Andnings Ketone Testing: En ny biomarkör för diagnostik och terapeutisk övervakning av diabetisk ketos

Abstract

Bakgrund. Aceton, β-hydroxibutyrsyra och acetoättiksyra är tre typer av ketonkroppar som kan hittas i andedräkten, blodet och urinen. Att upptäcka förändrade koncentrationer av ketoner i andedräkt, blod och urin är avgörande för diagnos och behandling av diabetisk ketos. Syftet med denna studie var att utvärdera fördelarna med olika metoder för detektion av ketoner och att fastställa om detektion av koncentrationen av ketoner i utandningsluften är en effektiv och praktisk teknik. Metoder. Vi mätte koncentrationerna av aceton i utandningsluften med hjälp av gaskromatografi-masspektrometri och β-hydroxibutyrat i fingertoppsblod som samlats in från 99 diabetespatienter som tilldelats grupperna 1 (-), 2 (±), 3 (+), 4 (++) eller 5 (+++) enligt ketonkoncentrationerna i urinen. Resultat. Det fanns starka samband mellan fasteblodsocker, ålder och diabetisk ketos. Koncentrationen av utandningsaceton korrelerade signifikant med koncentrationerna av fasteblodsocker, ketoner i blod och urin, LDL-C, kreatinin och blodureakvävekväve. Slutsatser. Utandningsprov för ketoner har en hög sensitivitet och specificitet och verkar vara en icke-invasiv, bekväm och repeterbar metod för diagnos och terapeutisk övervakning av diabetisk ketos.

1. Introduktion

Diabetisk ketoacidos (DKA) är ett livshotande tillstånd som förekommer främst hos patienter med nydiagnostiserad typ 1-diabetes mellitus och är en följd av bristande insulinproduktion från pankreasöarna, men det kan också förekomma hos patienter med typ 2-diabetes med dåligt kontrollerad blodglukoskoncentration eller andra sjukdomar . Diabetisk ketos och ketoacidos orsakas huvudsakligen av brist på insulin eller en olämplig ökning av glukagonkoncentrationen i blodet som leder till obalans i socker, protein, fett, vatten, elektrolyter och syra-bas. Att identifiera en testmetod med hög sensitivitet och specificitet skulle underlätta tidig diagnos och behandling av diabetisk ketos.

Ketonkroppar produceras när levern metaboliserar fettsyror, inklusive aceton, β-hydroxibutyrat och acetoättiksyra: β-hydroxibutyrat kan omvandlas till acetoättiksyra och står för 78 % av alla ketoner i kroppen, följt av acetoättiksyra (20 %) och aceton (2 %). Kliniskt sett, när man ställer diagnosen DKA, utgår man i allmänhet från ketonkoncentrationen i blodet utifrån ketonkoncentrationen i urinen. Vanligt använda detektionsmetoder för ketoner i urinen är känsligare för acetoättiksyra än aceton men mindre känsliga för β-hydroxibutyrat, som uppträder tidigast vid DKA – vilket förklarar varför patienter med DKA kanske inte har detekterbara koncentrationer av ketoner i urinen. Urinutskiljningen av ketoner kan också vara nedsatt hos patienter med nedsatt njurfunktion. Det kan hävdas att detektion av ketoner i urinen inte är ett lämpligt sätt att diagnostisera DKA.

Det finns ett blodprov som mäter koncentrationen av β-hydroxibutyrat i serum, men det har funnits ett stort intresse för att utveckla metoder för att mäta koncentrationen av ketoner i utandningsluften, som ett bekvämt och icke-invasivt diagnostiskt verktyg som också skulle kunna vägleda terapeutiska insatser. Det har länge varit känt att förekomsten av aceton i utandningsluften korrelerar med ketonkroppar i plasma. Acetoacetat kan dekarboxyleras för att producera flyktigt aceton, förutom att kokpunkten för acetoacetat och β-hydroxibutyrsyra i utandningsandedräkten är högre än aceton, med ett innehåll som är relativt litet och svårt att upptäcka, så vi väljer acetonkoncentrationerna som en prediktor för diabetisk ketos. Vi utvärderade fördelarna med olika detektionsmetoder och undersökte det kliniska värdet av acetonutandningsdetektion vid diagnos och behandling av diabetisk ketos.

2. Material och metoder

2.1. Deltagare

Nyckonio patienter med diabetes (49 män och 50 kvinnor; åldersintervall: 11-85 år) rekryterades från endokrinologiavdelningen vid det andra sjukhuset vid Jilinuniversitetet i Changchun, Kina. Enligt bipacksedeln för urinketondetektorerna motsvarar färgförändringar på -, ±, +, ++ och +++ koncentrationer på 0 mmol/L, 0,5 mmol/L, 1,5 mmol/L, 3,9 mmol/L respektive 7,8 mmol/L. Patienterna delades in i fem grupper på grundval av ketonkoncentrationen i urinen: Grupp 1 (-), urinketon negativt, 9 män och 10 kvinnor (); grupp 2 (±), urinketon svagt positivt, 7 män och 9 kvinnor (); grupp 3 (+), urinketon positivt, 14 män och 11 kvinnor (); Grupp 4 (++), urinketon registrerat som måttligt positivt, 9 män och 10 kvinnor (). Grupp 5 (+++), urinketon registrerat som starkt positivt, 10 män och 10 kvinnor (). Studieprotokollet godkändes av etikkommittén vid Jilinuniversitetets andra sjukhus, och skriftligt samtycke inhämtades från alla försökspersoner före insamling av andedräkt.

2.2. Inklusionskriterier

Typ 2-diabetes mellitus diagnostiserades enligt WHO:s diagnostiska kriterier från 1999. Patienter med graviditetsdiabetes, diabetes mellitus som komplicerar graviditeten och sekundär diabetes exkluderades.

2.3. Mätning av ketonkoncentration

Färsk blodprov från fingertopparna togs och blodkoncentrationen av β-hydroxibutyrat mättes med hjälp av en Optium Xceed (Abbott, USA) apparat: med hjälp av det av tillverkaren föreslagna gränsvärdet på >0,5 mmol/L ansågs vara positivt. Vi använde 3 L foliepåsar för att samla in utandningsluft från deltagarna, som analyserades inom 5 dagar. Tre prover av utandningsluft erhölls från varje försöksperson. Koncentrationen av aceton bestämdes i utandningsluften med hjälp av gaskromatografi-masspektrometri (GC/MS). Operationen utfördes enligt instruktionerna. Kvalitetskontrollen av utandningsluften har beskrivits i vår publicerade artikel . En koncentration ≥1,0 ppmv betraktades som positiv. Ketonkoncentrationer i urin mättes också, och patienternas demografiska och kliniska egenskaper registrerades.

2.4. Statistisk analys

Alla data bearbetades statistiskt med hjälp av SPSS-programvaran (version 17; IBM, New York, NY, USA) och rapporterades som medelvärde ± standardavvikelse (SD). Jämförelser mellan grupper utfördes med hjälp av -tester för normalfördelade data och icke-parametriska tester för data som inte var normalfördelade. Variansanalys användes för jämförelser mellan flera grupper. Kategoriska data analyserades med hjälp av chi-square-test och uttrycktes som positiva fall och konstitutionsförhållanden (%). Korrelationsanalys utfördes för att undersöka styrkan i sambanden mellan variabler. En ROC-kurva (receiver operating characteristic) konstruerades för att fastställa det optimala gränsvärdet för koncentrationen av utandningsaceton och urinketon, och sensitivitet och specificitet beräknades. Tvåsidiga tester användes för alla statistiska analyser. Ett värde < 0,05 ansågs statistiskt signifikant.

3. Resultat

3.1. Demografiska och kliniska egenskaper hos deltagarna

Demografiska och kliniska data visas i tabell 1. Koncentrationen av fasteblodsglukos (FBG) vid intagningen var signifikant högre i grupp 5 än i grupperna 1, 2, 3 och 4 (, , , respektive , ), men det fanns inga skillnader mellan grupperna 1-4. Patienterna i grupp 5 var signifikant yngre än patienterna i grupperna 1-3 (, , respektive , ), och patienterna i grupp 4 var också yngre än patienterna i grupp 2 (), men det fanns inga statistiskt signifikanta åldersskillnader mellan de övriga grupperna. Vidare fanns det inga signifikanta skillnader i kön, kroppsmasseindex, hemoglobin A1c (HbA1c) i blodet, totalkolesterol (TC), triglycerider (TG), lipoproteinkolesterol med låg densitet (LDL-C), högdensitetslipoproteinkolesterol (HDL-C), aspartataminotransferas (AST), alaninaminotransferas (ALT), kreatinin (Cr) och koncentrationen av urinämneskväve i blodet (BUN) mellan någon av de fem grupperna.

. 1 Urine ketone (−) 2 Urine ketone (±) 3 Urine ketone (+) 4 Urine ketone (++) 5 Urine ketone (+++) P Age (yr) 45 48 45 37 30 0.004 Male () 9 (18.37%) 7 (14.29%) 14 (28.57%) 9 (18.37%) 10 (20.40%) 0.783 BMI (kg/m2) 23.49 25.41 22.73 23.43 21.92 0.219 FBG (mmol/L) 13.27 14.36 16.29 15.08 20.36 0.006 HbA1c (%) 10.37 10.59 11.40 10.33 12.26 0.183 TC (mmol/L) 5.78 5.27 6.06 5.01 5.62 0.327 TG (mmol/L) 2.71 3.39 3.60 1.47 4.83 0.439 LDL-C (mmol/L) 3.08 3.04 3.02 2.86 3.02 0.99 HDL-C (mmol/L) 1.12 1.10 1.24 1.20 1.12 0.747 ALT (U/L) 31.35 31.45 23.47 22.69 23.31 0.833 AST (U/L) 23.65 24.18 25.04 25.36 18.94 0.830 BUN (mmol/L) 3.84 4.20 4.05 4.58 4.46 0.745 Cr (μmol/L) 58.06 64.16 61.66 62.13 70.32 0.584

BMI: body mass index; FBG: fasting blood glucose; HbA1c: hemoglobin A1c; TC: total cholesterol; TG: triglyceride; LDL-C: low-density lipoprotein cholesterol; HDL-C: high-density lipoprotein cholesterol; AST: aspartate aminotransferase; ALT: alanine aminotransferase; Cr: creatinine; BUN: blood urea nitrogen.

Table 1

Demographic and clinical characteristics of study participants.

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. Blodkoncentrationen av β-hydroxybutyrat var signifikant högre i grupperna 4 och 5 än i grupperna 1-3 (, , och , resp., och , , och , resp.) och högre i grupp 5 än i grupp 4 (), men det fanns inga skillnader mellan grupperna 1-3. Koncentrationen av aceton i utandningsluften var högre i grupp 4 än i grupperna 1 och 3 (, , resp.) och högre i grupp 5 än i grupperna 1-4 (, , , och , resp.), men det fanns inga skillnader mellan de andra grupperna. Koncentrationen av β-hydroxibutyrat i blodet var positiv i 6,7 %, 14,3 %, 43,5 %, 71,4 % respektive 89,5 % av fallen i grupperna 1-5, och koncentrationen av aceton i utandningsluften var positiv i 18,8 %, 20 %, 60 %, 80 % respektive 92,9 % av fallen i grupperna 1-5 (tabell 3).

1 Urin keton (-) 2 Urin. ketone (±) 3 Urine ketone (+) 4 Urine ketone (++) 5 Urine ketone (+++) P Blood β-hydroxybutyrate (mmol/L) 0.23 0.39 0.71 1.73 3.56 <0.001 Acetone in the breath (ppmv) 0.89 0.93 2.04 13.82 33.12 <0.001

Table 2

Comparison of blood β-hydroxybutyrate concentrations and exhaled acetone concentrations between the groups.

1 Urine ketone (−) 2 Urine ketone (±) 3 Urine ketone (+) 4 Urine ketone (++) 5 Urine ketone (+++) P Blood β-hydroxybutyrate 6.7% 14.3% 43.5% 71.4% 89.5% <0.001 Acetone in the breath 18.8% 20% 60% 80% 92.9% <0.001

Table 3

Incidence of positive blood β-hydroxybutyrate and exhaled acetone detection in each group.

(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).

Correlation coefficient () P FBG 0.428 <0.001 Blood β-hydroxybutyrate 0.817 <0.001 Urine ketone 0.581 <0.001 LDL-C 0.255 0.047 Cr 0.385 0.002 BUN 0.362 0.003

FBG: fasting blood glucose; LDL-C: low-density lipoprotein cholesterol; Cr: creatinine; BUN: blood urea nitrogen.

Table 4

Correlation between exhaled acetone concentration and other clinical variables.

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). Arean under kurvan (AUC) var 0,815 (), och cut-off-koncentrationen av urinketon för diagnos av diabetisk ketos var 2,7 mmol/L, med en sensitivitet och specificitet på 63,6 % respektive 85,7 %.

Figur 2

ROC-kurva (Receiver Operating Characteristic) för utandningsaceton och urinketonkoncentration för diagnos av diabetisk ketos.

4. Diskussion

Ketoacidos kan förekomma hos patienter med diabetes i alla åldrar . En österrikisk studie visade att förekomsten av DKA var negativt korrelerad med åldern . Klingensmith och medarbetare har rapporterat att yngre ålder, avsaknad av privat sjukförsäkring och afroamerikansk härstamning är oberoende riskfaktorer för DKA . I vår studie tenderade yngre patienter och högre FBG-koncentrationer att vara starkt positiva för ketoner i urinen, vilket stämmer överens med de uppgifter som rapporterats.

Detektering av utandningsluft har använts för att diagnostisera metabola sjukdomar och övervaka behandling i många år . De tekniker som används för att detektera dessa föreningar i utandningsluften är baserade på masspektrometri, till exempel protonöverföringsreaktionsmasspektrometri, masspektrometri med utvalda jonflödesrör och cavity ring down-spektroskopi. Koncentrationen av aceton i utandningsluften är förknippad med glukosmetabolism och lipolys . Tidigare studier har visat att det finns ett nära samband mellan koncentrationerna av ketoner som frigörs från huden och blodnivåerna . Koncentrationen av aceton i andningsluften rapporteras också vara förhöjd vid diabetes mellitus typ 2, och den kan användas för att diagnostisera begynnande diabetes . Vi använde GC/MS-metoden för att detektera utandningsaceton, som kan detektera över 200 beståndsdelar i utandningsluften och är mycket känslig för typiska flyktiga organiska föreningar. I vår studie visade korrelationsanalysen att koncentrationen av utandningsaceton var signifikant förknippad med koncentrationen av keton i urinen, FBG-, LDL-C-, Cr- och BUN-koncentrationer i blodet. Prompt utandningsaceton kanske är ett bättre index när det gäller att återspegla förändringar av blodglukos, och testning av utandningsaceton är en icke-invasiv, enkel metod, som förväntas bli en lovande indikator för blodglukosövervakning i framtiden.

När koncentrationen av β-hydroxibutyrat i blodet fungerade som standard i vår studie för att bedöma känsligheten och specificiteten hos utandningsaceton och urinketon var känsligheten och specificiteten hos utandningsaceton 90,9 % respektive 77,1 %. Känsligheten och specificiteten för urinketon var dock 63,6 % respektive 85,7 %. Dessa resultat visar att specificiteten för aceton i utandningsluften är likartad med urinketon, men att dess känslighet är högre än urinketon. Dessutom är testerna för β-hydroxybutyrat i blodet och utandningsaceton fortfarande positiva i den grupp som är negativ för urinketonkroppar; andelen är 6,7 % respektive 18,8 %. Så koncentrationen av urinketoner kanske inte är en tidsenlig prediktor för tidig diabetisk ketos. Testning av ketoner i blod och utandningsluft bidrar till att eliminera falskt negativa resultat . Ett annat potentiellt värde för testning av ketoner i utandningsluften är att det är starkt påverkat av andra fysiologiska faktorer än kosten . I denna metod hittades en koncentration av utandningsaceton som var högre än 1 185 ppmv hos patienter med diabetisk ketos; för att detektera aceton krävs bara en enkel förberedelse och inget organiskt lösningsmedel. Analys av utandningsaceton visar sig vara en icke-invasiv, bekväm, känslig och lösningsmedelsfri metod och skulle kunna användas för att diagnostisera och övervaka svårighetsgraden av diabetisk ketos. Tekniken är dock fortfarande preliminär och dess breda kliniska användning kräver ytterligare optimering.

Interessentkonflikter

Författarna förklarar att de inte har några ekonomiska och personliga relationer med andra personer eller organisationer. De förklarar också att det inte finns någon intressekonflikt gällande publiceringen av denna artikel.

Acknowledgments

Denna studie stöddes av NSFC Grant (nr 30971398 och nr 81170746) och Norman Bethune Program of Jilin University (nr 2012214).