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能量代謝測量技術應用于生物醫學健康研究
發布時間： 2020-09-01 點擊次數： 3417次健康是人類永恒的話題。疫情的爆發讓所有人都倍加關注健康問題。致死率較高的多為患有基礎代謝性慢性病患者以及代謝衰退的老年個體，而健康的青少年卻很少死亡，因而有專家提出可以通過提高能量代謝水平來預防抵抗冠狀病毒。據科學家推測，病毒大概率來自具備高能量代謝率而不發病的蝙蝠，但具體起源于何種動物，或經過中間什么動物跨物種傳播到人的生態學機制目前還不清楚。
人類活動、氣候變化、環境污染…，不同種類動物的生態位擴張造成病原體跨物種接觸進化，進而威脅人群健康。人類自身的生活方式、營養狀況、競爭壓力等長期因素造成機體代謝異常甚至個體突發死亡。
典型應用一 營養與健康
Jennifer, H, Stern,et al,. The influence of shc proteins on the whole body energetic response to calorie restriction initiated in 3-month-old mice.[J]. Isrn Nutrition, 2014.
越來越多的證據表明，Shc蛋白在能量代謝中發揮作用，之前曾報道過，Shc蛋白的敲除會影響18個月大的小鼠對急性（3天）卡路里限制（CR）的能量反應。Shc蛋白是否在年輕小鼠對CR的代謝反應中發揮作用，尚不明。因此，本研究試圖確定3天和長期（2個月）CR對3個月大的Shc敲除（ShcKO）和野生型（WT）小鼠的能量消耗（EE）和呼吸商（RQ）的影響。3天熱量限制CR的ShckO小鼠單位體重能量消耗EE減少（P<0.001），而在WT動物中沒有觀察到這種變化。但是，2個月熱量限制CR的ShcKO和 WT小鼠單位體重EE均減少（P < 0.001），ShcKO和WT小鼠在CR的3天或2個月的體重沒有差異。與脂肪酸氧化增加一致，2個月的CR只有ShcKO小鼠24小時RQ降低（P<0.001），表明他們能夠保持增加脂肪酸氧化的時間比WT小鼠更長。這些結果表明，Shc蛋白可能有助于一些對CR的能量開支響應。
文中實驗采用SSI實驗動物代謝測量系統測量動物的日總能量消耗DEE，并得到24小時的呼吸商，見下FIGURE2。實驗前動物先經過24小時的呼吸室適應，以及氣體分析儀的校正。
因各種因素導致肥胖并使用SSI模塊式呼吸代謝系統或Foxbox便攜式能量代謝儀的部分案例如下：
A high salt diet inhibits obesity and delays puberty in the female rat[J]. Pitynski-Miller D , Ross M , Schmill M , et al. International Journal of Obesity, 2017.
Myricetin-induced brown adipose tissue activation prevents obesity and insulin resistance in db/db mice. Hu T, Yuan X, Wei G, Luo H,Lee HJ, Jin W. Eur J Nutr. 2018.57(1):391-403.
Short-term menthol treatment promotes persistent thermogenesis without induction of compensatory food consumption in Wistar rats: implications for obesity control[J]. Lillo V R C , Motzko-Soares A C P , Marchini A G , et al. Journal of Applied Physiology, 2018, 124(3):672-683.
典型應用二 運動、康復與健康
Denize KM, Akbari P, da Silva DF, Haman F, Adamo KB. Greater energy demand of exercise during pregnancy does not impact mechanical efficiency. Appl Physiol Nutr Metab. 2020;45(5):493-499.
建議孕婦每周進行150分鐘的中等強度的體育活動，以減少妊娠并發癥。許多婦女在整個懷孕期間難以保持身體活動，對于婦女是否采用一種效率較低的運動模式，在懷孕和經歷妊娠體重增加過程中，并沒有達成共識。本文中使用SSI便攜面罩式能量代謝系統測量孕婦在靜息和不同運動強度下的能量代謝，并研究孕婦的能量投入、活動體能和機械行為效率。
研究結果表明，孕婦可以安全地進行身體活動，行走機械效率在低到中等強度不變。運動期間的能量需求與懷孕三個月的體重增加成正比。然而，在低強度到中等強度的行走中，機械效率保持不變。
上圖左為對照個體、孕早期、孕中期、孕后期的靜息能量消耗比較，上圖右對照個體、孕早期、孕中期、孕后期個體在21分鐘標準運動任務后的活動能量消耗情況。*表明結果有顯著性差異。
Askew G N , Mcfarlane L A , Minetti A E , et al. Energy cost of ambulation in trans-tibial amputees using a dynamic-response foot with hydraulic versus rigid 'ankle': insights from body centre of mass dynamics[J]. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 2019, 16(1).
運動動力學中的不對稱可能需要更高的代謝成本維持運動。降低運動代謝成本，步態對稱性一直是，而且仍然是假肢設計發展的關鍵標準。可以說，重要的假肢開發是引入動態反應腳（DRF）：有時被稱為“能量儲存和提供”智能足具。
文中利用 SSI 能量代謝測量技術監測佩戴假肢參與者的 靜息氧氣消耗和二氧化碳產量，以及不同行走速度、不同姿勢角度的代謝參數。呼吸交換比率（RER）均小于1，表示有氧代謝，并用來評估人體移動的能量投入成本，得到人體運 動、穩態、站立能量代謝率，以及人體運動的靜能值和比率。研究結果表明，使用含有小型被動液壓腳踝裝置的DRF將改善代謝能量消耗和運動學，因此應能為單側脛骨截肢患者的日常運動提供臨床上的科學指導，尤其是那些需要以各種速度和不同地形行走的人。
典型應用三 環境衛生與健康
Daoud, Amani, Harper,et al,. Four-week cold acclimation in adult humans shifts uncoupling thermogenesis from skeletal muscles to brown adipose tissue[J]. Journal of Physiology, 2017.
人類急性寒冷暴露期間的肌肉熱發生不僅僅限于顫抖，還包括質子泄漏的冷誘導增加。肌肉氧化磷酸化的效率隨著冷適應而提高，這表明減少質子泄漏可減少肌肉熱生成。此外，隨著BAT容量和活性的增加，顫抖強度降低。這些變化發生在全身熱生成中沒有凈差異。文中實驗采用一種可持久進行的帶水汽稀釋校正的間接熱量測量系統（SSI面罩式呼吸代謝）測量各代謝參數，并應用背景基線技術校正分析儀的漂移，得到人體蛋白質、碳水化合物和脂肪的氧化速率。
肌肉活動與人體代謝產熱之間的關系
類似的研究，Shivering modulation in humans: Effects of rapid changes in environmental temperature[J]. Imbeault, Marie-Andrée, Mantha, Olivier L et al., Journal of Thermal Biology, 2013, 38(8):582-587.
在寒冷暴露期間，熱產量的增加是通過激活顫抖的熱發生和無顫抖熱發生而產生的，前者是非適應性人類補償熱產生的主要因素。在大鼠身上，已經證明顫抖的熱發生*由皮膚熱受體調節，但這種調制尚未在人類身上研究。
加拿大渥太華大學健康科學學院科研人員利用SSI高分辨率人體能量代謝測量技術，以及使用液體空調服，讓6名未適應的男性暴露于寒冷（6°C）中30分鐘，每個男性分開熱暴露（33°C）15分鐘。在整個暴露過程中，核心溫度保持穩定，而與基線相比，連續冷熱暴露期間皮膚溫度平均顯著下降12%。在6°C暴露期間，抖動強度和代謝率顯著增加。重要的是，在33°C的接觸中，顫抖可以迅速和強烈地抑制，盡管皮膚溫度通常保持在基線值以下。
人體能量代謝與核心體溫、體表溫度、顫抖強度的相互關系
典型應用四 腸道菌群與健康
The gut microbiome regulates host glucose homeostasis via peripheral serotonin. Alyce M. Martin, et al. PNAS. 2019,September 16.
腸道微生物群是宿主代謝方面的既定調節器，如葡萄糖處理。盡管腸道微生物群對宿主葡萄糖平衡產生了已知影響，但基本機制尚不清楚。澳大利亞弗林德斯大學健康與醫學研究所，加拿大McMaster University醫學院內分泌學和代謝系，代謝、肥胖和糖尿病研究中心等機構研究認為，失調的腸道菌群可通過分泌次級膽汁酸刺激腸壁細胞大量分泌“快樂激素”——5-羥色胺，進而升高血糖水平，使得患者長期處于持續高血糖狀態，導致糖尿病的發生發展。文中能量消耗試驗是通過SSI實驗動物能量代謝監測系統評估小鼠氧氣消耗，二氧化碳排放、氣體呼吸交換比率和休息能量消耗。
能量消耗（D）和呼吸交換比率（E）
類似以果蠅為模型的案例見：Dietary nutrient balance shapes phenotypic traits of Drosophila melanogaster in interaction with gut microbiota. Y.Henry, J.Overgaard, H.Colinet. Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 2020,Volume 241. 文中實驗使用16通道果蠅呼吸代謝系統研究果蠅的呼吸代謝情況，如下圖呼吸商、氧氣消耗等。
典型應用五 動物源性傳染病與健康
Díez-Fernández, A., Martínez-de la Puente, J., Gangoso, L., López, P., Soriguer, R., Martín, J., & Figuerola, J. (2020). Mosquitoes are attracted by the odour of Plasmodium-infected birds. International Journal for Parasitology. doi:10.1016/j.ijpara.2020.03.013
根據宿主操縱假說，寄生蟲操縱宿主的表型，以增加其傳播成功率。本文的研究結果支持宿主操縱假說，鳥類瘧原蟲可能改變宿主的體味，從而使受感染的個體對蚊子更具吸引力。
文中使用SSI測量技術并發表了新的技術，詳細的技術配置及使用請見內容部分。類似的研究如：Kaiser, M. L., Duncan, F. D., & Brooke, B. D. (2014). Embryonic Development and Rates of Metabolic Activity in Early and Late Hatching Eggs of the Major Malaria Vector Anopheles gambiae. PLoS ONE, 9(12), e114381.
WHITE-NOSE SYNDROME AND IMMUNE RESPONSES IN A RESISTANT BAT SPECIES (EPTESICUS FUSCUS)[J], Naffa K S.2019.
本實驗通過SSI能量代謝技術測量了冬眠期的代謝率喚醒/遲鈍的模式（Fig3），以及利用敏感的數據記錄器記錄體溫（Fig2），研究了易感真菌Psuedogymnoascus destructans（Pd）患有WNS疾病蝙蝠免疫系統反應可能導致新陳代謝率的提高以使蝙蝠更頻繁地醒來。假設抗藥性蝙蝠不會產生免疫反應，但是如果它們真的產生免疫反應作為回應，假設蝙蝠接種了Pd并用抗炎藥治療治療不會對感染產生反應，終會保留脂肪儲備并降低冬眠期間的代謝消耗。
其它蝙蝠的高代謝率研究案例見O'Mara M T , Wikelski M , Voigt C C , et al. Cyclic bouts of extreme bradycardia counteract the high metabolism of frugivorous bats[J]. Elife, 2017, 6:e26686.
需要說明的是，在人畜共患病領域，北京易科泰公司可以提供任何媒介動物（含人體）的呼吸代謝測量技術方案，以及創新性的應用項目，如Knibbs, L. D., Morawska, L., Bell, S. C., & Grzybowski, P. (2011). Room ventilation and the risk of airborne infection transmission in 3 health care settings within a large teaching hospital. American Journal of Infection Control, 39(10), 866–872.
典型應用六 任何動物、創新實驗與健康部分案例
Schweizer RM, Velotta JP, Ivy CM, Jones MR, Muir SM, et al. (2019) Physiological and genomic evidence that selection on the transcription factor Epas1 has altered cardiovascular function in high-altitude deer mice. PLOS Genetics 15(11): e1008420
Hatfield, S. M., Kjaergaard, J., Lukashev, D., Schreiber, T. H., Belikoff, B., Abbott, R., … Sitkovsky, M. V. (2015). Immunological mechanisms of the antitumor effects of supplemental oxygenation. Science Translational Medicine, 7(277), 277ra30–277ra30.
St-Cyr, S., Abuaish, S., Welch, K.C. et al. Maternal predator odour exposure programs metabolic responses in adult offspring. Sci Rep 8, 8077 (2018).
Samer A S , Dominique G , Jean-Pierre C , et al. Maximal Oxygen Consumption Is Reduced in Aquaporin-1 Knockout Mice[J]. Frontiers in Physiology, 2016, 7.
分子動態模擬表明，AQP1 和AQP4蛋白可以介導CO2 和O2通過他們的中心孔進行氣體交換。法國國家衛生與醫學研究所&國家輸血研究所、 德國漢諾威獸醫大學動物學研究所、德國漢諾威醫學院分子和細胞生理學系、丹麥奧爾堡大學衛生科學和技術系等機構聯合研究認為敲除AQP1的小鼠大耗氧量降低。試驗中動物血液中的血氧飽和度監測可使用便攜式RF-O2熒光光纖氧氣測量儀記錄，動物個體的大耗氧量（VO2max）采用高分辨率、高性價比的便攜式Foxbox主機監測，具體配置示意圖如下Fig1，也可咨詢易科泰提供更科學的詳細配置方案。
