Erica S Forzani *

Автори:
Amlendu Prabhakar 1 #, Ashley Quach 1 #, Di Wang 1, Haojiong Zhang 1, Mirna Terrera 1, David Jackemeyer 1, Xiaojun Xian 1, Francis Tsow 1, Nongjian Tao 1,3 и Erica S Forzani 2 * #

Вижте резюмето

Google Scholar

Бивши проучвания на кетони, включително кетоацидоза (KAD), кетоза на гладно (FK), хранителна кетоза (NK) и кетоза, засегната от упражнения, донесоха голям напредък в областта на кетоните. В настоящата работа систематично се оценяват откритията на кръв, урина и дъх на кетони. Открихме, че кетонът за дъх (ацетон) е избраният кетон за откриване на ранните етапи на кетоза. В допълнение, ацетонът е корелиран с дихателния коефициент и е установено, че е силно чувствителен неинвазивен биомаркер за липидно окисление. Освен това, ацетонът се използва за бърз скрининг на кетоза или кетоацидоза в популации и демонстрира стойност при скрининг на популация от 48 индивида, сред които са идентифицирани случаи на диабет тип I с ранни симптоми на KAD и FK случай.

ацетон

Въведение

Кетозата или кетоацидозата е физиологично състояние, при което скоростта на метаболизма на мазнините се увеличава поради липсата на глюкоза като енергиен източник, а нивата на кетонните тела са над нормалните нива [1]. Тъй като мазнините се окисляват, се произвеждат кетони, а наблюдението на кетоните оказва дълбоко въздействие върху диагнозата на здравословното състояние на индивида или при кетоацидоза, или при кетоза.

Ketoacidocis (KAD) е състояние на диагностика на метаболитен дисбаланс при диабетна популация тип I и е показателно за риска от диабетна кома [2]. Напротив, кетозата е метаболитно състояние, при което кетонът се произвежда при здрави индивиди чрез гладуване или хранителна намеса [3,4]. Кетоза на гладно (FK) се получава чрез окисляване на съхранените мазнини, предизвикано от отрицателен енергиен баланс (калорично ограничение). Хранителна кетоза (NK) се открива при лица, подложени на богата на мазнини диета с нулев енергиен баланс (калорийният прием е равен на енергийния разход).

Напоследък NK става популярен [5] за терапия за отслабване [6] и за лечение на определен вид епилепсия, където кетоните могат да се използват като енергиен източник от мозъка за намаляване на епилептичните припадъци [7,8]. Кетозата може да се предизвика и при здрав индивид чрез упражнения, тъй като тялото използва кетони като енергиен източник в мускулите [9,10]. Като цяло нивото на кетоните в тялото се влияе от няколко фактора, като диабет, енергиен баланс, състав на диетата и физически дейности, което подчертава значението на идентифицирането на най-добрите практики за откриване на кетони в реално време.

В това проучване използвахме избрана тръбна-мас-спектрометрия с йонен поток (SIFT-MS) като основен метод за откриване на дихателен кетон, ацетон и сравняваме резултатите с получените с широко използваните методи за откриване на кетони в кръв и урина. Кръвният кетон е количествено определен с помощта на кетонни ленти и Precision Xtra метър, които са се доказали като много точни [20,21], а кетонът в урината е измерен с помощта на ленти Ketostix, което е препоръчано от Американската диабетна асоциация за мониторинг на кетоните в урината [22 ].

Предполагаме, че откриването на кетон от дъха (ацетон) е най-чувствителният метод за ранно откриване на кетоза или кетоацидоза; и нивата на произведения дъх ацетон отразяват точно скоростта на липидно окисление. За да потвърдим нашата хипотеза, оценихме различни методи за оценка на кетоните и определихме най-чувствителния и селективен метод за количествено определяне на кетозата. Също така сравнихме нивата на кетоните с измерения дихателен коефициент (RQ), референтен биомаркер за липидно окисление. За да определим дали откриването на кетон вдишване е ценно за диагностициране на кетоза или кетоацидоза, събрахме ацетон за вдишване в реално време от 48 субекта и анализирахме резултатите.

Материали и методи

Методи за оценка на кетони
Измервания на дихателни коефициенти

За да се определи корелацията на дихателния кетон (ацетон) с липидното окисление, беше оценен непротеинов коефициент на дишане (RQ), който показва процента на липидно окисление спрямо въглехидратното окисление [24]. Измерването е извършено върху субекти на изследването (вижте условията по-долу), като се използват както метаболитен преносим инструмент Oxycon Mobile (Carefusion, Yorba Linda, CA [25]), така и мобилен проследяващ метаболизма Breezing (прототип на професионална версия) (Breezing Co ., Темпе, AZ [26]). Стойностите на RQ са получени последователно при измервания на ацетон (използвайки SIFT-MS).

Измервания на глюкозата

В допълнение към кетонния анализ, кръвната глюкоза беше измерена за сравнение с помощта на Precision Xtra, електрохимичен капилярен кръвен монитор от Abbott и глюкозни ленти, съгласно стандартната процедура, предписана от продавача. Всички измервания на кетони и кръвна глюкоза бяха извършени едновременно за директно сравнение.

Субекти

Бяха проведени два вида експерименти с субекти, участващи в даряването на проби.

Субекти в диета на гладно

Единадесет здрави доброволци (7 мъже и 4 жени) със средна възраст 27 ± 7 години и среден ИТМ 23,1 ± 5 участваха в проучването на диета на гладно (вж. Условията по-долу). Физическите параметри на тегло, височина и ИТМ (съотношение на тегло към височина на квадрат (Kg/(метри) 2)) бяха оценени за всеки субект. Таблица 1 обобщава характеристиките на изследваната група.

Маса 1:

Обобщение на субектите, включени в проучването.
М: Мъж, F: Жена, ИТМ: Индекс на телесна маса

Предмет Възраст Пол Тегло (кг) Височина (m) ИТМ
1 28 М 79.1 1.68 28.1
2 41 F 49.4 1,69 17.3
3 35 М 77.1 1.88 21.8
4 21. М 65.6 1.82 19.8
5 24 М 90.3 1.68 32.1
6 23. М 70,0 1.80 21.5
7 37 F 63.5 1.61 24.4
8 23. М 85.5 1.78 27,0
9 23. М 92,5 1.93 24.8
10 25 F 52.8 1.70 18.3
11. 20. F 52.5 1,69 18.4

Маса 1: Обобщение на субектите, включени в проучването.
М: Мъж, F: Жена, ИТМ: Индекс на телесна маса

Никой от субектите не е бил на редовно лечение, нито е имал анамнеза за респираторни заболявания или диабет. Диетата на гладно се състои от два дни. На 1-ви ден изокалорични ястия с различно съдържание на мазнини се дават на всеки субект, който е имал последното хранене между 21:00 и 22:00 часа предишната вечер. На 2 ден субектите гладуват до 19:00 ч. С проби от дишане, събрани и измерени от 10:00 ч. Сутринта с интервал от 90 до 120 минути в продължение на 9 часа. Междувременно бяха измерени кетони на кръв и урина от всеки обект. При повечето от пациентите измерванията на кръвта и урината се извършват 3 пъти на ден (началото, средата и края на деня) заедно с измерване на кетон в дъха. Измерванията на урината и кръвта са извършени 3 пъти, тъй като тези методи за откриване на кетони показват по-ниска чувствителност към повишаващите се нива на кетони в сравнение с метода за откриване на кетон в дъха. Няколко участници от групата са имали паралелно измерване на кетони на кръв, урина и дъх, 6-8 пъти на ден, през деня на гладно (Ден 2). В допълнение, група от изследваните субекти също бяха измерени на 1-ви ден, докато имаха богата на мазнини диета (вижте повече подробности по-долу).

Важно е да се спомене, че всички субекти са останали неподвижни през деня на гладуването (Ден 2). Това състояние е от съществено значение за свеждане до минимум на смущения в кетонните модели на гладно поради упражнения. Всички субекти спазват протокола IRB на проучването, одобрен в Държавния университет в Аризона.

Дихателни измервания на ацетон за скрининг на кетони

Взети са проби от ацетон на дъха от 48 случайни субекти, посещаващи изложбено събитие в Института Биодизайн на 1 март 2014 г. [27]. Възрастта на субектите варира от 4 до 55. Дъхът на субекта се събира в 4L въздушна възглавница и последва незабавен анализ със SIFT-MS. Използвана е малка помпа, за да се осигури постоянен поток по време на събирането на пробата. Всяко измерване отнема приблизително 30 секунди.

Резултати

Оценка на методите за оценка на кетоните

Сравнени са различни методи за откриване на кетони, за да се определи най-добрата стратегия за събиране на точни данни за натрупване на кетони с висока разделителна способност. Първо, връзката между дихателния кетон (ацетон) и кетона в кръвта (β-OHB) беше проучена при групата на гладно (ден 2 от диетата на гладно). Фигура 2А показва взаимовръзката, получена от данните. Корелацията може да бъде снабдена с експоненциална функция на растеж с коефициент на квадрат-регресия (R2) = 0.69, което е в съгласие с литературата за кетогенни диети за възрастни и деца [19,28]. Второ, връзката между кетона на дишането (ацетон) и уринарния кетон (AcAcA) е изследвана в същата група на гладно. Фигура 2В показва корелацията с експоненциално напасване с R2 = 0.81. В допълнение, Фигура 3 показва кетонните профили, оценени в дъха, урината и кръвта на дадено лице за периода, съответстващ на деня на гладно (Ден 2, повече подробности в раздела за дискусии).

Оценка на дихателния кетон като биомаркер на липидното окисление

Изследвана е корелацията между нивата на кетон в дъха и окисляването на липидите, за да се гарантира, че натрупването на ацетон е свързано с повишено окисление на липидите. За тази цел RQ [29,30] беше измерен паралелно на ацетон. Измерванията на RQ и ацетон са извършени за 9 субекта от диетата на гладно в деня на гладно (Ден 2). RQ се изчислява чрез измерване на съотношението на VCO2 към VO2, където VCO2 е скоростта на производство на въглероден диоксид, а VO2 е скоростта на потребление на кислород, оценена чрез косвени калориметрични мерки, както е описано в експериментална сесия. Фигура 4А показва пример за динамични промени в нивата на ацетон и RQ за индивида през деня на гладно. Подобни резултати бяха получени и за останалите субекти. Резултатите са обобщени на Фигура 4В, която показва графика на нивата на RQ спрямо нивата на ацетон с експоненциална корелация и R2 = 0.41. Резултатите показват стойността на ацетона като биомаркер за окисляване на мазнините. Въпреки това, за да се осигури допълнително този факт, RQ спрямо нивото на ацетон също е изследван в отделен набор от експерименти, при които субектите са променяли диетичния си състав през целия ден (Ден 1 от диетичната група на гладно).

Като пример, Фигура 5 показва един от изследваните субекти, който е променил диетичното съдържание на макроелементи от 4,5: 1 мазнини: (въглехидрати + протеини) с [82% мазнини, 9% протеини и 9% въглехидрати] на 3,0: 1 на мазнини: (въглехидрати + протеини) с [75% мазнини, 16% протеини и 9% въглехидрати]. Намаляващото поглъщане на мазнини (чрез промяна на диетата), което се очаква да доведе до по-малко окисляване на мазнините, е свързано с увеличаване на стойностите на RQ (в съгласие с по-малкото окисление на мазнините) [29,30] и намаляване на скоростта на повишаване на нивото на ацетон (вижте повече подробности в дискусионния раздел).

Тъй като кетоните са изследвани като маркер за кръвната глюкоза [31,32], дихателният ацетон и кръвната глюкоза в деня на гладно (Ден 2) са едновременно измервани за диетичната група на гладно. Фигура 6 показва резултатите, които могат да бъдат снабдени с експоненциално разпадаща се крива с R2 = 0,52 (повече подробности в дискусионния раздел).

Дихателни измервания на ацетон за скрининг на кетони

Взети са проби от дъха от 48 субекта от изложбено събитие, както е описано в експерименталния раздел. Две трети от субектите са на възраст под 15 години с почти еднакво разпределение на мъжете и жените (Фигура 7Б). Установено е, че нивата на ацетон в пробите са между 300 до 1000 ppbV (Фигура 7А). Няколко субекта обаче са имали по-високи нива на ацетон (повече подробности в дискусионния раздел).

Дискусия

Оценка на методите за оценка на кетоните
Фигура 1:

Черният дроб разгражда мазнините от храната и/или мастните клетки, за да произведе три кетонни тела.