Введение
Вода, состоящая из редких изотопов водорода и кислорода. Вода с двойной меткой – это вода, в которой водород и кислород частично или полностью заменены (то есть, помечены) редкими изотопами этих элементов для целей трассировки. На практике, по практическим и соображениям безопасности, почти все современные применения метода "воды с двойной меткой" используют воду, помеченную тяжелыми, но нерадиоактивными формами каждого элемента (дейтерием и кислородом-18). Теоретически, для такой метки можно использовать радиоактивные тяжелые изотопы элементов; это было характерно для многих ранних применений метода. В частности, вода с двойной меткой (DLW) может использоваться для метода измерения средней суточной скорости метаболизма организма в течение определенного периода времени (часто также называемой полевым метаболизмом или FMR у нечеловеческих животных). Это достигается путем введения дозы DLW, а затем измерения скорости выведения дейтерия и кислорода-18 из организма с течением времени (путем регулярного взятия проб концентраций тяжелых изотопов в воде организма, слюне, моче или крови). Требуется как минимум два образца: начальный образец (после достижения равновесия изотопов в организме) и второй образец, взятый через некоторое время. Интервал между образцами зависит от размера животного. У мелких животных этот период может составлять всего 24 часа, а у крупных животных (например, взрослых людей) – до 14 дней. Метод был изобретен в 1950-х годах Натаном Лифсоном и его коллегами из Университета Миннесоты. Однако его применение ограничивалось мелкими животными до 1980-х годов из-за высокой стоимости изотопа кислорода-18. Усовершенствования в масс-спектрометрии в 1970-х и начале 1980-х годов снизили необходимое количество изотопа, что сделало возможным применение метода к более крупным животным, включая людей. Первое применение к людям было осуществлено Дейлом Шоеллером в 1982 году, более чем через 25 лет после первоначального открытия метода. Полное описание методики представлено в книге британского биолога Джона Спикмана.
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.
Практическое введение изотопов
Воду с двойной меткой можно вводить инъекционно или перорально (обычный путь введения у людей). Поскольку изотопы будут разбавляться в воде организма, нет необходимости вводить их в состоянии высокой изотопной чистоты, использовать воду, в которой все или даже большинство атомов являются тяжелыми, или начинать с уже двойной метки. Также нет необходимости вводить ровно один атом 18O на каждые два атома дейтерия. На практике этот вопрос определяется экономической целесообразностью приобретения обогащенной 18O воды и чувствительностью доступного масс-спектрометрического оборудования. На практике дозы воды с двойной меткой для метаболических исследований готовят путем простого смешивания дозы оксида дейтерия (тяжелой воды) (90–99%) со второй дозой H218O – воды, обогащенной 18O отдельно (хотя обычно не до высокой степени, поскольку это дорого и не требуется для данного применения), но в остальном содержащей обычный водород. Полученная смесь содержит оба типа тяжелых атомов в значительно большей концентрации, чем в обычной воде, и таким образом становится "двойной меткой". Свободный обмен атомами водорода между молекулами воды (в результате нормальной ионизации) в жидкой воде обеспечивает быстрое раздельное установление равновесия пулов кислорода и водорода в любом образце воды (включая водный пул организма) с добавленной дозой тяжелых изотопов.
Приложения
Метод двойной маркировки воды 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 были бы затруднительны или невозможны. Например, этот метод позволяет измерить метаболизм животных в естественной среде обитания, при этом технические проблемы связаны главным образом с тем, как ввести дозу изотопа и собрать несколько образцов воды тела в последующем для проверки дифференциального выведения изотопов. Большинство исследований на животных включают отлов подопытных животных и их инъекцию, после чего их содержат в течение переменного периода времени перед сбором первого образца крови. Этот период зависит от размера животного и варьируется от 30 минут для очень маленьких животных до 6 часов для значительно более крупных. Как у животных, так и у людей, точность теста повышается, если для организма, питающегося стандартной диетой во время измерения, было определено значение дыхательного коэффициента, поскольку это значение изменяется относительно незначительно (и медленнее), чем гораздо более существенные изменения скорости метаболизма, связанные с терморегуляцией и активностью. Поскольку изотопы тяжелого водорода и кислорода, используемые в стандартном измерении с двойной маркировкой воды, не являются радиоактивными и не токсичны в используемых дозах (см. тяжелая вода), измерение средней скорости метаболизма с использованием двойной маркировки воды широко применяется у добровольцев, а также у младенцев и беременных женщин. Метод был использован более чем на 200 видах диких животных (в основном птиц, млекопитающих и некоторых рептилий). Обзоры применения метода к животным были опубликованы. В статье Понцера, Ямады, Сагаямы и их коллег, опубликованной в 2021 году, были обобщены результаты более 6400 измерений, выполненных с использованием этой методики у людей в возрасте от 8 дней до 96 лет. Вода с двойной маркировкой (2H218O) также может использоваться для получения необычно теплого льда и необычно плотной воды, поскольку она имеет более высокую температуру плавления и плотность, чем у легкой воды или того, что обычно понимается под «тяжелой водой» (2H216O). 2H218O плавится при 4,00–4,04 °C (39,2–39,27 °F), а максимальная плотность жидкости достигает 1,21684–1,21699 г/см3 при 11,43–11,49 °C (52,57–52,68 °F).