Кіріспе
Сирек кездесетін сутек және оттегі изотоптарынан тұратын су
Қос изотоптық таңбаланған су – сутек пен оттегінің бірі толық немесе ішінара (яғни, таңбаланған) сирек кездесетін изотоптарымен алмастырылған су. Іс жүзінде, практикалық және қауіпсіздік себептерінен, "қос изотоптық таңбаланған су" әдісінің барлық соңғы қолданылулары әр элементтің ауыр, бірақ радиоактивті емес түрлерімен таңбаланған суды қолданады (дейтерий және оттегі-18). Теориялық тұрғыдан алғанда, мұндай таңбалау үшін элементтердің радиоактивті ауыр изотоптарын қолдануға болады; бұл әдістің көптеген алғашқы қолданылуларында осылай болған. Атап айтқанда, қос изотоптық таңбаланған су (DLW) белгілі бір уақыт аралығында организмнің орташа тәуліктік метаболизм деңгейін өлшеу үшін қолданылуы мүмкін (жануарларда өрістік метаболизм деңгейі немесе FMR деп те аталады). Бұл DLW дозасын енгізу арқылы, содан кейін уақыт өте келе организмдегі дейтерий мен оттегі-18 шығарылу деңгейін өлшеу арқылы жүзеге асырылады (дене суындағы ауыр изотоп концентрациясының үлгілерін алу арқылы, сілекей, зәр немесе қан үлгілерін алу арқылы). Кем дегенде екі үлгі қажет: бастапқы үлгі (изотоптар организмде тепе-теңдікке жеткеннен кейін) және кейінірек алынған екінші үлгі. Бұл үлгілердің арасындағы уақыт жануардың өлшеміне байланысты. Кішкентай жануарларда бұл кезең 24 сағатқа дейін болуы мүмкін; ал үлкен жануарларда (мысалы, ересек адамдарда) – 14 күнге дейін созылуы мүмкін. Бұл әдіс 1950 жылдары Нейтан Лифсон және Минесота университетіндегі әріптестерімен ойлап табылды. Дегенмен, 1980 жылдарға дейін оның қолданылуы кішкентай жануарлармен шектелді, себебі оттегі-18 изотопының бағасы жоғары болды. 1970 жылдар мен 1980 жылдардың басындағы массалық спектрометриядағы жетістіктер қажетті изотоп мөлшерін азайтты, бұл әдісті үлкен жануарларға, соның ішінде адамдарға қолдануға мүмкіндік берді. Адамдарға алғаш рет 1982 жылы Дейл Шолер қолданды, бұл әдіс ашылғаннан кейін 25 жылдан астам уақыт өткен соң болды. Бұл техниканың толық сипаттамасы британдық биолог Джон Спикменнің кітабында келтірілген.
Doubly labeled water is water in which both the hydrogen and the oxygen have been partly or completely replaced (i. e. labeled) with an uncommon isotope of these elements for tracing purposes. In practice, for both practical and safety reasons, almost all recent applications of the "doubly labeled water" method use water labeled with heavy but non radioactive forms of each element (deuterium and oxygen 18). In theory, radioactive heavy isotopes of the elements could be used for such labeling; this was the case in many early applications of the method. In particular, doubly labeled water (DLW) can be used for a method to measure the average daily metabolic rate of an organism over a period of time (often also called the Field metabolic rate, or FMR, in non human animals). This is done by administering a dose of DLW, then measuring the elimination rates of deuterium and oxygen 18 in the subject over time (through regular sampling of heavy isotope concentrations in body water, by sampling saliva, urine, or blood). At least two samples are required: an initial sample (after the isotopes have reached equilibrium in the body), and a second sample some time later. The time between these samples depends on the size of the animal. In small animals, the period may be as short as 24 hours; in larger animals (such as adult humans), the period may be as long as 14 days. The method was invented in the 1950s by Nathan Lifson and colleagues at the University of Minnesota. However, its use was restricted to small animals until the 1980s because of the high cost of the oxygen 18 isotope. Advances in mass spectrometry during the 1970s and early 1980s reduced the amount of isotope required, which made it feasible to apply the method to larger animals, including humans. The first application to humans was in 1982, by Dale Schoeller, over 25 years after the method was initially discovered. A complete summary of the technique is provided in a book by British biologist John Speakman.
Изотопты қолдану
Екі рет белгіленген суды инъекция арқылы немесе ауыз арқылы (адамдардағы әдеттегі тәсіл) беруге болады. Изотоптар дене суында ерітетіндіктен, оларды жоғары изотоптық тазалықта берудің қажеті жоқ, барлық немесе көп бөлігі ауыр атомдардан тұратын суды қолданудың қажеті де жоқ, тіпті екі рет белгіленген судан бастаудың да қажеті жоқ. Сондай-ақ, әр екі дейтерий атомына дәл бір 18O атомын енгізудің қажеті жоқ. Бұл мәселе, іс жүзінде, 18O-мен байытылған суды сатып алудың экономикалық мүмкіндіктерімен және қолданыстағы массалық спектрографиялық құралдардың сезімталдығымен анықталады. Көбінесе, метаболизмді зерттеу үшін екі рет белгіленген судың дозасы дейтерий оксидінен (ауыр судан) (90-99%) және 18O-мен жеке байытылған H218O дозасынан (бірақ әдетте жоғары деңгейде емес, себебі бұл қымбатқа түсер еді және осы мақсатқа қажет емес) дайындалады, бірақ әдеттегі сутегін қамтиды. Нәтижедегі аралас су үлгісінде екі түрлі ауыр атом бар, олардың мөлшері қалыпты судағыдан әлдеқайда жоғары, және енді ол "екі рет белгіленген" болып саналады. Сұйық судағы су молекулалары арасындағы сутегінің еркін алмасуы (қалыпты иондану арқылы) кез келген су үлгісіндегі (соның ішінде организмдегі су қоры) оттегі мен сутегінің қорының қысқа мерзім ішінде қосылған ауыр изотоптарға сәйкес жеке тепе-теңдікке келуін қамтамасыз етеді.
Қолданбалар
Екі рет белгіленген су әдісі метаболизмнің орташа қарқынын (далалық метаболизм қарқынын) салыстырмалы түрде ұзақ мерзім ішінде (бірнеше күн немесе апта) өлшеу үшін ерекше пайдалы, онда метаболизмнің қарқынын тікелей немесе жанама калориметриялық өлшеудің басқа түрлері қиын немесе мүмкін емес болар еді. Мысалы, бұл әдіс жануарлардың табиғи ортадағы метаболизмін өлшеуге мүмкіндік береді, техникалық мәселелер негізінен изотоп дозасын қалай енгізумен және кейіннен дене суының бірнеше үлгісін алып, изотоптардың әртүрлі жойылуын тексерумен байланысты. Көптеген жануарлар зерттеулері жануарларды ұстап, инъекция жасауды, содан кейін алғашқы қан үлгісі алынғанша белгілі бір мерзімге ұстауды қамтиды. Бұл мерзім жануардың өлшеміне байланысты, өте кішкентай жануарлар үшін 30 минуттан, ал ірі жануарлар үшін 6 сағатқа дейін ауыспайды. Жануарлар мен адамдарда тесттің дәлдігі өлшеу кезінде стандартты диетамен тамақтанатын организм үшін тыныс алу коэффициентінің бір рет анықталуымен артты, өйткені бұл көрсеткіш терморегуляция мен қозғалысқа байланысты метаболизм қарқынының салыстырмалы түрде үлкен өзгерістерімен салыстырғанда аз (және баяу) өзгереді. Стандартты екі рет белгіленген су өлшемінде қолданылатын ауыр сутегі және оттегі изотоптары радиоактивті емес және қолданылатын дозаларда улы емес (ауыр суға қараңыз), сондықтан екі рет белгіленген судың орташа метаболизм қарқынын өлшеу еріктілер арасында, тіпті нәрестелер мен жүкті әйелдерде кеңінен қолданылған. Бұл әдіс 200-ден астам жабайы жануарлар түрінде (көбінесе құстар, сүтқоректілер және кейбір бауырымен жорғалаушылар) қолданылған. Жануарларға әдісті қолдану туралы шолулар жасалған. Понцер, Ямада, Сагаяма және олардың әріптестерінің 2021 жылғы мақаласы 8 күндік жастан 96 жасқа дейінгі адамдарда техниканы қолдану арқылы алынған 6400-ден астам өлшеу нәтижелерін қорытындылады. Екі рет белгіленген су (2H218O) ерекше жылы мұз және ерекше тығыз су үшін де қолданылуы мүмкін, өйткені оның балқу температурасы жеңіл судан немесе "ауыр су" (2H216O) деп аталатын судан жоғары және тығыздығы жоғары. 2H218O 4,00 ~ 4,04 °C (39,2 °F ~ 39,27 °F) температурасында балқиды және сұйықтық 1,21684 ~ 1,21699 г/см3 тығыздыққа 11,43 ~ 11,49 °C (52,57 °F ~ 52,68 °F) температурасында жетеді.