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Near Infrared Determination of Lactate in Biological Fluids and Tissues Denis L

Near Infrared Determination of Lactate in Biological Fluids and Tissues Denis Lafrance Department of Chemistry McGill University, Montreal, Quebec Canada January, 2003 A thesis submitted ta the F aculty of Graduate Studies and Research in partial fulfillment of the requirements of the degree of Doctor of P hilosophy © Denis Lafnmce 2003 1+1 Library and Archives Canada Bibliothèque et Archives Canada Published Heritage Branch Direction du Patrimoine de l'édition 395 Wellington Street Ottawa ON K1A ON4 Canada 395, rue Wellington Ottawa ON K1A ON4 Canada NOTICE: The author has granted a non- exclusive license allowing Library and Archives Canada to reproduce, publish, archive, preserve, conserve, communicate to the public by telecommunication or on the Internet, loan, distribute and sell th es es worldwide, for commercial or non- commercial purposes, in microform, paper, electronic and/or any other formats. The author retains copyright ownership and moral rights in this thesis. Neither the thesis nor substantial extracts from it may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. ln compliance with the Canadian Privacy Act some supporting forms may have been removed from this thesis. While these forms may be included in the document page count, their removal does not represent any loss of content from the thesis. • •• Canada AVIS: Your file Votre référence ISBN: 0-612-98401-X Our file Notre référence ISBN: 0-612-98401-X L'auteur a accordé une licence non exclusive permettant à la Bibliothèque et Archives Canada de reproduire, publier, archiver, sauvegarder, conserver, transmettre au public par télécommunication ou par l'Internet, prêter, distribuer et vendre des thèses partout dans le monde, à des fins commerciales ou autres, sur support microforme, papier, électronique et/ou autres formats. L'auteur conserve la propriété du droit d'auteur et des droits moraux qui protège cette thèse. Ni la thèse ni des extraits substantiels de celle-ci ne doivent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. Conformément à la loi canadienne sur la protection de la vie privée, quelques formulaires secondaires ont été enlevés de cette thèse. Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination, il n'y aura aucun contenu manquant. il Abstract Lactate is a key metabolite of glycolytic activity and as such, can be used as an indicator of the energy production of the whole organism, for the assessment of tissue perfusion and oxidative eapacity. Estimating lactate levels in biologie al fluids allows the detennination of anaerobic threshold during physical exercise. Likewise, lactate is of significant importance in several clinical situations, where a rapid and easy method is needed for diagnostic assessment and survival rate increase of the patient. To achieve this objective, the potential of Near Infrared Spectroscopy (NIRS) to quantify lactate in biological fluids and tissues was evaluated. Initially, the project focused on quantifying of lactate in plasma samples taken from exercising humans. Using Partial Least Squares (PLS) and a leave-N-out cross validation routine, it was found that lactate concentration in human plasma could be estimated with a standard error of cross validation of 0.51 mmollL. To minimize sample preparation and reduce the time of analysis, NIRS was evaluated as a technique for rapid analysis of lactate in whole blood from exercising rats and humans. Furthennore, standard addition method was used to exp and the lactate concentration range and therefore coyer a greater part of the physiological lactate concentration range. Regression analysis provided standard Hl errors of cross validation of 0.29 mmoliL and 0.65 mmoliL for rats and humans respectively. To improve precision, referenced lactate measurements were ca1culated. In this method, baseline spectra of subjects were subtracted from an collected spectra before chemometric routines were used. An improvement of the standard error of cross validation to 0.21 mmol/L was found by applying this procedure. In vivo measurement of lactate during exercise in humans by NIRS was also evaluated. Using diffuse reflectance and 2D correlation spectroscopy, lactate was identified as the primary constituent monitored by in vivo measurements. Regression analysis resulted in a substantial error of 2.21 mmollL for absolute measurements. However, results for referenced lactate measurements provided a significant improvement of the standard error of cross validation to 0.76 mmollL. This finding suggests that NIRS may provide a valuable to01 to assess in vivo physiological status for both research and clinical needs. IV Résumé Le lactate est un métabolite clé de l'activité glycolytique et peut donc être utilisé comme indicateur de la production d'énergie d'un organisme vivant, l'évaluation de la perfusion d'un tissu ou la capacité oxydante de l'organisme. La capacité d'estimer la concentration de lactate dans les fluides biologiques permet la détermination du seuil anaérobique lors d'exercice physique. De plus, la concentration de lactate est souvent critique dans plusieurs situations cliniques, où une méthode d'analyse rapide et simple est nécessaire pour poser rapidement un diagnostique et ainsi accroître les chances de survie du patient. Pour atteindre cet objectif, la possibilité d'utiliser la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) pour quantifier le lactate a été évaluée. Initialement, le projet se penchait sur la quantification du lactate dans des échantillons de plasma humain après un exercice physique. En utilisant la méthode de Partial Least Squares et une routine de validation croisée, il a été démontré que la concentration de lactate pouvait être estimée avec une erreur de 0.51 mmol/L. Afin de minimiser la préparation des échantillons et de réduire le temps d'analyse, SPIR a été évalué pour l'analyse du lactate dans des échantillons de sang provenant de rats et d'humains après exercice. De plus, afin d'étendre la plage de concentration du lactate et couvrir une plus large portion de la plage physiologique. des ajouts dosés ont été utilisés. L'erreur standard obtenue a été de 0.29 mmoVL et 0.65 mmol/L chez les rats et les humains respectivement. v Afin d'améliorer la précision de l'analyse, une méthode de mesure du lactate par référencement a été élaborée. Cette méthode consiste à soustraire le spectre au repos de chaque individu à chacun des autres spectres. En utilisant cette méthode, l'erreur standard a été ramenée à 0.21 mmol/L. Finalement, le potentiel de SPIR a été évalué pour des mesures in vivo du lactate durant un exercice chez l'humain. En utilisant la réflectance diffuse et la spectroscopie de corrélation 2D, il a été démontré que le lactate était le principal constituant du sang mesuré par les analyses in vivo. L'analyse procure une erreur standard de 2.21 mmol/L. Par contre, la méthode par référencement permet d'atteindre une erreur standard de 0.76 mmol/L. Ce résultat suggère que SPIR puisse permettre d'évaluer l'état physiologique in vivo d'un patient et ainsi répondre aux besoins de la recherche et des situations cliniques. VI Table of Contents Foreword . QI Goe 041003041 BI l!iI 00 Glill CI 0 e lit 0 • GO G@Oe00eBle(lBlClO3'0",eeQl00eGOe$GIIOOeOZOeflllll!lll.ooeee"OGoeeoeoe e 0 0 llII DO Ils !III III lX Contribution 10 Original KnowiedgeeoeooetaeoeeoraoeoeeofuoofHu0fueoeeoeeeeeoeocIHaflGoeoeeoo. xv List of Figures List of Tables CHAPTERI ... e eeooooo e 0 e 0 e fi l1li CI œ e \!II 0 0lil III> Gee.0 01$ eo 0210 ee oe III e e" e CI oe" ee e GGee 0 GO e GO eeee Gee 0 QI eeeoee ev e GO fi. ee XVIIE Introduction ooeGeeGeeoeoeeoe eoeoee.OIDeeeeeGeGeIlDGeeeeeeeOldllooeeo •• oeoeeOGGIIIiIGOeeOe 1 1.0 Project Overview and Research Objectives ...................................................... 1 CHAPTER2 Background to Near Infrared Spectroscopy of 2.0 Introduction to Near Infrared Spectroscopy ...................................................... 5 2.1 Near Infrared Spectroscopy for Metabolic Measurements ............................... 8 2.1.1 Overview ............................................................................................... 8 2.1.2 Metabolic Measurements ...................................................................... 9 2.1.3 Conclusion .......................................................................................... 34 2.1.4 References ........................................................................................... 36 CHAPTER3 Near Infrared Spectroscopic Measurement of Lactate 3.1 Abstract ................................................................................................... 58 3.2 Introduction ................................................................................................... 59 3.3 Experimental ................................................................................................... 61 3.3.1 Instrumentation ................................................................................... 61 , 3.3.2 Reagents .............................................................................................. 62 3.3.3 Procedures .................................................... , ....................................... 62 3.4 Results and Discussion .................................................................................... 64 3.4.1 Spectral F eatures ................................................................................. 64 3.4.2 Experimental Protocol for Minimal Covariance with Plasma Constituents ........................................................................................ 67 3.4.3 Optical Pathlength ............................................................................... 68 3.4.4 PLS Calibration Models ...................................................................... 68 vu 3.5 Conclusion ................................................................................................... 73 3.6 References ................................................................................................... 74 CHAPTER 4 Lactate Memmrement in Whole Blood using Near 4.1 Abstract ................................................................................................... 78 4.2 Introduction ................................................................................................... 79 4.3 Materials and Methods .................................................................................... 80 4.3.1 Instrumentation ................................................................................... 80 4.3.2 Reagents .............................................................................................. 81 4.3.3 Procedure ............................................................................................ 82 4.3.4 Partial Least Squares Analysis ............................................................ 82 4.4 Results and Discussion .................................................................................... 84 4.4.1 Spectral Features ................................................................................. 84 4.4.2 Optical Pathlength ............................................................................... 84 4.4.3 PLS Calibration Models ...................................................................... 87 4.5 Conclusion ................................................................................................... 92 4.6 References ................................................................................................... 93 CHAPTER 5 Measurement of Lactate in Whole Human Blood with Near-Infrared Transmission Spectroscopy ........ 96 5.1 Abstract ................................................................................................... 97 5.2 Introduction ................................................................................................... 98 5.3 Experimental ................................................................................................. 100 5.3.1 Instrumentation ................................................................................. 100 5.3.2 Sample Collection ............................................................................. 100 5.3.3 Sample Preparation ........................................................................... 10 l 5.3.4 Data Collection ................................................................................. 103 5.3.5 Data analysis ..................................................................................... 1 03 5.4 Results and Discussion .................................................................................. 105 5.5 Conclusion ................................................................................................. 111 5.6 References ................................................................................................. 114 vm CHAPTER6 In vivo Lactate Measurement in Human tissue by Near- lnfrared Diffuse Rejlectance Spectroscopy ... 116 6.1 Instrument Configuration .............................................................................. 118 6.2 Abstract ................................................................................................. 122 6.3 Introduction ................................................................................................. 122 6.4 Materials and Methods .................................................................................. 124 6.4.1 Sample Collection ............................................................................. 12 4 6.4.2 Data Collection ................................................................................. 125 6.4.3 Data analysis ..................................................................................... 126 6.5 Results and uploads/Management/ near-infrared-determination-of-lactate-in-biological-fluids-and-tissues.pdf