Kredit:Yale University
Ny teknik som mäter en biomarkör genom att helt enkelt studsa blått laserljus från huden ger snabba, smärtfria och mycket exakta resultat. Baserat på resonans Raman-spektroskopiteknik använder enheten datorprogramvara och en flexibel fiberoptisk sond som hålls mot handflatan i cirka 30 sekunder medan ljuset interagerar med karotenoider i huden.
Vad åt du till lunch igår? Hur många gånger i månaden äter du nötter? Vad sägs om dina barn – hur många portioner grönsaker åt de idag?
Det är ingen hemlighet att det är svårt att komma ihåg detaljerna i våra måltider, och det frustrerande faktumet ligger i hjärtat av näringsforskningen, vilket komplicerar uppgiften att koppla livsmedel till hälsoresultat som diabetes och hjärtsjukdomar. Vissa forskare letar istället efter avslöjande ämnen, eller biomarkörer, i kroppen som ger information om hur mycket av en viss typ av mat en person har ätit nyligen. Men den lösningen är inte idealisk, eftersom mätning av biomarkörer ofta kräver blod-, urin- eller till och med hudprover. Processen kan vara kostsam, smärtsam och besvärlig.
Men för forskare som studerar frukt och grönsaker i kosten kan det snart finnas ett enklare sätt. Yale School of Public Health-forskare testar en ny teknik som mäter en biomarkör genom att helt enkelt studsa blått laserljus från huden. Det är smärtfritt och snabbt och ger resultat på cirka en minut. Susan T. Mayne, chef för avdelningen för Chronic Disease Epidemiology, och hennes långvariga medarbetare, Brenda Cartmel, en forskare i samma division, har arbetat med en grupp fysiker vid University of Utah för att skapa och testa två prototypenheter som mät hudkarotenoider, som är biomarkörer för frukt- och grönsaksintag som vanligtvis mäts i blodet.
"Det härrörde verkligen från en observation som folk har känt till i decennier", säger Mayne, "och det är att när människor äter en hög vegetabilisk kost utvecklar de en gul hudfärg som är särskilt märkbar i handflatan på grund av ansamling av karotenoider i huden. Och vi tänkte:"Kan vi använda det som ett nytt sätt att mäta karotenoider i kroppen på ett icke-invasivt sätt?""
Enheten är en modern twist på en decennier gammal teknik känd som resonans-ramanspektroskopi (RRS), som mäter förändringar i energinivåer hos elektroner i molekyler efter att de har exciterats av laserljus. Den består av en flexibel fiberoptisk sond ansluten till en lådliknande central maskin; sonden hålls mot en studievolontärs handflata i cirka 30 sekunder medan ljuset interagerar med karotenoider i huden. Sedan bearbetar programvara på en ansluten bärbar dator resultaten, vilket tar ytterligare 30 sekunder. Inledande studier har visat att denna RRS-maskin ger mycket exakta resultat, vilket drar till sig uppmärksamhet från många näringsforskare.
En lång flygning, samarbete
Som näringsepidemiolog hade Mayne knappast förväntat sig att arbeta med laser. Men för flera år sedan, på ett flyg till Australien för en internationell karotenoidkonferens, fann hon sig sittande bredvid en man som bläddrade igenom ett program för samma konferens. Efter att ha utbytt några trevligheter fick Mayne veta att han var laserfysiker vid University of Utah.
"Jag tänkte," Det här kommer att bli en riktigt lång flygning. Jag tror inte att vi har något gemensamt”, minns hon. "Men det var för att vi satt fast på ett flygplan i 16 timmar [som] jag försökte förstå vad han gjorde, hur han använde det [och] vilka applikationer det var. Det var faktiskt där hela projektet började.”
Fysikern och hans team, fick hon veta, hade experimenterat med RRS för att mäta karotenoider i näthinnan, eftersom höga näthinnenivåer tros skydda mot makuladegeneration. Karotenoider, konstaterar Mayne, är perfekt lämpade för mätning med RRS. "Om vi använder en specifik våglängd av ljus, är det där dessa speciella föreningar resonerar väldigt starkt och unikt", säger hon. "Det finns inte andra föreningar i huden eller andra matriser som har samma resonansprofil."
När planet hade landat hade Mayne och hennes sittplatskamrat tagit fram en idé om ett bidragsförslag för att samarbeta. Bidraget finansierades, Utah-gruppen byggde två prototyper och Yale testade dem.
I sin studie av den första prototypen av RRS-enhet, publicerad 2010 i The American Journal of Clinical Nutrition, Mayne, Cartmel och deras Utah-kollegor jämförde hudkarotenoid-RRS-mätningar med serum- och hudbiopsimätmetoder, den nuvarande guldstandarden. (De undersökte också enhetens förmåga att mäta lykopen, en karotenoid som den amerikanska befolkningen främst får från tomater och tomatprodukter.)
Teamet fann att bland försökspersoner föll karotenoidnivåerna mätt med RRS längs en klockformad kurva, som man kunde förvänta sig. Inom en enskild individ matchade höga mått i ett område av kroppen, såsom handflatan, höga nivåer någon annanstans. RRS-resultaten korrelerade också någorlunda bra med guldstandardmetoder såväl som med självrapporteringsdata från kosten, vilket bekräftar enhetens giltighet.
Utah-fysikerna fortsätter att förfina de tidiga prototyperna. "Den ursprungliga [argon-laser]-enheten som vi hade var inte bärbar", säger Cartmel och citerar dess storlek på 19 x 16 x 13 tum och dess känslighet för rörelser och vattenånga. "De utvecklade sedan ett instrument som använder en solid state-laser, så det är mycket mer robust. Nu kan vi ta det ut på fältet." I en studie som för närvarande granskas för publicering, använde Stephanie Scarmo, en doktorand vid YSPH, solid-state RRS-enheten för att få karotenoidmätningar från en stor grupp 3- och 4-åringar.
"Hon gick in i en förskolemiljö och försökte komma runt tuppluren", säger Mayne, och "kunde skanna 60 barn på en eftermiddag." (Däremot skulle serumtestmetoden, som man kan föreställa sig, ha inneburit mycket blod, svett och tårar.) "Jag är särskilt intresserad av att använda den här tekniken med barn eftersom det finns så stort intresse för dietrelaterad fetma hos barn .”
Nya applikationer
I kölvattnet av studiens publicering säger Mayne att hon har blivit kontaktad av forskare som vill använda RRS som ett objektivt mått i studier som uppmuntrar människor att äta mer frukt och grönsaker. Hon förstår deras iver.
"Det är en mycket svår sak att använda självrapportering i samband med kostförändringar när du har arbetat med människor som säger till dem att de behöver förändras", förklarar hon. Försökspersoner är benägna att försöka tillfredsställa forskare genom att berätta för dem att de har förändrat sina sätt till det bättre, genom att införa så kallad social önskvärdhetsbias i studierna.
Men Raman-tekniken är inte redo för bästa sändningstid. För det första vet ingen halveringstiden för karotenoider i huden, så exakt hur många dagars eller veckors intag en mätning återspeglar är okänt. För det andra är det inte klart hur väl enheten kommer att ta upp förändringar i hudens karotenoidnivåer efter en förändring i frukt- och grönsaksintaget.
Vad som behövs härnäst, säger Mayne, är "så kallade metaboliska studier, där de noggrant kontrollerar kostintaget av karotenoider och spårar människor över tid för att se hur deras hud reagerar, hur snabbt den svarar, hur mycket den förändras och om alla förändras på liknande sätt. .” Den typen av forskning är kostsam och involverar många veckor av att mata människor med karotenoidfattiga och berikade dieter samtidigt som mätningarna upprepas. För att åstadkomma detta har Mayne samarbetat med ett labb från North Dakota U.S. Department of Agriculture som har de nödvändiga testfaciliteterna.
Det är också viktigt att veta hur man tar hänsyn till variationer mellan individer. "Vi behöver fortfarande utvärdera om melanin, ett hudpigment, har någon effekt på avläsningarna", konstaterar Cartmel.
Hur ser framtiden ut för RRS-metoden inom kostforskning? När vecken väl är klarlagda och efter att forskare har verifierat samband mellan hudkarotenoider och hälsoresultat, kan RRS-enheten ge objektiv feedback om en persons näringsstatus.
Enheten skulle till och med kunna hitta sin väg in i stadspolitiskt arbete. Om en innerstad introducerar bostadsmarknader som erbjuder färskvaror, till exempel, kan forskare mäta invånarnas hudkarotenoider före och efter att marknaderna dyker upp. Mätningar med RRS, säger Mayne, "kan ge några verktyg för att bedöma om interventionen förbättrar intaget av grönsaker i ett visst område." Det är verkligen det ultimata målet, säger hon. "Vi vill förbättra näringsstatus."
