niepewności pomiarów DLW w porównaniu z referencyjnymi pomiarami kalorymetrycznymi TEE w badaniach walidacyjnych. Wreszcie, analiza IRMS wiąże się z własnym zestawem wyzwań, w tym potrzebą wyrafinowanego, kosztownego oprzyrządowania z wyspecjalizowanymi, dobrze wyszkolonymi operatorami oraz, ogólnie, pomiarem tylko jednego stosunku izotopów na raz, co zmniejsza przepustowość analityczną. Z powodu tych wyzwań większość badaczy przeprowadzających testy DLW nie utrzymuje własnych urządzeń IRMS, zamiast tego polega na kosztownych i powolnych analizach przeprowadzanych przez zewnętrzne laboratoria pomiarowe. Proponowana praca rozwiąże te problemy poprzez opracowanie nowej potrójnej metody izotopowej do analizy DLW, znacznie poprawiającej indywidualną dokładność pomiarów i obniżającej koszt metody DLW, prowadzącej do szerszego wykorzystania metody DLW zarówno w badaniach klinicznych, jak i badawczych Aplikacje.

Ogólnym celem tego grantu Small Business Innovation Research (SBIR) fazy II jest opracowanie i zatwierdzenie nowego instrumentu do pomiaru i korygowania poziomów izotopów tła 18O i 2H podczas analizy DLW poprzez pomiar stabilnego izotopu 17O tlenu w wodzie ciała . To podejście rozwiąże dwa główne ograniczenia, o których mowa powyżej. Po pierwsze, wykorzystując pomiary 17O do skorygowania fluktuacji tła w 18O i 2H, podejście to zmniejszy ilość 18O, a tym samym koszt wykonywania badań DLW. Wyniki naszych badań fazy I (patrz dane wstępne poniżej) pokazują, że fluktuacje tła 18O i 17O w wodzie ciała są skorelowane z R2 równym 0,96, fluktuacje tła 2H i 17O są skorelowane z R2 równym 0,89, a fluktuacje tła 2H i 18O są skorelowane z R2 równym 0,92. W oparciu o te korelacje, wykorzystanie pomiarów 17O do oszacowania fluktuacji tła 2H i 18O zapewni szacunkowe czterdziestoprocentowe zmniejszenie niepewności metody DLW z powodu fluktuacji tła. Po drugie, proponowany instrument zostanie wykorzystany w nowej, potrójnie izotopowej metodzie DLW, która zmniejszy istniejące bariery w powszechnym stosowaniu metody DLW poprzez poprawę precyzji, zmniejszenie kosztów, zmniejszenie wiedzy technicznej wymaganej do wykonania analizy oraz zwiększenie przepustowości . Opracowanie nowego instrumentu zostanie przeprowadzone przez naszych partnerów biznesowych, Los Gatos Research, a badania walidacyjne zostaną przeprowadzone na kampusie University of Colorado Anschutz Medical.

W tej pracy zastosujemy technologię ultraczułej spektroskopii absorpcyjnej Los Gatos Research, Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS), do jednoczesnego i niedrogiego (< 50 USD za próbkę) pomiaru 2H, 18O i 17O w ciekłych próbkach wody . Krótko mówiąc, w ICOS poza osią światło lasera jest sprzężone z wnęką optyczną poza osią i jest mierzone w sposób ciągły, podobnie jak w standardowym eksperymencie absorpcji (Rysunek 1) (1). Wnęka zapewnia niezwykle długą efektywną długość drogi optycznej (np. zazwyczaj 5 - 10 km), co pozwala na dokładne oznaczenie ilościowe cząsteczek słabo absorbujących. Co więcej, ponieważ ścieżka wiązki poza osią nie jest wyjątkowa, system jest wyjątkowo niewrażliwy na zmiany wyrównania, co czyni go solidnym. Ta solidność w połączeniu z dużą efektywną długością drogi optycznej umożliwia pomiar izotopomerów wody z bardzo dużą precyzją. Od czasu jego opracowania firma Los Gatos Research (LGR) i jej komercyjni klienci przeprowadzili wiele eksperymentów w celu sprawdzenia czułości i solidności Off-Axis ICOS do pomiaru różnych gazów śladowych, w tym izotopomerów wody H2O, 1H2HO i H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27), a ostatnio izotopomery wody w niedestylowanym ludzkim moczu (3).