A ketogén étrend irányítása lehelet-aceton szenzorokkal

Andreas T. Güntner

1 Részecske-technológiai laboratórium, Gépészeti és Folyamatmérnöki Tanszék, ETH Zürich, CH-8092 Zürich, Svájc; hc.zhte.tneduts@okailuj (J.F.K.); hc.zhte.tneduts@hsidnal (H.L.); hc.zhte.tneduts@rodoehtj (S.J.T.); [email protected] (S.E.P.)

Julia F. Kompalla

Henning Landis

S. Jonathan Theodore

Bettina Geidl

2 Endokrinológiai, Cukorbetegség és Klinikai Táplálkozási Osztály, Zürichi Egyetemi Kórház, CH-8091 Zürich, Svájc; [email protected]

Noriane A. Sievi

3 Pulmonológiai Osztály, Zürichi Egyetemi Kórház, CH-8091 Zürich, Svájc; [email protected] (N.A.S.); [email protected] (M.K.)

Malcolm Kohler

3 Pulmonológiai Osztály, Zürichi Egyetemi Kórház, CH-8091 Zürich, Svájc; [email protected] (N.A.S.); [email protected] (M.K.)

Sotiris E. Pratsinis

Philipp A. Gerber

2 Endokrinológiai, Cukorbetegség és Klinikai Táplálkozási Osztály, Zürichi Egyetemi Kórház, CH-8091 Zürich, Svájc; [email protected]

Társított adatok

Absztrakt

A ketogén diéta (KD; magas zsírtartalom, alacsony szénhidráttartalom) az elhízás, a neurológiai betegségek (pl. Refrakter epilepszia) szokásos kezelési módja, és ígéretes módszer a sportolók számára az állóképességük javítására. Ebben a ketózis szintjét szorosan kell szabályozni a hatékony terápia biztosítása érdekében. Itt egy kompakt és olcsó légzésérzékelőt vezetünk be a ketózis online és nem invazív nyomon követésére. Az érzékelő Si-adalékolt WO3 nanorészecskékből áll, amelyek szelektíven detektálják a légzési acetont, nem lineáris válaszjellemzőkkel a releváns 1–66 ppm tartományban, tömegspektrometriával azonosítva. Tizenegy alanyon (öt nő és hat férfi) tesztelve, akik 36 órás KD-n szenvednek a Johns Hopkins protokoll alapján, ez az érzékelő egyértelműen felismeri a ketózis kialakulását és progresszióját. Ez jól egyezik a kapilláris vér β-hidroxi-butirát (BOHB) méréseivel. A hasonló diétás körülmények ellenére a ketózis dinamikájában az egyének között erős különbségeket figyeltek meg és az érzékelő helyesen azonosított. Ezek még a légzési aceton mintákat is magukban foglalták, amelyek összekapcsolhatók az étrend alacsony toleranciájával. Ennek eredményeként ez a hordozható légzésérzékelő egy könnyen alkalmazható és megbízható technológiát képvisel a KD monitorozására, esetleg az epilepszia és a fogyás orvosi kezelése során.

1. Bemutatkozás

A ketogén étrend (KD, magas zsírtartalom alacsony szénhidrát- és alacsony fehérjebevitel mellett) a refrakter epilepszia (azaz gyógyszer-rezisztens) [1] bevált orvosi kezelése

30% -a kb. 50 millió epilepszia világszerte [2]. Ezenkívül hatékony súlycsökkentő terápia [3], növekvő érdeklődéssel az elhízással összefüggő anyagcserezavarok [4] (pl. Cukorbetegség [5] vagy zsírmájbetegség [6]) kezelése iránt, gyulladáscsökkentő hatású [7] és még a sportolók számára is hasznos, ha javítják állóképességüket az üzemanyag-preferencia megváltoztatásával [8]. A KD során a test energiafogyasztása a glükózról, mint elsődleges tüzelőanyagról a ketontestek előállítására és felhasználására változik [9], míg csak az alacsony fehérjebevitel korlátozhatja az aminosavak glükoneogenezisét [10]. Pontosabban, az acetoacetát (AcAc) egy olyan ketontest, amely a máj mitokondriumában képződik a zsírsavak β-oxidációja és további biokémiai átalakulások után (1.a ábra, doboz) [9]. Termelési sebességét az éhomi, ciklikus adenozin-monofoszfát (cAMP) és zsírsavak által kiváltott mitokondriális 3-hidroxi-3-metil-glutaril-koenzim A (HMG-CoA) szintáz elérhetősége is meghatározza [11]. További ketonok a β-hidroxi-butirát (BOHB) és az AcAc-től reverzibilis enzimatikus lebontással és spontán dekarboxilezéssel nyert illékony aceton [9].

(a) A KD-ben szenvedő résztvevők fokozták a ketogenezist. Ebben az aceton és a BOHB magas sebességgel képződik a szabad zsírsavak metabolizálásával a máj mitokondriumában (doboz). Az aceton illékony és nem invazív módon mérhető a kilégzett légzésben, míg a nem illékony BOHB kapilláris vérvizsgálattal meghatározható. A ketózis állapotának jelzésére a lehelet-acetont testre szabott és olcsó kemorezisztív érzékelő filmekkel mérik (b). Ezek agglomerált és összesített Si-adalékolt WO3 nanorészecskékből állnak, amint azt a SEM jelzi (felülnézet). A szenzor eredményeit összehasonlítjuk a QMS és a kapilláris vér BOHB segítségével végzett légzési aceton párhuzamos mérésével. (c) Kísérleti protokoll: Az önkéntesek két egymást követő napon 3 óránként (körökben) összesen 8 ketogén ételt fogyasztanak. A lélegzetet és a kapilláris vért tízszer elemzik, mindig közvetlenül a ketogén étkezés előtt és minden mérési nap végén. Mindkét nap előtt és között kétnapos éhgyomorra (szürke árnyékolással) kerül sor.

KD alatt gyakori monitorozás szükséges a ketogén állapot fennmaradásának biztosítása érdekében. Jelenleg ez elsősorban az AcAc vagy a BOHB mérésével történik a vizeletben vagy a vérben [12]. A vérvizsgálat pontossága ellenére invazivitása és költségei miatt nem ideális a gyakori ellenőrzéshez. A vizeletvizsgálatnak vannak hátrányai is, különösen alacsony pontossága a különböző tényezők, például a betegek hidratációja és a sav-bázis egyensúly miatt [13]. A kilélegzett aceton mérése ígéretes alternatíva, a lehelet mindig nem invazív módon hozzáférhető [14]. Valójában 12 egészséges felnőtt mérései azt mutatták, hogy a légzési aceton szintje átlagosan 0,7-ről 2,5 ppm-re emelkedett, miután egy 12 órás KD jól korrelált a plazma BOHB-val és a vizelet AcAc-jával [12], hasonló tendenciát mutatnak, mint más vizsgálatok [15]. Ez még hangsúlyosabb azoknál az epilepsziás gyermekeknél, akik több hónapon keresztül követhetik a KD-t, és elérik a 100 lélegzetnél nagyobb aceton-koncentrációt [16]. Ami a legfontosabb: minden tanulmány erőteljes alanyok közötti különbségeket jelentett a ketogén profilokban ugyanazon étrendi körülmények között [12,15,16], kiemelve a gyakori és egyedi monitorozás szükségességét a személyre szabott visszacsatolás érdekében.

Általánosságban elmondható, hogy a biomarkerek ismétlődő méréseinek összegyűjtését, elemzését és értelmezését, amely az egyénre szabott egészségügyi ajánlások alapjául szolgál, a modern személyre szabott orvoslás egyik legígéretesebb eszközének tekintik. Jelenleg csak kevés ilyen rendszer áll rendelkezésre klinikailag, de ezekről kimutatták, hogy jobbak a hagyományos rendszerekhez képest. Példa erre a cukorbetegek glükózszintjének folyamatos mérése félig automatizált rendszerekkel, amelyek az inzulinkezelést irányítják [17].

Kiemelkedő érzékenységük és szelektivitásuk ellenére az alkalmazott tömegspektrometria-alapú módszerek (pl. GC-FID [12,16], GC-MS [18], SIFT-MS [15]) meglehetősen terjedelmesek, költségesek és képzett személyzetet igényelnek alkalmazás személyes lehelet-aceton detektorokként a mindennapi életben. Megfelelőbbek a vegyi gázérzékelők, például kemorezisztens fém-oxidokon alapulva. Ezeket már a beltéri levegő megfigyelésénél alkalmazzák, az egységenkénti tipikus költségek néhány amerikai dollár (pl. Figaro TGS 813 éghető gázok esetében [19]). Ezt skálázható és CMOS-kompatibilis technológiák teszik lehetővé a filmérzékeléshez. Konkrétan, érzékelő szerkezetük növeszthető [20] vagy lerakódhat (pl. Láng aeroszolokból termoforézissel [21] vagy orsópengével [22]) közvetlenül mikroprocesszorokra, kompakt szenzorokat eredményezve, amelyek könnyen integrálhatók a kézi eszközökbe [23]. Továbbá film morfológiájuk és lerakódott tömegük optimalizálható a gyártás során in situ rezisztencia kiolvasással [24]. Nanstrukturálva az ilyen érzékelők nagy érzékenységet mutatnak, még alacsony ppb-analit koncentrációk kimutatására is [21]. Mindazonáltal a szelektivitás más, kilégzett vegyületekkel szemben, amelyek nagyobb koncentrációkban fordulhatnak elő, továbbra is nagy kihívást jelent.

Itt Si-adalékolt WO3 nanorészecskéken alapuló kompakt szenzorokat tesztelnek a ketózis monitorozására egy 36 órás ketogén étrend során a Johns Hopkins-protokoll alapján [36] (1. ábra). Ezeket az érzékelőket a végárap-légzés extrakciójára szolgáló mintavevővel együtt [28] tizenegy önkéntesre (öt nőstényre és hat férfira) alkalmazzák, hogy nyomon kövessék egyéni lehelet-aceton-profiljukat. A szenzor válaszait szorosan hasonlítjuk össze a kvadrupol tömegspektrometriával (QMS), hogy azonosítsuk az érzékelési jellemzőket megemelkedett lélegzetű acetonkoncentráció mellett, 66 ppm-ig. Egyidejű kapilláris vérvizsgálatot (BOHB és glükóz) végeznek benchmarkként.

2. Anyagok és módszerek

2.1. Aceton érzékelő gyártása és filmjellemzés

2.2. Légzés és vérelemzés

Az árapály-lélegzetet figyelt és reprodukálható módon extraháltuk egy személyre szabott és moduláris mintavevővel, amelyet másutt részletesen bemutattak és részletesen leírtak (1a. Ábra a hivatkozásban [28]). Röviden: a légutak nyomásának mérésére és a kilégzési áramlás vizuális ösztönzéssel történő vezetésére szolgáló nyílásból és egy nyitott végű kilégzőcsőből állt, amely befogja és pufferolja az árapály dagadását. Az önkénteseket arra kérték, hogy egy eldobható szájfeltéten keresztül 30 másodpercig lélegezzenek ki a mintavevőbe, miközben 980 Pa légúti nyomást tartanak fenn (ami 50 ml s −1 kilégzési áramnak felel meg), amint azt az American Thoracic and European Respiratory Society ajánlotta az NO mintavételére [ 38]. CO2-t (Capnostat 5, Respironics, Murrysville, PA, USA) alkalmaztunk annak ellenőrzésére, hogy az önkéntes a kilégzés végén elérte-e a végárap-légzés részét (CO2> 3% [39]). A légzést online módon analizálták, a mintákat egy fűtött átviteli vezetéken keresztül az aceton érzékelőhöz és egy tömegspektrométerhez irányítva a keresztellenőrzéshez. A lélegzéssel érintkező összes felület inert teflont tartalmazott és 65 ° C-on melegítették, hogy elkerüljék a víz kondenzációját és az analit adszorpcióját.

Az aceton érzékelőt egy Macor tartóra szerelték, egy teflon kamrába szerelték (a [40] 1a. Ábra mutatja), és 130 ml/perc min-1-vel táplálták a mintavevőből egy szivattyúval (SP 135 FZ, Schwarzer Precision, Essen, Németország). ). Az optimális szelektivitás és érzékenység érdekében az aceton szenzort 350 ° C-ra melegítették [40] állandó feszültség alkalmazásával (R&S HMC8043, HAMEG, Mainhausen, Németország) a hordozók hátoldalán elhelyezett Pt fűtőberendezésen keresztül, miközben ellenállással ellenőrizték a hőmérsékletet. hőmérséklet érzékelő az elején. Az érzékelő film ellenállását folyamatosan mértük és rögzítettük egy multiméterrel (Keithley 2700, Keithley Instruments, Solon, OH, USA). Az S érzékelő válasza a következő volt: [29]

ahol R a i r és R b r e a t h az érzékelő ellenállása a szoba helyiség levegőjében, illetve a légzés hatására.

Közvetlenül az aceton szenzor kamra előtt egy további vezetéket csatlakoztattak a QMS mintáinak kivonására (QMS 422, ThermoStar TM, Pfeiffer Vacuum, Asslar, Németország). A szekunder elektronszorzó feszültségét 950 V-ra állítottuk, míg az elemző egységet 150 ° C-ra hevítettük. Az aceton kimutatásához az ionáramot tömeg/töltés arányban, 58,0, 0,2 s várakozási idővel és 200 felbontással mértük. A QMS-t az egykomponensű aceton 9-pontos görbéivel kalibráltuk 0,5 és 50 ppm szintetikus levegőben, 90% relatív páratartalom mellett. A tanúsított aceton palackgázt (13,6 ppm szintetikus levegőben, Pan Gas, ≤ 1 ppm és 500 ppm szintetikus levegőben, Pan Gas, 1 ppm koncentrációnál) hígítottuk párásított szintetikus levegőben (Pan Gas 6.0, CnHm és NOx ≤) 100 ppb) máshol leírt keverési beállítással [32]. A kapilláris vért lancet tollakkal végzett ujjbegyűjtéssel vették. A BOHB-t és a glükózt FreeStyle Neo Precision segítségével határoztuk meg (Abbott Diabetes Care, Alameda, CA, USA).

2.3. Tanulmányi protokoll

Minden ketogén étkezés 35% zsírtartalmú tejszínhabból (Coop, Bázel, Svájc) és csokoládéízesítésű fehérje-kiegészítő porból (Sponsor Whey Protein 94, Wollerau, Svájc) állt, így a teljes zsírtartalom 80 tömeg% volt. Mindkét termék megfelelő makrotáplálkozási összetételét az 1. táblázat foglalja össze. Négy étkezés tette ki az egyén napi kalóriaigényének 24 órás energiafogyasztásának (24-EE kcal/d-ben) 75% -át, amelyet úgy határoztak meg, hogy megszorozták az egyes önkéntesek pihenőenergia-ráfordítását (REE) a fizikai aktivitási tényezővel. A REE kiszámítása a felülvizsgált Harris-Benedict képlet [41] segítségével történik, amely meglehetősen pontos becslést nyújt a nem túlsúlyos alanyok esetében [42]. A fizikai aktivitási tényező a munka és a szabadidő fizikai aktivitásán alapul [43].

Asztal 1

A ketogén ételek makrotápanyag-összetétele.