En ny metod för att mäta energiförbrukning hos människor

Den höga förekomsten av fetma i USA (17) är ett stort folkhälsoproblem, eftersom överviktiga och feta individer löper ökad risk för många kroniska sjukdomar (5, 7, 15, 18). Fetma härrör från en obalans mellan total kaloriförbrukning och total energiförbrukning (TEE), även om orsakerna till denna obalans fortfarande diskuteras (29). Exakta och exakta mätningar av TEE spelar därför en avgörande roll för att förstå och i slutändan vända denna epidemi. TEE kan mätas med hjälp av direkt (mätning av värmeproduktion) eller indirekt (mätning av respiratoriskt gasutbyte) kalorimetri (4), men inget av dessa tillvägagångssätt är praktiskt för att mäta TEE i fritt levande försökspersoner. Guldstandarden för att mäta TEE hos frilevande individer är den dubbelmärkta vattenmetoden (DLW), som bygger på principen att syret i kroppsvattnet är i fullständig isotopisk jämvikt med syret i löst luftvägskoldioxid på grund av verkan av kolsyraanhydras. Konsekvensen av detta utbyte är att en isotopmärkning av syre som införts i kroppsvattnet elimineras av det kombinerade flödet av kroppsvatten och den utandade koldioxiden. Lifson och kollegor resonerade att eftersom väte endast finns i vatten och inte i koldioxid, skulle elimineringen av en väteisotop påverkas enbart av flödet av kroppsvatten (11). Således är skillnaden i hastigheten för isotopeliminering av samtidigt administrerade syre- och vätemärkningar ett mått på CO2-produktion.

Men trots dess utbredda användning (6, 9, 10, 20, 25, 29) har DLW-metoden några stora begränsningar. Individuella mätningar är endast exakta till ± 7 % i bästa fall (23), så metoden är för närvarande mest lämpad för studier av grupper snarare än individuell variation. Ett andra problem är att testet är dyrt att utföra på grund av behovet av relativt stora provstorlekar för att uppnå tillräcklig statistisk kraft, de stora mängderna H218O som behövs för dosering (23) och IRMS-analys. Höga nivåer av 18O krävs för att skilja dosen från bakgrundsisotopnivåer efter 10 - 21 dagars eliminering. Det kostar för närvarande $500 - $750 för 18O som krävs för att utföra en DLW-mätning på en vuxen person (50 - 75 kg fettfri massa) och kostnaden är oförutsägbar på grund av fluktuationer i efterfrågan från den medicinska diagnostiska PET-skanningen. Behovet av höga 18O-anrikningar orsakas av fluktuationer i bakgrundens isotopnivåer över tid (8). Denna osäkerhet i bakgrundsnivåerna ökar isotopdosen som måste administreras och bidrar till osäkerheten i DLW-mätningarna jämfört med referenskalorimetrimätningarna av TEE i valideringsstudier. Slutligen presenterar IRMS-analys sin egen uppsättning utmaningar, inklusive behovet av sofistikerad, dyr instrumentering med dedikerade, välutbildade operatörer, och i allmänhet mätning av endast ett isotopförhållande åt gången, vilket minskar analytisk genomströmning. På grund av dessa utmaningar har de flesta forskare som utför DLW-tester inte interna IRMS-anläggningar, utan förlitar sig istället på dyra och långsamma analyser av externa mätlaboratorier. Det föreslagna arbetet kommer att ta itu med dessa problem genom att utveckla en ny trippel-isotopmetod för DLW-analys, vilket avsevärt förbättrar den individuella noggrannheten i mätningarna och minskar kostnaderna för DLW-metoden, vilket leder till en mer utbredd användning av DLW-metoden i både klinisk och forskning applikationer.

Det övergripande målet för detta Fas II-anslag för Small Business Innovation Research (SBIR) är att utveckla och validera ett nytt instrument för att mäta och korrigera bakgrundsisotopnivåerna för 18O och 2H under DLW-analys genom att mäta den stabila 17O-isotopen av syre i kroppsvatten . Detta tillvägagångssätt kommer att ta itu med de två huvudsakliga begränsningarna som behandlats ovan. För det första, genom att använda 17O-mätningar för att korrigera för bakgrundsfluktuationer i 18O och 2H, kommer detta tillvägagångssätt att minska mängden 18O, och därmed kostnaden, för att utföra DLW-studier. Resultat från våra fas I-studier (se preliminära data nedan) visar att bakgrundsfluktuationer i 18O och 17O i kroppsvatten är korrelerade med en R2 på 0,96, bakgrundsfluktuationer i 2H och 17O är korrelerade med en R2 på 0,89 och bakgrundsfluktuationer i 2H och 18O är korrelerade med ett R2 på 0,92. Baserat på dessa korrelationer kommer att använda 17O-mätningar för att uppskatta bakgrundsfluktuationerna för 2H och 18O att ge en uppskattad fyrtioprocentig minskning av osäkerheten för DLW-metoden på grund av bakgrundsfluktuationer. För det andra kommer det föreslagna instrumentet att användas i den nya trippelisotopmetoden för DLW som kommer att minska befintliga hinder för utbredd användning av DLW-metoden genom att förbättra precisionen, minska kostnaderna, minska den tekniska expertis som krävs för att utföra analysen och öka genomströmningen . Utvecklingen av det nya instrumentet kommer att utföras av våra affärspartners, Los Gatos Research, och valideringsstudier kommer att utföras vid University of Colorado Anschutz Medical campus.

I detta arbete kommer vi att tillämpa Los Gatos Researchs ultrakänsliga absorptionsspektroskopiteknologi, Off-Axis Integrated Cavity Output Spectroscopy (Off-Axis ICOS), för att samtidigt och billigt (< $50 per prov) mäta 2H, 18O och 17O i flytande vattenprover . Kortfattat, i Off-Axis ICOS, är laserljus kopplat till en optisk kavitet på ett off-axis sätt och mäts kontinuerligt på samma sätt som ett standardabsorptionsexperiment (Figur 1) (1). Kaviteten ger en extraordinärt lång effektiv optisk väglängd (t.ex. typiskt 5 - 10 km) vilket möjliggör noggrann kvantifiering av svagt absorberande molekyler. Eftersom strålbanan utanför axeln inte är unik, är systemet extremt okänsligt för förändringar i inriktningen, vilket gör det robust. Denna robusthet i kombination med den långa effektiva optiska väglängden gör det möjligt att mäta vattenisotopomerer med mycket hög precision. Sedan dess utveckling har Los Gatos Research (LGR) och dess kommersiella kunder utfört många experiment för att validera känsligheten och robustheten hos Off-Axis ICOS för att mäta en mängd olika spårgaser inklusive vattenisotopomererna H2O, 1H2HO och H218O (2, 12, 14, 19, 26, 27) och senast vattenisotopomerer i odestillerad human urin (3).