Dubbelmärkt vatten

Dubbelmärkt vatten är vatten i vilket både vätet och syret helt eller delvis har ersatts (dvs märkt ) med en ovanlig isotop av dessa grundämnen för spårningsändamål.

I praktiken, av både praktiska och säkerhetsskäl, använder nästan alla nya tillämpningar av metoden "dubbelmärkt vatten" vatten märkt med tunga men icke-radioaktiva former av varje grundämne (deuterium och syre - 18 ) . I teorin skulle radioaktiva tunga isotoper av grundämnena kunna användas för sådan märkning; detta var fallet i många tidiga tillämpningar av metoden .

I synnerhet kan dubbelmärkt vatten (DLW) användas för en metod för att mäta den genomsnittliga dagliga metaboliska hastigheten för en organism under en tidsperiod (ofta även kallad Field metabolic rate , eller FMR, hos icke-mänskliga djur). Detta görs genom att administrera en dos av DLW och sedan mäta eliminationshastigheten av deuterium och oxygen-18 hos patienten över tid (genom regelbunden provtagning av tunga isotopkoncentrationer i kroppsvatten, genom provtagning av saliv, urin eller blod). Minst två prover krävs: ett första prov (efter att isotoperna har nått jämvikt i kroppen), och ett andra prov en tid senare. Tiden mellan dessa prover beror på djurets storlek. Hos små djur kan perioden vara så kort som 24 timmar; hos större djur (som vuxna människor) kan perioden vara så lång som 14 dagar.

Metoden uppfanns på 1950-talet av Nathan Lifson och kollegor vid University of Minnesota. Dess användning var dock begränsad till små djur fram till 1980-talet på grund av den höga kostnaden för isotopen syre-18. Framsteg inom masspektrometri under 1970-talet och början av 1980-talet minskade mängden isotoper som krävdes, vilket gjorde det möjligt att tillämpa metoden på större djur, inklusive människor. Den första applikationen på människor var 1982, av Dale Schoeller , över 25 år efter att metoden först upptäcktes. En fullständig sammanfattning av tekniken finns i en bok av den brittiske biologen John Speakman .

Testets mekanism

Tekniken mäter en försökspersons koldioxidproduktion under intervallet mellan första och sista kroppsvattenproverna. Metoden beror på detaljerna i kolmetabolismen i våra kroppar. När cellandning bryter ner kolhaltiga molekyler för att frigöra energi, frigörs koldioxid som en biprodukt. Koldioxid innehåller två syreatomer och bara en kolatom, men livsmedelsmolekyler som kolhydrater innehåller inte tillräckligt med syre för att ge båda syreatomerna som finns i CO ₂ . Det visar sig att en av de två syreatomerna i CO ₂ härrör från kroppsvatten. Om syret i vattnet är märkt med ¹⁸ O, kommer CO ₂ som produceras genom andning att innehålla märkt syre. Dessutom, när CO ₂ färdas från platsen för andning genom cytoplasman i en cell, genom interstitiell vätskor, in i blodomloppet och sedan till lungorna omvandlas en del av det reversibelt till bikarbonat. Så, efter att ha konsumerat vatten märkt med ¹⁸ O, jämviktas ¹⁸ O med kroppens bikarbonat och lösta koldioxidpool (genom verkan av enzymet kolsyraanhydras ). När koldioxid andas ut ¹⁸ O från kroppen. Detta upptäcktes av Lifson 1949. Men ¹⁸ O går också förlorat genom kroppsvattenförlust (som urin och avdunstning av vätskor). Deuterium (den andra etiketten i det dubbelmärkta vattnet) går dock förlorat först när kroppsvattnet går förlorat. Således kan förlusten av deuterium i kroppsvattnet över tiden användas för att matematiskt kompensera för förlusten av ¹⁸ O genom vattenförlustvägen. Detta lämnar bara den återstående nettoförlusten av ¹⁸ O i koldioxid. Denna mätning av mängden koldioxid som förloras är en utmärkt uppskattning för den totala koldioxidproduktionen. När detta väl är känt kan den totala ämnesomsättningshastigheten uppskattas från förenklade antaganden om förhållandet mellan syre som används i ämnesomsättningen (och därför värmegenererad) till eliminerad koldioxid (se andningskvot ) . Denna kvot kan mätas på andra sätt, och har nästan alltid ett värde mellan 0,7 och 1,0, och för en blandad kost brukar den vara cirka 0,8.

I lekmannatermer:

• Metabolism kan beräknas från oxygen-in/CO ₂ -out.
• DLW ('märkt') vatten är spårbart väte (deuterium) och spårbart syre ( ¹⁸ O).
• 18O lämnar kroppen på två sätt: (i) utandad CO ₂ och (ii) vattenförlust i (främst) urin, svett och andetag ^.
• Men deuterium lämnar bara på det andra sättet (vattenförlust).

Från deuteriumförlust vet vi hur mycket av det märkta vattnet som lämnade kroppen som vatten. Och eftersom koncentrationen av ¹⁸ O i kroppens vatten mäts efter att märkningsdosen har getts, vet vi också hur mycket av det taggade syret som lämnade kroppen i vattnet. (En enklare uppfattning är att förhållandet mellan deuterium och ¹⁸ O i kroppsvatten är fixerat, så total förlusthastighet av deuterium från kroppen multiplicerat med detta förhållande ger omedelbart förlusthastigheten på ¹⁸ O i vatten.) Mätning av ¹⁸ O utspädning med tiden ger den totala förlusten av denna isotop på alla vägar (via vatten och andning). Eftersom förhållandet mellan ¹⁸ O och totalt vattensyre i kroppen mäts, kan vi omvandla ¹⁸ O-förlust i andning till totalt syreförlust från kroppens vattenpool via omvandling till koldioxid. Hur mycket syre som lämnades av kroppen som CO ₂ är detsamma som CO ₂ som produceras av ämnesomsättningen, eftersom kroppen bara producerar CO ₂ på denna väg. CO ₂ -förlusten talar om för oss vilken energi som produceras, om vi vet eller kan uppskatta andningskvoten (förhållandet mellan producerad CO ₂ och syre som används).

Praktisk isotopadministration

Dubbelmärkt vatten kan administreras genom injektion eller oralt (den vanliga vägen hos människor). Eftersom isotoperna kommer att spädas ut i kroppsvatten, finns det inget behov av att administrera dem i ett tillstånd av hög isotopisk renhet, inget behov av att använda vatten där alla eller till och med de flesta atomer är tunga atomer, eller ens till att börja med vatten som är dubbelt märkt. Det är också onödigt att administrera exakt en atom av ¹⁸ O för varannan atom av deuterium. Denna fråga styrs i praktiken av ekonomin med att köpa ¹⁸ O-berikat vatten och känsligheten hos den tillgängliga massspektrografiska utrustningen.

I praktiken framställs doser av dubbelmärkt vatten för metabolt arbete genom att helt enkelt blanda en dos deuteriumoxid ( tungt vatten ) (90 till 99%) med en andra dos av H ₂ ¹⁸ O, vilket är vatten som har berikats separat med ^18O (men vanligtvis inte till en hög nivå, eftersom detta skulle vara dyrt och onödigt för denna användning), men innehåller annars normalt väte. Det blandade vattenprovet innehåller då båda typerna av tunga atomer, i mycket högre grad än normalt vatten, och är nu "dubbelmärkt". Det fria utbytet av väte mellan vattenmolekyler (via normal jonisering) i flytande vatten säkerställer att poolerna av syre och väte i alla prover av vatten (inklusive kroppens vattenpöl) kommer att utjämnas separat på kort tid med valfri dos av tillsatt tunga isotoper.

Ansökningar

Den dubbelmärkta vattenmetoden är särskilt användbar för att mäta genomsnittlig ämnesomsättning (fältmetabolism) över relativt långa tidsperioder (några dagar eller veckor), i ämnen för vilka andra typer av direkta eller indirekta kalorimetriska mätningar av ämnesomsättningen skulle vara svåra. eller omöjligt. Tekniken kan till exempel mäta ämnesomsättningen hos djur i det vilda tillståndet, där de tekniska problemen främst är relaterade till hur man administrerar dosen av isotop, och samla in flera prover av kroppsvatten vid senare tillfällen för att kontrollera om det finns en differentiell isotopeliminering.

De flesta djurstudier går ut på att fånga försöksdjuren och injicera dem och sedan hålla dem under en varierande period innan det första blodprovet har tagits. Denna period beror på storleken på det inblandade djuret och varierar mellan 30 minuter för mycket små djur till 6 timmar för mycket större djur. Hos både djur och människor görs testet mer exakt om en enda bestämning av andningskvoten har gjorts för organismen som äter standarddieten vid tidpunkten för mätningen, eftersom detta värde förändras relativt lite (och långsammare) jämfört med den mycket större metaboliska hastighetsförändringar relaterade till termoreglering och aktivitet.

Eftersom de tunga väte- och syreisotoperna som används i den standardiserade dubbelmärkta vattenmätningen är icke-radioaktiva och även icke-toxiska i de använda doserna (se tungt vatten ), har den dubbelmärkta vattenmätningen av medelmetabolism använts i stor utsträckning hos människor frivilliga, och även hos spädbarn och gravida kvinnor. Tekniken har använts på över 200 arter av vilda djur (främst fåglar, däggdjur och några reptiler). Tillämpningar av metoden på djur har granskats. En artikel av Pontzer, Yamada, Sagayama och kollegor 2021 sammanfattade resultaten av över 6400 mätningar med tekniken på människor mellan 8 dagar och 96 år gamla.

Dubbelmärkt vatten ( ² H ₂ ¹⁸ O) kan också användas för ovanligt varm is och ovanligt tätt vatten, eftersom det har en högre smältpunkt än och är tätare än antingen lätt vatten eller vad som normalt menas med "tungt vatten" ( ² H216O ) ^. _{_} ^{2H218O smälter vid 4,00~4,04 °C (} _{39,2 °F~39,27 °F) och} ^vätskan når sin maximala densitet på 1,21684~1,21699 g/cm3 vid ^11,43 ~11,49 °C (52,57 °F~F) ).