Źródło:Uniwersytet Yale
Nowa technologia, która mierzy biomarker po prostu odbijając niebieskie światło lasera od skóry, zapewnia szybkie, bezbolesne i bardzo dokładne wyniki. Urządzenie, oparte na technologii rezonansowej spektroskopii Ramana, wykorzystuje oprogramowanie komputerowe i elastyczną sondę światłowodową, która jest trzymana przy dłoni przez około 30 sekund, podczas gdy światło wchodzi w interakcję z karotenoidami w skórze.
Co miałeś wczoraj na lunch? Ile razy w miesiącu jesz orzechy? A co z twoimi dziećmi — ile porcji warzyw spożyły dzisiaj?
Nie jest tajemnicą, że trudno przypomnieć sobie szczegóły naszych posiłków i że frustrujący fakt leży u podstaw badań nad odżywianiem, komplikując zadanie powiązania żywności z wynikami zdrowotnymi, takimi jak cukrzyca i choroby serca. Niektórzy badacze szukają zamiast tego charakterystycznych substancji lub biomarkerów w organizmie, które dostarczają informacji o tym, ile określonego rodzaju jedzenia dana osoba spożyła w ostatnim czasie. Ale to rozwiązanie nie jest idealne, ponieważ pomiar biomarkerów często wymaga próbek krwi, moczu, a nawet skóry. Proces może być kosztowny, bolesny i uciążliwy.
Ale dla naukowców, którzy badają owoce i warzywa w diecie, wkrótce może pojawić się łatwiejszy sposób. Naukowcy Yale School of Public Health testują nową technologię, która mierzy biomarker po prostu odbijając niebieskie światło lasera od skóry. Jest bezbolesny i szybki, a rezultaty trwa około minuty. Susan T. Mayne, szefowa wydziału epidemiologii chorób przewlekłych i jej długoletnia współpracowniczka, Brenda Cartmel, naukowiec z tego samego wydziału, pracowali z grupą fizyków z Uniwersytetu w Utah, aby stworzyć i przetestować dwa prototypowe urządzenia, które mierzyć karotenoidy w skórze, które są biomarkerami spożycia owoców i warzyw, które zwykle są mierzone we krwi.
„To naprawdę wywodzi się z obserwacji, o których ludzie wiedzieli od dziesięcioleci”, mówi Mayne, „a to znaczy, że kiedy ludzie mają dietę wysokowarzywną, rozwijają żółte zabarwienie skóry, które jest szczególnie widoczne na dłoni z powodu nagromadzenie karotenoidów w skórze. Pomyśleliśmy:„Czy możemy wykorzystać to jako nowe podejście do nieinwazyjnego pomiaru karotenoidów w organizmie?”
Urządzenie jest nowoczesnym rozwinięciem liczącej kilkadziesiąt lat technologii znanej jako rezonansowa spektroskopia Ramana (RRS), która mierzy zmiany poziomu energii elektronów w cząsteczkach po wzbudzeniu ich światłem laserowym. Składa się z elastycznej sondy światłowodowej połączonej z centralną maszyną przypominającą pudełko; sonda jest trzymana na dłoni uczestnika badania przez około 30 sekund, podczas gdy światło wchodzi w interakcję z karotenoidami w skórze. Następnie oprogramowanie na podłączonym laptopie przetwarza wyniki, co zajmuje kolejne 30 sekund. Wstępne badania wykazały, że ta maszyna RRS zapewnia bardzo dokładne wyniki, przyciągając uwagę wielu badaczy żywienia.
Długi lot, współpraca
Jako epidemiolog żywieniowy Mayne nie spodziewał się, że będzie pracował z laserami. Ale kilka lat temu, podczas lotu do Australii na międzynarodową konferencję dotyczącą karotenoidów, znalazła się obok mężczyzny, który przeglądał program tej samej konferencji. Po wymianie kilku uprzejmości Mayne dowiedział się, że jest fizykiem laserowym na Uniwersytecie Utah.
„Pomyślałem:„ To będzie naprawdę długi lot. Myślę, że nie mamy ze sobą nic wspólnego’” – wspomina. „Ale to dlatego, że utknęliśmy w samolocie przez 16 godzin, próbowałem zrozumieć, co robił, jak go używał i jakie były aplikacje. Właśnie tam rozpoczął się cały projekt”.
Dowiedziała się, że fizyk i jego zespół eksperymentowali z RRS w celu pomiaru karotenoidów w siatkówce, ponieważ uważa się, że wysokie poziomy w siatkówce chronią przed zwyrodnieniem plamki żółtej. Jak zauważa Mayne, karotenoidy doskonale nadają się do pomiaru metodą RRS. „Jeśli użyjemy określonej długości fali światła, to właśnie tam te konkretne związki rezonują bardzo silnie i wyjątkowo” – mówi. „Nie ma innych związków w skórze lub innych matrycach, które mają ten sam profil rezonansowy”.
Zanim samolot wylądował, Mayne i jej kolega z fotela wpadli na pomysł wniosku o dotację na współpracę. Dotacja została sfinansowana, grupa z Utah zbudowała dwa prototypy, a Yale przetestowało je.
W swoim badaniu pierwszego prototypowego urządzenia RRS, opublikowanym w 2010 roku w The American Journal of Clinical Nutrition Mayne, Cartmel i ich koledzy z Utah porównali pomiary RRS karotenoidów skóry z metodami pomiaru surowicy i biopsji skóry, które są obecnie złotym standardem. (Zbadali również zdolność urządzenia do pomiaru likopenu, karotenoidu, który populacja USA pozyskuje głównie z pomidorów i produktów z pomidorów).
Zespół odkrył, że wśród badanych, poziomy karotenoidów mierzone za pomocą RRS spadały wzdłuż krzywej w kształcie dzwonu, jak można się było spodziewać. W obrębie jednej osoby wysokie pomiary w jednym obszarze ciała, takim jak dłoń, odpowiadały wysokim poziomom w innym miejscu. Wyniki RRS są również dość dobrze skorelowane ze złotymi standardami metod, a także z danymi z samodzielnego raportowania diety, potwierdzającymi wiarygodność urządzenia.
Fizycy z Utah kontynuują udoskonalanie wczesnych prototypów. „Oryginalne urządzenie [laser argonowy], które mieliśmy, nie było przenośne”, mówi Cartmel, powołując się na jego rozmiar 19 na 16 na 13 cali oraz wrażliwość na ruch i parę wodną. „Następnie opracowali instrument, który wykorzystuje laser na ciele stałym, dzięki czemu jest znacznie bardziej wytrzymały. Teraz jesteśmy w stanie zabrać to w teren”. W badaniu, które jest obecnie recenzowane do publikacji, Stephanie Scarmo, doktorantka YSPH, użyła półprzewodnikowego urządzenia RRS do uzyskania pomiarów karotenoidów z dużej grupy 3- i 4-latków.
„Poszła do przedszkola, próbując obejść drzemkę”, mówi Mayne, i „była w stanie przeskanować 60 dzieci w ciągu jednego popołudnia”. (Z drugiej strony metoda badania surowicy, jak można sobie wyobrazić, wymagałaby dużej ilości krwi, potu i łez.) „Jestem szczególnie zainteresowany wykorzystaniem tej technologii u dzieci, ponieważ jest tak duże zainteresowanie otyłością związaną z dietą u dzieci ”.
Nowe aplikacje
W następstwie publikacji badania Mayne mówi, że skontaktowali się z nią naukowcy, którzy chcieli wykorzystać RRS jako obiektywną miarę w badaniach, które zachęcają ludzi do spożywania większej ilości owoców i warzyw. Rozumie ich zapał.
„Bardzo trudno jest korzystać z samoopisu w kontekście zmiany diety, gdy pracujesz z ludźmi, którzy mówią im, że muszą się zmienić” – wyjaśnia. Badani są skłonni próbować zadowolić badaczy, mówiąc im, że zmienili swoje sposoby na lepsze, wprowadzając do badań tak zwaną stronniczość pożądania społecznego.
Ale technika Ramana nie jest gotowa na prime time. Po pierwsze, nikt nie zna okresu półtrwania karotenoidów w skórze, więc nie wiadomo, ile dni lub tygodni odzwierciedla pomiar. Po drugie, nie jest jasne, jak dobrze urządzenie wykryje zmiany poziomu karotenoidów w skórze po zmianie spożycia owoców i warzyw.
To, co jest potrzebne dalej, mówi Mayne, to „tak zwane badania metaboliczne, w których dokładnie kontrolują spożycie karotenoidów w diecie i śledzą ludzi w czasie, aby zobaczyć, jak reaguje ich skóra, jak szybko reaguje, jak bardzo się zmienia i czy wszyscy zmieniają się podobnie ”. Tego rodzaju badania są kosztowne i wymagają wielotygodniowego karmienia ludzi dietami ubogimi w karotenoidy i wzbogaconymi w karotenoidy przy jednoczesnym powtarzaniu pomiarów. Aby to osiągnąć, Mayne nawiązał współpracę z laboratorium Departamentu Rolnictwa USA w Północnej Dakocie, które posiada niezbędne zaplecze testowe.
Ważne jest również, aby wiedzieć, jak uwzględnić różnice między osobami. „Nadal musimy ocenić, czy melanina, pigment skóry, ma jakikolwiek wpływ na odczyty”, zauważa Cartmel.
Jaka przyszłość czeka podejście RRS w badaniach żywieniowych? Po opracowaniu załamań i po zweryfikowaniu przez naukowców związku między karotenoidami skóry a wynikami zdrowotnymi, urządzenie RRS może zapewnić obiektywną informację zwrotną na temat stanu odżywienia danej osoby.
Urządzenie może nawet znaleźć zastosowanie w polityce miejskiej. Jeśli w centrum miasta wprowadzi się na przykład okoliczne targowiska rolników oferujące świeże produkty, naukowcy mogą mierzyć karotenoidy skóry mieszkańców przed i po pojawieniu się rynków. Pomiary za pomocą RRS, mówi Mayne, „mogą dostarczyć pewnych narzędzi do oceny, czy interwencja poprawia spożycie warzyw w określonym obszarze”. To naprawdę ostateczny cel, mówi. „Chcemy poprawić stan odżywienia”.
