Метаболический мониторинг с помощью монитора Gemini O2 и CO2 

Введение

Существует долгая история использования непрямой калориметрии для измерения энергетических затрат, потребления кислорода (VO2) и производства углекислого газа (VCO2) у лабораторных животных. Крупных животных, а также людей, удобнее всего контролировать с помощью лицевой маски с прикрепленным пневмотахометром для измерения потока и портом для пробы газоанализатора. Для мелких животных, таких как грызуны, такой подход трудно или невозможно успешно реализовать, поэтому вместо него используются метаболические камеры.

Метаболической камерой может быть любой герметичный корпус с одним входом и одним выходом (см. рисунок). Свежий воздух (Vi) проходит через камеру с известной скоростью потока, поэтому животное вдыхает этот поток и выдыхает в него. Поскольку животное потребляет O2 и вырабатывает CO2 в результате метаболической активности, газ на выходе из камеры будет иметь пониженную долю O2 (FoO2) и повышенную долю CO2 (FoCO2). Скорость потока (Vi) через камеру регулируется таким образом, чтобы CO2 в камере не накапливался чрезмерно, а O2 не истощался, но при этом обеспечивалась измеримая разница между входом и выходом для измерения газов. На практике достаточно разницы 0,2 - 1,0% FoCO2/FiCO2. Поток в камере (Vi) регулируется до тех пор, пока FoCO2 не попадет в этот диапазон. Эти измерения: Vi, FiO2, FiCO2, FoO2 и FoCO2 могут быть использованы для расчета потребления кислорода (VO2), производства CO2 (VCO2), коэффициента дыхательного обмена (RER) и метаболического производства тепла или энергозатрат (EE). Такая проточная система известна как калориметрия с открытым контуром.

Экспериментальная установка

На рисунке показана базовая установка оборудования. Контролируемый поток (Vi) отслеживается расходомером. Газоанализатор измеряет O2 и CO2 на входе или выходе из камеры, в зависимости от настройки запорного крана. Поскольку метаболические уравнения требуют точных и сопоставимых измерений газов на входе и выходе, анализатор периодически переключается между мониторингом газов на входе, эталонного газа (FiO2, FiCO2) и газов на выходе (FoO2, FoCO2) с помощью запорного крана для выбора источника газового образца. Этот метод позволяет скорректировать любой небольшой дрейф или абсолютную неточность измерений; важны только дифференциальные значения (FiO2 - FoO2 и FoCO2 - FiCO2).

В составе экспериментальной установки использован монитор O2 и CO2 CWE Gemini, но можно использовать и другое оборудование из нашего каталога.

Иные соображения

Теоретически, любая скорость потока через камеру с живым животным внутри приведет к падению O2 и увеличению CO2. Однако чем больше разница между входом и выходом газа, тем точнее будут результаты (в пределах разумного). Камера служит в качестве смесительной камеры, где входящий поток смешивается с выдохами животного (часто крошечными), достигая в итоге равновесия, которое можно измерить на выходе камеры. Для достижения наилучших результатов титруйте входящий поток по отношению к выходящему CO2 для достижения желаемой разницы в 0,2-1,0% CO2. Одновременно с этим будет увеличиваться и перепад O2, что позволит проводить более точные расчеты.

Желательно использовать один набор газовых датчиков, например, в мониторе Gemini, для измерения концентрации как эталонного газа, так и газа на выходе камеры. Это позволяет проводить прямое сравнение между значениями проб на входе и выходе. На рисунке трехходовой кран используется для переключения между эталонным и выходящим газом. Его можно легко заменить 3-ходовым электромагнитным клапаном с электрическим приводом для выбора источника пробы с помощью дистанционного управления. Большинство коммерческих специализированных систем метаболического монитора используют этот подход для мультиплексирования одного набора датчиков между отбором эталонного газа и выходом одной или нескольких метаболических камер. 

Важно, чтобы единицы измерения и отчетности были согласованы. В опубликованных значениях основных метаболических измерений могут использоваться мл/мин, мл/мин/г, л/ч/кг или любая комбинация. Большинство значений можно легко преобразовать путем разумного умножения или деления на 60 или 1000, в зависимости от желаемых единиц измерения.

Наконец, хотя основные измерения и расчеты в калориметрии открытого контура просты, существует множество тонкостей, связанных с проведением успешных измерений. Приведенные ниже формулы расчета могут пригодиться для получения хороших данных.

Метаболические расчеты

Практическая система будет непрерывно измерять значения расхода и газа и передавать эти значения в систему сбора данных для вычислений и анализа. Ниже приведены основные уравнения, использующие непосредственно измеренные, а также производные переменные. Эти уравнения обычно программируются в программное обеспечение для сбора данных в виде расчетов по каналам. Основными переменными являются:

Vi = поток свежего воздуха в камеру, л/мин (измеряется непосредственно)

Vo = поток отработанного воздуха из камеры, л/мин (производная)

FiO2 = доля кислорода на входе в камеру (измеряется непосредственно)

FoO2 = доля кислорода на выходе из камеры (измеряется непосредственно)

FiCO2 = доля углекислого газа на входе в камеру (измеряется непосредственно)

FoCO2 = доля углекислого газа на выходе из камеры (измеряется непосредственно).

Выходной поток из камеры, Vo, требует особого рассмотрения, поскольку отношение произведенного CO2 к потребленному O2 (RER) будет влиять на этот выходной поток. Для получения Vo используется уравнение Халдейна, которое использует предположение, что количество азота не меняется от входа в камеру до выхода:

Vo = Vi (FiN2 / FoN2)

где FiN2 и FoN2 - доли азота на входе и выходе камеры, соответственно.

Таким образом, доля N2 на входе рассчитывается как:

FiN2 = 1 - (FiO2 - FiCO2)

а доля N2 на выходе - как:

FoN2 = 1 - (FoO2 - FoCO2).

С этими полученными значениями можно использовать основные уравнения:

VO2 = (Vi x FiO2) - (Vo x FoO2) для потребления кислорода в литрах/мин, и:

VCO2 = (Vo x FoCO2) - (Vi x FiCO2) для производства углекислого газа.

После того, как вы получили основные значения VO2, существует несколько подходов к расчету предполагаемого производства тепла или энергии. Одним из таких показателей является расход энергии (EE) в ккал/мин.

который может быть получен из VO2:

EE = (3,581 VO2 + 1,448 VCO2) - 1,773

Можно рассчитать еще один производный показатель - коэффициент дыхательного обмена (RER):

RER = VCO2 / VO2 (это безразмерный показатель, который не зависит от массы тела).

Это основные измерения, которые при желании можно стандартизировать к массе тела животного:

VO2 / M и VCO2 / M (M = масса тела в кг).

Публикации по теме

Indirect Calorimetry: History,Technology, and Application.  Mtaweh, Tuira, Floh and Parshuram, 2018

Some mathematical and technical issues in the measurement and interpretation of open-circuit indirect calorimetry in small animals.  Arch, Hislop, Wang and Speakman, 2006

Simple equations for complex physiology: can we use VCO2 for calculating energy expenditure? Pierre Singer, 2016

Scaling of respiratory variables in mammals. Walter R. Stahl, 1967