Test del chetone respiratorio: Un nuovo biomarcatore per la diagnosi e il monitoraggio terapeutico della chetosi diabetica

Abstract

Sfondo. L’acetone, l’acido β-idrossibutirrico e l’acido acetoacetico sono tre tipi di corpi chetonici che possono essere trovati nel respiro, nel sangue e nelle urine. Rilevare concentrazioni alterate di chetoni nel respiro, nel sangue e nelle urine è fondamentale per la diagnosi e il trattamento della chetosi diabetica. Lo scopo di questo studio era di valutare i vantaggi dei diversi metodi di rilevamento dei chetoni e di stabilire se il rilevamento della concentrazione di chetoni nell’alito è una tecnica efficace e pratica. Metodi. Abbiamo misurato le concentrazioni di acetone nel respiro utilizzando la gascromatografia-spettrometria di massa e il β-idrossibutirrato nel sangue raccolto da 99 pazienti con diabete assegnati ai gruppi 1 (-), 2 (±), 3 (+), 4 (++), o 5 (+++) secondo le concentrazioni di chetoni urinari. Risultati. C’erano forti relazioni tra la glicemia a digiuno, l’età e la chetosi diabetica. La concentrazione di acetone esalato era significativamente correlata alle concentrazioni di glucosio nel sangue a digiuno, chetoni nel sangue e nelle urine, LDL-C, creatinina e azoto ureico nel sangue. Conclusioni. Il test del respiro per i chetoni ha un’alta sensibilità e specificità e sembra essere un metodo non invasivo, conveniente e ripetibile per la diagnosi e il monitoraggio terapeutico della chetosi diabetica.

1. Introduzione

La chetoacidosi diabetica (DKA) è una condizione pericolosa per la vita che si verifica prevalentemente in pazienti con nuova diagnosi di diabete mellito di tipo 1 ed è una conseguenza della mancanza di produzione di insulina da parte delle cellule pancreatiche, ma può anche verificarsi in pazienti con diabete di tipo 2 con una concentrazione di glucosio nel sangue mal controllata o altre malattie. La chetosi diabetica e la chetoacidosi sono principalmente causate da una mancanza di insulina o da un aumento inappropriato della concentrazione di glucagone nel sangue che porta allo squilibrio di zucchero, proteine, grassi, acqua, elettroliti e acido-base. L’identificazione di un metodo di test con alta sensibilità e specificità faciliterebbe la diagnosi precoce e il trattamento della chetosi diabetica.

I corpi chetonici sono prodotti quando il fegato metabolizza gli acidi grassi, tra cui acetone, β-idrossibutirrato e acido acetoacetico: il β-idrossibutirrato può essere convertito in acido acetoacetico e rappresenta il 78% di tutti i chetoni nel corpo, seguito da acido acetoacetico (20%) e acetone (2%). Clinicamente, quando si fa la diagnosi di DKA, la concentrazione di chetoni nel sangue è generalmente dedotta dalla concentrazione di chetoni urinari. I metodi di rilevamento comunemente usati per i chetoni urinari sono più sensibili all’acido acetoacetico che all’acetone, ma meno sensibili al β-idrossibutirrato, che appare più precocemente nella DKA, spiegando perché i pazienti con DKA possono non avere concentrazioni rilevabili di chetoni nelle loro urine. L’escrezione urinaria dei chetoni può anche essere compromessa nei pazienti con disfunzione renale. Si può sostenere che la rilevazione dei chetoni urinari non è un mezzo adeguato per diagnosticare la DKA.

È disponibile un esame del sangue che misura la concentrazione di β-idrossibutirrato nel siero, ma c’è stato un grande interesse nello sviluppo di mezzi per misurare la concentrazione di chetoni nel respiro, come strumento diagnostico conveniente e non invasivo che potrebbe anche guidare gli interventi terapeutici. La presenza di acetone nel respiro è nota da tempo per essere correlata ai corpi chetonici nel plasma. L’acetoacetato può essere decarbossilato per produrre acetone volatile, inoltre il punto di ebollizione dell’acetoacetato e dell’acido β-idrossibutirrico nel respiro esalato è più alto dell’acetone, con il contenuto relativamente piccolo e difficile da rilevare, quindi abbiamo scelto le concentrazioni di acetone come un predittore di chetosi diabetica. Abbiamo valutato i vantaggi dei vari metodi di rilevamento ed esplorato il valore clinico del rilevamento dell’acetone nel respiro nella diagnosi e nel trattamento della chetosi diabetica.

2. Materiali e metodi

2.1. Partecipanti

Novantanove pazienti con diabete (49 maschi e 50 femmine; range di età: 11-85 anni) sono stati reclutati dal Dipartimento di Endocrinologia del Secondo Ospedale dell’Università di Jilin a Changchun, Cina. Secondo il foglietto illustrativo della rilevazione dei chetoni urinari, i cambiamenti di colore di -, ±, +, ++ e +++ corrispondono a concentrazioni di 0 mmol/L, 0,5 mmol/L, 1,5 mmol/L, 3,9 mmol/L e 7,8 mmol/L, rispettivamente. I pazienti sono stati assegnati in 5 gruppi sulla base della concentrazione urinaria di chetoni: gruppo 1 (-), chetone urinario registrato come negativo, 9 maschi e 10 femmine (); gruppo 2 (±), chetone urinario registrato come leggermente positivo, 7 maschi e 9 femmine (); gruppo 3 (+), chetone urinario registrato come positivo, 14 maschi e 11 femmine (); gruppo 4 (++), chetone urinario registrato come moderatamente positivo, 9 maschi e 10 femmine (); e gruppo 5 (+++), chetone urinario registrato come fortemente positivo, 10 maschi e 10 femmine (). Il protocollo dello studio è stato approvato dal comitato etico del secondo ospedale dell’università di Jilin, e il consenso scritto è stato ottenuto da tutti i soggetti prima della raccolta del respiro.

2.2. Criteri di inclusione

Il diabete mellito di tipo 2 è stato diagnosticato secondo i criteri diagnostici dell’OMS del 1999. I pazienti con diabete gestazionale, diabete mellito complicante la gravidanza e diabete secondario sono stati esclusi.

2.3. Misurazione della concentrazione di chetoni

Sono stati ottenuti campioni di sangue fresco dalla punta delle dita e la concentrazione ematica di β-idrossibutirrato è stata misurata utilizzando un dispositivo Optium Xceed (Abbott, USA): utilizzando il cutoff suggerito dal produttore di >0,5 mmol/L è stato considerato positivo. Abbiamo utilizzato sacchetti di alluminio da 3 L per raccogliere il respiro esalato dei partecipanti, che sono stati analizzati entro 5 giorni. Tre campioni di respiro esalato sono stati ottenuti da ogni soggetto. La concentrazione di acetone è stata determinata nel respiro usando la gascromatografia-spettrometria di massa (GC/MS). L’operazione è stata eseguita secondo le istruzioni. Il controllo di qualità del respiro esalato è stato descritto nel nostro articolo pubblicato. Una concentrazione ≥1,0 ppmv è stata considerata positiva. Sono state misurate anche le concentrazioni di chetoni urinari e sono state registrate le caratteristiche demografiche e cliniche dei pazienti.

2.4. Analisi statistica

Tutti i dati sono stati elaborati statisticamente utilizzando il software SPSS (versione 17; IBM, New York, NY, USA) e riportati come media ± deviazione standard (SD). I confronti intergruppo sono stati eseguiti utilizzando i test – per i dati normalmente distribuiti e i test non parametrici per i dati che non erano normalmente distribuiti. L’analisi della varianza è stata utilizzata per i confronti tra più gruppi. I dati categorici sono stati analizzati utilizzando i test chi-quadro ed espressi come casi positivi e rapporti costituenti (%). L’analisi di correlazione è stata eseguita per esaminare la forza delle relazioni tra le variabili. È stata costruita una curva ROC (receiver operating characteristic) per determinare il valore di cut-off ottimale della concentrazione di acetone esalato e del chetone urinario, e sono state calcolate sensibilità e specificità. Per tutte le analisi statistiche sono stati utilizzati test a due facce. Un valore < 0,05 è stato considerato statisticamente significativo.

3. Risultati

3.1. Caratteristiche demografiche e cliniche dei partecipanti

I dati demografici e clinici sono riportati nella tabella 1. La concentrazione di glucosio nel sangue a digiuno (FBG) all’ammissione era significativamente più alta nel gruppo 5 rispetto ai gruppi 1, 2, 3, e 4 (, , e , resp.), ma non c’erano differenze tra i gruppi da 1 a 4. I pazienti del gruppo 5 erano significativamente più giovani di quelli dei gruppi da 1 a 3 (, , e , resp.), e i pazienti del gruppo 4 erano anche più giovani di quelli del gruppo 2 (), ma non c’erano differenze statisticamente significative nell’età tra gli altri gruppi. Inoltre, non c’erano differenze significative nel sesso, nell’indice di massa corporea, nell’emoglobina A1c (HbA1c), nel colesterolo totale (TC), nei trigliceridi (TG), nel colesterolo delle lipoproteine a bassa densità (LDL-C), colesterolo delle lipoproteine ad alta densità (HDL-C), aspartato aminotransferasi (AST), alanina aminotransferasi (ALT), creatinina (Cr) e concentrazione di azoto ureico nel sangue (BUN) tra uno dei cinque gruppi.

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. La concentrazione ematica di β-idrossibutirrato era significativamente più alta nei gruppi 4 e 5 rispetto ai gruppi da 1 a 3 (, , e , resp., e , , e , resp.) e più alta nel gruppo 5 rispetto al gruppo 4 (), ma non c’erano differenze tra i gruppi da 1 a 3. La concentrazione respiratoria di acetone era più alta nel gruppo 4 rispetto ai gruppi 1 e 3 ( e , resp.) e più alta nel gruppo 5 rispetto ai gruppi da 1 a 4 (, , e , resp.), ma non c’erano differenze tra gli altri gruppi. La concentrazione di β-idrossibutirrato nel sangue era positiva nel 6,7%, 14,3%, 43,5%, 71,4% e 89,5% dei casi, rispettivamente, nei gruppi da 1 a 5, e la concentrazione di acetone esalato era positiva nel 18,8%, 20%, 60%, 80% e 92,9% dei casi, rispettivamente, nei gruppi da 1 a 5 (tabella 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). L’area sotto la curva (AUC) era 0,815 (), e la concentrazione di cut-off del chetone urinario per la diagnosi di chetosi diabetica era 2,7 mmol/L, con una sensibilità e specificità del 63,6% e 85,7%, rispettivamente.

Figura 2

Curva caratteristica operativa (ROC) per l’acetone esalato e la concentrazione di chetone urinario per la diagnosi di chetosi diabetica.

4. Discussione

La chetoacidosi può verificarsi in pazienti con diabete di tutte le età. Uno studio austriaco ha indicato che l’incidenza della DKA era negativamente correlata all’età. Klingensmith e colleghi hanno riportato che l’età più giovane, la mancanza di assicurazione sanitaria privata e l’eredità ancestrale afroamericana sono fattori di rischio indipendenti per la DKA. Nel nostro studio, i pazienti più giovani e con una maggiore concentrazione di FBG tendevano ad essere fortemente positivi per i chetoni urinari, il che è coerente con i dati riportati.

Il rilevamento del respiro esalato è stato utilizzato per diagnosticare la malattia metabolica e monitorare il trattamento per molti anni. Le tecniche utilizzate per rilevare questi composti nell’alito esalato si basano sulla spettrometria di massa, ad esempio, la spettrometria di massa a reazione di trasferimento protonico, la spettrometria di massa con tubo a flusso ionico selezionato e la spettroscopia ad anello di cavità. La concentrazione di acetone del respiro è associata al metabolismo del glucosio e alla lipolisi. Studi precedenti hanno dimostrato una stretta correlazione tra le concentrazioni di chetoni rilasciati dalla pelle e livelli di sangue. La concentrazione di acetone nell’alito è anche riportata come elevata nel diabete mellito di tipo 2, e può essere utilizzata per diagnosticare l’insorgenza del diabete. Abbiamo usato il metodo GC/MS per rilevare l’acetone esalato, che è in grado di rilevare oltre 200 costituenti del respiro esalato ed è altamente sensibile ai tipici composti organici volatili. Nel nostro studio l’analisi di correlazione ha dimostrato che la concentrazione di acetone esalato era significativamente associata alla concentrazione di chetoni urinari, alla concentrazione di FBG, LDL-C, Cr e BUN nel sangue. L’acetone esalato forse è un indice migliore nel riflettere i cambiamenti della glicemia, e il test dell’acetone esalato è un metodo semplice e non invasivo, che dovrebbe essere un indicatore promettente del monitoraggio della glicemia in futuro.

Quando la concentrazione di β-idrossibutirrato nel sangue è servita come standard nel nostro studio per valutare la sensibilità e la specificità dell’acetone esalato e del chetone urinario, la sensibilità e la specificità dell’acetone esalato erano rispettivamente del 90,9% e del 77,1%. Tuttavia, la sensibilità e la specificità del chetone urinario erano rispettivamente del 63,6% e dell’85,7%. Questi risultati dimostrano che la specificità dell’acetone esalato è simile al chetone urinario, ma la sua sensibilità è superiore a quella dei chetoni urinari. Inoltre, il test per il β-idrossibutirrato del sangue e l’acetone esalato è ancora positivo nel gruppo negativo al corpo chetonico urinario; la proporzione è 6,7% e 18,8%, rispettivamente. Quindi la concentrazione di chetoni nelle urine potrebbe non essere un predittore tempestivo della chetosi diabetica precoce. Il test dei chetoni nel sangue e nell’espirazione aiuta ad eliminare i falsi risultati negativi. Un altro valore potenziale per il test dei chetoni del respiro è che è fortemente influenzato da fattori fisiologici diversi dalla dieta. Nel presente metodo, la concentrazione di acetone esalato superiore a 1,185 ppmv è stata trovata in pazienti affetti da chetosi diabetica; la rilevazione richiede solo una semplice preparazione e nessun solvente organico. L’analisi dell’acetone esalato si dimostra un metodo non invasivo, conveniente, sensibile e senza solventi e potrebbe essere applicato per diagnosticare e monitorare la gravità della chetosi diabetica. Tuttavia, la tecnica è ancora preliminare e il suo ampio uso clinico richiede ulteriori ottimizzazioni.

Conflitto di interessi

Gli autori dichiarano di non avere relazioni finanziarie e personali con altre persone o organizzazioni. Dichiarano anche che non c’è conflitto di interessi riguardo alla pubblicazione di questo articolo.

Riconoscimenti

Questo studio è stato sostenuto dal NSFC Grant (no. 30971398 e no. 81170746) e dal Norman Bethune Program della Jilin University (no. 2012214).