Ein neues künstliches Urinprotokoll zur besseren Nachahmung von menschlichem Urin / Wissenschaftliche Berichte

In der Praxis ist es unmöglich, eine echte spektrale Übereinstimmung zwischen AU und menschlichem Urin zu finden, aber der Grad der Ähnlichkeit ist ein zuverlässiges Maß. Drei AU-Chargen werden in Bezug auf SG, pH und IR-Spektrum als die Messung der Übereinstimmung mit menschlichem Urin verglichen. Eine statistische Analyse wird auch auf IR-Spektren angewendet. Nach dem Wasser ist der Hauptbestandteil des Urins Harnstoff., Tatsächlich ist der spektrale Beitrag von Harnstoff zu AU im Vergleich zu anderen Komponenten dominant (Abb. 1 und Ergänzende Abb. S2). Kreatinin und Natriumcitrat sind die zweite und dritte Komponente mit tiefgreifenden spektralen Beiträgen.

BK-AU -, CT-AU-und MP-AU vorbereitet sind, wie beschrieben in Methode. BK-AU und CT-AU teilen gemeinsame Chemikalien in ihren Protokollen., Obwohl beide Bicarbonat enthalten, kommt diese Verbindung natürlich nicht in gesundem menschlichem Urin1 vor. Daher wurde Bicarbonat in der MP-AU-Formulierung nicht verwendet. Die Konzentrationen von Chemikalien sind beim Vergleich von BK-AU und CT-AU unterschiedlich, da sich die beiden Studien auf unterschiedliche Literatur zur Urinzusammensetzung stützen. Trotz der Unterschiede in den Formeln haben alle Inhaltsstoffe akzeptable physikalische Eigenschaften in Bezug auf SG und pH (Tabelle 3), und alle Inhaltsstoffe liegen innerhalb der physiologischen Bereiche, die auf dem Mayo Clinic Testkatalog basieren., Auf der anderen Seite ist Urin von Natur aus eine komplexe Lösung, und der Vergleich einer AU-Formulierung mit menschlichem Urin basierend auf nur zwei Parametern (SG und pH) ist bestenfalls ein blinder Ansatz. Daher verwendeten wir eine spektroskopische Analyse mit FTIR, um Ähnlichkeiten und/oder Unterschiede zwischen AUs aufzuzeigen, und verglichen sie mit menschlichen Urinproben.

Tabelle 3 Physikalische Eigenschaften aller AUs. Bitte beachten Sie den in der Tabelle verwendeten Text für Abkürzungen.,

Menschlicher Urin

Die Absorptionsspektren von Urinproben von 28 gesunden Personen sind in Abb. 2. Im Allgemeinen zeigen die Spektren des menschlichen Urins das gleiche Profil, insbesondere im 1800-1200 cm-1-Fenster des Spektrums. Es gibt jedoch signifikante Unterschiede zwischen den Individuen im 1200-800 cm-1-Bereich. Dies kann auf Unterschiede in Ernährung, Geschlecht und Stoffwechsel zurückzuführen sein. Wenn die Varianz berechnet wird, sind die markantesten Peaks bei 1644, 1574, 1436, 1105 und 1065 cm−1 zu sehen., Nach unserer Datenbank von Spektren aus einzelnen Bestandteilen (Abb. 1) können Variationen des Kreatinin -, Citrat -, Harnstoff -, Phosphat-und Harnsäurespiegels zusammen mit anderen Urinkomponenten zu diesen Unterschieden beigetragen haben. Der Durchschnitt von 28 Urinproben wird berechnet und im Folgenden zum Vergleich herangezogen (Abb. 2).

Künstliche Urine

Der berechnete durchschnittliche menschliche Urin wird mit den drei AU-Spektren verglichen, wie in Abb. 3. Die Bandprofile und Positionen sind an vielen Stellen ähnlich zu sehen, nämlich 1657, 1609, 1447, 1143 und 783 cm−1 (Abb. 3). Diese Bänder stammen hauptsächlich aus Harnstoff. Es gibt jedoch auch signifikante Abweichungen und Abweichungen von diesen Positionen, wie im Folgenden ausführlich besprochen.,

Alle Spektren gemeinsame Funktionen im höheren Frequenzbereich (4000-2500 cm−1) (Abb. 3-Eingang)., Die beiden höchsten Absorptionen um 1600 cm−1 und 1445 cm-1 sind hauptsächlich auf Harnstoff mit relativ geringem Kreatinin-Beitrag zurückzuführen. Die geringen Unterschiede in der Absorption von AUs sind hauptsächlich auf die Unterschiede in der Harnstoffkonzentration in den jeweiligen Formulierungen zurückzuführen. Andererseits zeigt der Bereich zwischen 1200 cm-1 und 800 cm-1 signifikante Variationen. Der auffälligste Unterschied ist die Absorption bei 975 cm−1 in BK-AU (Abb. 3). An dieser Position haben alle AU-Spektren unterschiedliche Peaks an verschiedenen Positionen., Diese Region ist die Sammlung einer Reihe von Peaks, die hauptsächlich aus Harnstoff, Harnsäure, Kreatinin und Natriumphosphat stammen (Abb. 1 und Ergänzende Abb. S2). Daher ergeben die geringen Konzentrationsschwankungen dieser Verbindungen ein sehr unterschiedliches Profil im Spektrum.

Die Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA) dient zur Differenzierung von drei durchschnittlichen künstlichen Urinspektren in Bezug auf den durchschnittlichen menschlichen Urin im gesamten Wellenzahlbereich (4000-600 cm−1) (Abb. 4A). Die erste Hauptkomponente (PC1) (72.7%) und die zweite Hauptkomponente (PC2) (19.,5%) entfallen 92% der Gesamtvarianz. Das Score-Diagramm zeigt, dass MP-AU im Vergleich zu anderen AU-Formulierungen eine größere Ähnlichkeit mit dem durchschnittlichen menschlichen Urin aufweist, wenn die gesamten Spektren berücksichtigt werden. Diese Analyse wird auch auf alle drei AUs-Messungen und auf alle menschlichen Urinmessungen von 28 gesunden Personen angewendet. Vergleiche werden in zwei Bereichen des IR-Spektrums gezeigt, d. H. 1400-1200 cm-1 (Abb. 4B) und 1000-800 cm−1 (Abb. 4C). In beiden Regionen ist MP-AU erfolgreicher bei der Nachahmung spektraler Merkmale des menschlichen Urins., Während BK-AU im Vergleich zu CT-AU im Bereich 1400-1200 cm−1 erfolgreicher ist, ist es im Bereich 1000-800 cm−1 umgekehrt. Welche Bänder oder Verbindungen diese Unterschiede ausmachen, wird in den folgenden Abschnitten erläutert.

Vergleich von menschlichem Urin und MP-AU

Es gibt eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen dem Spektrum von MP-AU und menschlichem Urin, wenn die Absorption (graue Spur) und das zweite Derivatprofil (rote Spur) verglichen werden (Abb. 5A,B). Zwei Spektren unterscheiden sich auf der 0,05-Ebene basierend auf dem Mann-Whitney-Test (Z = -1) nicht signifikant (Ergänzende Tabelle S3). Der Bereich zwischen den 1800-1400 cm-1 ist fast üblich, wie durch zweite abgeleitete Profile vorgeschlagen., Aber der peak bei 1390 cm−1 ist anders. Die absorption (graue Spur) an dieser Stelle in MP-AU ist nicht so hoch wie im Urin. Diese Absorption ist auf das Vorhandensein von Natriumcitrat zurückzuführen (Abb. 1 und Ergänzende Tabelle S2). Obwohl die Menge an Citrat der Mittelwert des physiologischen Bereichs ist, kann die Nichtübereinstimmung eine große Menge an Citrat bei Freiwilligen anzeigen. Die Citratkonzentration im Urin kann je nach Ernährung variieren., Zum Beispiel in DASH (diätetische Ansätze, um Bluthochdruck zu stoppen)-Diät (reich an Gemüse, Obst, Vollkornprodukten, fettarmen Lebensmitteln, Fisch, Fleisch, Nüssen und Bohnen; begrenzt in rotem Fleisch, zuckergesüßten Früchten, Getränken und Fetten) Die Menge an Citrat erhöht sich in der Harnsäure.

Die Peaks bei 1343, 1301, 1278 und 1242 cm−1 sind in ihrer Position nahezu gleich (Abb. 5B-graue Spur) und in Bezug auf das relative Verhältnis der Amplituden, mit der Ausnahme, dass der Peak bei 1301 cm−1 aus dem Absorptionsspektrum weniger offensichtlich ist. MP-AU bietet die beste Übereinstimmung in diesem 1350-1200 cm−1-Bereich im Vergleich zu anderen AUs., In der 1200-1000 cm-1-Region anstelle der 1031 und 1045 cm−1-Spitze im menschlichen Urin (Abb. 5A-rote Kurve), es gibt einen peak bei 1039 cm−1 im MP-AU (Abb. 5B-rote Kurve). Die spektrale Übereinstimmung zwischen den beiden Spektren im Bereich 1000-600 cm−1 ist zufriedenstellend. Ein Unterschied liegt bei Position 928 cm-1 im Urinabsorptionsspektrum. Dieses band befindet sich unter der 922 cm−1 im MP-AU. Wenn zweite Ableitungsprofile untersucht werden, wird dieser Peak als Überlagerung zweier Peaks angesehen. Der Hauptbeitrag ist ein Peak bei 929 cm-1, mit geringem Beitrag von einem anderen Peak bei 916 cm−1 im Urinspektrum., In MP-AU ist jedoch die Amplitude der 929 cm−1-Absorption geringer, was die Position der Hüllkurve auf 922 cm−1 verschiebt. Dies könnte auf den reichen Gehalt an menschlichem Urin zurückzuführen sein, der bei 929 cm−1 zusätzliche Absorber bereitstellt, die nicht in MP-AU enthalten sind.

Menschlicher Urin und CT-AU-Vergleich

Die 1800-1400 cm-1-Region des Absorptionsspektrums ist dem Spektrum des Urins in derselben Region sehr ähnlich, was hauptsächlich mit dem Harnstoffgehalt korreliert (Abb. 5A,C). Das CT-AU-Spektrum ist auch erfolgreich bei der Anpassung der Schulter bei 1390 cm−1., Der normale physiologische Bereich für Citrat beträgt 0,2-1,2 g / d31. In der CT-AU-Formulierung entspricht die Menge an Citrat 2 g / d (unter der Annahme von 1,5 l Wasserlassen pro Tag), was mehr als der maximale Punkt des physiologischen Bereichs ist. Es scheint, dass das durchschnittliche Urinspektrum eine große Menge Citrat widerspiegelt, wie im vorherigen Abschnitt angegeben. Wenn die gesamte Fingerabdruckregion des CT-AU-Spektrums mit dem menschlichen Urinspektrum unter Verwendung des Mann-Whitney-Tests verglichen wird, unterscheiden sich auf der Ebene von 0,05 zwei Spektren signifikant (Z = -13,5) (ergänzende Tabelle S4).,

Im menschlichen Urinspektrum befindet sich das Band bei 1238 cm−1 bei 1246 cm-1 im CT-AU-Spektrum (Abb. 5C-rote Kurve). Unklar bleibt jedoch, ob die beiden Bänder die Schwingung derselben molekularen Gruppe widerspiegeln oder nicht verwandte Absorptionen sind. Menschlicher Urin hat mehrere Absorptionen in der 1200-1000 cm-1-Region. Obwohl die meisten Komponenten zwischen Urin und CT-AU gemeinsam sind, gibt es signifikante Unterschiede in Bezug auf die relativen Verhältnisse der Bänder und somit ist das Gesamtprofil unterschiedlich., Spitzenpositionen sind im Allgemeinen ähnlich, mit Ausnahme der bei 1045 cm-1 im Urinspektrum, die bei 1050 cm−1 in CT-AU liegt. Auch der Peak bei 1031 cm−1 fehlt im CT-AU-Spektrum. Die auffälligste Amplitudendifferenz liegt bei 1107 und ~1070 cm-1. Eine unzureichende Menge an Phosphatverbindungen, Kreatinin und Harnsäure hätte zu dem Unterschied an diesen Positionen beitragen können. Die Region ist eine Überlagerung vieler Schwingungsgruppen, die in verschiedenen molekularen Formationen wie Lipiden, Proteinen, Glucose und ihren Derivaten sowie in Nukleinsäuren vorkommen., Daher ist es in dieser 1200-1000 cm−1-Region nahezu unmöglich, ein AU-Spektrum mit dem menschlichen Urins abzugleichen. Ein weiterer wichtiger Unterschied ist der Peak bei 965 cm-1 in CT-AU, jedoch nicht im menschlichen Urinspektrum. Wir haben nicht genügend Daten, um die mögliche Ursache für dieses Band zu diskutieren, da keine der von uns gemessenen Urinkomponenten an dieser Position absorbiert wird. Der letzte Punkt im Vergleich von CT-AU mit menschlichem Urin ist das Fehlen von 928 und 866 cm−1 Peaks in CT-AU.,

Menschlicher Urin und BK-AU Vergleich

Das allgemeine Spektralprofil von BK-AU ähnelt an vielen Stellen auch menschlichem Urin (Abb. 3). Die drei höchsten Absorptionen an den Positionen 1657, 1609 und 1447 cm−1 im menschlichen Urinspektrum stimmen hinsichtlich des allgemeinen Aussehens überein, variieren jedoch geringfügig in der Spitzenposition im Spektrum von BK-AU (Abb. 5A, D-graue Spuren). Der Peak bei 1491 cm−1 (gesehen als Schulter auf dem 1446 cm−1-Peak im Absorptionsspektrum) ist jedoch bei BK-AU ausgeprägter. Diese Position könnte Kreatinin zugeschrieben werden (Abb. 1 und Ergänzende Tabelle S2)., Die Menge an Kreatinin, die in der BK-AU-Formulierung verwendet wird, liegt innerhalb des normalen physiologischen Bereichs, obwohl sie unter dem Mittelwert liegt. In der Tat ist die Menge an Kreatinin in MP-AU-Formulierung mehr, aber die Absorption bei ~1490 cm−1 ist weniger. Daher kann ein solch ausgeprägter Peak nicht durch die Kreatinin-Menge erklärt werden. Auf der anderen Seite beobachteten wir an dieser Position einen Anstieg der Amplitude, wenn der Lösung Natriumsulfat zugesetzt wird, während MP-AU hergestellt wird, obwohl Natriumsulfat in diesem Bereich keine Absorption aufweist. Magnesiumsulfat erzeugt diesen Effekt nicht., Basierend auf dieser Erfahrung glauben wir, dass die erhöhte Absorption bei ~1490 cm−1 mit der Natriummenge in der Formulierung von BK-AU zusammenhängt. Die gesamte Natriumkonzentration, die in der BK-AU-Formulierung verwendet wird, liegt außerhalb des physiologischen Bereichs und ist das Maximum unter den drei AUs. Ein detaillierter Vergleich der chemischen Inhalte wird im nächsten Abschnitt vorgestellt.

Eine Nichtübereinstimmung der Spektralprofile zwischen BK-AU und Urin ist bei ~1390 cm−1 zu sehen (Abb. 3). Die Amplitude an dieser Position liegt mehr im Urinspektrum. Dieser Höhepunkt wurde dem Citrat in früheren Abschnitten zugeschrieben., Viele C-H-Schwingungsmodi absorbieren jedoch auch in diesem Bereich, wie der symmetrische Verformungsmodus der Methylgruppe bei 1380-1390 cm-138,39. Im menschlichen Urin gibt es eine Reihe von CH3-Quellen zusammen mit Kreatinin 1, wie 3-Methylhistidin, Essigsäure, Aceton, Alpha-Hydroxyisobuttersäure, 5-Methyl-2-Hexanon usw. das trägt zur Absorption bei 1390 cm−1 bei. Das Fehlen solcher Verbindungen hätte zu einer niedrigeren Amplitude bei 1390 cm-1 führen können.

Der 1345 cm−1-Peak im menschlichen Urinspektrum liegt bei 1341 cm-1 im BK-AU-Spektrum (Abb. 5A, D-rote Spuren)., Dieses Band stammt hauptsächlich aus Harnstoff (1331 cm−1), Harnsäure (1346 cm−1) und Kreatinin (1333 cm−1) und erhält einen geringen Beitrag von Natriumcitrat (ergänzende Tabelle S2). Bei der Formulierung von BK-AU liegt die Harnstoffkonzentration innerhalb des ersten 20% – Teils des normalen physiologischen Bereichs, was ziemlich unter dem Mittelwert liegt. Die Konzentrationen von Harnsäure und Kreatinin sind ebenfalls geringer als der Durchschnitt, dh 13,5% bzw., Der Unterschied an der Position des Bandes ist auf die unterschiedlichen Verhältnisse dieser Komponenten relativ zueinander zurückzuführen, so dass das überlagerte Band an seiner Position leicht verschoben ist. Ein weiterer Unterschied im Spektrum von BK-AU ist der Peak bei 1246 cm−1 (Abb. 5D). Im menschlichen Urin liegt dieser Peak bei 1238 cm-1. Leider ist nicht klar, ob die beiden Bänder auf dieselbe molekulare Gruppe zurückzuführen sind und eine Positionsverschiebung vorliegt oder ob die beiden Bänder aus verschiedenen molekularen Gruppen stammen. Der gleiche Peak wird auch in CT-AU beobachtet, wie bereits erwähnt., Zusätzlich wird das Problem in der 1200-1000 cm−1-Region, die in CT-AU gesehen wird, auch in BK-AU beobachtet. Wie bereits erwähnt, ist eine perfekte Übereinstimmung in diesem Fenster des Spektrums aufgrund der Anzahl der Zutaten, die für eine wirtschaftliche AU erforderlich sind, nahezu unmöglich.

Der größte Unterschied im Spektrum von BK-AU ist die relativ übermäßige Absorption zentriert bei ~975 cm-1. Dieses Band ist eine Überlagerung von fünf verschiedenen Komponenten bei 999, 984, 963, 945 und 909 cm−1, wie das zweite abgeleitete Profil des Spektrums zeigt., Ein ähnlicher Peak wird auch in CT-AU bei 965 cm−1 beobachtet, aber die Bandamplitude ist viel kleiner als die im BK-AU-Spektrum. Im Bereich zwischen 940-1020 cm−1 haben Bicarbonat, Di-Natriumhydrogenphosphat und Harnstoff Absorptionen (Abb. 1 und Ergänzende Abb. S3). Wenn die einzelnen Absorptionsspektren dieser drei Verbindungen addiert werden (spektrale Addition), ist die resultierende Amplitude in dem entsprechenden Bereich viel geringer als in BK-AU beobachtet. Dies beweist die Bildung einer Verbindung unter den Bestandteilen.,

Der Peak bei 866 cm-1 im Urinspektrum fehlt bei BK-AU, wie es bei CT-AU der Fall war. Der letzte Unterschied zwischen den beiden Spektren liegt bei 841 cm-1 im BK-AU-Spektrum. Dieser Peak ist im BK-AU-Spektrum im Vergleich zu den CT-AU-und menschlichen Urinspektren ausgeprägter. Es ist hauptsächlich auf das Kreatinin (842 cm−1) zurückzuführen. Magnesiumsulfat trägt auch mit einer Baseline bei und gibt dem Band seine endgültige Position und sein Profil, soweit wir es während unserer Experimente beobachtet haben., In BK-und CT-AU absorbiert Bicarbonat auch bei 832 cm-1, was zur Amplitude beiträgt, aber die Position des 841 cm−1-Peaks nicht ändert.

Im gesamten Fingerabdruckbereich unterscheiden sich BK-AU-und Humanurinspektren auf der 0,05-Ebene basierend auf dem Mann-Whitney-Test (Z = -10.8) signifikant (ergänzende Tabelle S5).

Vergleich künstlicher Urine in Bezug auf den chemischen Gehalt

Die Liste der in allen drei Komponenten verwendeten Chemikalien ist hauptsächlich gleich; Die Konzentration jeder Komponente ist jedoch unterschiedlich (ergänzende Tabelle S1)., Abbildung 6 zeigt die Menge jeder Komponente relativ zu ihrem normalen physiologischen Bereich31. MP-AU besteht aus dreizehn Komponenten, die jeweils auf der Ebene von 50% liegen, was dem Mittelwert des normalen physiologischen Bereichs entspricht. Ein negativer Wert in der Abbildung stellt eine unzureichende Menge der entsprechenden Chemikalie dar. Die chemische Zusammensetzung der CT-AU-Formulierung weist Mängel auf. Zunächst übersteigt die Menge an Citrat den normalen Bereich (~125%). In der gleichen Vene sind die Menge an Kalzium und Chlorid mehr als die Mittelwerte, 90% bzw., Während Kreatinin und Phosphat unzureichend sind, liegt die Menge an Harnstoff, Harnsäure, Ammonium, Magnesium und Sulfat nahe an den Mindestwerten normaler Bereiche. In der Formulierung von BK-AU ist die Menge an Natrium, Calcium und Chlorid mehr als die Mittelwerte, 87%, 75% bzw. Auf der anderen Seite sind Harnstoff, Harnsäure, Kalium, Magnesium, Sulfat und Phosphat ziemlich geringer als der Mittelwert des normalen physiologischen Bereichs. Obwohl diese Verbindungen für einen gesunden Menschen immer noch im normalen Bereich liegen, ist die Oxalatmenge unzureichend.,