易科泰呼吸碳-13 穩(wěn)定同位素技術(shù)在動(dòng)物生理生態(tài)研究中的應(yīng)用

能量代謝測量系統(tǒng)通過得到VO2、VCO2、RER指標(biāo)來推斷動(dòng)物的能量消耗，以及總的代謝底物利用（如碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)），是連續(xù)測量動(dòng)物能量消耗的技術(shù)，但不能區(qū)分、量化外源性（如食物攝?。┖蛢?nèi)源性（動(dòng)物自身的組織成分）底物，以及某些營養(yǎng)素的氧化消耗。

通過代謝示蹤劑（如碳-13標(biāo)記物，就像給生物分子裝上了精確GPS定位器）跟蹤，以及呼吸穩(wěn)定同位素分析儀實(shí)時(shí)監(jiān)測動(dòng)物呼出氣體中的¹³CO2來區(qū)分量化動(dòng)物能量代謝中消耗的哪些能量物質(zhì)等，可以更深入的研究代謝生理學(xué)機(jī)制(如代謝靈活性）等，而這種定量測量特定能量物質(zhì)氧化速率往往也需要知道VCO2。

動(dòng)物能量代謝與呼吸¹³C穩(wěn)定同位素技術(shù)部分應(yīng)用案例：

1）限水麻雀內(nèi)源性氨基酸的氧化

動(dòng)物可以通過多種方式應(yīng)對脫水，包括行為和生理。每千焦耳蛋白質(zhì)氧化產(chǎn)生的代謝水比脂肪或碳水化合物產(chǎn)生的更多，鳥類會因高水分流失率而增加蛋白質(zhì)分解代謝。然而，為響應(yīng)限水而動(dòng)員的氨基酸氧化尚未有詳細(xì)研究。

研究者給圈養(yǎng)的家麻雀喂食¹³C標(biāo)記的亮氨酸9周，以標(biāo)記內(nèi)源性蛋白質(zhì)。每周進(jìn)行一次試驗(yàn)，在此期間，測量了對限水的生理反應(yīng)，如瘦體重、脂肪量、新陳代謝的變化以及呼出二氧化碳中¹³C 的富集（δ13Cbreath）。研究發(fā)現(xiàn)，限水的鳥類分解代謝了更多的瘦肉組織，并且還富集了δ¹³Cbreath以響應(yīng)限水。然而，δ13Cbreath隨代謝率和限水期的長短而變化，這表明當(dāng)可以使用其它生理策略實(shí)現(xiàn)水分平衡時(shí)，鳥類可能會節(jié)省蛋白質(zhì)。

文中使用儀器技術(shù)：定量磁共振用于身體成分分析；G2131-I同位素碳分析儀測量¹³Cδ呼氣；SSI標(biāo)準(zhǔn)流通式呼吸測量技術(shù)在蒸發(fā)失水（EWL）和δ13C呼吸的同時(shí)測量RMR。需要說明的是，美國Sable公司新推出的¹³C穩(wěn)定性同位素分析儀具備便攜性、高精度、實(shí)時(shí)測量、無需耗材及外部校準(zhǔn)、與能量代謝測量系統(tǒng)兼容、高性價(jià)比等諸多優(yōu)勢以滿足多領(lǐng)域科學(xué)家的期待。

2) 牦牛糞菌助高原鼠兔回收氮源，適應(yīng)冬季低蛋白環(huán)境

氮平衡是食草動(dòng)物在食用低氮飲食時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)。腸道微生物群介導(dǎo)的尿素氮循環(huán)促進(jìn)了缺氮時(shí)期的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，但其與野生非冬眠小型哺乳動(dòng)物的相關(guān)性仍不清楚。文中實(shí)驗(yàn)通過同位素示蹤、能量代謝測量、宏基因組學(xué)、靶向短鏈脂肪酸分析和糞便微生物群移植相結(jié)合，研究了冬季蛋白質(zhì)限制對青藏高原鼠兔（Ochotona curzoniae）尿素氮循環(huán)的影響。

在呼吸穩(wěn)定同位素測量實(shí)驗(yàn)中，將每只鼠兔放入圓柱形聚乙烯代謝室中，該腔室通過 Tygon管連接到FMS新款便攜式呼吸代謝測量儀，以調(diào)節(jié)氣流并維持CO2濃度約為1%，確?？煽康摩?/span>¹³C測量。將鼠兔放入腔室后，立即在鋁箔氣囊中收集基線呼吸樣本。每30分鐘收集一次后續(xù)樣本。每個(gè)空氣樣品¹³C:¹²C比率（稱為δ¹³C，以%表示）通過元素分析儀與同位素比質(zhì)譜儀（IRMS）離散方式測量。由此得到的δ¹³C值以每mil（‰）表示，參考Regan等2022年Science論文公式：

  在冬季蛋白質(zhì)限制期間，肝臟尿素循環(huán)代謝下調(diào)，伴隨著具有尿素溶解能力的有益細(xì)菌（如阿利斯肽屬）、腸道脲酶活性和尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的增加，以及乙酸鹽的產(chǎn)生，隨之增加氮重新?lián)饺胧笸玫牡鞍踪|(zhì)庫。至關(guān)重要的是，用牦牛糞便微生物群補(bǔ)充低蛋白飲食通過增加阿利斯肽豐度來增強(qiáng)尿素溶解能力，揭示了一種關(guān)鍵機(jī)制，即同域物種之間的種間水平微生物轉(zhuǎn)移增強(qiáng)了宿主蛋白穩(wěn)態(tài)。

  作者的研究結(jié)果揭示了腸道微生物群在尿素氮循環(huán)中的功能作用，以維持冬季活動(dòng)的草食性小型哺乳動(dòng)物的蛋白質(zhì)平衡，并有助于理解物種共存和哺乳動(dòng)物對高海拔環(huán)境的適應(yīng)。研究結(jié)果表明，微生物群驅(qū)動(dòng)的尿素氮循環(huán)是冬季活動(dòng)食草動(dòng)物蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵適應(yīng)策略。這項(xiàng)工作為哺乳動(dòng)物適應(yīng)高海拔環(huán)境的機(jī)制和種間共存的動(dòng)態(tài)提供了新的見解。 

參考文獻(xiàn)

Rogers EJ, Gerson AR. Water restriction increases oxidation of endogenous amino acids in house sparrows (Passer domesticus). J Exp Biol. 2024 Mar 15;227(6):jeb246483. doi: 10.1242/jeb.246483. Epub 2024 Mar 15. PMID: 38380522; PMCID: PMC11093224.

Shi F, Zou D, Zhang L, Guo N, Yu J, Degen AA, Tang X, Ren S, Ru Y, Zheng S, Zhang Y, Wang D. Increased urea nitrogen salvaging by a remodeled gut microbiota helps non hibernating pikas maintain protein homeostasis during winter. PLoS Biol. 2025 Oct 16;23(10): e3003436. doi:10.1371/journal.pbio.3003436.

易科泰生態(tài)技術(shù)公司積十幾年動(dòng)物能量代謝測量技術(shù)研究服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，與美國、歐洲等國際能量代謝技術(shù)公司合作，為國內(nèi)動(dòng)物生理生態(tài)、生物醫(yī)學(xué)研究等提供全面精準(zhǔn)技術(shù)方案：

ü SSI呼吸代謝系統(tǒng)（模塊式或便攜式）+穩(wěn)定性同位素氣體分析儀

ü FMS便攜式多功能能量代謝測量儀+小動(dòng)物跑步機(jī)+穩(wěn)定性同位素氣體分析儀

ü 定制動(dòng)物（包括風(fēng)洞等）或人體呼吸穩(wěn)定性同位素分析系統(tǒng)；

ü 已購買Sable所有系列產(chǎn)品的客戶系統(tǒng)配置升級，包括小動(dòng)物跑步機(jī)、呼吸同位素分析等

ü 植入式動(dòng)物體溫心率檢測、Thermo-RGB高靈敏度紅外熱成像體溫監(jiān)測技術(shù)、動(dòng)物行為、活動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、元素分析儀系統(tǒng)

ü 基于動(dòng)物能量代謝測量技術(shù)與客戶合作共同開發(fā)動(dòng)物生理生態(tài)研究領(lǐng)域新產(chǎn)品等