Введение
Существует долгая история использования непрямой калориметрии для измерения расхода энергии, потребления кислорода (VO2) и образования углекислого газа (VCO2) у лабораторных животных. За крупными животными, в том числе людьми, удобнее всего наблюдать с помощью подходящей лицевой маски с прикрепленным пневмотахером для измерения расхода и отверстием для отбора проб для газоанализатора. Для более мелких животных, таких как грызуны, этот подход трудно или невозможно успешно реализовать, и вместо него используются метаболические камеры.
Метаболическая камера может представлять собой любое герметичное помещение с одним входным и одним выходным отверстием (см. рисунок). Свежий воздух (Vi) проходит через камеру с известной скоростью потока, поэтому животное вдыхает этот поток и выдыхает в него. Поскольку животное одновременно потребляет O2 и производит 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 сохранялась возможность измерения разницы входного/выходного сигнала для измерений газа. На практике достаточно разницы FoCO2/FiCO2 в 0,2–1,0%. Расход камеры (Vi) регулируется до тех пор, пока FoCO2 не попадет в этот диапазон. Этими измерениями: Vi, FiO2, FiCO2, FoO2 и FoCO2 можно затем манипулировать для расчета потребления кислорода (VO2), производства CO2 (VCO2), коэффициента дыхательного обмена (RER) и метаболического производства тепла или затрат энергии (EE). Эта проточная система известна как калориметрия открытого цикла.
Экспериментальная установка
На рисунке показана базовая установка оборудования. Контролируемый поток (Vi) контролируется расходомером. Газоанализатор измеряет O2 и CO2 на входе или выходе камеры, в зависимости от положения запорного крана. Поскольку уравнения метаболизма 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 пробы газа. Этот метод корректирует любой небольшой дрейф или абсолютную неточность измерений; важны только дифференциальные значения (FiO2 – FoO2 и FoCO2 – FiCO2).
Дополнительно
Теоретически любая скорость потока через камеру, в которой находится живое животное, приведет к падению O2 и увеличению CO2. Однако чем больше разница газов на входе и выходе, тем более точными будут результаты (в пределах разумного). Камера служит смесительной камерой, где входящий поток смешивается с выдохами животного (часто крошечными), достигая в конечном итоге равновесия, которое можно измерить на выходе камеры. Для достижения наилучших результатов титруйте поток на входе относительно CO2 на выходе, чтобы добиться желаемой разницы CO2 в 0,2–1,0%. Одновременно увеличится и разница O2, что позволит сделать более точные расчеты.
Желательно использовать один набор газовых датчиков, например, в системе мониторинга Gemini, для измерения как эталонного газа, так и концентрации газа на выходе из камеры. Это позволяет осуществлять прямое сравнение значений проб на входе и выходе. На рисунке трехходовой кран используется для переключения между контролем эталонного и выходного газов. Его можно легко заменить трехходовым электромагнитным клапаном с электрическим приводом для выбора источника пробы с помощью дистанционного управления. Большинство коммерческих специализированных систем метаболического мониторинга используют этот подход для мультиплексирования одного набора датчиков между отбором проб эталонного газа и выходами одной или нескольких метаболических камер.
Важно, чтобы единицы измерения и отчетности были согласованными. Опубликованные значения основных метаболических измерений могут использовать мл/мин, мл/мин/г или л/ч/кг или любую их комбинацию. 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 цикла просты, существует множество тонкостей, связанных с проведением успешных измерений.
