Вода с двойной маркировкой - Doubly labeled water

Вода с двойной маркировкой вода, в которой водород и кислород были частично или полностью заменены (т.е. маркированный) с необычным изотоп из этих элементы для отслеживания.

На практике, как из практических соображений, так и из соображений безопасности, почти во всех недавних применениях метода «воды с двойной меткой» используется вода, меченная тяжелыми, но нерадиоактивными формами каждого элемента (дейтерий и кислород-18 ). Теоретически для такой маркировки можно использовать радиоактивные тяжелые изотопы элементов; Так было во многих ранних применениях метода[нужна цитата ].

В частности, вода с двойной меткой (DLW) может использоваться в качестве метода измерения среднесуточной скорость метаболизма организма в течение определенного периода времени (часто также называемый Скорость полевого метаболизма, или FMR, у животных, кроме человека). Это делается путем введения дозы DLW, а затем измерения скорости выведения дейтерия и кислорода-18 у субъекта с течением времени (путем регулярного отбора проб на концентрацию тяжелых изотопов в воде тела, путем отбора проб слюны, мочи или крови). Требуется по крайней мере два образца: исходный образец (после того, как изотопы достигли равновесия в организме), и второй образец через некоторое время. Время между этими образцами зависит от размера животного. У мелких животных этот период может составлять всего 24 часа; у более крупных животных (например, взрослых людей) этот период может достигать 14 дней.

Метод был изобретен в 1950-х гг. Натан Лифсон и коллеги[1][2] в Университете Миннесоты. Однако его использование было ограничено мелкими животными до 1980-х годов из-за высокой стоимости изотопа кислорода-18. Достижения в области масс-спектрометрии в 1970-х и начале 1980-х уменьшили количество необходимого изотопа, что сделало возможным применение метода к более крупным животным, включая человека.[3] Первое применение к человеку было в 1982 г.[4] к Дейл Шоллер более чем через 25 лет после открытия метода. Полное изложение техники представлено в книге британского биолога. Джон Спикмен.[5]

Механизм испытания

Методика измеряет углекислый газ продуктивность в интервале между первой и последней пробами воды в организме. Метод зависит от деталей углеродного обмена в нашем организме. Когда клеточное дыхание разрушает углеродсодержащие молекулы с выделением энергии, в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Углекислый газ содержит два атома кислорода и только один атом углерода, но молекулы пищи, такие как углеводы, не содержат достаточно кислорода, чтобы обеспечить оба атома кислорода, присутствующие в CO.2. Оказывается, один из двух атомов кислорода в CO2 выводится из воды организма. Если кислород в воде помечен 18O, затем CO2 произведенный путем дыхания, будет содержать меченый кислород. Кроме того, поскольку CO2 перемещается от места дыхания через цитоплазму клетки, через интерстициальные жидкости в кровоток, а затем в легкие, часть его обратимо превращается в бикарбонат. Итак, после употребления воды с маркировкой 18О, 18O уравновешивается с пулом бикарбоната и растворенного углекислого газа в организме (благодаря действию фермента карбоангидраза ). Когда углекислый газ выдыхается, 18O теряется из тела. Это было обнаружено Лифсоном в 1949 году.[6] Тем не мение, 18O также теряется из-за потери воды в организме (например, с мочой и испарением жидкости). Однако дейтерий (вторая метка в воде с двойной меткой) теряется. Только при потере воды в организме. Таким образом, потерю дейтерия в воде организма с течением времени можно использовать для математической компенсации потери 18O по пути потери воды. Остается только оставшийся чистый убыток в размере 18О в двуокиси углерода. Это измерение количества потерянного диоксида углерода является отличной оценкой общего производства диоксида углерода. Как только это станет известно, общая скорость метаболизма может быть оценена из упрощающих предположений относительно соотношения кислорода, используемого в метаболизме (и, следовательно, выделяемого тепла), к удаленному диоксиду углерода (см. респираторный коэффициент ). Этот коэффициент можно измерить другими способами, и почти всегда он составляет от 0,7 до 1,0, а для смешанной диеты обычно составляет около 0,8.

Говоря простым языком:

  • Метаболизм можно рассчитать по содержанию кислорода / CO.2-из.
  • Вода DLW (маркированная) представляет собой прослеживаемый водород (дейтерий) и прослеживаемый кислород (18О).
  • В 18O покидает тело двумя способами: (i) выдыхаемый CO2и (ii) потеря воды (в основном) с мочой, потом и дыханием.
  • НО: дейтерий оставляет Только вторым способом (потеря воды).

ТАК: по потере дейтерия мы знаем, сколько меченой воды покинуло тело в качестве воды. А поскольку концентрация 18O в воде организма измеряется после введения дозы на этикетке, мы также знать, сколько меченого кислорода покинуло тело в воде. (Более простая точка зрения состоит в том, что отношение дейтерия к 18Содержание O в воде организма фиксировано, поэтому общая скорость потери дейтерия из организма, умноженная на это соотношение, сразу дает скорость потери 18O в воде.) Измерение 18Разбавление со временем дает полную потерю этого изотопа всеми путями (водой и дыханием). Поскольку соотношение 18O к общему количеству кислорода в воде в организме измеряется, мы можем преобразовать 18O потеря дыхания до общего количества кислорода, потерянного из водного бассейна тела в результате преобразования в двуокись углерода. Сколько кислорода покинуло тело как CO2 такой же, как CO2 вырабатывается метаболизмом, так как организм производит только CO2 по этому маршруту. Сотрудничество2 потери говорят нам о произведенной энергии, если мы знаем или можем оценить респираторный коэффициент (отношение CO2 произведено на используемый кислород).

Практическое введение изотопа

Вода с двойной меткой может вводиться путем инъекции или перорально (обычный путь для людей). Поскольку изотопы будут растворены в воде организма, нет необходимости вводить их в состоянии высокой изотопной чистоты, нет необходимости использовать воду, в которой все или даже большинство атомов являются тяжелыми атомами, или даже начинать с воды, которая является дважды помечены. Также нет необходимости вводить ровно один атом 18О на каждые два атома дейтерия. На практике этот вопрос регулируется экономикой покупки. 18Вода, обогащенная O, и чувствительность имеющегося масс-спектрографического оборудования.

На практике дозы воды с двойной меткой для метаболической работы получают простым смешиванием дозы оксида дейтерия (тяжелая вода ) (От 90 до 99%) со второй дозой H218O, который представляет собой воду, отдельно обогащенную 18O (хотя обычно не на высоком уровне, поскольку это было бы дорого и ненужно для этого использования), но в остальном содержит нормальный водород. Затем образец смешанной воды содержит оба типа тяжелых атомов в гораздо большей степени, чем обычная вода, и теперь имеет «двойную метку». Свободный обмен водородом между молекулами воды (посредством нормальной ионизации) в жидкой воде гарантирует, что бассейны кислорода и водорода в любом образце воды (включая бассейн с водой тела) будут по отдельности уравновешены за короткое время с любой добавленной дозой тяжелый изотоп (ы).

Приложения

Метод воды с двойной меткой особенно полезен для измерения средней скорости метаболизма (полевой скорости метаболизма) в течение относительно длительных периодов времени (несколько дней или недель) у субъектов, для которых другие типы прямых или косвенных калориметрических измерений скорости метаболизма будут затруднены. или невозможно. Например, этот метод позволяет измерять метаболизм животных в дикой природе, при этом технические проблемы связаны в основном с тем, как вводить дозу изотопа, и собирать несколько проб воды в организме в более позднее время, чтобы проверить дифференциальное выведение изотопов.

Большинство исследований на животных заключается в отлове исследуемых животных и инъекции им, а затем их удержании в течение переменного периода до сбора первой пробы крови. Этот период зависит от размера животного и колеблется от 30 минут для очень маленьких животных до 6 часов для более крупных животных. Как у животных, так и у людей тест становится более точным, если однократное определение респираторный коэффициент было сделано для организма, питающегося стандартной диетой во время измерения, поскольку это значение изменяется относительно мало (и медленнее) по сравнению с гораздо более значительными изменениями скорости метаболизма, связанными с терморегуляцией и активностью.

Поскольку тяжелые изотопы водорода и кислорода, используемые в стандартном измерении воды с двойной меткой, нерадиоактивны, а также нетоксичны в используемых дозах (см. тяжелая вода ), измерение средней скорости метаболизма воды с двойной меткой широко используется у людей-добровольцев и даже у младенцев.[7] и беременные женщины.[8] Этот метод был использован на более чем 200 видах диких животных (в основном, на птицах, млекопитающих и некоторых рептилиях). Рассмотрены применения метода на животных.[9][10]

Дважды маркированная вода (2ЧАС218O) также можно использовать для необычно теплого льда и необычно плотной воды, так как он имеет более высокую температуру плавления и плотнее, чем легкая вода или то, что обычно подразумевается под «тяжелой водой» (2ЧАС216О). 2ЧАС218O плавится при 4,00 ~ 4,04 ° C, и жидкость достигает максимальной плотности 1,21684 ~ 1,21699 г / см.3 при 11,43 ~ 11,49 ° C.[11]

Рекомендации

  1. ^ Лифсон, Н., Гордон, Г. и McClintock, R. (1955) Измерение общего образования диоксида углерода с помощью D218O. J. Appl. Physiol., 7, 704–710.
  2. ^ Лифсон Н. и МакКлинток Р. (1966) Теория использования скорости оборота воды в организме для измерения энергетического и материального баланса. J. Theor. Биол., 12, 46–74.
  3. ^ Спикмен-младший (октябрь 1998 г.). «История и теория техники дважды маркированной воды». Являюсь. J. Clin. Нутр. 68 (4): 932S – 938S. Дои:10.1093 / ajcn / 68.4.932S. PMID  9771875.
  4. ^ Шоллер, Д.А. и ван Сантен, Э. (1982) Измерение расхода энергии у людей с помощью воды с двойной меткой. J. Appl. Physiol., 53, 955–959.
  5. ^ Спикмен, Дж. Р., Вода с двумя метками: теория и практика. Издатели Springer Scientific. ISBN  0-412-63780-4 ISBN  978-0412637803, 416 с.)
  6. ^ Лифсон, Н., Гордон, Г.Б., Вишер, М.Б. и Nier, A.O. (1949) Судьба использованного молекулярного кислорода и источника кислорода респираторного углекислого газа изучена с помощью тяжелого кислорода. J. Biol. Chem. А, 180, 803–811.
  7. ^ Джонс П.Дж., Уинтроп А.Л., Шоллер Д.А. и др. (Март 1987 г.). «Валидация воды с двойной маркировкой для оценки расхода энергии у младенцев». Педиатр. Res. 21 (3): 242–6. Дои:10.1203/00006450-198703000-00007. PMID  3104873.
  8. ^ Heini A, Schutz Y, Diaz E, Prentice AM, Whitehead RG, Jéquier E (июль 1991 г.). «Расход энергии на свободную жизнь, измеренный двумя независимыми методами у беременных и небеременных гамбийских женщин». Являюсь. J. Physiol. 261 (1, часть 1): E9–17. Дои:10.1152 / ajpendo.1991.261.1.E9. PMID  1858878.
  9. ^ Speakman, JR (2000) Стоимость жизни: полевые показатели метаболизма мелких млекопитающих. Успехи в экологических исследованиях 30: 177–297
  10. ^ Надь, К.А. (2005) Скорость метаболизма и размер тела. Журнал экспериментальной биологии 208, 1621–1625.
  11. ^ Steckel, F .; Сапиро, С. (4 июля 1962 г.). «Физические свойства тяжелой кислородной воды. Часть 1. - Плотность и тепловое расширение». Труды общества Фарадея. 59: 331–343. Дои:10.1039 / TF9635900331.