《Physiological Reports》：Validity and reproducibility of a whole-room indirect calorimeter for measurement of the thermic effect of food
编辑推荐：
本研究评估了一个7209升全房间间接热量计（WRIC）用于测量食物热效应（TEF）的技术有效性与生物学可重复性。通过丙烷燃烧实验（技术验证）和健康受试者的重复测量（生物学可重复性），研究发现WRIC对氧气消耗率（VO2）、二氧化碳产生率（VCO2）和餐后能量消耗（postprandial energy expenditure）的测量具有良好的有效性和可重复性，但TEF和呼吸交换率（RER）的测量可重复性较低。这为在代谢研究和体重管理中精确测量TEF提供了重要的方法学依据。
引言
全房间间接热量计（Whole-room indirect calorimeters, WRICs）可用于测量中性温度下24小时能量消耗的不同组成部分，包括静息能量消耗（REE）、睡眠能量消耗、体力活动能量消耗以及食物热效应（Thermic effect of food, TEF）。TEF是指因食物的消化、吸收和储存过程而导致餐后能量消耗增加，占能量平衡个体24小时能量消耗的4%至10%。准确测量TEF对于研究新陈代谢、能量平衡以及作为体重管理计划的潜在辅助指标至关重要。WRIC作为一种有前景的评估TEF的工具，有望提供更高的准确性和便利性。
本研究旨在验证挪威奥斯陆大学营养系一个容量为7209升的小型WRIC，用于测量VO2、VCO2、呼吸交换率（RER，VCO2/VO2）、餐后能量消耗和TEF的有效性和可重复性。研究提出，较小的房间可能比以前的研究更精确地测量TEF。
材料与方法
系统特性、数据采集与处理
研究使用了奥斯陆大学营养系最小的WRIC，其内部容积为7500升，经计算有效容积为7209升。系统使用Promethion集成系统测量呼吸交换，提供每分钟的O2消耗和CO2产生测量值。原始数据使用Caloscreen收集，并使用ExpeData进行处理。
校准与仪器平衡
在每次丙烷燃烧测试和参与者测量前一天，对气体分析仪进行零点和跨度校准。
技术验证
技术验证包括进行五次7小时丙烷燃烧测试，将丙烷完全氧化的化学计量学理论值与WRIC内测量值进行比较，以评估VO2、VCO2、RER和能量消耗的准确性。
可重复性研究的参与者
从奥斯陆大学营养系招募了10名健康受试者（6名男性，平均年龄33.5±10.3岁）进行两次7小时的WRIC测量，间隔至少3天。参与者需符合年龄>18岁、体重指数>18 kg/m2、过去3个月体重稳定等条件。
研究方案
研究方案概述如图1所示。测量前72小时，参与者需遵循挪威膳食指南的均衡饮食，并在第二次测量前重复相同饮食。测量前24小时需避免咖啡因、尼古丁和剧烈运动，并禁食12小时。参与者到达后，先测量身高体重，佩戴心率监测设备。在WRIC内静坐，第一个小时测量REE，之后在15分钟内饮用相当于其估算REE 25%的混合饮料，然后在WRIC内继续静坐6小时，期间允许进行轻度活动。
身体成分
使用双能X射线吸收测定法测量身体成分。
统计
数据分析使用R和IBM SPSS Statistics。计算变异系数（CV）和组内相关系数（ICC）来评估技术有效性和生物学可重复性。对于TEF，还计算了95%置信区间的最小可检测变化。
结果
技术验证
五次7小时丙烷燃烧测试结果显示，测量值与预期值之间的差异从RER的-0.33%±0.75%到能量消耗的2.41%±2.27%。CV范围从RER的0.23%到能量消耗的1.74%。VO2、VCO2和能量消耗的测量值与预期值之间存在近乎完美的相关性（r=0.998），且无显著差异。具体数据详见表1。
基线特征与方案依从性
10名参与者的特征见表2。参与者的饮食符合挪威膳食指南，测量前24小时体力活动水平较低。根据第一小时计算的RER表明参与者遵守了禁食方案。
生物学可靠性
生物学可靠性结果详见表3。参与者在第一天测量的REE为1.49±0.27 kcal/min（2152 kcal/d），第二天为1.41±0.29 kcal/min（2029 kcal/d）。Mifflin-St Jeor方程估算值与WRIC测量值存在差异。餐后能量消耗、VO2和VCO2显示出极佳的可重复性（ICC分别为96%、96%和98%）。相比之下，空腹和餐后RER以及TEF在测量期间的可重复性较差（ICC分别为17%、18%和24%）。Bland-Altman图显示不存在比例偏差，如图2所示。TEF的MDC95和MDC%分别为24.93%和43.76%。能量消耗和RER随时间变化的序列图如图3所示。
讨论
本研究评估了7209升WRIC在7小时内测量VO2、VCO2、RER、餐后能量消耗和TEF的性能。技术验证显示，VO2、VCO2和能量消耗的测量值与预期值相关性极佳。
生物学验证方面，VO2、VCO2和餐后能量消耗显示出良好的可靠性，但RER和TEF的可靠性较低。测量的TEF平均值在第一天和第二天分别为10.3%和13.7%，范围在4.7%至19.6%之间，与先前报道一致。两天间TEF测量的部分差异可能归因于第二天较低的空腹REE。虽然餐后能量消耗显示出良好的可靠性，但REE的差异可能导致TEF计算的高变异性。较短的REE测量时间可能未能提供稳定的基线。此外，餐后能量消耗值更频繁地低于测量的基线也可能是一个原因。这与之前的研究结果一致，并进一步强调生物因素可能在TEF测量中发挥重要作用。
TEF的MDC%与之前的研究结果相似，反映了TEF测量固有的变异性。结果表明，需要大约44%的显著变化才能检测到TEF的显著效应，这凸显了识别TEF有意义生理变化的挑战。
RER的低可靠性在之前使用奥斯陆大学新型WRIC设施的研究中也有观察到。原因尚不清楚，但可能是VO2和VCO2测量中的随机误差累积导致了RER的不准确。尽管误差很小，但如果数值接近或平行变化，比值可能会随时间放大这些误差。本研究中观察到的空腹RER值与先前研究相似，表明参与者很可能处于空腹状态。
以往测量TEF的研究通常在较大的WRIC中作为24小时测量的一部分进行。这样的大房间可能会因房间尺寸而减弱对餐后能量消耗细微变化的检测能力。使用较小的WRIC，我们假设这将减轻稀释效应带来的误差，缩短响应时间，从而减少对房间容积进行大量校正的需要。然而，我们并未观察到这些结果，TEF的高CV和低ICC证明了这一点。这表明，即使餐后能量消耗、VO2和VCO2具有极佳的可重复性，我们也无法准确捕捉TEF。
此外，研究通常提供间隔短于6小时的餐食，这使准确记录整个TEF持续时间变得复杂，并可能导致连续餐食的反应重叠。我们的研究仅在隔夜禁食后提供一餐，并测量餐后6小时，增加了测量整个TEF时段的机会。然而，从图3观察到，餐后6小时能量消耗并未回落到基线REE，这意味着即使有较长的测量时间，我们可能也未能捕捉到所有参与者的整个TEF时段。
使用通风头罩或面罩测量TEF的研究会降低参与者的舒适度并增加长时间测量中的压力。这些方法通常要求受试者保持静止并依赖达到稳态条件，这可能给数据带来变异性。相比之下，WRIC在长时间测量中最大限度地减少了参与者的不适和压力，允许连续监测，并随着时间的推移提供更高的测量精度。
研究使用Mifflin-St Jeor方程估算REE，以计算参与者应饮用的混合饮料量（估算REE的25%）。在WRIC内测量第一小时的REE后，我们观察到Mifflin-St Jeor方程的估算值与WRIC的测量值存在显著差异。具体而言，Mifflin-St Jeor方程低估了REE。因此，这种差异可能导致参与者接受的能量少于其实际REE的25%。在未来的研究中，可考虑在实验访问前邀请参与者进行一次额外访问以测量REE，确保他们获得WRIC测量REE的25%。
我们观察到第二天测量的REE、静息心率和平均心率均低于第一天。这可能归因于参与者对程序和实验室环境更加熟悉。
本研究的一个局限是，参与者仅在第一次TEF测量前记录了他们的摄入量，因此我们不知道他们在第二天前是否遵循了方案。虽然参与者被指示遵循挪威膳食指南，并在第一天前3天记录食物摄入，在第二天前重复此过程，但我们没有他们第二天前饮食依从性的信息。尽管如此，生物学验证的结果是有希望的。通过要求在第二天前提供饮食记录或提供标准化餐食来实施更大的控制，可能会进一步改善结果。
我们没有记录测量期间房间内的活动。虽然研究设计限制了活动且参与者被指示在整个期间保持休息，但不能排除较小活动对测量产生的潜在影响。我们发现两天测量的静息和平均心率存在显著差异；然而，进餐后心率确实会增加，并且这种增加可能持续几个小时。静息心率与平均心率之间的平均差异低于6 bpm。相比之下，一些研究测量体力活动并应用基于能量消耗/活动的回归方法来估计TEF，这种方法的差异应在比较不同研究结果时予以考虑。
房间的有效空气容积尚未使用清洗测试确定；然而，所使用的方法被RICORS 1.0指南所接受。测量期间未记录温度和湿度；然而，采暖、通风和空调系统设定为保持22摄氏度的稳定温度并使空气干燥。参与者的两次测量日期在时间上也很接近，我们认为外部天气或湿度不会影响结果。
结论
总之，我们的研究表明，该WRIC在评估VO2、VCO2、RER和能量消耗方面具有极佳的有效性。在评估VO2、VCO2和餐后能量消耗方面也表现出极佳的可靠性。然而，即使房间容积较小，RER和TEF的可靠性也较低。这些结果对未来研究和临床实践具有重要意义，尤其是当TEF是主要研究终点时。
