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易科泰生态健康专题快讯 ——能量代谢测量技术应用于生物医学健康研究

易科泰生态健康专题快讯 ——能量代谢测量技术应用于生物医学健康研究

健康是人类永恒的话题。新冠疫情的爆发让所有人都倍加关注健康问题。新冠肺炎致死率较高的多为患有基础代谢性慢性病患者以及代谢衰退的老年个体,而健康的青少年却很少死亡,因而有专家提出可以通过提高能量代谢水平来预防抵抗冠状病毒。据科学家推测,新冠病毒大概率来自具备高能量代谢率而不发病的蝙蝠,但具体起源于何种动物,或经过中间什么动物跨物种传播到人的生态学机制目前还不清楚。

人类活动、气候变化、环境污染…,不同种类动物的生态位扩张造成病原体跨物种接触进化,进而威胁人群健康。人类自身的生活方式、营养状况、竞争压力等长期因素造成机体代谢异常甚至个体突发死亡。

典型应用一  营养与健康

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.

越来越多的证据表明,Shc蛋白在能量代谢中发挥作用,之前曾报道过,Shc蛋白的敲除会影响18个月大的小鼠对急性(3天)卡路里限制(CR)的能量反应。Shc蛋白是否在年轻小鼠对CR的代谢反应中发挥作用,尚不明。因此,本研究试图确定3天和长期(2个月)CR对3个月大的Shc敲除(ShcKO)和野生型(WT)小鼠的能量消耗(EE)和呼吸商(RQ)的影响。3天热量限制CR的ShckO小鼠单位体重能量消耗EE减少(P<0.001),而在WT动物中没有观察到这种变化。但是,2个月热量限制CR的ShcKO和 WT小鼠单位体重EE均减少(P < 0.001),ShcKO和WT小鼠在CR的3天或2个月的体重没有差异。与脂肪酸氧化增加一致,2个月的CR只有ShcKO小鼠24小时RQ降低(P<0.001),表明他们能够保持增加脂肪酸氧化的时间比WT小鼠更长。这些结果表明,Shc蛋白可能有助于一些对CR的能量开支响应。

文中实验采用SSI实验动物代谢测量系统测量动物的日总能量消耗DEE,并得到24小时的呼吸商,见下FIGURE2。实验前动物先经过24小时的呼吸室适应,以及气体分析仪的校正。

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因各种因素导致肥胖并使用SSI模块式呼吸代谢系统或Foxbox便携式能量代谢仪的部分案例如下:

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.

典型应用二  运动、康复与健康

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.

建议孕妇每周进行150分钟的中等强度的体育活动,以减少妊娠并发症。许多妇女在整个怀孕期间难以保持身体活动,对于妇女是否采用一种效率较低的运动模式,在怀孕和经历妊娠体重增加过程中,并没有达成共识。本文中使用SSI便携面罩式能量代谢系统测量孕妇在静息和不同运动强度下的能量代谢,并研究孕妇的能量投入、活动体能和机械行为效率。

研究结果表明,孕妇可以安全地进行身体活动,行走机械效率在低到中等强度不变。运动期间的能量需求与怀孕三个月的体重增加成正比。然而,在低强度到中等强度的行走中,机械效率保持不变。

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  上图左为对照个体、孕早期、孕中期、孕后期的静息能量消耗比较,上图右对照个体、孕早期、孕中期、孕后期个体在21分钟标准运动任务后的活动能量消耗情况。*表明结果有显著性差异。

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).

运动动力学中的不对称可能需要更高的代谢成本维持运动。降低运动代谢成本和最大化 步态对称性一直是,而且仍然是假肢设计发展的关键标准。可以说,最重要的假肢开发是引入动态反应脚(DRF):有时被称为“能量储存和提供”智能足具。

文中利用 SSI 能量代谢测量技术监测佩戴假肢参与者的 静息氧气消耗和二氧化碳产量,以及不同行走速度、不同姿势角度的代谢参数。呼吸交换比率(RER)均小于1,表示有氧代谢,并用来评估人体移动的能量投入成本,得到人体运 动、稳态、站立能量代谢率,以及人体运动的静能值和比率。研究结果表明,使用含有小型被动液压脚踝装置的DRF将改善代谢能量消耗和运动学,因此应能为单侧胫骨截肢患者的日常运动提供临床上的科学指导,尤其是那些需要以各种速度和不同地形行走的人。

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典型应用三  环境卫生与健康

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.

人类急性寒冷暴露期间的肌肉热发生不仅仅限于颤抖,还包括质子泄漏的冷诱导增加。肌肉氧化磷酸化的效率随着冷适应而提高,这表明减少质子泄漏可减少肌肉热生成。此外,随着BAT容量和活性的增加,颤抖强度降低。这些变化发生在全身热生成中没有净差异。文中实验采用一种可持久进行的带水汽稀释校正的间接热量测量系统(SSI面罩式呼吸代谢)测量各代谢参数,并应用专利性的背景基线技术校正分析仪的漂移,精确得到人体蛋白质、碳水化合物和脂肪的氧化速率。

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肌肉活动与人体代谢产热之间的关系

类似的研究,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.

在寒冷暴露期间,热产量的增加是通过激活颤抖的热发生和无颤抖热发生而产生的,前者是非适应性人类补偿热产生的主要因素。在大鼠身上,已经证明颤抖的热发生完全由皮肤热受体调节,但这种调制尚未在人类身上研究。

加拿大渥太华大学健康科学学院科研人员利用SSI高分辨率人体能量代谢测量技术,以及使用液体空调服,让6名未适应的男性暴露于寒冷(6°C)中30分钟,每个男性分开热暴露(33°C)15分钟。在整个暴露过程中,核心温度保持稳定,而与基线相比,连续冷热暴露期间皮肤温度平均显著下降12%。在6°C暴露期间,抖动强度和代谢率显著增加。最重要的是,在33°C的接触中,颤抖可以迅速和强烈地抑制,尽管皮肤温度通常保持在基线值以下。

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           人体能量代谢与核心体温、体表温度、颤抖强度的相互关系

典型应用四  肠道菌群与健康

The gut microbiome regulates host glucose homeostasis via peripheral serotonin. Alyce M. Martin, et al. PNAS. 2019,September 16.

肠道微生物群是宿主代谢方面的既定调节器,如葡萄糖处理。尽管肠道微生物群对宿主葡萄糖平衡产生了已知影响,但基本机制尚不清楚。澳大利亚弗林德斯大学健康与医学研究所,加拿大McMaster University医学院内分泌学和代谢系,代谢、肥胖和糖尿病研究中心等机构研究认为,失调的肠道菌群可通过分泌次级胆汁酸刺激肠壁细胞大量分泌“快乐激素”——5-羟色胺,进而升高血糖水平,使得患者长期处于持续高血糖状态,导致糖尿病的发生发展。文中能量消耗试验是通过SSI实验动物能量代谢监测系统评估小鼠氧气消耗,二氧化碳排放、气体呼吸交换比率和休息能量消耗。

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                能量消耗(D)和呼吸交换比率(E)

类似以果蝇为模型的案例见: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. 文中实验使用16通道果蝇呼吸代谢系统研究果蝇的呼吸代谢情况,如下图呼吸商、氧气消耗等。

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典型应用五  动物源性传染病与健康

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

根据宿主操纵假说,寄生虫操纵宿主的表型,以增加其传播成功率。本文的研究结果支持宿主操纵假说,鸟类疟原虫可能改变宿主的体味,从而使受感染的个体对蚊子更具吸引力。

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文中使用SSI测量技术并发表了最新的专利技术,详细的技术配置及使用请见专利内容部分。类似的研究如: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.

本实验通过SSI能量代谢技术测量了冬眠期的代谢率唤醒/迟钝的模式(Fig3),以及利用敏感的数据记录器记录体温(Fig2),研究了易感真菌Psuedogymnoascus destructans(Pd)患有WNS疾病蝙蝠免疫系统反应可能导致新陈代谢率的提高以使蝙蝠更频繁地醒来。假设抗药性蝙蝠不会产生免疫反应,但是如果它们真的产生免疫反应作为回应,假设蝙蝠接种了Pd并用抗炎药治疗治疗不会对感染产生反应,最终会保留脂肪储备并降低冬眠期间的代谢消耗。

其它蝙蝠的高代谢率研究案例见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.

需要说明的是,在人畜共患病领域,北京易科泰公司可以提供任何媒介动物(含人体)的呼吸代谢测量技术方案,以及创新性的应用项目,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.

典型应用六  任何动物、创新实验与健康部分案例

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.

分子动态模拟表明,AQP1 和AQP4蛋白可以介导CO2 和O2通过他们的中心孔进行气体交换。法国国家卫生与医学研究所&国家输血研究所、 德国汉诺威兽医大学动物学研究所、德国汉诺威医学院分子和细胞生理学系、丹麦奥尔堡大学卫生科学和技术系等机构联合研究认为敲除AQP1的小鼠最大耗氧量降低。试验中动物血液中的血氧饱和度监测可使用便携式RF-O2荧光光纤氧气测量仪记录,动物个体的最大耗氧量(VO2max)采用高分辨率、高性价比的便携式Foxbox主机监测,具体配置示意图如下Fig1,也可咨询易科泰提供更科学的详细配置方案。

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