呼吸碳-13穩(wěn)定同位素技術(shù)在動物生理生態(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)測量動物能量消耗的首選技術(shù)，但不能區(qū)分、量化外源性（如食物攝�。┖蛢�(nèi)源性（動物自身的組織成分）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)定同位素分析儀實時監(jiān)測動物呼出氣體中的¹³CO2來區(qū)分量化動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)限水而動員的氨基酸氧化尚未有詳細研究。
 
      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)。每周進行一次試驗，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現(xiàn)水分平衡時，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、實時測量、無需耗材及外部校準(zhǔn)、與能量代謝測量系統(tǒng)完美兼容、高性價比等諸多優(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
 
      氮平衡是食草動物在食用低氮飲食時面臨的主要挑戰(zhàn)。腸道微生物群介導(dǎo)的尿素氮循環(huán)促進了缺氮時期的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，但其與野生非冬眠小型哺乳動物的相關(guān)性仍不清楚。文中實驗通過同位素示蹤、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)定同位素測量實驗中，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%，確保可靠的δ¹³C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菌（如阿利斯肽屬）、腸道脲酶活性和尿素轉(zhuǎn)運蛋白的增加，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充低蛋白飲食通過增加阿利斯肽豐度來增強尿素溶解能力，揭示了一種關(guān)鍵機制，即同域物種之間的種間水平微生物轉(zhuǎn)移增強了宿主蛋白穩(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，以維持冬季活動的草食性小型哺乳動物的蛋白質(zhì)平衡，并有助于理解物種共存和哺乳動物對高海拔環(huán)境的適應(yīng)。研究結(jié)果表明，微生物群驅(qū)動的尿素氮循環(huán)是冬季活動食草動物蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵適應(yīng)策略。這項工作為哺乳動物適應(yīng)高海拔環(huán)境的機制和種間共存的動態(tài)提供了新的見解。 
 
參考文獻
 
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)公司積十幾年動物能量代謝測量技術(shù)研究服務(wù)經(jīng)驗，與美國、歐洲等國際一流能量代謝技術(shù)公司合作，為國內(nèi)動物生理生態(tài)、生物醫(yī)學(xué)研究等提供全面精準(zhǔn)技術(shù)方案：
      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
      FMS便攜式多功能能量代謝測量儀+小動物跑步機+穩(wěn)定性同位素氣體分析儀
      定制動物（包括風(fēng)洞等）或人體呼吸穩(wěn)定性同位素分析系統(tǒng)；
      已購買Sable所有系列產(chǎn)品的客戶系統(tǒng)配置升級，包括小動物跑步機、呼吸同位素分析等
      植入式動物體溫心率檢測、Thermo-RGB高靈敏度紅外熱成像體溫監(jiān)測技術(shù)、動物行為、活動狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、元素分析儀系統(tǒng)
      基于動物能量代謝測量技術(shù)與客戶合作共同開發(fā)動物生理生態(tài)研究領(lǐng)域新產(chǎn)品等