Методы определения основного обмена и их принципы. Калориметрия

Должный основной обмен может быть оценен по таблицам Харриса и Бенедикта, учитывающим пол, вес, рост и возраст испытуемого. Для арифметического расчёта должного ОО существуют формулы:

где W — вес в кг, А возраст в годах, H — рост в см.

По формуле Дрейера:

Где W - вес в г, А — возраст, К — половой коэффициент, равный у мужчин 0,1015, у женщин — 0,1129.

Истинный ОО отличается от должного и часто именно это отличие имеет диагностическое или прогностическое значение. Поэтому оценка должного ОО не заменяет определения фактического ОО.

Определение ОО называется калориметрией (что не следует путать с колориметрией — термин, относящийся к определению концентрации вещества по цветности его раствора).

Существуют 2 метода калориметрии — прямой и непрямой. Их принципы ясны из рис. 4.

Рис. 4. Принципы калориметрии и устройство прямого (слева) и непрямого (справа) калориметров. Пояснения в тексте. U — напряжение, Н — энтальпия, Q—теплота, КЭ — калорический эквивалент, ДК — дыхательный коэффициент

При прямой калориметрии происходит непосредственное измерение изменений теплосодержания организма (энтальпии - ΔH). Для этого используется калориметр. Объект, находящийся в калориметре, выделяет тепло. Создается тепловой поток, направленный наружу. Если термостатировать и изолировать камеру и направить тепловой поток на нагревание циркулирующего вокруг теплоносителя, то разность температур теплоносителя будет отражать теплопродукцию объекта. Наиболее совершенные макрокалориметры, сконструированные в XIX-м веке, использовали воду как теплообменник и позволяли определять ОО у человека, целиком помещенного в калориметрическую камеру (калориметр В.В. Пашутина).

Достоинством прямой калориметрии является ее точность. Именно прямая калориметрия мышц позволила А.В. Хиллу провести увенчанные Нобелевской премией исследования энергетики мышечного сокращения, а Дж. Гиббсу — определить КПД изолированного сердца млекопитающих.

Однако, макрокалориметр — громоздкое и неудобное сооружение.

Во второй половине XX столетия метод прямой калориметрии был модифицирован и послужил основой для создания такого многообещающего медико-биологического инструмента, каким является реакционная микрокалориметрия (РМ). Она предназначена для исследования изменений энтальпии различных молекулярных и клеточных систем при взаимодействии их компонентов. Метод может быть применен в адиабатических условиях, но в большинстве случаев исследование ведется в изотермических и близких к изотермическим условиях, практически без изменения температуры образцов. РМ оперирует количествами тепла порядка микрокалорий. Но слово «микро» подразумевает не просто микрочувствительность.

Высокочувствительные калориметры были и прежде, но эта чувствительность достигалась за счет большого объема реакционного сосуда (~ 1 л) и большого расхода реагентов. Современная РМ имеет дело с микромолярными количествами вещества и малыми объемами (до 10 мл). В этой разновидности прямого калориметрического анализа используется не целостный организм, а его отдельные клетки — кровь, эритроциты, лейкоциты, биоптаты жировой и других тканей. Микрокалориметрическая ячейка термостатирована и окружена высокотеплопроводными термопарами — спаями разнородных металлов (рис. 4). Тепловой поток, создаваемый жизнедеятельностью помещенных в нее клеток, идет через термопары наружу и нагревает эти спаи, что приводит к эффекту Ж.-Ш. Пельтье — генерации разности потенциалов, пропорциональной разности температур. Эта ЭДС может быть зарегистрирована чувствительным вольтметром и записана в виде пика магнитным самописцем, причем ее знак и величина будут соответствовать изменению теплосодержания системы.

Основные достоинства РМ — возможность исследования интактных биосистем, прямой анализ биоматериала без его особой подготовки, получение интегральной характеристики жизнедеятельности клеток или фундаментального показателя всякой биохимической реакции — динамики изменений энтальпии.

Проблемы РМ — неспецифический характер выходного параметра, что требует многочисленных контролей; а также большая длительность опытов: порой 12 ч уходит на достижение температурного равновесия микрокалориметрической ячейки. В современных коммерческих приборах источники артефактов сведены к минимуму.

Микрокалориметрия подтверждает данные макроизмерений, в частности применяется для отслеживания динамики ОО у больных с гипертирозом при лечении по удельной теплопродукции эритроцитов (К. Левин, 1974). В силу различий в интенсивности гликолиза, а значит — и теплопродукции у молодых и старых клеток, она может использоваться клинически в решении множества оригинальных задач — например, в дифференциальной диагностике анемий и даже для регистрации бактериурии по тепловому эффекту жизнедеятельности бактерий в моче.

Очень перспективным направлением прямой реакционной микрокалориметрии является изучение тепловых эффектов высокоаффинных комплементарных взаимодействий, например таких, как связывание антигенов и антител,субстратов и ферментов, биорегуляторов и их рецепторов (А.Ш. Зайчик, Л.П. Чурилов; 1982, 1998). В проточной модификации микрокалориметрического метода взаимодействующие агенты смешиваются в калориметрической камере, а сопутствующие этому тепловые эффекты сопоставляются с контрольными теплотами разведения и записываются. РМ может предоставлять информацию для несерологической оценки активности антисывороток и цитотоксических эффектов (В.М. Пур, А.Э. Бизер, 1982). В наше время прямая калориметрия разветвилась на множество областей применения и модификаций Расширяющееся поле применения биокалориметрии отражено на рис. 5.

Рис. 5. Современные области медико-биологического применения прямой калориметрии

По традиции в клинике ОО измеряют чаще методом непрямой калориметрии. До недавнего времени существовал лишь один метод непрямой калориметрии по Крогу-Дугласу — на основе измерения данных газообмена и их перерасчета в теплопродукцию.

Этот метод основан на предположении Лавуазье-Рубнера о пропорциональной зависимости теплопродукции и поглощения кислорода. Однако, многие экзотермические процессы не являются кислородзависимыми. Таков, например, гликолиз. При фагоцитозе теплопродукция лейкоцита растет более чем в 4 раза, а поглощение О₂ увеличивается ненамного — так как этот цитофизиологический процесс обеспечивается, в основном, анаэробно. Фагоцитоз не блокируется цианидами. В связи с подобными фактами, еще П.М.Альбицкий и П.П. Авроров указывали на принципиальную погрешимость непрямой калориметрии.

На деле график зависимости энерготрат и поглощения кислорода представляет собой не прямую, а гиперболу —следовательно, чем выше истинный ОО, тем в большей степени непрямая газовая калориметрия занижает ОО. Парадокс заключается в том, что в клинике тест на ОО наиболее часто применялся именно для исследования тех больных, у которых ОО высок, а следовательно, как раз тогда, когда непрямой метод дает наименее точные результаты (болезнь фон Базедова).

Все это позволяет подтвердить вывод о малом диагностическом значении ОО — даже при патологии щитовидной железы измерение уровня ее гормонов характеризует функцию намного точнее и адекватнее. В клинике тест на ОО применяется, в основном, не с диагностической, а с контрольно-прогностической целью — при всей неточности его непрямого определения, если доктор дважды в ходе лечения определил в стандартных условиях одним и тем же прибором ОО у одного пациента — это, конечно же, позволяет путем сравнения данных судить о направлении развития болезни и эффекте лечения. В настоящее время, с развитием изотопной диагностики, поя вился принципиально иной метод непрямой калориметрии —по распределению двойной радиоактивной метки воды (радиоактивный изотоп кислорода ¹⁸О и дейтерий) в СО₂ и Н₂О организма. К сожалению, данный метод, хотя и точнее, но существенно вреднее газового. Для непрямой газовой калориметрии по-прежнему повсеместно применяют прибор-метаболятор, блок-схема которого показана выше на рис. 4.