مياه مضاعفة الوسم

المياه مضاعفة الوسم هي المياه التي يتم فيها استبدال كل من الهيدروجين والأكسجين بشكل جزئي أو بشكل كامل لأغراض التتبع (أي أنها تم وسمها) من خلال نظير غير معتاد لهذه العناصر.
وفي الممارسة العلمية، ولأسباب تتعلق بالعملية والسلامة، غالبًا ما تستخدم كل التطبيقات الحديثة لطريقة "المياه المميزة بشكل مزدوج" المياه المميزة بالأشكال الثقيلة وغير المشعة من عنصري الديوتريوم والأكسجين 18 (O-18 أو ¹⁸O)، أو أكسيد الديوتريوم 18 (D₂¹⁸O). وفي الواقع النظري، يمكن استخدام الأشكال المشعة من الهيدروجين والأكسجين من أجل هذا التمييز، وقد كان هذا هو الحال في العديد من التطبيقات المبكرة لهذه الطريقة.
وعلى وجه الخصوص، فإن استخدام طريقة المياه المميزة بشكل مزدوج (أو طريقة DLW) يؤدي إلى الحصول على نوع خاص من القياسات ذات معدل أيض (استقلاب)، حيث يتم قياس معدل الأيض المتوسط للكائن الحي على مدار فترة معينة. ويتم ذلك من خلال تناول جرعة من المياه المميزة بشكل مزدوج، ثم قياس معدلات التخلص من الديوتريوم والأكسجين 18 في الشخص المشارك في التجربة على مدار الوقت من خلال أخذ عينات منتظمة من تركيزات النظائر الثقيلة في مياه الجسم (من خلال أخذ عينات من اللعاب أو البول أو الدم). والحد الأدنى من العينات المطلوبة هو ضعف العينة المبدئية بعد وصول النظائر إلى حالة التوازن في الجسم، ثم عينة ثانية بعد ذلك ببعض الوقت. والوقت المستغرق بين تجميع كلتا العينتين يعتمد على حجم الحيوان المستخدم. ففي الحيوانات صغيرة الحجم، يمكن أن تكون الفترة صغيرة للغاية مثل 24 ساعة، أما في الحيوانات الكبيرة، مثل البالغين من البشر، يمكن أن تكون تلك الفترة طويلة بما يصل إلى 14 يومًا. وفي الحيوانات، غالبًا ما يطلق على متوسط معدل الأيض اليومي الذي يتم قياسه من خلال طريقة المياه المميزة بشكل مزدوج اسم معدل الأيض الميداني أو FMR اختصارًا. وقد تم اختراع تلك الطريقة في الخمسينيات من القرن العشرين على يد ناثان ليفسون وزملائه في جامعة مينيسوتا، ومع ذلك، اقتصر استخدام تلك الطريقة على الحيوانات صغيرة الحجم حتى الثمانينيات من القرن العشرين بسبب التكلفة العالية لنظير الأكسجين 18. وقد ساعدت التطورات الحادثة في مجال قياس الطيف أثناء السبعينيات من القرن العشرين وبدايات الثمانينيات من ذات القرن على تقليل مقدار النظير المطلوب، مما جعل من الممكن تطبيق الطريقة على البشر. وقد كان أول تطبيق لهذه الطريقة على البشر في عام 1982  على يد ديل شويلر (Dale Schoeller)، بعد أكثر من 25 عامًا من اكتشاف الطريقة لأول مرة. ويرد موجز كامل للأسلوب في كتاب كتبه عالم الأحياء البريطاني جون سبيكمان (John Speakman).

التناول العملي للنظائر

يمكن تناول المياه المميزة بشكل مزدوج من خلال الحقن أو عبر الفم (وهو المسار المعتاد لدى البشر). وحيث إن النظائر تتعرض للتخفيف بسبب مياه الجسم، لا تكون هناك حاجة إلى تناولها في حالة عالية من نقاء النظائر، ولا توجد ضرورة لاستخدام المياه التي تكون فيها كل الذرات أو أغلبها ذرات ثقيلة، أو حتى البدء بمياه مميزة بشكل مزدوج. كما لا يكون من الضروري كذلك تناول ذرة واحدة فقط من ¹⁸O مقابل كل ذرتين من الديوتريوم. وتتم السيطرة على هذا الأمر في التنفيذ العملي من خلال اقتصاديات شراء المياه الغنية بـ ¹⁸O، وحساسية جهاز الكتلة الطيفية المتاح.
وفي واقع الممارسة العملية، يتم تجهيز جرعات المياه المميزة بشكل مزدوج لأعمال الأيض من خلال خلط جرعة من أكسيد الديوتريوم (المياه الثقيلة) (90 إلى 99%) مع جرعة ثانية من H₂¹⁸O، وهي المياه التي تمت إضفاء المزيد من ¹⁸O إليها بشكل منفصل (رغم أن ذلك لا يحدث بنسبة كبيرة، حيث إن ذلك قد يكون مكلفًا، كما لا يكون ضروريًا لهذا الاستخدام)، ولكنها تحتوي على هيدروجين عادي بخلاف ذلك. وحينها، تكون عينة المياه المخلوطة تحتوي على كلا نوعي الذرات الثقيلة، بدرجة أكبر بكثير من المياه العادية، وتكون حينها عبارة عن "مياه مميزة بشكل مزدوج"، ويضمن التبادل الحر للهيدروجين بين جزيئات المياه (من خلال التأين الطبيعي) في المياه السائلة أن تتم موازنة مجموعات الأكسجين والهيدروجين في أية عينة للمياه (في المياه المجمعة في الجسم) بشكل منفصل خلال فترة زمنية قصيرة مع أي جرعة من النظير (النظائر) الثقيلة المضافة.

التطبيقات

يكون أسلوب المياه المميزة بشكل مزدوج مفيدًا بشكل خاص لقياس متوسط معدل الأيض (معدل الأيض الميداني) على مدار فترات زمنية متباعدة بشكل نسبي (عدة أيام أو أسابيع)، لدى المرضى الذين يكون من الصعب أو من المستحيل تنفيذ أنواع أخرى من القياسات المسعرية المباشرة أو غير المباشرة لمعدل الأيض. على سبيل المثال، يمكن أن يقيس هذا الأسلوب الأيض في الحيوانات البرية، حيث تتركز المشكلات الفنية بشكل رئيسي في كيفية تناول جرعات النظائر، وتجميع عينات متعددة من مياه الجسم في أوقات تالية لفحص التخلص من النظائر بشكل تبايني تفاضلي.
وتشتمل أغلب دراسات الحيوانات على الإمساك بالحيوانات المشاركة وحقنها، ثم حجزها لفترة زمنية متغيرة قبل أخذ عينة الدم الأولى. وتعتمد هذه الفترة على حجم الحيوان المشارك وهي تتراوح بين 30 دقيقة للحيوانات الصغيرة للغاية وحتى 6 ساعات للحيوانات الأكبر بكثير. وفي الحيوانات والبشر في نفس الوقت، يكون الاختبار أكثر دقة في حالة إجراء تحديد مفرد لحاصل الجهاز التنفسي للكائن الحي الذي يتناول الوجبات القياسية في وقت القياس، حيث إن هذه القيمة تتغير بشكل قليل نسبيًا (وأكثر بطئًا) مقارنة بتغييرات الأيض الأكثر بكثير والمتعلقة بالتنظيم الحراري والنشاط.
ونظرًا لأن نظائر الهيدروجين والأكسجين الثقيلة المستخدمة في قياس المياه المميزة بشكل مزدوج لا تكون مشعة، كما أنها لا تكون سامة بالجرعات المستخدمة (انظر المياه الثقيلة )، تم استخدام قياس المياه المميزة بشكل مزدوج لمتوسط معدل الأيض بشكل مكثف لدى المتطوعين من البشر، وحتى في الأطفال والحوامل. وقد تم استخدام هذا الأسلوب على أكثر من 200 نوع من الحيوانات البرية (غالبًا من الطيور والثدييات وبعض الزواحف). وقد تم مراجعة كيفية تطبيق الأسلوب على الحيوانات.