I praksis, finne en sann spektral match mellom AU og menneskelig urin er umulig, men graden av likhet er en pålitelig måling. Tre AU grupper er sammenlignet i form av SG, pH og IR-spekteret som måling av kampen menneskelig urin. En statistisk analyse er også anvendt på IR-spektra. Etter vann, den viktigste komponenten av urin er urea., Faktisk, den spektrale bidrag av urea til AU er dominerende i forhold til andre komponenter (Fig. 1 og Supplerende Fig. S2). Kreatinin og natriumsitrat er den andre og tredje komponenter med dyp spektral bidrag.
Infrarød absorbans spektra av ni forbindelser som brukes i MP-AU formulering. Skalering av den vertikale aksene er ikke like. I forhold absorbances er gitt i 3D-plott i Supplerende Fig. S2., Signal-til-støy-forhold er begrenset i ATR diamant i 2600-2000 cm−1-regionen, og dermed er unntatt fra skjermen. NaCl, KCl og CaCl2 ikke har noen absorpsjon i den målte vinduet og dermed blir ekskludert fra begge tall. Også opptaket av K2C2O4 er meget svak, og dermed dens spektrum er utelatt fra figuren. Topp-posisjoner som er presentert i Supplerende Tabell S2.
BK-AU -, CT-AU og MP-AU er utarbeidet som beskrevet i Metode. BK-AU-og CT-AU dele felles kjemikalier i sine protokoller., Men mens både inneholder bikarbonat, er denne forbindelsen er det ikke naturlig finnes i sunn menneskelig urine1. Derfor, bicarbonate ikke ble brukt i MP-AU formulering. Konsentrasjoner av kjemikalier er forskjellige når BK-AU-og CT-AU sammenlignes siden to studier stole på annen litteratur om urinen sammensetning. Til tross for forskjellene i formler, alle AUs har akseptable fysiske egenskaper i form av SG og pH (Tabell 3), og alle ingredienser er innenfor de fysiologiske områder basert på Mayo-Klinikken, test katalog., På den annen side, urin er en kompleks løsning av natur og sammenligner alle AU formulering med menneskelig urin basert på bare to parametere (SG og pH) er en blind tilnærming i beste fall. Derfor har vi brukt en spektroskopiske analyser ved hjelp av FTIR å påpeke likheter og/eller forskjeller mellom AUs, og sammenlignet dem med menneskelig urin prøver.
Menneskelig urin
absorbansen spektra av urinprøver fra 28 friske individer er vist i Fig. 2. Generelt spektra av menneskelig urin viser den samme profilen, spesielt i 1800-1200 cm−1 vinduet av spekteret. Det er imidlertid betydelige variasjoner mellom individer i 1200-800 cm−1 serien. Det kan være grunn til kosthold, kjønn og metabolisme forskjeller. Når avvik er beregnet, er det mest fremtredende toppene er sett til å være på 1644, 1574, 1436, 1105 og 1065 cm−1., Ifølge vår database av spektra fra enkelte ingredienser (Fig. 1), variasjoner i nivået av kreatinin, citrate, urea, fosfat og urinsyre kan ha bidratt til disse forskjellene sammen med andre urin-komponenter. Gjennomsnitt av 28 urinprøver er beregnet og brukes heretter for sammenligning (Fig. 2).
Infrarød absorbans spektra av 28 friske personer i alderen 20-40 år., (B) Beregnet gjennomsnittlig spekteret av menneskelig urin er vist i svart og variansen blant de 28 urin spektra er vist i rødt.
Kunstig urines
Den beregnede gjennomsnittlige menneskelig urin er sammenlignet med de tre AU-spektra, som vist i Fig. 3. Bandet profiler og posisjoner er sett til å være lik på mange poeng, nemlig 1657, 1609, 1447, 1143 og 783 cm−1 (Fig. 3). Disse bandene i hovedsak stammer fra urea. Men det er også betydelige variasjoner og avvik fra disse posisjoner som diskutert i detalj i det følgende.,
Infrarød absorbans spekter av MP-AU (red), CT-AU (grønn), BK-AU (blå) sammen med spekteret av gjennomsnittlig sunn urin fra 28 deltakere (sort) i fingerprint regionen. Innløp figur viser den samme spektra i 3800-2500 cm−1-regionen.
Alle spektra del fellestrekk i de høyere frekvens område (4000-2500 cm−1) (Fig. 3-inntak)., De to høyeste absorbances sentrert rundt 1600 cm−1 og 1445 cm−1 er i hovedsak på grunn av urea med relativt små bidrag fra kreatinin. Det var små forskjeller i absorbans av AUs er hovedsakelig på grunn av forskjeller i urea-konsentrasjon i respektive formuleringer. På den annen side, området mellom 1200 cm−1 og 800 cm−1 viser betydelige variasjoner. Den mest iøynefallende forskjellen er absorbans på 975 cm−1 i BK-AU (Fig. 3). På denne posisjonen, alle AU-spektra har forskjellige antall topper på ulike posisjoner., Denne regionen er den samling av en rekke topper stammer hovedsakelig fra urinstoff, urinsyre, kreatinin og natriumfosfat (Fig. 1 og Supplerende Fig. S2). Derfor er det små variasjoner i konsentrasjonen av disse stoffene gi en helt annen profil i spektrum.
Principal component analysis (PCA) er brukt for differensiering av tre gjennomsnittlig kunstig urin spektra med hensyn til gjennomsnittlig menneskelig urin i det hele wavenumber regionen (4000-600 cm−1) (Fig. 4A). Den første prinsipale komponenten (PC1) (72.7%) og den nest viktigste komponenten (PC2) (19.,5%) konto for 92% av total varians. Score plottet viser at MP-AU viser større likhet til gjennomsnittlig menneskelig urin i forhold til andre AU formuleringer når hele spektra er tatt i betraktning. Denne analysen er også brukt til alle tre målinger for AUs og til all menneskelig urin målinger av 28 friske individer. Sammenligninger er vist i to regioner i IR-spekteret, dvs., 1400-1200 cm−1 (Fig. 4B) og 1000-800 cm−1 (Fig. 4C). I begge regionene, MP-AU er mer vellykket i å etterligne spektrale egenskaper for menneskelig urin., Mens BK-AU er mer vellykket sammenlignet med CT-AU i 1400-1200 cm−1-regionen, er det motsatt i 1000-800 cm−1-regionen. Som band eller forbindelser konto for disse forskjellene er omtalt i de følgende avsnittene.
Score plot av principal component analyse anvendt til gjennomsnittlig spekteret av menneskelig urin (HU) og kunstig urin målinger. Tomten sammenligner spektra i full wavenumber utvalg (4000-600 cm−1) (En)., Score plot av alle IR-målinger sammenlignet med 1400 cm−1 område (B) og i 1000-800 cm−1 område (C).
Menneskelig urin og MP-AU sammenligning
Det er et tilfredsstillende samsvar mellom spekter av MP-AU og menneskelig urin når absorpsjon (grå spor) og andre avledede profiler (red trace) er sammenlignet (Fig. 5A,B). To spektra er ikke signifikant forskjellig på 0.05-nivå basert på Mann-Whitney test (Z = -1) (Supplerende Tabell S3). Området mellom 1800-1400 cm−1 er nesten vanlig som foreslått av andre avledede profiler., Men toppen på 1390 cm−1 som er forskjellig. Absorpsjon (grå spor) på dette punktet i MP-AU er ikke så høy som i urinen. Dette opptaket er på grunn av tilstedeværelsen av natriumsitrat (Fig. 1 og Supplerende Tabell S2). Selv om mengden citrate er middelverdien av de fysiologiske utvalg, misforholdet kan indikere en enorm mengde citrate frivillige. Citrate konsentrasjon i urinen kan variere avhengig av kosthold., For eksempel, i DASH (Kosttilskudd Tilnærminger til å Stoppe Hypertensjon)-stil dietten (rik på grønnsaker, frukt, hele korn, lav-lipid matvarer, fisk, kjøtt, nøtter og bønner; begrenset i rødt kjøtt, sukkerholdig frukt, drikke og fett) mengden citrate øker i urine37.
toppene i 1343, 1301, 1278 og 1242 cm−1 er nesten det samme i posisjon (Fig. 5B-grå spor) og i form av den relative forholdet mellom amplituder, bortsett fra at toppen ved 1301 cm−1 er mindre opplagte fra absorbansen spektrum. MP-AU gir det beste kamp i dette 1350-1200 cm−1-regionen sammenlignet med andre AUs., I 1200-1000 cm−1-regionen, i stedet for 1031 og 1045 cm−1 topp i menneskelig urin (Fig. 5A-rød spor), det er en topp på 1039 cm−1 i MP-AU (Fig. 5B-rød spor). Den spektrale kamp mellom de to spektrene i regionen 1000-600 cm−1 er tilfredsstillende. En forskjell er i posisjon 928 cm−1 i urinen absorpsjon spektrum. Dette bandet er lokalisert på 922 cm−1 i MP-AU. Når andre avledede profiler blir undersøkt, denne toppen er sett til å være superposisjon av to topper. Den viktigste bidragsyter er en topp på 929 cm−1, med mindre bidrag fra en annen topp på 916 cm−1 i urinen spektrum., Imidlertid, i MP-AU amplituden av 929 cm−1 absorpsjon er lavere, noe som skifter posisjon av konvolutten ned til 922 cm−1. Dette kan være på grunn av den rike innhold av menneskelig urin gir ekstra absorbers på 929 cm−1, som er ikke inkludert i MP-AU.
Menneskelig urin og CT-AU sammenligning
1800-1400 cm−1-regionen av absorbansen spekteret er svært lik den spekter av urin i samme region, noe som er i hovedsak korrelert med urea-innhold (Fig. 5A,C). CT-AU-spekteret er også vellykket i matchende skulderen på 1390 cm−1., Den normale fysiologiske utvalg for citrate er 0,2–1,2 g/d31. I CT-AU formulering, mengden citrate tilsvarer 2 g/d (forutsatt 1,5 L vannlating per dag), noe som er mer enn det høyeste punktet på den fysiologiske området. Det ser ut til at den gjennomsnittlige urin spektrum reflekterer en enorm mengde citrate som angitt i forrige avsnitt. Når hele fingeravtrykk regionen CT-AU-spekteret er sammenlignet med menneskelig urin spekteret ved hjelp av Mann-Whitney test, på 0.05 nivå, to spektra er signifikant forskjellig (Z = -13.5) (Supplerende Tabell S4).,
I menneskelig urin spektrum, bandet på 1238 cm−1 er sett til å være plassert på 1246 cm−1 i CT-AU-spekteret (Fig. 5C-rød spor). Det er fortsatt uklart, imidlertid, er om de to band reflektere vibrasjoner av de samme molekylære gruppe, eller de er knyttet absorptions. Menneskelig urin har flere absorbances i 1200-1000 cm−1-regionen. Selv om de fleste av komponentene er felles mellom urin og CT-AU, det er betydelige forskjeller i form av den relative forholdstall av bandene, og dermed den generelle profilen er forskjellige., Topp-posisjoner er generelt lik, bortsett fra den ene til 1045 cm−1 i urin spektrum, som ligger på 1050 cm−1 i CT-AU. Også, toppen ved 1031 cm−1 mangler i CT-AU-spekteret. Den mest fremtredende amplitude forskjellen er på 1107 og ~1070 cm−1. En utilstrekkelig mengde fosfat forbindelser, kreatinin og urinsyre kan ha bidratt til forskjellen på disse posisjonene. Regionen er en superposisjon av mange vibrasjons-grupper finnes i ulike molekylære formasjoner som lipider, proteiner, glukose og dets derivater, og i nukleinsyrer., Derfor, matchende AU spektrum med at av menneskelig urin er nesten umulig i denne 1200-1000 cm−1-regionen. En annen viktig forskjell er toppen på 965 cm−1 sett i CT-AU, men ikke i menneskelig urin spektrum. Vi har ikke nok data til å diskutere en mulig årsak til dette bandet siden ingen av urin komponenter vi målte absorbere på denne posisjonen. Det siste punktet i sammenligning av CT-AU med menneskelig urin er fravær av 928 og 866 cm−1 toppene i CT-AU.,
Menneskelig urin og BK-AU sammenligning
Den generelle spektral profil av BK-AU er også lik menneskelig urin på mange poeng (Fig. 3). De tre høyeste absorbances på stillinger 1657, 1609 og 1447 cm−1 i menneskelig urin spektrum match i forhold til generelle utseendet, men variere litt i topp posisjon i spektrum av BK-AU (Fig. 5A,D-grå spor). Men toppen på 1491 cm−1 (sett på som en skulder på 1446 cm−1-toppen i absorbansen spektrum) er mer uttalt i BK-AU. Denne posisjonen kan tilskrives kreatinin (Fig. 1 og Supplerende Tabell S2)., Mengden av kreatinin som brukes i BK-AU formuleringen er innenfor normale fysiologiske rekkevidde selv om det er mindre enn middelverdien. Faktisk mengde kreatinin i MP-AU formuleringen er mer, men absorbansen på ~1490 cm−1 er mindre. Derfor er en slik en markert topp kan ikke forklares med at mengden av kreatinin. På den annen side, vi observert en økning av størrelse på denne posisjonen når natrium sulfat er lagt til løsningen når du forbereder deg til MP-AU, selv om natrium sulfat har ikke en absorbans i denne regionen. Magnesium sulfat ikke skaper denne effekten., Basert på denne erfaringen, vi tror at den økte absorbans på ~1490 cm−1 er i slekt med den mengden av natrium i utformingen av BK-AU. Den totale natrium konsentrasjonen som brukes i BK-AU formuleringen er utover de fysiologiske rekkevidde, og er den høyeste blant de tre AUs. En detaljert sammenligning av kjemiske innholdet er presentert i neste avsnitt.
Et misforhold av spektral profiler mellom BK-AU, og urinen blir sett på ~1390 cm−1 (Fig. 3). Amplituden på denne posisjonen er mer i urinen spektrum. Denne toppen ble tilskrevet citrate i forrige avsnitt., Imidlertid, mange C-H vibrasjons-moduser absorberer også i denne regionen som den symmetriske deformasjon modus av methyl gruppe på 1380-1390 cm−138,39. I menneskelig urin, er det en rekke CH3 kilder sammen med creatinine1, for eksempel 3-Methylhistidine, eddiksyre, aceton, Alfa-Hydroxyisobutyric syre, 5-Metyl-2-hexanone, etc. som bidrar til absorpsjon på 1390 cm−1. Mangel på slike forbindelser kunne ha resultert i lavere amplitude på 1390 cm−1.
1345 cm−1 topp i menneskelig urin spectrum ligger i 1341 cm−1 i BK-AU-spekteret (Fig. 5A,D-rød spor)., Dette bandet kommer hovedsakelig fra urea (1331 cm−1), urinsyre (1346 cm−1), og kreatinin (1333 cm−1), og mottar mindre bidrag fra natriumsitrat (Supplerende Tabell S2). I utformingen av BK-AU, konsentrasjonen av urea er i løpet av de første 20% del av den normale fysiologiske utvalg, noe som er ganske mindre enn middelverdien. Konsentrasjoner av urinsyre og kreatinin er også mindre enn gjennomsnittet, dvs., 13.5% og henholdsvis 33,5% andel, henholdsvis., Forskjellen på plasseringen av bandet er på grunn av de forskjellige prosenter av disse komponentene i forhold til hverandre, slik at superposed bandet er litt forskjøvet i stedet. En annen forskjell i spektrum av BK-AU er toppen som ligger på 1246 cm−1 (Fig. 5D). I menneskelig urin spektrum denne toppen ligger på 1238 cm−1. Dessverre, det er ikke klart om de to band er på grunn av de samme molekylære gruppe, og det er et skifte i posisjon, eller de to bandene som stammer fra forskjellige molekylære grupper. Den samme toppen er også observert i CT-AU, som påpekt tidligere., Problemet i 1200-1000 cm−1-regionen sett i CT-AU er også observert i BK-AU. Som nevnt tidligere, en perfekt match i dette vinduet av spekteret er nesten umulig på grunn av mange ingredienser som er nødvendig for en økonomisk AU.
Den største forskjellen i spektrum av BK-AU er relativt overdreven absorpsjon sentrert på ~975 cm−1. Dette bandet er en superposisjon av fem forskjellige komponenter på 999, 984, 963, 945 og 909 cm−1 som ble åpenbart av andre avledede profil av spekteret., En lignende toppen er også observert i CT-AU på 965 cm−1, men bandet amplituden er mye mindre enn den i BK-AU-spekteret. I området mellom 940-1020 cm−1, bicarbonate, di-natrium hydrogen fosfat og urea har absorptions (Fig. 1 og Supplerende Fig. S3). Når den enkelte absorpsjon spektra av disse tre forbindelser er lagt til (spektral tillegg), den resulterende amplitude i den aktuelle regionen er mye mindre enn hva som er observert i BK-AU. Dette bidrar til dannelsen av et sammensatt blant bestanddeler.,
toppen ved 866 cm−1 i urinen spektrum mangler i BK-AU, slik tilfellet var i CT-AU. Den siste forskjellen mellom de to spektrene er på 841 cm−1 i BK-AU-spekteret. Denne toppen er mer uttalt i BK-AU-spekteret i forhold til CT-AU og menneskelig urin spektra. Det er hovedsakelig på grunn av kreatinin (842 cm−1). Magnesium sulfat bidrar også med en baseline, og gir bandet sin endelige posisjon og profil så langt som vi har observert under forsøkene., I BK – og CT-AU, bicarbonate også absorberer på 832 cm−1 som bidrar til amplitude, men ikke endre plasseringen av 841 cm−1 topp.
I det hele fingeravtrykk regionen, BK-AU og menneskelig urin spektra er vesentlig forskjellige på 0.05-nivå basert på Mann-Whitney test (Z = -10.8) (Supplerende Tabell S5).
Sammenligning av kunstig urines i form av kjemisk innhold
listen over kjemikalier som brukes i alle de tre AUs er i hovedsak den samme, men konsentrasjonen av hver komponent er forskjellige (Supplerende Tabell S1)., Figur 6 viser hvor mye av hver komponent i forhold til sin normale fysiologiske range31. MP-AU består av tretten komponenter, hver på nivå med 50%, som er gjennomsnittet av den normale fysiologiske området. En negativ verdi i figuren representerer utilstrekkelig mengde tilsvarende kjemiske. Den kjemiske sammensetningen av CT-AU formulering har mangler. Til å begynne med, mengde citrate overstiger det normale området (~125%). I samme ånd, mengden av kalsium og klorid er mer enn gjennomsnittlig verdier, 90% og 64%, henholdsvis., Mens kreatinin og fosfat er utilstrekkelig, mengden av urinstoff, urinsyre, ammonium, magnesium og sulfat i nærheten av minimum verdier av normal områder. I utformingen av BK-AU, mengden av natrium, kalsium og klorid er mer enn gjennomsnittlig verdier, 87%, 75% og 76%, henholdsvis. På den annen side, urinstoff, urinsyre, kalium, magnesium, sulfat og fosfat er ganske mindre enn gjennomsnittet av den normale fysiologiske området. Selv om disse forbindelsene er fortsatt innenfor normalområdet for en sunn menneskelig, mengden av oxalate er ikke nok.,
Relative mengden av felles forbindelser som brukes i alle AUs. Horisontale aksen representerer molarity prosent av den normale fysiologiske utvalg for hvert stoff. Alle normale området verdiene er normalisert slik at minimum poeng av normalområdet er satt til 0% og det høyeste punktet i det normale området tilsvarer 100%.