Atem-Keton-Test: Ein neuer Biomarker für die Diagnose und therapeutische Überwachung der diabetischen Ketose

Abstract

Hintergrund. Aceton, β-Hydroxybuttersäure und Acetessigsäure sind drei Arten von Ketonkörpern, die in der Atemluft, im Blut und im Urin gefunden werden können. Der Nachweis veränderter Ketonkörperkonzentrationen in der Atemluft, im Blut und im Urin ist entscheidend für die Diagnose und Behandlung der diabetischen Ketose. Ziel dieser Studie war es, die Vorteile verschiedener Nachweismethoden für Ketone zu bewerten und festzustellen, ob der Nachweis der Ketonkonzentration in der Atemluft eine wirksame und praktische Technik ist. Methoden. Wir haben die Acetonkonzentration in der Atemluft mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie und die β-Hydroxybutyratkonzentration im Fingerspitzenblut von 99 Diabetikern gemessen, die anhand der Ketonkonzentration im Urin den Gruppen 1 (-), 2 (±), 3 (+), 4 (++) oder 5 (+++) zugeordnet wurden. Ergebnisse. Es gab starke Zusammenhänge zwischen dem Nüchternblutzucker, dem Alter und der diabetischen Ketose. Die ausgeatmete Acetonkonzentration korrelierte signifikant mit den Konzentrationen von Nüchternblutzucker, Ketonen im Blut und Urin, LDL-C, Kreatinin und Blut-Harnstoff-Stickstoff. Schlussfolgerungen. Der Atemtest auf Ketone hat eine hohe Sensitivität und Spezifität und scheint eine nicht-invasive, bequeme und wiederholbare Methode für die Diagnose und therapeutische Überwachung der diabetischen Ketose zu sein.

1. Einleitung

Die diabetische Ketoazidose (DKA) ist ein lebensbedrohlicher Zustand, der vor allem bei Patienten mit neu diagnostiziertem Typ-1-Diabetes mellitus auftritt und eine Folge der mangelnden Insulinproduktion durch die Inselzellen der Bauchspeicheldrüse ist, aber auch bei Patienten mit Typ-2-Diabetes mit schlecht eingestellter Blutzuckerkonzentration oder anderen Erkrankungen auftreten kann. Diabetische Ketose und Ketoazidose werden hauptsächlich durch einen Mangel an Insulin oder einen unangemessenen Anstieg der Glukagonkonzentration im Blut verursacht, der zu einem Ungleichgewicht von Zucker, Eiweiß, Fett, Wasser, Elektrolyten und Säure-Basen führt. Die Identifizierung einer Testmethode mit hoher Sensitivität und Spezifität würde die frühzeitige Diagnose und Behandlung der diabetischen Ketose erleichtern.

Ketonkörper entstehen, wenn die Leber Fettsäuren verstoffwechselt, darunter Aceton, β-Hydroxybutyrat und Acetessigsäure: β-Hydroxybutyrat kann in Acetessigsäure umgewandelt werden und macht 78% aller Ketone im Körper aus, gefolgt von Acetessigsäure (20%) und Aceton (2%). Klinisch wird bei der Diagnose einer DKA im Allgemeinen von der Ketonkonzentration im Blut auf die Ketonkonzentration im Urin geschlossen. Gängige Nachweismethoden für Ketone im Urin sind empfindlicher für Acetessigsäure als für Aceton, aber weniger empfindlich für β-Hydroxybutyrat, das bei DKA am frühesten auftritt – was erklärt, warum Patienten mit DKA möglicherweise keine nachweisbaren Ketonkonzentrationen im Urin haben. Die Ketonausscheidung im Urin kann auch bei Patienten mit Nierenfunktionsstörungen beeinträchtigt sein. Es kann argumentiert werden, dass der Nachweis von Ketonen im Urin kein geeignetes Mittel zur Diagnose einer DKA ist.

Ein Bluttest, der die Konzentration von β-Hydroxybutyrat im Serum misst, steht zur Verfügung, aber es gab ein großes Interesse an der Entwicklung von Mitteln zur Messung der Ketonkonzentration in der Atemluft als bequemes und nicht-invasives Diagnoseinstrument, das auch therapeutische Maßnahmen leiten könnte. Es ist seit langem bekannt, dass das Vorhandensein von Aceton in der Atemluft mit den Ketonkörpern im Plasma korreliert. Acetoacetat kann decarboxyliert werden, um flüchtiges Aceton zu erzeugen, außerdem ist der Siedepunkt von Acetoacetat und β-Hydroxybuttersäure in der ausgeatmeten Luft höher als der von Aceton, wobei der Gehalt relativ gering und schwer nachweisbar ist, so dass wir die Acetonkonzentrationen als Prädiktor der diabetischen Ketose gewählt haben. Wir haben die Vorteile verschiedener Nachweisverfahren bewertet und den klinischen Wert des Aceton-Atemnachweises bei der Diagnose und Behandlung der diabetischen Ketose untersucht.

2. Materialien und Methoden

2.1. Teilnehmer

Neunundneunzig Patienten mit Diabetes (49 Männer und 50 Frauen; Altersspanne: 11-85 Jahre) wurden aus der Abteilung für Endokrinologie des zweiten Krankenhauses der Jilin-Universität in Changchun, China, rekrutiert. Gemäß der Packungsbeilage des Urinketon-Nachweises entsprechen Farbveränderungen von -, ±, +, ++ und +++ den Konzentrationen von 0 mmol/L, 0,5 mmol/L, 1,5 mmol/L, 3,9 mmol/L bzw. 7,8 mmol/L. Die Patienten wurden auf der Grundlage der Ketonkonzentration im Urin in 5 Gruppen eingeteilt: Gruppe 1 (-), Ketonwerte im Urin negativ, 9 Männer und 10 Frauen (); Gruppe 2 (±), Ketonwerte im Urin leicht positiv, 7 Männer und 9 Frauen (); Gruppe 3 (+), Ketonwerte im Urin positiv, 14 Männer und 11 Frauen (); Gruppe 4 (++), Urin-Keton wurde als mäßig positiv registriert, 9 Männer und 10 Frauen (); und Gruppe 5 (+++), Urin-Keton wurde als stark positiv registriert, 10 Männer und 10 Frauen (). Das Studienprotokoll wurde von der Ethikkommission des Zweiten Krankenhauses der Universität Jilin genehmigt, und von allen Probanden wurde vor der Atemsammlung eine schriftliche Zustimmung eingeholt.

2.2. Einschlusskriterien

Typ-2-Diabetes mellitus wurde nach den WHO-Diagnosekriterien von 1999 diagnostiziert. Patienten mit Schwangerschaftsdiabetes, Diabetes mellitus als Komplikation der Schwangerschaft und sekundärem Diabetes wurden ausgeschlossen.

2.3. Messung der Ketonkonzentration

Es wurden frische Blutproben aus der Fingerspitze entnommen, und die Blutkonzentration von β-Hydroxybutyrat wurde mit einem Optium Xceed (Abbott, USA) gemessen, wobei der vom Hersteller empfohlene Grenzwert von >0,5 mmol/L als positiv angesehen wurde. Wir verwendeten 3-L-Folienbeutel, um die Ausatemluft der Teilnehmer zu sammeln, die innerhalb von 5 Tagen analysiert wurde. Von jedem Probanden wurden drei Proben der Ausatemluft entnommen. Die Acetonkonzentration in der Atemluft wurde mittels Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC/MS) bestimmt. Die Durchführung erfolgte gemäß den Anweisungen. Die Qualitätskontrolle der ausgeatmeten Atemluft wurde in unserem veröffentlichten Artikel beschrieben. Eine Konzentration ≥1,0 ppmv wurde als positiv angesehen. Auch die Ketonkonzentration im Urin wurde gemessen, und die demografischen und klinischen Merkmale der Patienten wurden erfasst.

2.4. Statistische Analyse

Alle Daten wurden mit der SPSS-Software (Version 17; IBM, New York, NY, USA) statistisch verarbeitet und als Mittelwert ± Standardabweichung (SD) angegeben. Vergleiche zwischen den Gruppen wurden mit Hilfe von Tests für normalverteilte Daten und nichtparametrischen Tests für nicht normalverteilte Daten durchgeführt. Für Mehrgruppenvergleiche wurde die Varianzanalyse verwendet. Kategoriale Daten wurden mit Hilfe von Chi-Quadrat-Tests analysiert und als positive Fälle und Verhältnis der Bestandteile (%) ausgedrückt. Die Korrelationsanalyse wurde durchgeführt, um die Stärke der Beziehungen zwischen den Variablen zu untersuchen. Es wurde eine ROC-Kurve (Receiver Operating Characteristic) erstellt, um den optimalen Grenzwert für die Konzentration des ausgeatmeten Acetons und des Ketons im Urin zu bestimmen, und es wurden Sensitivität und Spezifität berechnet. Für alle statistischen Analysen wurden zweiseitige Tests verwendet. Ein Wert < 0,05 wurde als statistisch signifikant angesehen.

3. Ergebnisse

3.1. Demographische und klinische Merkmale der Teilnehmer

Demographische und klinische Daten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Nüchternblutzuckerkonzentration (FBG) bei der Aufnahme war in Gruppe 5 signifikant höher als in den Gruppen 1, 2, 3 und 4 (, , bzw. ,), aber es gab keine Unterschiede zwischen den Gruppen 1 bis 4. Die Patienten in Gruppe 5 waren signifikant jünger als die in den Gruppen 1 bis 3 (, , bzw. ,), und die Patienten in Gruppe 4 waren auch jünger als die in Gruppe 2 (), aber es gab keine statistisch signifikanten Unterschiede im Alter zwischen den anderen Gruppen. Darüber hinaus gab es keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf Geschlecht, Body-Mass-Index, Hämoglobin A1c (HbA1c), Gesamtcholesterin (TC), Triglyceride (TG), Lipoproteincholesterin niedriger Dichte (LDL-C), High-Density-Lipoprotein-Cholesterin (HDL-C), Aspartat-Aminotransferase (AST), Alanin-Aminotransferase (ALT), Kreatinin (Cr) und Blut-Harnstoff-Stickstoff-Konzentration (BUN) zwischen einer der fünf Gruppen.

3.2. Comparison of Blood and Breath Concentrations of Ketones

Concentrations of blood β-hydroxybutyrate and exhaled acetone are shown in Table 2 and Figure 1. Die Blutkonzentration von β-Hydroxybutyrat war in den Gruppen 4 und 5 signifikant höher als in den Gruppen 1 bis 3 (, , bzw. , und , , bzw. ,) und in der Gruppe 5 höher als in der Gruppe 4 (), aber es gab keine Unterschiede zwischen den Gruppen 1 bis 3. Die Acetonkonzentration in der Atemluft war in der Gruppe 4 höher als in den Gruppen 1 und 3 (, bzw. ,) und in der Gruppe 5 höher als in den Gruppen 1 bis 4 (, , , bzw. ,), aber es gab keine Unterschiede zwischen den anderen Gruppen. Die β-Hydroxybutyrat-Konzentration im Blut war in 6,7 %, 14,3 %, 43,5 %, 71,4 % bzw. 89,5 % der Fälle in den Gruppen 1 bis 5 positiv, und die Aceton-Konzentration in der Ausatmung war in 18,8 %, 20 %, 60 %, 80 % bzw. 92,9 % der Fälle in den Gruppen 1 bis 5 positiv (Tabelle 3).

(a) Blood β-hydroxybutyrate concentrations

(b) Exhaled acetone concentrations , #

(a) Blood β-hydroxybutyrate concentrations
(b) Exhaled acetone concentrations , #

Figure 1

Blood β-hydroxybutyrate and exhaled acetone concentrations in patients with increasing concentrations of urinary ketones.

3.3. Correlation of Urinary Ketone Concentration with Exhaled Breath Acetone

The exhaled acetone concentration was significantly correlated with the concentrations of FBG (, ), blood β-hydroxybutyrate (, ), urinary ketone concentration (, ), LDL-C (, ), Cr (, ), and BUN (, ) (Table 4).

3.4. Exhaled Acetone Concentration as a Predictor of Diabetic Ketosis

Concentrations of blood β-hydroxybutyrate served as the standard to assess the sensitivity and specificity of exhaled acetone for detection of diabetic ketosis (Figure 2). The area under the curve (AUC) was 0.905 (), and the cut-off concentration of exhaled acetone for diagnosis of diabetic ketosis was 1.185 ppmv, with a sensitivity and specificity of 90.9% and 77.1%, respectively. Concentrations of blood β-hydroxybutyrate served as the standard to assess the sensitivity and specificity of urinary ketone for detection of diabetic ketosis (Figure 2). Die Fläche unter der Kurve (AUC) betrug 0,815 (), und die Cut-off-Konzentration von Urinketon für die Diagnose einer diabetischen Ketose lag bei 2,7 mmol/L, mit einer Sensitivität und Spezifität von 63,6 % bzw. 85,7 %.

Abbildung 2

Receiver operating characteristic (ROC) curve for exhaled acetone and urinary ketone concentration for the diagnosis of diabetic ketosis.

4. Diskussion

Ketoazidose kann bei Patienten mit Diabetes jeden Alters auftreten. Eine Studie aus Österreich zeigte, dass die Inzidenz der DKA negativ mit dem Alter korreliert. Klingensmith und Kollegen haben berichtet, dass jüngeres Alter, fehlende private Krankenversicherung und afroamerikanische Vorfahren unabhängige Risikofaktoren für DKA sind. In unserer Studie waren jüngere Patienten und höhere FBG-Konzentrationen tendenziell stark positiv für Ketone im Urin, was mit den berichteten Daten übereinstimmt.

Der Nachweis von Atemluft wird seit vielen Jahren zur Diagnose von Stoffwechselkrankheiten und zur Überwachung der Behandlung eingesetzt. Die Techniken zum Nachweis dieser Verbindungen in der Ausatemluft basieren auf der Massenspektrometrie, z. B. der Protonentransferreaktions-Massenspektrometrie, der Massenspektrometrie mit ausgewählten Ionenflussröhren und der Cavity-Ring-Down-Spektroskopie. Die Acetonkonzentration in der Atemluft wird mit dem Glukosestoffwechsel und der Lipolyse in Verbindung gebracht. Frühere Studien haben eine enge Korrelation zwischen den Konzentrationen der aus der Haut freigesetzten Ketone und den Blutspiegeln gezeigt. Die Acetonkonzentration in der Atemluft ist Berichten zufolge auch bei Diabetes mellitus Typ 2 erhöht und kann zur Diagnose des Ausbruchs von Diabetes verwendet werden. Wir haben die GC/MS-Methode zum Nachweis von ausgeatmetem Aceton verwendet, mit der mehr als 200 Bestandteile der ausgeatmeten Luft nachgewiesen werden können und die sehr empfindlich für typische flüchtige organische Verbindungen ist. In unserer Studie zeigte die Korrelationsanalyse, dass die Konzentration des ausgeatmeten Acetons signifikant mit der Ketonkonzentration im Urin sowie den Konzentrationen von FBG, LDL-C, Cr und BUN im Blut verbunden war. Prompt ausgeatmetes Aceton ist möglicherweise ein besserer Index, um die Veränderungen des Blutzuckerspiegels widerzuspiegeln, und die Prüfung auf ausgeatmetes Aceton ist eine nicht-invasive, einfache Methode, die in Zukunft ein vielversprechender Indikator für die Blutzuckerkontrolle sein dürfte.

Wenn die Konzentration von β-Hydroxybutyrat im Blut in unserer Studie als Standard diente, um die Sensitivität und Spezifität von ausgeatmetem Aceton und Urinketon zu bewerten, lagen die Sensitivität und Spezifität von ausgeatmetem Aceton bei 90,9 % bzw. 77,1 %. Die Sensitivität und Spezifität von Urinketon lag jedoch bei 63,6 % bzw. 85,7 %. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Spezifität des ausgeatmeten Acetons ähnlich ist wie die des Urinketons, seine Empfindlichkeit jedoch höher als die des Urinketons. Darüber hinaus ist der Test auf β-Hydroxybutyrat im Blut und das ausgeatmete Aceton in der Urinketonkörper-negativen Gruppe immer noch positiv; der Anteil beträgt 6,7 % bzw. 18,8 %. Die Urinketonkonzentration ist also möglicherweise kein rechtzeitiger Prädiktor für eine frühe diabetische Ketose. Blut- und Ausatemtests auf Ketone helfen, falsch negative Ergebnisse auszuschließen. Ein weiterer potenzieller Wert für die Ketonbestimmung in der Atemluft besteht darin, dass sie stark von anderen physiologischen Faktoren als der Ernährung beeinflusst wird. Bei der vorliegenden Methode wurde bei Patienten mit diabetischer Ketose eine Acetonkonzentration von mehr als 1,185 ppmv in der Ausatmung festgestellt; der Nachweis erfordert nur eine einfache Vorbereitung und kein organisches Lösungsmittel. Die Analyse des ausgeatmeten Acetons erweist sich als nichtinvasive, bequeme, empfindliche und lösungsmittelfreie Methode und könnte zur Diagnose und Überwachung des Schweregrads der diabetischen Ketose eingesetzt werden. Die Technik ist jedoch noch vorläufig, und ihre breite klinische Anwendung erfordert eine weitere Optimierung.

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen oder persönlichen Beziehungen zu anderen Personen oder Organisationen haben. Sie erklären auch, dass es keinen Interessenkonflikt in Bezug auf die Veröffentlichung dieser Arbeit gibt.

Danksagungen

Diese Studie wurde durch den NSFC Grant (Nr. 30971398 und Nr. 81170746) und das Norman Bethune Programm der Jilin Universität (Nr. 2012214) unterstützt.