Breath Ketone Testing: A New Biomarker for Diagnosis and Therapeutic Monitoring of Diabetic Ketosis

Abstract

Achtergronden. Aceton, β-hydroxyboterzuur en acetoazijnzuur zijn drie soorten ketonlichamen die kunnen worden aangetroffen in de adem, het bloed en de urine. Het opsporen van veranderde concentraties ketonen in de adem, het bloed en de urine is van cruciaal belang voor de diagnose en behandeling van diabetische ketose. Het doel van deze studie was de voordelen van verschillende detectiemethoden voor ketonen te evalueren, en vast te stellen of detectie van de concentratie van ketonen in de adem een effectieve en praktische techniek is. Methoden. Wij maten de concentraties van aceton in de adem met behulp van gaschromatografie-massaspectrometrie en β-hydroxybutyraat in vingertopbloed afgenomen bij 99 patiënten met diabetes, ingedeeld in groep 1 (-), 2 (±), 3 (+), 4 (++), of 5 (+++) volgens de urine ketonconcentraties. Resultaten. Er waren sterke verbanden tussen nuchtere bloedglucose, leeftijd, en diabetische ketose. De uitgeademde acetonconcentratie correleerde significant met de nuchtere bloedglucoseconcentraties, ketonen in het bloed en de urine, LDL-C, creatinine, en bloedureumstikstof. Conclusies. Ademtests voor ketonen hebben een hoge sensitiviteit en specificiteit en lijken een niet-invasieve, gemakkelijke en herhaalbare methode voor de diagnose en therapeutische controle van diabetische ketose.

1. Inleiding

Diabetische ketoacidose (DKA) is een levensbedreigende aandoening die voornamelijk voorkomt bij patiënten met nieuw gediagnosticeerde diabetes mellitus type 1 en het gevolg is van een gebrek aan insulineproductie door pancreaseilandjescellen, maar het kan ook voorkomen bij patiënten met diabetes type 2 met een slecht gecontroleerde bloedglucoseconcentratie of andere ziekten . Diabetische ketose en ketoacidose worden hoofdzakelijk veroorzaakt door een tekort aan insuline of een ongepaste stijging van de glucagonconcentratie in het bloed, wat leidt tot een verstoring van het suiker-, eiwit-, vet-, water-, elektrolyten- en zuur-base-evenwicht. Het identificeren van een testmethode met hoge gevoeligheid en specificiteit zou de vroege diagnose en behandeling van diabetische ketose vergemakkelijken.

Ketonlichamen worden geproduceerd wanneer de lever vetzuren metaboliseert, waaronder aceton, β-hydroxybutyraat en acetoazijnzuur: β-hydroxybutyraat kan worden omgezet in acetoazijnzuur en is goed voor 78% van alle ketonen in het lichaam, gevolgd door acetoazijnzuur (20%) en aceton (2%). Bij het stellen van de diagnose DKA wordt de ketonconcentratie in het bloed doorgaans afgeleid uit de urineconcentratie. Gangbare detectiemethoden voor ketonen in de urine zijn gevoeliger voor acetoazijnzuur dan voor aceton, maar minder gevoelig voor β-hydroxybutyraat, dat bij DKA het vroegst wordt aangetroffen, hetgeen verklaart waarom patiënten met DKA soms geen detecteerbare ketonenconcentraties in hun urine hebben. De uitscheiding van ketonen in de urine kan ook verminderd zijn bij patiënten met nierdisfunctie. Er kan worden gesteld dat het opsporen van ketonen in de urine geen geschikt middel is om de diagnose DKA te stellen.

Er is een bloedtest beschikbaar die de concentratie van serum β-hydroxybutyraat meet, maar er is veel belangstelling voor het ontwikkelen van middelen om de concentratie van ketonen in de adem te meten, als een gemakkelijk en niet-invasief diagnostisch middel dat ook therapeutische interventies zou kunnen sturen. Het is al lang bekend dat de aanwezigheid van aceton in de adem gecorreleerd is met ketonlichamen in het plasma. Acetoacetaat kan worden gedecarboxyleerd om vluchtig aceton te produceren, bovendien is het kookpunt van acetoacetaat en β-hydroxyboterzuur in uitgeademde adem hoger dan aceton, waarbij de inhoud relatief klein en moeilijk te detecteren is, dus kiezen we de acetonconcentraties als voorspeller van diabetische ketose. We evalueerden de voordelen van verschillende detectiemethoden en onderzochten de klinische waarde van aceton ademdetectie in de diagnose en behandeling van diabetische ketose.

2. Materialen en Methoden

2.1. Deelnemers

Negentig patiënten met diabetes (49 mannen en 50 vrouwen; leeftijdsbereik: 11-85 jaar) werden gerekruteerd van de afdeling Endocrinologie van het Tweede Ziekenhuis van de Jilin Universiteit in Changchun, China. Volgens de bijsluiter van de urine keton detectie, komen kleurveranderingen van -, ±, +, ++, en +++ overeen met concentraties van respectievelijk 0 mmol/L, 0.5 mmol/L, 1.5 mmol/L, 3.9 mmol/L, en 7.8 mmol/L. De patiënten werden ingedeeld in 5 groepen op basis van de ketonconcentratie in de urine: groep 1 (-), urine keton geregistreerd als negatief, 9 mannen en 10 vrouwen (); groep 2 (±), urine keton geregistreerd als licht positief, 7 mannen en 9 vrouwen (); groep 3 (+), urine keton geregistreerd als positief, 14 mannen en 11 vrouwen (); groep 4 (++), gematigd positief voor keton in de urine, 9 mannen en 10 vrouwen (); en groep 5 (+++), sterk positief voor keton in de urine, 10 mannen en 10 vrouwen (). Het studieprotocol werd goedgekeurd door de Ethische Commissie van het Tweede Ziekenhuis van de Jilin Universiteit, en schriftelijke toestemming werd verkregen van alle proefpersonen vóór de ademhaling.

2.2. Inclusiecriteria

Type 2 diabetes mellitus werd gediagnosticeerd volgens de diagnostische criteria van de WHO uit 1999. Patiënten met zwangerschapsdiabetes, diabetes mellitus complicerende zwangerschap, en secundaire diabetes werden uitgesloten.

2.3. Meting van de Ketonconcentratie

Vers bloed werd afgenomen en de bloedconcentratie van β-hydroxybutyraat werd gemeten met een Optium Xceed (Abbott, USA) apparaat: met behulp van de door de fabrikant voorgestelde cutoff van >0,5 mmol/L werd beschouwd als positief. We gebruikten foliezakken van 3 liter om de uitgeademde lucht van de deelnemers te verzamelen, die binnen 5 dagen werden geanalyseerd. Van elke proefpersoon werden drie monsters uitgeademde lucht genomen. De concentratie aceton in de adem werd bepaald met gaschromatografie-massaspectrometrie (GC/MS). De bewerking werd uitgevoerd volgens de instructies. De kwaliteitscontrole van de uitgeademde lucht is beschreven in ons gepubliceerde artikel. Een concentratie ≥1,0 ppmv werd als positief beschouwd. Urinaire ketonconcentraties werden ook gemeten, en de demografische en klinische kenmerken van de patiënten werden geregistreerd.

2.4. Statistische analyse

Alle gegevens werden statistisch verwerkt met SPSS-software (versie 17; IBM, New York, NY, VS) en gerapporteerd als gemiddelde ± standaardafwijking (SD). Vergelijkingen tussen groepen werden uitgevoerd met behulp van -tests voor normaal verdeelde gegevens en niet-parametrische tests voor gegevens die niet normaal verdeeld waren. Variantieanalyses werden gebruikt voor vergelijkingen tussen meerdere groepen. Categoriale gegevens werden geanalyseerd met behulp van chi-kwadraattoetsen en uitgedrukt in positieve gevallen en verhoudingen van de bestanddelen (%). Correlatieanalyse werd uitgevoerd om de sterkte van de relaties tussen variabelen te onderzoeken. Er werd een “receiver operating characteristic” (ROC) curve geconstrueerd om de optimale afkapwaarde van de concentratie van uitgeademd aceton en het urine keton te bepalen, en de gevoeligheid en specificiteit werden berekend. Tweezijdige tests werden gebruikt voor alle statistische analyses. Een waarde < van 0,05 werd als statistisch significant beschouwd.

3. Resultaten

3.1. Demografische en klinische kenmerken van de deelnemers

Demografische en klinische gegevens staan vermeld in tabel 1. De nuchtere bloedglucoseconcentratie (FBG) bij opname was significant hoger in groep 5 dan in de groepen 1, 2, 3 en 4 (, , , en , resp.), maar er waren geen verschillen tussen de groepen 1 t/m 4. De patiënten in groep 5 waren significant jonger dan die in de groepen 1 t/m 3 (, , en , resp.), en de patiënten in groep 4 waren ook jonger dan die in groep 2 (), maar er waren geen statistisch significante verschillen in leeftijd tussen de andere groepen. Verder waren er geen significante verschillen in geslacht, body mass index, bloed hemoglobine A1c (HbA1c), totaal cholesterol (TC), triglyceride (TG), lage-densiteit lipoproteïne cholesterol (LDL-C), hoge-densiteit-lipoproteïnecholesterol (HDL-C), aspartaataminotransferase (AST), alanineaminotransferase (ALT), creatinine (Cr) en bloedureumstikstofconcentratie (BUN) tussen een van de vijf groepen.

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. De bloedconcentratie van β-hydroxybutyraat was significant hoger in de groepen 4 en 5 dan in de groepen 1 t/m 3 (, , en , resp., en , en , resp.) en hoger in groep 5 dan groep 4 (), maar er waren geen verschillen tussen de groepen 1 t/m 3. De ademconcentratie van aceton was hoger in groep 4 dan in de groepen 1 en 3 (, en , resp.) en hoger in groep 5 dan in de groepen 1 t/m 4 (, , en , resp.), maar er waren geen verschillen tussen de andere groepen. De concentratie β-hydroxybutyraat in het bloed was positief in respectievelijk 6,7%, 14,3%, 43,5%, 71,4% en 89,5% van de gevallen in de groepen 1 tot en met 5, en de concentratie aceton in de uitademing was positief in respectievelijk 18,8%, 20%, 60%, 80% en 92,9% van de gevallen in de groepen 1 tot en met 5 (tabel 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). Het gebied onder de curve (AUC) was 0,815 (), en de cut-off concentratie van urine keton voor de diagnose van diabetische ketose was 2,7 mmol/L, met een sensitiviteit en specificiteit van 63,6% en 85,7%, respectievelijk.

Figuur 2

Receiver operating characteristic (ROC) curve voor uitgeademd aceton en de urine ketonconcentratie voor de diagnose diabetische ketose.

4. Discussie

Ketoacidose kan voorkomen bij patiënten met diabetes van alle leeftijden . Een studie van Oostenrijkse gaf aan dat de incidentie van DKA negatief gecorreleerd was met leeftijd . Klingensmith en collega’s hebben gerapporteerd dat jongere leeftijd, gebrek aan particuliere ziektekostenverzekering, en Afro-Amerikaanse voorouderlijke erfgoed onafhankelijke risicofactoren zijn voor DKA . In onze studie, jongere patiënten en hogere FBG concentratie neiging om sterk positief voor urine ketonen, die consistent is met gegevens gerapporteerd.

Exhalatie adem detectie is gebruikt om metabole ziekte te diagnosticeren en de behandeling te controleren voor vele jaren . De technieken die worden gebruikt om deze verbindingen in uitgeademde lucht op te sporen zijn gebaseerd op massaspectrometrie, bijvoorbeeld proton transfer reaction massaspectrometrie, selected ion flow tube massaspectrometrie , en cavity ring down spectroscopie. De concentratie van ademaceton wordt in verband gebracht met glucosemetabolisme en lipolyse. Eerdere studies hebben aangetoond dat er een nauwe correlatie bestaat tussen de concentraties van ketonen die vrijkomen uit de huid en de bloedconcentraties. Adem aceton concentratie is ook gemeld te worden verhoogd in type 2 diabetes mellitus, en het kan worden gebruikt om het begin van diabetes te diagnosticeren . Wij gebruikten de GC/MS methode om uitgeademde aceton op te sporen, die meer dan 200 bestanddelen van uitgeademde lucht kan opsporen en zeer gevoelig is voor typische vluchtige organische verbindingen. In onze studie toonde correlatieanalyse aan dat de concentratie van uitgeademd aceton significant geassocieerd was met de ketonconcentratie in de urine, FBG-, LDL-C-, Cr-, en BUN-concentraties in het bloed. Prompt uitgeademd aceton is misschien een betere index in het weerspiegelen van de veranderingen van bloedglucose, en het testen op uitgeademd aceton is een niet-invasieve, eenvoudige methode, waarvan wordt verwacht dat het in de toekomst een veelbelovende indicator van bloedglucosecontrole zal zijn.

Wanneer de concentratie van bloed-β-hydroxybutyraat als standaard diende in onze studie om de gevoeligheid en specificiteit van uitgeademd aceton en urine keton te beoordelen, waren de gevoeligheid en specificiteit van uitgeademd aceton 90,9% en 77,1%, respectievelijk. De gevoeligheid en specificiteit van urine keton waren echter 63,6% en 85,7%, respectievelijk. Deze resultaten tonen aan dat de specificiteit van uitgeademd aceton vergelijkbaar is met die van urine keton, maar dat de gevoeligheid hoger is dan die van urine ketonen. Bovendien is het testen op bloed β-hydroxybutyraat en het uitgeademde aceton nog steeds positief in de urine keton lichaam negatieve groep; het aandeel is 6,7% en 18,8%, respectievelijk. De concentratie van urine ketonen is dus mogelijk geen tijdige voorspeller van vroege diabetische ketose. Testen op bloed en uitademing van ketonen helpt om vals-negatieve resultaten te elimineren . Een andere potentiële waarde voor het testen van ademketonen is dat het sterk beïnvloed wordt door andere fysiologische factoren dan voeding. In de huidige methode werd bij diabetische ketosepatiënten een concentratie uitgeademde aceton van meer dan 1,185 ppmv gevonden; de detectie vergt slechts een eenvoudige voorbereiding en geen organisch oplosmiddel. Uitgeademde acetonanalyse blijkt een niet-invasieve, geschikte, gevoelige en oplosmiddelvrije methode te zijn, die kan worden toegepast om de ernst van diabetische ketose te diagnosticeren en te controleren. De techniek is echter nog preliminair en het brede klinische gebruik ervan vereist verdere optimalisatie.

Conflict of Interests

De auteurs verklaren dat zij geen financiële en persoonlijke relaties hebben met andere personen of organisaties. Zij verklaren ook dat er geen belangenconflict is met betrekking tot de publicatie van dit artikel.

Acknowledgments

Deze studie werd ondersteund door de NSFC Grant (nr. 30971398 en nr. 81170746) en Norman Bethune Program van Jilin University (nr. 2012214).