一种测量人体能量消耗的新方法

美国 (17) 肥胖的高患病率是一个主要的公共卫生问题，因为超重和肥胖的人患许多慢性病的风险增加 (5, 7, 15, 18)。 肥胖源于总热量消耗和总能量消耗 (TEE) 之间的不平衡，尽管这种不平衡的原因仍然存在争议 (29)。 因此，TEE 的准确和精确测量在理解和最终扭转这一流行病方面发挥着关键作用。 TEE 可以使用直接（测量热量产生）或间接（测量呼吸气体交换）量热法 (4) 进行测量，但这两种方法都不适用于测量自由生活对象的 TEE。 测量自由生活个体 TEE 的金标准是双标水 (DLW) 方法，该方法基于以下原理：由于作用，体内水中的氧气与溶解的呼吸二氧化碳中的氧气完全同位素平衡的碳酸酐酶。 这种交换的结果是引入体内水中的氧的同位素标记被体内水和呼出的二氧化碳的组合通量消除。 Lifson 及其同事推断，由于氢只存在于水中而不存在于二氧化碳中，因此氢同位素的消除将仅受体内水流的影响 (11)。 因此，同时施用的氧和氢标记的同位素消除速率的差异是 CO2 产生的量度。

然而，尽管 DLW 方法被广泛使用（6、9、10、20、25、29），但它有一些主要的局限性。 个体测量最多只能精确到 ± 7 % (23)，因此该方法目前最适合研究群体而不是个体差异。 第二个问题是，由于需要相对较大的样本量才能获得足够的统计功效、剂量需要大量的 H218O (23) 和 IRMS 分析，因此执行该测试的成本很高。 在消除 10 - 21 天后，需要高水平的 18O 才能将剂量与背景同位素水平区分开来。 目前，对成人受试者（50 - 75 千克无脂肪质量）进行 DLW 测量所需的 18O 成本为 500 - 750 美元，并且由于医学诊断 PET 扫描的需求波动，成本无法预测。 对高 18O 富集的需求是由背景同位素水平随时间的波动引起的 (8)。 与验证研究中 TEE 的参考量热法测量相比，背景水平的这种不确定性增加了必须施用的同位素剂量，并导致 DLW 测量的不确定性。 最后，IRMS 分析提出了自己的一系列挑战，包括需要复杂、昂贵的仪器和专门的、训练有素的操作员，以及通常一次只测量一种同位素比率，从而降低分析通量。 由于这些挑战，大多数进行 DLW 测试的研究人员不维护内部 IRMS 设施，而是依赖外部测量实验室进行的昂贵且缓慢的分析。 拟议的工作将通过开发一种新的用于 DLW 分析的三同位素方法来解决这些问题，显着提高测量的个体准确性并降低 DLW 方法的成本，从而使 DLW 方法在临床和研究中得到更广泛的使用应用程序。

这项小型企业创新研究 (SBIR) II 期拨款的总体目标是开发和验证一种新仪器，通过测量体内水中氧气的 17O 稳定同位素来测量和校正 DLW 分析期间 18O 和 2H 的背景同位素水平. 这种方法将解决上述两个主要限制。 首先，通过使用 17O 测量来校正 18O 和 2H 的背景波动，这种方法将减少 18O 的数量，从而降低执行 DLW 研究的成本。 我们第一阶段研究的结果（见下面的初步数据）表明，体水中 18O 和 17O 的背景波动与 0.96 的 R2 相关，2H 和 17O 的背景波动与 0.89 的 R2 相关，2H 的背景波动相关和 18O 与 0.92 的 R2 相关。 基于这些相关性，使用 17O 测量值来估计 2H 和 18O 的背景波动将使 DLW 方法由于背景波动而导致的不确定性降低约百分之四十。 其次，拟议的仪器将用于 DLW 的新的三同位素方法，这将通过提高精度、降低成本、减少执行分析所需的技术专业知识和增加通量来减少广泛使用 DLW 方法的现有障碍. 新仪器的开发将由我们的业务合作伙伴 Los Gatos Research 进行，验证研究将在科罗拉多大学安舒茨医学院进行。

在这项工作中，我们将应用 Los Gatos Research 的超灵敏吸收光谱技术、离轴积分腔输出光谱 (Off-Axis ICOS)，以同时且廉价（每个样品 < 50 美元）测量液态水样品中的 2H、18O 和 17O . 简而言之，在离轴 ICOS 中，激光以离轴方式耦合到光腔，并以类似于标准吸收实验的方式连续测量（图 1）(1)。 腔体提供了非常长的有效光程（例如 通常 5 - 10 公里）允许弱吸收分子的准确量化。 此外，由于离轴光路不是唯一的，系统对对准的变化极不敏感，因此非常稳健。 这种稳健性与较长的有效光程相结合，使得以非常高的精度测量水同位素成为可能。 自开发以来，Los Gatos Research (LGR) 及其商业客户进行了许多实验来验证离轴 ICOS 测量各种痕量气体的灵敏度和稳健性，包括水同位素 H2O、1H2HO 和 H218O（2、12、 14, 19, 26, 27) 和最近未蒸馏的人尿液中的水同位素异构体 (3)。