Uma nova abordagem para medir o gasto de energia em humanos

A alta prevalência de obesidade nos EUA (17) é uma grande preocupação de saúde pública, pois indivíduos com sobrepeso e obesos correm maior risco de muitas doenças crônicas (5, 7, 15, 18). A obesidade decorre de um desequilíbrio entre o consumo calórico total e o gasto energético total (GET), embora as causas desse desequilíbrio permaneçam em debate (29). Medições exatas e precisas de ETE, portanto, desempenham um papel fundamental na compreensão e, finalmente, na reversão dessa epidemia. O TEE pode ser medido usando calorimetria direta (medição da produção de calor) ou indireta (medição da troca gasosa respiratória) (4), mas nenhuma dessas abordagens é prática para medir o TEE em indivíduos de vida livre. O padrão-ouro para medir o ETE em indivíduos de vida livre é o método da água duplamente marcada (DLW), que se baseia no princípio de que o oxigênio na água corporal está em completo equilíbrio isotópico com o oxigênio no dióxido de carbono respiratório dissolvido devido à ação da anidrase carbônica. A consequência dessa troca é que um rótulo isotópico de oxigênio introduzido na água corporal é eliminado pelo fluxo combinado de água corporal e dióxido de carbono exalado. Lifson e seus colegas argumentaram que, uma vez que o hidrogênio é encontrado apenas na água e não no dióxido de carbono, a eliminação de um isótopo de hidrogênio seria afetada apenas pelo fluxo de água corporal (11). Assim, a diferença nas taxas de eliminação de isótopos de marcadores de oxigênio e hidrogênio administrados simultaneamente é uma medida da produção de CO2.

No entanto, apesar de seu uso generalizado (6, 9, 10, 20, 25, 29), o método DLW apresenta algumas limitações importantes. Medições individuais são precisas apenas ± 7% na melhor das hipóteses (23), então o método é atualmente mais adequado para estudos de grupos em vez de variação individual. Um segundo problema é que o teste é caro para realizar devido à necessidade de tamanhos de amostra relativamente grandes para obter poder estatístico suficiente, as grandes quantidades de H218O necessárias para dosagem (23) e análise de IRMS. Níveis elevados de 18O são necessários para distinguir a dose dos níveis isotópicos de base após 10 a 21 dias de eliminação. Atualmente custa $ 500 - $ 750 para o 18O necessário para realizar uma medição DLW em um indivíduo adulto (50 - 75 kg de massa livre de gordura) e o custo é imprevisível devido a flutuações na demanda do diagnóstico médico PET scan. A necessidade de altos enriquecimentos de 18O é causada por flutuações nos níveis de isótopos de fundo ao longo do tempo (8). Essa incerteza nos níveis de fundo aumenta a dose isotópica que deve ser administrada e contribui para a incerteza nas medidas de DLW em comparação com as medidas de calorimetria de referência de ETE em estudos de validação. Por fim, a análise IRMS apresenta seu próprio conjunto de desafios, incluindo a necessidade de instrumentação sofisticada e cara com operadores dedicados e altamente treinados e, em geral, a medição de apenas uma proporção de isótopos por vez, reduzindo o rendimento analítico. Devido a esses desafios, a maioria dos pesquisadores que realizam testes de DLW não mantém instalações internas de IRMS, contando, em vez disso, com análises caras e lentas feitas por laboratórios de medição externos. O trabalho proposto abordará esses problemas desenvolvendo um novo método de triplo isótopo para análise de DLW, melhorando significativamente a precisão individual das medições e reduzindo o custo do método DLW, levando a um uso mais difundido do método DLW tanto na clínica quanto na pesquisa formulários.

O objetivo geral desta subvenção da Fase II da Small Business Innovation Research (SBIR) é desenvolver e validar um novo instrumento para medir e corrigir os níveis de isótopos de fundo de 18O e 2H durante a análise DLW medindo o isótopo estável de 17O de oxigênio na água corporal . Essa abordagem abordará as duas principais limitações abordadas acima. Primeiro, usando medições de 17O para corrigir as flutuações de fundo em 18O e 2H, essa abordagem reduzirá a quantidade de 18O e, portanto, o custo de realizar estudos de DLW. Os resultados de nossos estudos de Fase I (ver Dados Preliminares abaixo) mostram que as flutuações de fundo em 18O e 17O na água corporal estão correlacionadas com um R2 de 0,96, as flutuações de fundo em 2H ​​e 17O estão correlacionadas com um R2 de 0,89 e as flutuações de fundo em 2H e 18O estão correlacionados com um R2 de 0,92. Com base nessas correlações, o uso de medições de 17O para estimar as flutuações de fundo de 2H e 18O fornecerá uma redução estimada de quarenta por cento na incerteza do método DLW devido à flutuação de fundo. Em segundo lugar, o instrumento proposto será utilizado no novo método de isótopo triplo para DLW, que reduzirá as barreiras existentes ao uso generalizado do método DLW, melhorando a precisão, reduzindo custos, reduzindo o conhecimento técnico necessário para realizar a análise e aumentando o rendimento . O desenvolvimento do novo instrumento será realizado por nossos parceiros de negócios, a Los Gatos Research, e os estudos de validação serão realizados no campus da University of Colorado Anschutz Medical.

Neste trabalho, aplicaremos a tecnologia de espectroscopia de absorção ultrassensível da Los Gatos Research, espectroscopia de saída de cavidade integrada fora do eixo (Off-Axis ICOS), para medir simultaneamente e de forma econômica (< $ 50 por amostra) 2H, 18O e 17O em amostras de água líquida . Resumidamente, no ICOS fora do eixo, a luz do laser é acoplada a uma cavidade óptica fora do eixo e é continuamente medida de maneira semelhante a um experimento de absorção padrão (Figura 1) (1). A cavidade fornece um caminho óptico efetivo extraordinariamente longo (por exemplo, tipicamente 5 - 10 km) permitindo a quantificação precisa de moléculas fracamente absorventes. Além disso, como o caminho do feixe fora do eixo não é único, o sistema é extremamente insensível a mudanças no alinhamento, tornando-o robusto. Essa robustez combinada com o longo caminho óptico efetivo torna possível medir isotopômeros de água com precisão muito alta. Desde o seu desenvolvimento, a Los Gatos Research (LGR) e seus clientes comerciais realizaram muitos experimentos para validar a sensibilidade e a robustez do ICOS fora do eixo para medir uma variedade de gases residuais, incluindo isotopômeros de água H2O, 1H2HO e H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) e, mais recentemente, isotopômeros de água em urina humana não destilada (3).