Новый подход к измерению расхода энергии у человека

Высокая распространенность ожирения в США (17) является серьезной проблемой общественного здравоохранения, поскольку люди с избыточным весом и ожирением подвержены повышенному риску многих хронических заболеваний (5, 7, 15, 18). Ожирение возникает из-за дисбаланса между общим потреблением калорий и общим расходом энергии (TEE), хотя причины этого дисбаланса остаются дискуссионными (29). Таким образом, точные и точные измерения TEE играют ключевую роль в понимании и, в конечном итоге, в борьбе с этой эпидемией. TEE можно измерить с помощью прямой (измерение теплопродукции) или непрямой (измерение дыхательного газообмена) калориметрии (4), но ни один из этих подходов не подходит для измерения TEE у свободно живущих субъектов. Золотым стандартом для измерения TEE у свободноживущих людей является метод двойной маркировки воды (DLW), который основан на принципе, что кислород в воде тела находится в полном изотопном равновесии с кислородом в растворенном вдыхании углекислом газе из-за действия карбоангидразы. Следствием этого обмена является то, что изотопная метка кислорода, введенного в воду тела, устраняется комбинированным потоком воды тела и выдыхаемого углекислого газа. Лифсон и его коллеги пришли к выводу, что, поскольку водород содержится только в воде, а не в двуокиси углерода, удаление изотопа водорода будет зависеть исключительно от потока воды в организме (11). Таким образом, разница в скорости элиминации изотопов одновременно введенных кислородных и водородных меток является мерой образования СО2.

Однако, несмотря на широкое распространение (6, 9, 10, 20, 25, 29), метод DLW имеет ряд существенных ограничений. Индивидуальные измерения имеют точность в лучшем случае только ± 7 % (23), поэтому этот метод в настоящее время наиболее подходит для изучения групп, а не индивидуальных вариаций. Вторая проблема заключается в том, что проведение теста является дорогостоящим из-за необходимости относительно больших размеров выборки для достижения достаточной статистической мощности, больших количеств H218O, необходимых для дозирования (23) и анализа IRMS. Высокие уровни 18O необходимы для того, чтобы отличить дозу от фоновых уровней изотопов после 10–21 дня элиминации. В настоящее время стоимость 18O, необходимого для измерения DLW у взрослого человека (масса тела без жира 50–75 кг), составляет 500–750 долларов, а стоимость непредсказуема из-за колебаний спроса на ПЭТ-сканирование для медицинской диагностики. Необходимость высокого обогащения 18O вызвана колебаниями фоновых уровней изотопов с течением времени (8). Эта неопределенность фоновых уровней увеличивает дозу изотопа, которую необходимо ввести, и вносит вклад в неопределенность измерений DLW по сравнению с эталонными калориметрическими измерениями TEE в валидационных исследованиях. Наконец, анализ IRMS сопряжен с собственным набором проблем, в том числе необходимостью в сложном, дорогостоящем оборудовании с привлечением специально обученных операторов и, как правило, измерением только одного соотношения изотопов за раз, что снижает аналитическую производительность. Из-за этих проблем большинство исследователей, проводящих тесты DLW, не имеют собственных средств IRMS, полагаясь вместо этого на дорогостоящие и медленные анализы, проводимые внешними измерительными лабораториями. Предлагаемая работа позволит решить эти проблемы путем разработки нового трехизотопного метода анализа DLW, значительно повысив индивидуальную точность измерений и снизив стоимость метода DLW, что приведет к более широкому использованию метода DLW как в клинических, так и в исследовательских целях. Приложения.

Общая цель этого гранта Фазы II исследования инноваций в малом бизнесе (SBIR) состоит в том, чтобы разработать и утвердить новый инструмент для измерения и корректировки фоновых уровней изотопов 18O и 2H во время анализа DLW путем измерения стабильного изотопа 17O кислорода в воде тела. . Этот подход устраняет два основных ограничения, упомянутых выше. Во-первых, за счет использования измерений 17O для коррекции фоновых колебаний 18O и 2H этот подход уменьшит количество 18O и, следовательно, стоимость проведения исследований DLW. Результаты наших исследований Фазы I (см. Предварительные данные ниже) показывают, что фоновые колебания 18О и 17О в воде тела коррелируют с R2, равным 0,96, фоновые колебания 2Н и 17О коррелируют с R2, равным 0,89, а фоновые колебания 2Н и 18O коррелируют с R2 0,92. Основываясь на этих корреляциях, использование измерений 17O для оценки фоновых флуктуаций 2H и 18O обеспечит примерно сорокапроцентное снижение неопределенности метода DLW из-за фоновых флуктуаций. Во-вторых, предлагаемый прибор будет использоваться в новом трехизотопном методе DLW, который уменьшит существующие барьеры для широкого использования метода DLW за счет повышения точности, снижения затрат, сокращения технических знаний, необходимых для выполнения анализа, и увеличения пропускной способности. . Разработка нового инструмента будет осуществляться нашими деловыми партнерами, Los Gatos Research, а валидационные исследования будут проводиться в медицинском кампусе Anschutz Университета Колорадо.

В этой работе мы будем применять сверхчувствительную технологию абсорбционной спектроскопии Los Gatos Research, внеосевую интегрированную выходную спектроскопию резонатора (Off-Axis ICOS), для одновременного и недорогого (менее 50 долларов США за образец) измерения 2H, 18O и 17O в жидких образцах воды. . Вкратце, в Off-Axis ICOS лазерный свет подается на оптический резонатор вне оси и непрерывно измеряется, как в стандартном эксперименте по поглощению (рис. 1) (1). Резонатор обеспечивает чрезвычайно большую эффективную длину оптического пути (например, обычно 5-10 км), что позволяет точно определить количество слабо поглощающих молекул. Более того, поскольку внеосевой путь луча не уникален, система крайне нечувствительна к изменениям выравнивания, что делает ее надежной. Эта надежность в сочетании с большой эффективной длиной оптического пути позволяет измерять изотопомеры воды с очень высокой точностью. С момента разработки Los Gatos Research (LGR) и ее коммерческие заказчики провели множество экспериментов для проверки чувствительности и надежности системы Off-Axis ICOS для измерения различных газовых примесей, включая изотопомеры воды H2O, 1H2HO и H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) и совсем недавно изотопомеры воды в недистиллированной моче человека (3).