袁淵 陳珠英 黃河 趙曉萌 王振南 孫美秀

300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所

基于1型糖尿病大鼠模型的呼吸丙酮與血糖及血β-羥基丁酸相關(guān)性研究

袁淵 陳珠英 黃河 趙曉萌 王振南 孫美秀

300192天津，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所

目的 1型糖尿?。═1D）和某些2型糖尿病患者經(jīng)常患有酮癥（高血酮），呼吸丙酮是糖尿病的一種潛在生物標(biāo)志物。本研究使用T1D大鼠模型研究呼吸丙酮與血糖（BG）及血β-羥基丁酸（BHB）的關(guān)系。方法 使用基于光腔衰蕩光譜技術(shù)的呼吸丙酮分析儀測定了20只T1D大鼠和18只健康大鼠的呼吸氣體丙酮濃度，并同時(shí)測定了其BG和血液BHB濃度。結(jié)果 與健康大鼠組相比，T1D大鼠組的呼吸丙酮、BG和血液BHB間的差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。T1D大鼠和健康大鼠的呼吸丙酮與血液BHB呈顯著正相關(guān)性，而與BG呈顯著負(fù)相關(guān)性；但當(dāng)T1D大鼠接受胰島素治療且血糖濃度趨向正常值時(shí)，其呼吸丙酮和血糖濃度的關(guān)系由負(fù)相關(guān)變?yōu)檎嚓P(guān)。健康大鼠的呼吸丙酮濃度與血糖濃度則無相關(guān)性。多元線性回歸分析顯示，T1D大鼠的呼吸丙酮可用于其血液BHB的預(yù)測，使用10只健康大鼠和10只T1D大鼠對(duì)該回歸模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)論 使用大鼠動(dòng)物模型進(jìn)行呼吸氣體研究是可行的，其有助于解決人類呼吸分析研究中的定量關(guān)系問題。

呼吸分析； 光腔衰蕩光譜技術(shù)； 糖尿病大鼠模型； 呼吸丙酮； 血糖； β-羥基丁酸

Fund program：National Natrual Science Foundation of China(81471701)

0 引 言

通過檢測生物標(biāo)志物的異常濃度或多個(gè)呼出氣體的特定模式，呼吸分析可提供一種潛在的疾病診斷和治療狀態(tài)監(jiān)控的無創(chuàng)方法。一直以來，呼吸丙酮被認(rèn)為是1型糖尿?。╰ype 1 diabetes,T1D）的一種生物標(biāo)志物[1-4]。早在20世紀(jì)50年代就有關(guān)于定量測量T1D和2型糖尿?。╰ype 2 diabetes,T2D）患者呼吸丙酮的報(bào)道[4]。研究結(jié)果表明，T1D患者確實(shí)具有較高的呼吸丙酮濃度[4]。然而，針對(duì)3 000樣本（包括T1D患者、T2D患者及健康人）的40多項(xiàng)關(guān)于呼吸丙酮與血糖（blood glucose,BG）關(guān)系的研究顯示，呼吸丙酮濃度與BG水平可能呈正相關(guān)[5-7]、負(fù)相關(guān)[8]、或無相關(guān)性[9-10]。因此，T1D/T2D患者呼吸丙酮濃度與BG水平的定量關(guān)系仍不明確，其相關(guān)關(guān)系以及與其他生物信息學(xué)參數(shù)間的關(guān)系尚需進(jìn)一步研究。

高血糖、T1D和某些T2D患者經(jīng)?；加型Y（高血酮）。在嚴(yán)重情況下，這類患者血清中的酮體（乙酰乙酸（acetoacetate,AA），血β-羥基丁酸（beta-hydroxybutyrate,BHB），丙酮）濃度會(huì)超過25mmol/L[11-12]。在青少年T1D患者病情管理中，測定血液BHB濃度已成為常規(guī)檢查[9，13]。有報(bào)道表明，采用生酮飲食治療頑固性癲癇時(shí)，可用呼吸丙酮值預(yù)測血液的BHB[14-16]。然而，關(guān)于T1D患者的呼吸丙酮和血液BHB之間關(guān)系的研究較少，僅有一項(xiàng)涉及113例年輕T1D患者的研究，其結(jié)果認(rèn)為呼吸丙酮可用于血液BHB和AA的預(yù)測[10]。

先前的研究顯示，自然個(gè)體的呼吸丙酮濃度與其生物學(xué)和生活習(xí)慣差異相關(guān)，如年齡、性別、飲食等[17-19]。因此，本研究的目的旨在生理差異最小的條件下測量呼吸丙酮濃度，并分析其與BG和血液BHB的相關(guān)性。因動(dòng)物實(shí)驗(yàn)參數(shù)容易控制[20-22]，因此使用動(dòng)物模型進(jìn)行呼吸分析研究能保證獲得實(shí)驗(yàn)信息的可靠性。大鼠有超過98%的DNA與人類相同，因此T1D大鼠模型用于呼吸丙酮與BG和血液BHB相關(guān)關(guān)系的研究是可行的。目前，已有多項(xiàng)關(guān)于大鼠呼吸氣體的研究，包括哮喘[22-23]、生酮飲食[16]、敗血癥[24-25]、帕金森病[20]、神經(jīng)纖維瘤病[26]、過敏性氣道炎癥[27]、肺部疾病[28-29]及脂肪性肝炎[30]等。然而，關(guān)于糖尿病大鼠的呼吸丙酮研究未見報(bào)道。

本研究使用基于光腔衰蕩光譜技術(shù)（cavity ringdownspectroscopy,CRDS）的呼吸丙酮分析儀測定20只T1D大鼠和18只健康大鼠的呼吸丙酮含量，分析呼吸丙酮與其BG和血液BHB的關(guān)系。氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)（gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS）樣品制備過程復(fù)雜，測試過程耗時(shí)，設(shè)備體積龐大。與之相比，CRDS在痕量氣體分析領(lǐng)域具有優(yōu)勢，且已被廣泛接受[31]。

1 材料與方法

1.1 主要材料與儀器

Sprague-Dawley雄性大鼠（北京華阜康生物科技股份有限公司），鏈脲佐菌素（streptozotocin,STZ）（美國Sigma-Aldrich公司），蘇木精-伊紅（天津怡生園生物科技有限公司），氮?dú)猓ㄖ袊蠓教厥鈿怏w公司）。

雅培FreeStyleOptium血糖儀（瑞士Roche公司），三通玻璃閥（天津怡生園生物科技有限公司），ALCV8S小動(dòng)物呼吸機(jī)（上海奧爾科特生物科技有限公司），Optium Xceed血液BHB儀（美國Abbott公司），MPL-F-266nm型Q開關(guān)Nd:YAG激光器（長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司），不銹鋼腔體、鏡座（美國CRD Optics Inc公司），高反射鏡（美國Los Gatos Research公司），870B微型壓力計(jì)（美國MKS公司），SC5D真空泵（德國Oerlikon公司），GPIB-USB-HS連接線（美國NS公司）。

1.2 方法

1.2.1 大鼠動(dòng)物模型

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所動(dòng)物研究倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)共使用38只Sprague-Dawley雄性大鼠（體質(zhì)量200～300 g，10周齡），均飼養(yǎng)于環(huán)境受控室中（18～25℃，相對(duì)濕度40%～70%），每籠飼養(yǎng)數(shù)小于5只。實(shí)驗(yàn)期間，大鼠自由喂食市售大鼠粒料與自來水。

使用單次靜脈注射STZ法建立T1D大鼠模型。STZ可引起大鼠胰島β細(xì)胞嚴(yán)重受損，并導(dǎo)致其胰島素分泌減少。本研究中，STZ按質(zhì)量濃度20 mg/ml溶解于檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液（pH 4.4），并在10 min內(nèi)注射。每只大鼠的單次靜脈注射劑量為45 mg/kg。STZ注射后1周后，采用血糖儀測量尾靜脈血BG值，非空腹BG＞16.7 mmol/L的大鼠被認(rèn)為患有T1D。使用蘇木精-伊紅染色法分析1只健康大鼠和4只STZ建模T1D大鼠的胰腺切片。

圖1A～C是健康大鼠的胰腺活檢病理圖像，圖1D～F、G、H、I分別為4只T1D大鼠的病理圖像。如圖所示，健康大鼠的胰島有明顯的胰島邊界和大量健康β細(xì)胞，但4只T1D大鼠胰島組織結(jié)構(gòu)萎縮，正常形狀β細(xì)胞減少，并有局部炎癥。證明其胰島已經(jīng)衰竭，表明T1D大鼠模型成功建立。

1.2.2 呼吸氣體采集方法

圖2A、B分別為大鼠呼吸氣體采樣裝置的示意圖與實(shí)物圖。呼吸樣本采集前，采用腹膜內(nèi)注射水合氯醛水溶液（10%）的方法對(duì)大鼠進(jìn)行麻醉，劑量為0.03 ml/kg。

分別使用氣管切開和口腔插管法對(duì)呼吸氣體樣本進(jìn)行采集（圖3）。大鼠氣管切開插管過程用時(shí)約5 min，分為3個(gè)步驟：①在麻醉大鼠的頸部切開一個(gè)5～8 mm的切口（圖4A）。②在氣管上，連同環(huán)狀軟骨挑開約1 mm的切口（圖4B）。③通過切口將定制三通玻璃閥的一端（直徑1 mm）插入大鼠氣管（圖4B、D）。

口腔插管法采用一端連接定制玻璃閥的柔性管通過麻醉大鼠的口腔插入氣管。玻璃閥的另外2個(gè)端口分別連接小動(dòng)物呼吸機(jī)的進(jìn)氣口和出氣口（圖2）。實(shí)驗(yàn)中，呼吸機(jī)的呼吸頻率、呼吸率及潮氣量依每只大鼠調(diào)適以保證自然呼吸。如圖2所示，小動(dòng)物呼吸機(jī)背板上的2個(gè)端口分別為連接室內(nèi)空氣的進(jìn)氣口和聚氟乙丙烯采集袋的出氣口。采樣袋用來收集大鼠的呼吸氣體，其容積為1 L，可在6 h內(nèi)保持呼吸氣體新鮮。實(shí)驗(yàn)中，所有呼吸樣本均在非禁食狀態(tài)下采集。呼吸樣本在便攜式保溫箱內(nèi)保存并在6 h內(nèi)進(jìn)行呼吸丙酮的檢測。大鼠BG和血液BHB濃度分別使用血糖儀和血液BHB儀測定。氣體采集后，采用在其尾靜脈注射1～2 ml空氣的方式處死大鼠。

1.2.3 光腔衰蕩光譜呼吸丙酮分析儀

圖5為CRDS呼吸氣體分析儀的原理圖[32]。其中：儀器光源為Q開關(guān)Nd:YAG激光器，激光頭尺寸為238.5mm×88.0mm×74.0mm，工作波長為266nm，脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，單脈沖能量為4.5 μJ。樣品室由50 cm不銹鋼腔體（內(nèi)徑3.81 cm）、鏡座、高反射鏡（反射率R=99.995 6%，曲率半徑ROC=1 m）組成。樣品室有3個(gè)接口：1個(gè)為氣體樣本進(jìn)樣孔，其余2個(gè)分別連接870B微型壓力計(jì)和SC5D真空泵。每次測量后，需使用高純氮?dú)鉀_洗腔體（＞99.99%），以確保氣室不被污染。光衰蕩由光電倍增管捕獲，并通過數(shù)字示波器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后由GPIB-USB連接線傳輸至計(jì)算機(jī)。利用自行開發(fā)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2.4 呼吸丙酮濃度計(jì)算

使用背景減除法計(jì)算樣本中丙酮的絕對(duì)濃度[7，33-34]。空氣Aatm和呼吸氣體的吸光度Abreath由公式（1）、（2）表示

式中：σ（v）為丙酮的躍遷譜線吸收截面，n為樣本濃度，d為兩面反射鏡間的距離，c為光速，τatm和τbreath分別為空氣和呼吸樣本在1 atm下的衰蕩時(shí)間，τ0為真空狀態(tài)下的衰蕩時(shí)間。

本研究以空氣的吸光度作為背景基線。因此，呼吸氣體中的呼吸丙酮吸光度（上限值）可由公式（3）表示

式中：ΔA為吸光度差。在大氣壓力和室溫下，丙酮在266 nm處吸收截面為4.5×10-20cm2/mol[35]。

本研究應(yīng)用背景減除法是基于假設(shè)吸光度差僅由丙酮吸收導(dǎo)致。文獻(xiàn)[33]中，通過研究其他氣體分子和高濃度的呼吸揮發(fā)性化合物（VOCs）的吸光度，該假設(shè)已得到驗(yàn)證。此外，已有大量關(guān)于大鼠呼吸氣體的研究，且實(shí)驗(yàn)大鼠有超過98%的DNA與人類相同，由此可認(rèn)為大鼠呼吸氣體與人類呼吸氣體相似。本研究在對(duì)大鼠呼吸丙酮測試前，利用GC-MS對(duì)CRDS呼吸分析儀的性能與可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證[32，36]。因此，可認(rèn)為本研究大鼠呼吸氣體的方法是可行的。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用IBM SPSS Statistics 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示。大鼠呼吸丙酮濃度與體質(zhì)量數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，采用獨(dú)立樣本檢驗(yàn)分析；BG和BHB數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，采用kruskal-wallis檢驗(yàn)分析。以P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 2種氣體采集方法比較

氣管切開術(shù)對(duì)大鼠損傷較大且更耗時(shí)，而口腔插管法對(duì)大鼠損傷較小[19-20]，如能保證其可靠性，則口腔插管法是優(yōu)選的呼吸氣體采集方法。分別采用以上2種方法測試了15只T1D大鼠呼吸樣本的呼吸丙酮濃度（圖6）。結(jié)果顯示，其擬合方程斜率k=1.04，表明2種采樣方法所測得的丙酮濃度是一致的，證實(shí)了口腔插管法采集大鼠呼吸氣體的可靠性。本研究選擇口腔插管法采集大鼠呼吸氣體。

2.2 呼吸丙酮與血糖的關(guān)系

大鼠的呼吸丙酮濃度以體積分?jǐn)?shù)φ表示。本實(shí)驗(yàn)共測定了20只T1D大鼠（N1組）和18只健康大鼠（N2組）的呼吸丙酮、BG和血液BHB濃度，結(jié)果見表1。如表所示，N1組與N2組的呼吸丙酮差異顯著，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。T1D大鼠呼吸丙酮的體積分?jǐn)?shù)φ=（1.9～4.3）×10-6及平均值φ=（3.0± 0.6）×10-6均高于健康大鼠（（1.4～2.8）×10-6和（2.3± 0.4）×10-6）。

圖6 氣管切開術(shù)和口腔插管法采集呼吸丙酮濃度比較

先前許多研究分析了人類T1D患者的呼吸丙酮和BG，但關(guān)于呼吸丙酮濃度和BG間的關(guān)系尚無統(tǒng)一定論。有研究結(jié)果表明，當(dāng)使用特定數(shù)據(jù)處理方法[7]或采樣控制方法[5-6]時(shí)，呼吸丙酮濃度與BG存在一定正相關(guān)性[5-6]；但也有研究未發(fā)現(xiàn)呼吸丙酮與BG間的相關(guān)關(guān)系[9-10]。本研究結(jié)果表明，T1D大鼠的呼吸丙酮濃度與其血糖存在負(fù)相關(guān)性（n=20， r=-0.678，P＜0.05）（圖7A）。值得注意的是，本研究中T1D大鼠的BG水平很高，高于大多數(shù)糖尿病患者可承受的BG值。如圖7B所示，健康大鼠呼吸丙酮濃度與BG之間無相關(guān)性。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)本研究中“T1D大鼠呼吸丙酮與BG水平呈負(fù)相關(guān)”的結(jié)果不能確定得出“該結(jié)果與已報(bào)道的基于人類受試者的研究結(jié)果相符（或不符）”。目前，許多文獻(xiàn)報(bào)道了人類受試者（健康人，T1D或T2D患者）呼吸丙酮的研究，但呼吸丙酮和血糖有何關(guān)系仍無統(tǒng)一定論，且沒有某項(xiàng)研究能充分考慮如采樣規(guī)模、縱向?qū)嶒?yàn)時(shí)間、橫向比較、干擾控制、采樣精度、校準(zhǔn)測量方法、分類和純化受試者類型以及生理差異控制等因素的影響。從這個(gè)角度看大鼠模型作為一個(gè)獨(dú)立抽樣目標(biāo)，可能為解決某些研究（如2個(gè)變量之間是否存在相關(guān)關(guān)系）中的上述問題提供一個(gè)較好的方法，而不一定要進(jìn)行人體試驗(yàn)。

表1 T1D大鼠和健康大鼠呼吸丙酮體積分?jǐn)?shù)與BG和BHB濃度（x±s）

圖7 1型糖尿病大鼠和健康大鼠呼吸丙酮與血糖的關(guān)系

本研究還對(duì)4只隨機(jī)選擇的大鼠在連續(xù)6 h內(nèi)的呼吸丙酮濃度與BG的變化趨勢進(jìn)行了研究（圖8）。4只大鼠分別為：健康大鼠1只，STZ注射后3 d（3DSI）大鼠1只，STZ誘導(dǎo)T1D大鼠2只，其呼吸丙酮濃度體積分?jǐn)?shù)范圍分別為（1.9～2.5）×10-6、（1.9～6.1）×10-6、（2.1～7.5）×10-6、（1.9～4.3）×10-6；BG濃度最高值出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻（時(shí):分）分別為13:43（20.1 mmol/L）、11:33（26.5 mmol/L）、10:15（25.4 mmol/L）、9:41（29.6 mmol/L）。如圖8B～D所示，T1D大鼠和3DSI大鼠的呼吸丙酮與BG呈負(fù)相關(guān)趨勢，這與本研究中針對(duì)20只T1D大鼠的結(jié)果一致。

此外，為了探討B(tài)G濃度變化對(duì)呼吸丙酮的影響，本研究隨機(jī)選擇5只T1D大鼠進(jìn)行連續(xù)5 d的胰島素治療，每只大鼠的注射劑量為8 u/kg，并在第3天和第5天對(duì)大鼠進(jìn)行呼吸氣體分析。結(jié)果顯示，當(dāng)T1D大鼠的BG水平由極高下降到接近健康大鼠的水平時(shí)，其呼吸丙酮與BG的關(guān)系由負(fù)相關(guān)（圖7A）變?yōu)槿跽嚓P(guān)（圖9）。表明呼吸丙酮和BG的關(guān)系會(huì)隨BG范圍而發(fā)生變化。

2.3 呼吸丙酮與血液BHB的關(guān)系

如表1所示，T1D大鼠與健康大鼠的血液BHB濃度分別為（1.2±0.3）mmol/L與（0.9±0.2）mmol/L，兩者的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），該結(jié)果與人類受試者的情況一致。如T1D患者頻發(fā)酮癥，其血液中的酮體水平較高，臨床常規(guī)檢查常見血酮水平達(dá)1～2 mmol/L的患者，而健康個(gè)體的血酮濃度均低于0.5 mmol/L[11]。

圖9 經(jīng)胰島素治療的1型糖尿病大鼠呼吸丙酮與血糖的關(guān)系

圖8 大鼠呼吸丙酮與血糖濃度在連續(xù)6 h內(nèi)的變化關(guān)系

如圖10A所示，T1D大鼠的呼吸丙酮和血液BHB濃度關(guān)系呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)r=0.644，P＜0.05）。雖然本研究是在大鼠模型上開展的，但此結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了近期涉及113例年輕T1D患者的研究結(jié)果[9]，即：呼吸丙酮和血液BHB濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。此外，這2個(gè)參數(shù)間類似的正相關(guān)關(guān)系也存在于健康人空腹酮癥[37-38]和營養(yǎng)酮癥[14-15]。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證呼吸丙酮與血液BHB濃度的關(guān)系，筆者隨機(jī)選擇健康大鼠1只、3DSI大鼠1只和STZ誘導(dǎo)T1D大鼠2只，進(jìn)行連續(xù)6 h的呼吸丙酮濃度測量，其呼吸丙酮體積分?jǐn)?shù)范圍分別為（1.5～2.2）×10-6、（1.9～6.1）×10-6、（2.5～8.0）×10-6和（2.0～3.6）×10-6。如圖11所示，4只大鼠的呼吸丙酮與血液BHB濃度存在正相關(guān)性，且血液BHB濃度隨時(shí)間而升高，證實(shí)了呼吸丙酮濃度可用于血液BHB的預(yù)測。

2.4 多元線性回歸分析

使用多元線性回歸進(jìn)行呼吸丙酮濃度的敏感性分析[39]，即各因素對(duì)大鼠模型呼吸丙酮濃度的影響，包括BG和血液BHB濃度、體質(zhì)量及大鼠類型（0—健康大鼠，1—T1D大鼠）。擬合的呼吸丙酮回歸方程為

式中：y為呼吸丙酮，x1為大鼠類型，x2為血液BHB濃度?；貧w模型的決定系數(shù)R2=0.684，其具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。表2所示，證明血液BHB濃度（回歸系數(shù)為1.05）和大鼠類型（回歸系數(shù)為0.43）是大鼠呼吸丙酮的主要影響因素，而BG濃度和體質(zhì)量對(duì)大鼠呼吸丙酮濃度無顯著影響（P＞0.05）。

為進(jìn)一步驗(yàn)證T1D大鼠呼吸丙酮對(duì)于血液BHB的預(yù)測能力，額外選取了10只健康大鼠與10只T1D大鼠進(jìn)行呼吸丙酮的測定（圖12）。結(jié)果顯示其相關(guān)系數(shù)r=0.95，表明該模型具有良好的血液BHB預(yù)測能力。

3 結(jié) 論

本研究使用基于CRDS的呼吸丙酮分析儀測定了T1D大鼠和健康大鼠呼吸氣體中的丙酮含量。該呼吸丙酮分析儀的準(zhǔn)確性經(jīng)過了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）的驗(yàn)證。經(jīng)口腔插管法與氣管切開法比較后，選擇口腔插管法對(duì)大鼠進(jìn)行呼吸氣體的采集。

采用20只T1D大鼠和18只健康大鼠，采集與測定了其呼吸樣本呼吸丙酮的含量，并同時(shí)測定了BG和血液BHB濃度。結(jié)果顯示，T1D大鼠組的呼吸丙酮、BG和血液BHB濃度與健康大鼠組比較，其差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。T1D大鼠和健康大鼠的呼吸丙酮含量與血液BHB濃度呈顯著正相關(guān)性，而T1D大鼠的呼吸丙酮含量與BG呈顯著負(fù)相關(guān)性。但是，當(dāng)T1D大鼠的BG趨向正常值時(shí)（接受胰島素治療），其呼吸丙酮和BG的關(guān)系即由負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)為弱正相關(guān)；此外，健康大鼠的呼吸丙酮濃度與BG濃度無相關(guān)性。多元線性回歸分析顯示，T1D大鼠的呼吸丙酮可用于其血液BHB濃度的預(yù)測，并使用額外的10只健康大鼠和10只T1D大鼠對(duì)此回歸模型進(jìn)行了驗(yàn)證。該結(jié)果與近期一項(xiàng)涉及人類T1D患者的研究結(jié)果相符[9]，但仍需更大樣本的進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖10 T1D大鼠和健康大鼠呼吸丙酮與BHB關(guān)系

圖11 大鼠呼吸丙酮與BHB連續(xù)6 h的變化關(guān)系

表2 BHB結(jié)果的多元回歸分析

注：BHB—β-羥基丁酸

圖12 1型糖尿病大鼠血液β-羥基丁酸回歸曲線驗(yàn)證

本研究進(jìn)一步證明了使用大鼠動(dòng)物模型進(jìn)行呼吸氣體研究是可行的。因T1D動(dòng)物模型比人類受試者的標(biāo)準(zhǔn)化更好（生理差異?。沂褂们凰ナ幒粑治鰞x檢測速度快，無需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量樣本分析。因此，使用T1D大鼠模型和腔衰蕩呼吸分析法進(jìn)行呼吸分析，有助于解決呼吸氣體分析中定量關(guān)系的問題。

利益沖突 無

（圖1～5見插頁5-5、5-6）

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Correlations of breath acetone with blood glucose and blood beta-hydroxybutyrate using type 1 diabetic ratmodel

Yuan Yuan,Chen Zhuying,Huang He,Zhao Xiaomeng,Wang Zhennan,Sun Meixiu
Institute of Biomedical Engineering,Chinese Academy of Medical Sciences&Peking Union Medical College,Tianjin 300192,China

Sun Meixiu，Email：meixiu_sun@126.com

Objective The breath acetone is a potential biomarker for diabetic diagnosis,because some of type 2 and type 1 diabetic(T1D)patients frequently experience ketosis.This paper aims to study the correlations of breath acetone with blood glucose(BG)and blood beta-hydroxybutyrate(BHB)using T1D rat model.Methods Breath acetone values from the 20 T1D and 18 healthy rats were determined using a cavity ringdown spectroscopy based breath analyzer.Simultaneous BG and blood BHB levels were also measured.Results The results showed that breath acetone,BG,and blood BHB in the T1D rat group all have significant difference with that in the healthy rat group(P＜0.05).A significant positive relationship between breath acetone and blood BHB was found to exist in both the T1D and healthy rats,and a significant negative relationship between breath acetone and BG was found in the T1D rats.However,the relationship between breath acetone and BG shifts from negative to weakly positive when T1D rats were treated by insulin.No correlation between breath acetone and BG was found in the healthy rats.The multiple linear regression analysis revealed that breath acetone had the predictive nature for blood BHB in T1D rats,and the predictable ability of the model was verified by testing the breath acetone and simultaneous blood BHB from additional 10 healthy rats and 10 T1D rats.Conclusions The findings of this study suggest the usage of rat model is feasible and may help address the question of quantitative correlations in human breath analysis.

Breath analysis; Cavity ringdown spectroscopy; Diabetic rat model; Breath acetone; Blood glucose;Beta-hydroxybutyrate

孫美秀，Email:meixiu_sun@126.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4181.2016.05.002

國家自然科學(xué)基金（81471701）

2016-09-11）