Testarea cetonică a respirației: A New Biomarker for Diagnosis and Therapeutic Monitoring of Diabetic Ketosis

Abstract

Background. Acetona, acidul β-hidroxibutiric și acidul acetoacetic sunt trei tipuri de corpi cetonici care pot fi găsiți în respirație, sânge și urină. Detectarea concentrațiilor modificate de cetone în respirație, sânge și urină este crucială pentru diagnosticarea și tratamentul cetozei diabetice. Scopul acestui studiu a fost de a evalua avantajele diferitelor metode de detectare a cetonilor și de a stabili dacă detectarea concentrației de cetone în respirație este o tehnică eficientă și practică. Metode. Am măsurat concentrațiile de acetonă în respirație prin cromatografie în fază gazoasă-spectrometrie de masă și de β-hidroxibutirat în sângele de la vârful degetelor recoltat de la 99 de pacienți cu diabet zaharat repartizați în grupele 1 (-), 2 (±), 3 (+), 4 (++) sau 5 (+++) în funcție de concentrațiile de cetone urinare. Rezultate. Au existat relații puternice între glicemia la post, vârsta și cetoza diabetică. Concentrația de acetonă expirată s-a corelat semnificativ cu concentrațiile de glucoză din sânge la post, cetonele din sânge și urină, LDL-C, creatinina și azotul ureic din sânge. Concluzii. Testarea respirației pentru cetone are o sensibilitate și o specificitate ridicată și pare a fi o metodă neinvazivă, convenabilă și repetabilă pentru diagnosticul și monitorizarea terapeutică a cetozei diabetice.

1. Introducere

Cetoacidoza diabetică (DKA) este o afecțiune care pune în pericol viața, care apare cu precădere la pacienții cu diabet zaharat de tip 1 recent diagnosticat și este o consecință a lipsei de producție de insulină de către celulele insulare pancreatice, dar poate apărea și la pacienții cu diabet de tip 2 cu o concentrație de glucoză în sânge slab controlată sau alte boli . Cetoza diabetică și cetoacidoza sunt cauzate în principal de o lipsă de insulină sau de o creștere nepotrivită a concentrației de glucagon din sânge care duce la un dezechilibru al zahărului, proteinelor, grăsimilor, apei, electroliților și acido-bazei. Identificarea unei metode de testare cu sensibilitate și specificitate ridicată ar facilita diagnosticarea și tratamentul precoce al cetozei diabetice.

Corpii cetonici sunt produși atunci când ficatul metabolizează acizii grași, inclusiv acetona, β-hidroxibutiratul și acidul acetoacetic: β-hidroxibutiratul poate fi transformat în acid acetoacetic și reprezintă 78% din toate cetonele din organism, urmat de acidul acetoacetic (20%) și acetona (2%). Din punct de vedere clinic, atunci când se pune diagnosticul de DKA, concentrația cetonică din sânge este în general dedusă din concentrația cetonică urinară. Metodele de detectare utilizate în mod obișnuit pentru cetonele urinare sunt mai sensibile la acidul acetoacetic decât la acetonă, dar mai puțin sensibile la β-hidroxibutirat, care apare cel mai devreme în DKA – ceea ce explică de ce pacienții cu DKA pot să nu aibă concentrații detectabile de cetone în urină. Excreția urinară de cetone poate fi, de asemenea, afectată la pacienții cu disfuncție renală. Se poate argumenta că detectarea cetonilor urinari nu este un mijloc adecvat de diagnosticare a DKA.

Este disponibil un test de sânge care măsoară concentrația de β-hidroxibutirat seric, dar a existat un mare interes pentru dezvoltarea unor mijloace de măsurare a concentrației de cetone în respirație, ca un instrument de diagnostic convenabil și neinvaziv care ar putea, de asemenea, să ghideze intervențiile terapeutice. Se știe de mult timp că prezența acetonei în respirație este corelată cu prezența corpilor cetonici în plasmă. Acetoacetatul poate fi decarboxilat pentru a produce acetonă volatilă, pe lângă faptul că punctul de fierbere al acetoacetatului și al acidului β-hidroxibutiric din respirația expirată este mai mare decât cel al acetonei, conținutul fiind relativ mic și dificil de detectat, astfel încât am ales concentrațiile de acetonă ca factor de predicție a cetozei diabetice. Am evaluat avantajele diferitelor metode de detecție și am explorat valoarea clinică a detectării acetonei din respirație în diagnosticul și tratamentul cetozei diabetice.

2. Materiale și metode

2.1. Participanți

Nouăzeci și nouă de pacienți cu diabet (49 de bărbați și 50 de femei; interval de vârstă: 11-85 de ani) au fost recrutați de la Departamentul de Endocrinologie al celui de-al doilea spital al Universității Jilin din Changchun, China. Conform prospectului de detectare a cetonelor urinare, modificările de culoare de -, ±, +, ++ și +++ corespund unor concentrații de 0 mmol/L, 0,5 mmol/L, 1,5 mmol/L, 3,9 mmol/L și, respectiv, 7,8 mmol/L. Pacienții au fost repartizați în 5 grupe pe baza concentrației de cetone urinare: grupul 1 (-), cetonă urinară înregistrată ca fiind negativă, 9 bărbați și 10 femei (); grupul 2 (±), cetonă urinară înregistrată ca fiind ușor pozitivă, 7 bărbați și 9 femei (); grupul 3 (+), cetonă urinară înregistrată ca fiind pozitivă, 14 bărbați și 11 femei (); grupul 4 (++), cetonă urinară înregistrată ca moderat pozitivă, 9 bărbați și 10 femei (); și grupul 5 (+++), cetonă urinară înregistrată ca puternic pozitivă, 10 bărbați și 10 femei (). Protocolul studiului a fost aprobat de Comitetul de etică al celui de-al doilea spital al Universității Jilin, iar consimțământul scris a fost obținut de la toți subiecții înainte de colectarea respirației.

2.2. Criterii de includere

Diabet zaharat de tip 2 a fost diagnosticat în conformitate cu criteriile de diagnosticare ale OMS din 1999 . Au fost excluși pacienții cu diabet gestațional, diabet zaharat care a complicat sarcina și diabet secundar.

2.3. Măsurarea concentrației de cetonă

S-au obținut probe proaspete de sânge de la vârful degetelor și s-a măsurat concentrația sanguină de β-hidroxibutirat cu ajutorul unui dispozitiv Optium Xceed (Abbott, SUA): folosind pragul de tăiere sugerat de producător de >0,5 mmol/L a fost considerat pozitiv. Am folosit pungi de folie de 3 L pentru a colecta respirația expirată de la participanți, care a fost analizată în termen de 5 zile. S-au obținut trei probe de respirație expirată de la fiecare subiect. Concentrația de acetonă a fost determinată în respirație cu ajutorul cromatografiei în fază gazoasă-spectrometrie de masă (GC/MS). Operațiunea a fost efectuată în conformitate cu instrucțiunile. Controlul calității respirației expirate a fost descris în lucrarea noastră publicată . O concentrație ≥1,0 ppmv a fost considerată pozitivă. Concentrațiile de cetonă urinară au fost, de asemenea, măsurate, iar caracteristicile demografice și clinice ale pacienților au fost înregistrate.

2.4. Analiză statistică

Toate datele au fost prelucrate statistic cu ajutorul software-ului SPSS (versiunea 17; IBM, New York, NY, SUA) și raportate ca medie ± deviație standard (SD). Comparațiile intergrup au fost efectuate utilizând teste – pentru datele distribuite normal și teste neparametrice pentru datele care nu au fost distribuite normal. Analiza varianței a fost utilizată pentru comparațiile între mai multe grupuri. Datele categoriale au fost analizate cu ajutorul testelor chi-pătrat și au fost exprimate ca cazuri pozitive și rapoarte de constituenți (%). Analiza de corelație a fost efectuată pentru a examina puterea relațiilor dintre variabile. A fost construită o curbă a caracteristicilor de funcționare a receptorului (ROC) pentru a determina valoarea limită optimă a concentrației de acetonă expirată și a cetonei urinare, iar sensibilitatea și specificitatea au fost calculate. Pentru toate analizele statistice au fost utilizate teste bilaterale. O valoare < 0,05 a fost considerată semnificativă din punct de vedere statistic.

3. Rezultate

3.1. Caracteristicile demografice și clinice ale participanților

Datele demografice și clinice sunt prezentate în Tabelul 1. Concentrația de glucoză în sânge la post (FBG) la admitere a fost semnificativ mai mare în grupul 5 decât în grupurile 1, 2, 3 și 4 (, , , și , resp.), dar nu au existat diferențe între grupurile 1 și 4. Pacienții din grupul 5 au fost semnificativ mai tineri decât cei din grupurile 1 – 3 (, , și , resp.), iar pacienții din grupul 4 au fost, de asemenea, mai tineri decât cei din grupul 2 (), dar nu au existat diferențe semnificative din punct de vedere statistic în ceea ce privește vârsta între celelalte grupuri. În plus, nu au existat diferențe semnificative în ceea ce privește sexul, indicele de masă corporală, hemoglobina A1c (HbA1c) din sânge, colesterolul total (TC), trigliceridele (TG), colesterolul lipoproteic cu densitate scăzută (LDL-C), colesterolul lipoproteinelor cu densitate mare (HDL-C), aspartat aminotransferaza (AST), alanină aminotransferaza (ALT), creatinina (Cr) și concentrația de azot uree din sânge (BUN) între oricare dintre cele cinci grupuri.

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. Concentrația de β-hidroxibutirat în sânge a fost semnificativ mai mare în grupurile 4 și 5 decât în grupurile 1 – 3 (, , și , resp., și , , și , și , resp.) și mai mare în grupul 5 decât în grupul 4 (), dar nu au existat diferențe între grupurile 1 – 3. Concentrația de acetonă în aerul expirat a fost mai mare în grupul 4 decât în grupurile 1 și 3 ( și , resp.) și mai mare în grupul 5 decât în grupurile 1 – 4 (, , și , resp.), dar nu au existat diferențe între celelalte grupuri. Concentrația de β-hidroxibutirat din sânge a fost pozitivă în 6,7%, 14,3%, 43,5%, 71,4% și, respectiv, 89,5% din cazuri, în grupurile 1 – 5, iar concentrația de acetonă expirată a fost pozitivă în 18,8%, 20%, 60%, 80% și, respectiv, 92,9% din cazuri, în grupurile 1 – 5 (tabelul 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). Aria de sub curbă (AUC) a fost de 0,815 (), iar concentrația limită a cetonei urinare pentru diagnosticarea cetozei diabetice a fost de 2,7 mmol/L, cu o sensibilitate și o specificitate de 63,6 % și, respectiv, 85,7 %.

Figura 2

Curba caracteristică de funcționare a receptorului (ROC) pentru concentrația de acetonă expirată și cea de cetonă urinară pentru diagnosticul cetozei diabetice.

4. Discuție

Cetoacidoza poate apărea la pacienții cu diabet zaharat de toate vârstele . Un studiu din Austria a indicat că incidența DKA a fost corelată negativ cu vârsta . Klingensmith și colegii au raportat că vârsta mai tânără, lipsa unei asigurări private de sănătate și moștenirea ancestrală afro-americană sunt factori de risc independenți pentru DKA . În studiul nostru, pacienții mai tineri și o concentrație mai mare de FBG au avut tendința de a fi puternic pozitivi pentru cetonele urinare, ceea ce este în concordanță cu datele raportate.

Detecția respirației expirate a fost utilizată pentru a diagnostica bolile metabolice și pentru a monitoriza tratamentul timp de mulți ani . Tehnicile utilizate pentru a detecta acești compuși în respirația expirată se bazează pe spectrometria de masă, de exemplu, spectrometria de masă cu reacție de transfer de protoni, spectrometria de masă cu tub de flux ionic selectat , și spectroscopia cavity ring down. Concentrația de acetonă din respirație este asociată cu metabolismul glucozei și lipoliza . Studii anterioare au arătat o corelație strânsă între concentrațiile de cetone eliberate de piele și nivelurile din sânge . S-a raportat, de asemenea, că concentrația de acetonă din respirație este ridicată în cazul diabetului zaharat de tip 2 și poate fi utilizată pentru a diagnostica debutul diabetului . Am utilizat metoda GC/MS pentru a detecta acetona expirată, care este capabilă să detecteze peste 200 de constituenți din respirația expirată și este foarte sensibilă la compușii organici volatili tipici. În studiul nostru, analiza de corelație a demonstrat că concentrația de acetonă expirată a fost asociată în mod semnificativ cu concentrația de cetonă urinară, concentrațiile de FBG, LDL-C, Cr și BUN din sânge. Acetona expirată promptă poate fi un indice mai bun în reflectarea modificărilor glicemiei, iar testarea acetonei expirate este o metodă neinvazivă, simplă, care este de așteptat să fie un indicator promițător al monitorizării glicemiei în viitor.

Când concentrația de β-hidroxibutirat din sânge a servit drept standard în studiul nostru pentru a evalua sensibilitatea și specificitatea acetonei expirate și a cetonei din urină, sensibilitatea și specificitatea acetonei expirate au fost de 90,9% și, respectiv, 77,1%. Cu toate acestea, sensibilitatea și specificitatea cetonei din urină au fost de 63,6% și, respectiv, 85,7%. Aceste rezultate arată că specificitatea acetonei expirate este similară cu cea a cetonei din urină, dar sensibilitatea sa este mai mare decât cea a cetonelor din urină. În plus, testarea pentru β-hidroxibutirat din sânge și acetona expirată este încă pozitivă în grupul cu corpul cetonic din urină negativ; proporția este de 6,7% și, respectiv, 18,8%. Așadar, concentrația de cetone din urină poate să nu fie un predictor oportun al cetozei diabetice precoce. Testarea cetonilor în sânge și în expirație ajută la eliminarea rezultatelor fals negative . O altă valoare potențială pentru testarea cetonilor din respirație este faptul că aceasta este puternic influențată de factori fiziologici, alții decât dieta . În prezenta metodă, la pacienții cu cetoză diabetică a fost găsită o concentrație de acetonă expirată mai mare de 1,185 ppmv; detectarea necesită doar un preparat simplu și nu necesită solvenți organici. Analiza acetonei expirate se dovedește a fi o metodă neinvazivă, convenabilă, sensibilă și fără solvenți și ar putea fi aplicată pentru diagnosticarea și monitorizarea severității cetozei diabetice. Cu toate acestea, tehnica este încă preliminară, iar utilizarea sa clinică pe scară largă necesită o optimizare ulterioară.

Conflict de interese

Autorii declară că nu au relații financiare și personale cu alte persoane sau organizații. Ei declară, de asemenea, că nu există niciun conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.

Recunoștințe

Acest studiu a fost sprijinit de grantul NSFC (nr. 30971398 și nr. 81170746) și de programul Norman Bethune al Universității Jilin (nr. 2012214).