Calorimetric validation of¹³C bicarbonate and doubly labeled water method for determining the energy expenditure in goats

Summary

The purpose of the present study was to validate the¹³C bicarbonate method (¹³C-M) and the doubly labeled water method (DLWM) for the estimation of the CO₂ production R(CO₂) in goats as a ruminant model. Indirect calorimetry was chosen as the reference method. Studies were carried out in 2 male African dwarf goats at 3 different developing stages (age: 5, 10, and 14 months, body mass: 14.6, 20.3, and 21.7 kg). Animals were fed a balanced feed 14 days before and during the studies. The isotope tracers (4 mg/kg NaH¹³CO₃, 120 mg/kg²H₂O, and 75 mg/kg H₂ ¹⁸O; 99 At.-%) were simultaneously given as a single pulse injection into the jugular vein. Thereafter, the animals were kept for 8 days in two respiration chambers (volume of chamber: 2.85 m³, air flow rate: 25 1 / min) for the estimation of CO₂ production and O₂ consumption. For the determination of R(CO₂) using the¹³C-M samples of exhaled breath were drawn from the respiration chambers. The¹³C enrichment and CO₂ concentration of breath samples were measured by means of an infrared isotope analyzer. In order to determine R(CO₂) by means of the DLWM, blood serum was used. The²H and¹⁸O enrichments were measured by an isotope ratio mass spectrometer. Urine samples were collected over 24 h to quantify renal water losses.

The R(CO₂) was calculated by means of the¹³C-M using the area under the¹³C enrichment-time curve. The determination of R(CO₂) by means of the DLWM was based on the slopes of the²H and¹⁸O disappearance curves and the body water pool obtained from the zero time intercept of the isotope curves.

The values of R(CO₂) resulting from the¹³C-M were found to be comparable with those from the calorimetric measurement. Smaller (not statistically significant) values of R(CO₂) - 92% from¹³C-M and 87% from DLWM - compared to the indirect calorimetry could indicate the incorporation of¹³C and²H into metabolites other than CO₂ and H₂O, respectively. The body water contents calculated from the zero time intercepts of the²H and¹⁸O disappearence curves amounted to 66% and 63%, respectively. The body water content was found to be not related to the age of animals. The renal water loss was calculated to be 35% of the total water loss (0.76 l/d).

Zusammenfassung

Zweck der vorliegenden Untersuchung war die Validierung der¹³C-Bicarbonat-Methode (¹³C-M) und der doppeltmarkierten Wassermethode (DLWM) zur Bestimmung der CO₂-Produktion R(CO₂) bei Ziegen als Wiederkäuermodell. Die indirekte Kalorimetrie war als Referenzmethode ausgewählt worden. Die Untersuchungen wurden an 2 Afrikanischen Zwergziegen bei 3 unterschiedlichen Entwicklungsstadien (Alter: 5, 10 und 14 Monate, Körpermasse: 14,6, 20,3 und 21,7 kg) durchgeführt. Die Tiere wurden 14 Tage vor und während der Untersuchung bilanziert gefüttert. Die Isotopentracer (4 mg/kg NaH¹³CO₃, 120 mg/kg²H₂O and 75 mg/kg H₂ ¹⁸O; 99 At.-%) wurden simultan als einmalige impulsförmige Dosis in die Vena jugularis injiziert. Danach befanden sich die Tiere für 8 Tage in zwei Respirationskammern (Kammervolumen: 2,85 m³, Luftdurchsatz: 25 l/ min), um die CO₂-Produktion und den O₂-Verbrauch zu bestimmen. Für die Bestimmung von R(CO₂) mit Hilfe der¹³C-M wurden Proben der Ausatemluft aus den Respirationskammern gezogen. Die Messung der¹³C-Anreicherung und der CO₂-Konzentration der Atemproben erfolgte mittels eines Infrarot-Analysators. Für die Bestimmung von R(CO₂) mittels der DLWM wurde Blutserum verwendet. Die²H- und¹⁸O-Anreicherungen wurden massenspektrometrisch gemessen. Urinproben wurden zur Quantifizierung des renalen Harnverlusts über 24h gesammelt. R(CO₂) wurde mittcls der¹³C-M unter Verwendung der Fläche unter¹³C-Anreicherung-Zeit-Kurve berechnet. Die Bestimmung von R(CO₂) mittels der DLWM basierte auf den Anstiegen der²H- und¹⁸O-Kurven und dem Körperwasser-Pool. Die Werte von R(CO₂) aus der¹³C-M war vergleichbar mit denen aus kalorimetrischen Messungen. Die im Vergleich zur indirekten Kalorimetrie kleineren (nicht statistisch signifikant) Werte von R(CO₂) — 92% aus¹³C-M und 87% aus DLWM — deuten auf die Inkorporation von¹³C und²H in andere Metaboliten als CO₂ und H₂O hin. Die Körperwasser-Pools (bezogen auf die Körpermasse), berechnet aus den Ordinatenabschnitten der²H- und¹⁸O-Kurven (bei t=0), betrugen 66% bzw. 63%. Die Körperwasser-Pools zeigten keine Altersabhängigkeit. Der renale Wasserverlust wurde zu 35% des totalen Wasserverlusts (0,76 1 / d) berechnet.