Testování ketonů v dechu: Nový biomarker pro diagnostiku a terapeutické monitorování diabetické ketózy

Abstrakt

Odůvodnění. Aceton, kyselina β-hydroxymáselná a kyselina acetoctová jsou tři typy ketolátek, které lze nalézt v dechu, krvi a moči. Zjištění změněných koncentrací ketonů v dechu, krvi a moči má zásadní význam pro diagnostiku a léčbu diabetické ketózy. Cílem této studie bylo zhodnotit výhody různých metod detekce ketolátek a zjistit, zda je detekce koncentrace ketolátek v dechu účinnou a praktickou technikou. Metody. Měřili jsme koncentraci acetonu v dechu pomocí plynové chromatografie s hmotnostní spektrometrií a β-hydroxybutyrátu v krvi z prstu odebrané 99 pacientům s diabetem zařazeným do skupin 1 (-), 2 (±), 3 (+), 4 (++) nebo 5 (+++) podle koncentrace ketolátek v moči. Výsledky. Byl zjištěn silný vztah mezi glykemií nalačno, věkem a diabetickou ketózou. Koncentrace vydechovaného acetonu významně korelovala s koncentracemi glukózy v krvi nalačno, ketonů v krvi a moči, LDL-C, kreatininu a dusíku močoviny v krvi. Závěry. Dechový test na ketony má vysokou citlivost a specifičnost a zdá se, že je neinvazivní, pohodlnou a opakovatelnou metodou pro diagnostiku a terapeutické sledování diabetické ketózy.

1. Úvod

Diabetická ketoacidóza (DKA) je život ohrožující stav, který se vyskytuje převážně u pacientů s nově diagnostikovaným diabetes mellitus 1. typu a je důsledkem nedostatečné produkce inzulínu buňkami ostrůvků pankreatu, ale může se vyskytnout i u pacientů s diabetem 2. typu se špatně kontrolovanou koncentrací glukózy v krvi nebo jinými onemocněními . Diabetická ketóza a ketoacidóza jsou způsobeny především nedostatkem inzulínu nebo nepřiměřeným zvýšením koncentrace glukagonu v krvi, což vede k nerovnováze cukrů, bílkovin, tuků, vody, elektrolytů a acidobazické rovnováhy. Určení testovací metody s vysokou citlivostí a specifičností by usnadnilo včasnou diagnostiku a léčbu diabetické ketózy.

Ketonová tělíska vznikají při metabolismu mastných kyselin v játrech, včetně acetonu, β-hydroxybutyrátu a kyseliny acetoctové: β-hydroxybutyrát lze přeměnit na kyselinu acetoctovou a tvoří 78 % všech ketonů v těle, následuje kyselina acetoctová (20 %) a aceton (2 %). Klinicky se při stanovení diagnózy DKA koncentrace ketolátek v krvi obvykle odvozuje od koncentrace ketolátek v moči. Běžně používané metody detekce močových ketonů jsou citlivější na kyselinu acetoctovou než na aceton, ale méně citlivé na β-hydroxybutyrát, který se u DKA objevuje nejdříve – což vysvětluje, proč pacienti s DKA nemusí mít v moči detekovatelné koncentrace ketonů. Vylučování ketolátek močí může být také narušeno u pacientů s poruchou funkce ledvin. Lze tvrdit, že detekce ketolátek v moči není vhodným prostředkem pro diagnostiku DKA.

K dispozici je krevní test, který měří koncentraci β-hydroxybutyrátu v séru, ale velký zájem byl o vývoj prostředků pro měření koncentrace ketolátek v dechu jako vhodného a neinvazivního diagnostického nástroje, který by mohl být také vodítkem pro terapeutické intervence. Již dlouho je známo, že přítomnost acetonu v dechu koreluje s ketolátky v plazmě. Acetoacetát může být dekarboxylován za vzniku těkavého acetonu, kromě toho je bod varu acetoacetátu a kyseliny β-hydroxymáselné ve vydechovaném dechu vyšší než acetonu, přičemž obsah je relativně malý a obtížně zjistitelný, proto jsme zvolili koncentraci acetonu jako prediktor diabetické ketózy. Zhodnotili jsme výhody různých detekčních metod a prozkoumali klinickou hodnotu detekce acetonu v dechu při diagnostice a léčbě diabetické ketózy.

2. Materiál a metody

2.1. Metody detekce acetonu v dechu. Účastníci

Devadesát devět pacientů s diabetem (49 mužů a 50 žen; věkové rozmezí: 11-85 let) bylo rekrutováno z endokrinologického oddělení Druhé nemocnice Jilinské univerzity v Changchunu v Číně. Podle příbalového letáku pro detekci ketolátek v moči odpovídají barevné změny -, ±, +, ++ a +++ koncentracím 0 mmol/l, 0,5 mmol/l, 1,5 mmol/l, 3,9 mmol/l a 7,8 mmol/l v uvedeném pořadí. Pacienti byli na základě koncentrace ketolátek v moči rozděleni do 5 skupin: Skupina 1 (-), močový keton zaznamenán jako negativní, 9 mužů a 10 žen (); skupina 2 (±), močový keton zaznamenán jako mírně pozitivní, 7 mužů a 9 žen (); skupina 3 (+), močový keton zaznamenán jako pozitivní, 14 mužů a 11 žen (); skupina 4 (++), močový keton zaznamenán jako středně pozitivní, 9 mužů a 10 žen (); a skupina 5 (+++), močový keton zaznamenán jako silně pozitivní, 10 mužů a 10 žen (). Protokol studie byl schválen etickou komisí Druhé nemocnice Jilinské univerzity a před odběrem dechu byl od všech subjektů získán písemný souhlas.

2.2. Kritéria zařazení

Diabetes mellitus 2. typu byl diagnostikován podle diagnostických kritérií WHO z roku 1999 . Pacientky s gestačním diabetem, diabetem mellitem komplikujícím těhotenství a sekundárním diabetem byly vyloučeny.

2.3. Měření koncentrace ketolátek

Byly odebrány čerstvé vzorky krve z konečků prstů a koncentrace β-hydroxybutyrátu v krvi byla změřena pomocí přístroje Optium Xceed (Abbott, USA): za pozitivní byla považována výrobcem navržená mezní hodnota >0,5 mmol/l . Ke sběru vydechovaného dechu účastníků jsme používali fóliové sáčky o objemu 3 l, které byly analyzovány do 5 dnů. Od každého účastníka byly získány tři vzorky vydechovaného dechu. Koncentrace acetonu v dechu byla stanovena pomocí plynové chromatografie s hmotnostní spektrometrií (GC/MS). Operace byla provedena podle návodu. Kontrola kvality vydechovaného dechu byla popsána v naší publikované práci . Koncentrace ≥ 1,0 ppmv byla považována za pozitivní. Byly rovněž měřeny koncentrace ketolátek v moči a zaznamenány demografické a klinické charakteristiky pacientů.

2.4. Zjišťování koncentrace ketolátek v moči. Statistická analýza

Všechna data byla statisticky zpracována pomocí softwaru SPSS (verze 17; IBM, New York, NY, USA) a uvedena jako průměr ± směrodatná odchylka (SD). Meziskupinová srovnání byla provedena pomocí -testů pro normálně rozdělená data a neparametrických testů pro data, která nebyla normálně rozdělena. Pro porovnání více skupin byla použita analýza rozptylu. Kategoriální údaje byly analyzovány pomocí chí-kvadrát testů a vyjádřeny jako pozitivní případy a poměry složek (%). Pro zkoumání síly vztahů mezi proměnnými byla provedena korelační analýza. Pro stanovení optimální hraniční hodnoty koncentrace vydechovaného acetonu a močového ketonu byla sestrojena křivka ROC (receiver operating characteristic) a vypočtena senzitivita a specificita. Pro všechny statistické analýzy byly použity oboustranné testy. Za statisticky významnou byla považována hodnota < 0,05.

3. Výsledky

3.1. Analýza a hodnocení výsledků Demografické a klinické charakteristiky účastníků

Demografické a klinické údaje jsou uvedeny v tabulce 1. Koncentrace glukózy v krvi nalačno (FBG) při přijetí byla významně vyšší ve skupině 5 než ve skupinách 1, 2, 3 a 4 (, , a , resp. ), ale nebyly zjištěny žádné rozdíly mezi skupinami 1 až 4. Pacienti ve skupině 5 byli významně mladší než pacienti ve skupinách 1 až 3 (, , a , resp. ) a pacienti ve skupině 4 byli rovněž mladší než pacienti ve skupině 2 (), ale mezi ostatními skupinami nebyly zjištěny žádné statisticky významné rozdíly ve věku. Dále nebyly zjištěny žádné významné rozdíly v pohlaví, indexu tělesné hmotnosti, krevním hemoglobinu A1c (HbA1c), celkovém cholesterolu (TC), triglyceridech (TG), cholesterolu v lipoproteinech o nízké hustotě (LDL-C), cholesterolu s vysokou hustotou lipoproteinů (HDL-C), aspartátaminotransferázy (AST), alaninaminotransferázy (ALT), kreatininu (Cr) a koncentrace dusíku močoviny v krvi (BUN) mezi kteroukoli z pěti skupin.

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. Koncentrace β-hydroxybutyrátu v krvi byla signifikantně vyšší u skupin 4 a 5 než u skupin 1 až 3 (, , a , resp. , a , , a , a , resp. ) a vyšší u skupiny 5 než u skupiny 4 (), ale nebyly zjištěny žádné rozdíly mezi skupinami 1 až 3. Koncentrace acetonu v dechu byla vyšší u skupiny 4 než u skupin 1 a 3 (, a , resp. ) a vyšší u skupiny 5 než u skupin 1 až 4 (, , a , a , resp. ), ale nebyly zjištěny žádné rozdíly mezi ostatními skupinami. Koncentrace β-hydroxybutyrátu v krvi byla pozitivní v 6,7 %, 14,3 %, 43,5 %, 71,4 %, resp. 89,5 % případů ve skupinách 1 až 5 a koncentrace acetonu ve výdechu byla pozitivní v 18,8 %, 20 %, 60 %, 80 %, resp. 92,9 % případů ve skupinách 1 až 5 (tabulka 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). Plocha pod křivkou (AUC) byla 0,815 () a hraniční koncentrace močového ketonu pro diagnostiku diabetické ketózy byla 2,7 mmol/l se senzitivitou 63,6 % a specificitou 85,7 %.

Obrázek 2

Křivka ROC (Receiver operating characteristic) pro vydechovaný aceton a koncentraci ketonu v moči pro diagnostiku diabetické ketózy.

4. Diskuse

Ketoacidóza se může vyskytnout u pacientů s diabetem všech věkových kategorií . Rakouská studie ukázala, že výskyt DKA negativně koreluje s věkem . Klingensmith a jeho kolegové uvedli, že mladší věk, absence soukromého zdravotního pojištění a afroamerický původ jsou nezávislými rizikovými faktory DKA . V naší studii měli mladší pacienti a vyšší koncentrace FBG tendenci být silně pozitivní na ketony v moči, což je v souladu s uváděnými údaji.

Detekce ve vydechovaném dechu se používá k diagnostice metabolického onemocnění a monitorování léčby již mnoho let . Techniky používané k detekci těchto sloučenin ve vydechovaném dechu jsou založeny na hmotnostní spektrometrii, například hmotnostní spektrometrii s reakcí protonového přenosu, hmotnostní spektrometrii s vybranými iontovými průtokovými trubicemi , a spektroskopii s dutinovým prstencem. Koncentrace acetonu v dechu souvisí s metabolismem glukózy a lipolýzou . Předchozí studie prokázaly úzkou souvislost mezi koncentracemi ketonů uvolňovaných z kůže a hladinami v krvi . Uvádí se také, že koncentrace acetonu v dechu je zvýšená u diabetu mellitu 2. typu a lze ji použít k diagnostice vzniku diabetu . K detekci vydechovaného acetonu jsme použili metodu GC/MS, která je schopna detekovat více než 200 složek vydechovaného dechu a je vysoce citlivá na typické těkavé organické sloučeniny. V naší studii korelační analýza prokázala, že koncentrace vydechovaného acetonu významně souvisí s koncentrací ketolátek v moči, koncentrací FBG, LDL-C, Cr a BUN v krvi. Promptní vydechovaný aceton možná lépe odráží změny glykémie a vyšetření vydechovaného acetonu je neinvazivní, jednoduchá metoda, která by se v budoucnu měla stát slibným ukazatelem monitorování glykémie.

Když v naší studii sloužila koncentrace β-hydroxybutyrátu v krvi jako standard pro hodnocení citlivosti a specifičnosti vydechovaného acetonu a ketonu v moči, byla citlivost a specifičnost vydechovaného acetonu 90,9 % a 77,1 %. Senzitivita a specificita ketonu v moči však byla 63,6 % a 85,7 %. Tyto výsledky ukazují, že specificita vydechovaného acetonu je podobná jako u ketonu v moči, ale jeho citlivost je vyšší než u ketonu v moči. Kromě toho je testování na β-hydroxybutyrát v krvi a vydechovaný aceton stále pozitivní ve skupině s negativními ketolátky v moči; podíl je 6,7 % a 18,8 %. Koncentrace ketolátek v moči tedy nemusí být včasným prediktorem časné diabetické ketózy. Vyšetření krve a vydechovaných ketonů pomáhá eliminovat falešně negativní výsledky . Další potenciální hodnota testování dechových ketonů spočívá v tom, že je silně ovlivněno jinými fyziologickými faktory než stravou . V současné metodě byla u pacientů s diabetickou ketózou zjištěna koncentrace vydechovaného acetonu vyšší než 1,185 ppmv; detekce vyžaduje pouze jednoduchou přípravu a žádné organické rozpouštědlo. Analýza vydechovaného acetonu se ukazuje jako neinvazivní, pohodlná, citlivá a bezrozpouštědlová metoda a mohla by být použita k diagnostice a monitorování závažnosti diabetické ketózy. Technika je však zatím předběžná a její široké klinické využití vyžaduje další optimalizaci.

Konflikt zájmů

Autoři prohlašují, že nemají žádné finanční a osobní vztahy s jinými osobami nebo organizacemi. Rovněž prohlašují, že v souvislosti s publikací tohoto článku nedošlo ke střetu zájmů.

Poděkování

Tato studie byla podpořena grantem NSFC (č. 30971398 a č. 81170746) a programem Normana Bethuna na Jilinské univerzitě (č. 2012214).