稳定同位素应用

高精度稳定同位素技术

同位素指质子数相同而中子数不同的同种化学元素，最常用的稳定同位素有碳-13 (13C)、氮-15(15N)、氢-2 (2H即氘) 和氧(18O)等。因为这些同位素比普通元素重1到2个原子量单位，所以也叫作重元素。稳定同位素(stable isotope) 就是天然同位素或非放射性同位素(non-radioactive isotope)，即无辐射衰变，质量保持永恒不变。稳定同位素在自然界无处不在，包括所有化合物、水和大气，所以也就自然地存在于动植物和人体内。其物理化学性质与普通元素相同，所以可用作示踪剂来标记化合物用于科学研究、临床医学和药物生产等几乎所有自然领域。由于没有辐射污染，稳定同位素示踪剂可以用于任何对象，包括孕妇、婴儿和疾病患者，无论是口服还是注射，都绝对安全。

稳定同位素技术的另一特点是其测试定量的高精度和超高精度，达到PPM级（即百万分之一精度)，而且同时也测定了化合物的浓度，事半功倍，且降低了测试误差。现在，利用同位素技术人们可以同时测定多个不同的样品，从而提高测定效率。这些高效率、高精度的特点是放射性同位素等技术所不可比拟的。

稳定同位素技术的第三个特点是其示踪能力的微观性和灵活多变性。微观性是指它可以用来标记、追踪化合物分子内部某个或多个特定原子，比如葡萄糖分子中各个原子在人体内的不同代谢途径, 哪些原子进入三羧酸循环产生能量，而哪些原子进入脂肪代谢途径参与脂肪合成。多变性是指通过对同位素标记位点的合理选择和巧妙设计来追踪、定性定量测定化合物的不同代谢途径或者生成过程。

由于以上特性，自上世纪中叶特别是70年代以来稳定同位素技术在科技先行国家被广泛应用于医学、营养、代谢、食品、农业、生态和地质等研究和生产领域。近年来在药物研发生产以及新兴的基因工程、蛋白质组学(proteomics)、代谢组学(metabolomics) 和代谢工程(metabolic engineering) 等前沿领域，稳定同位素技术已成为一种应用广泛、独特高效甚至必须的技术，显著地提高了解决科学问题的能力和生产效率。最新近的例子是德国科学家用碳13氨基酸通过三代喂养成功地标记了动物全身的所有蛋白质而获得了细胞代谢的重要发现。这一崭新的技术堪比当年的聚合酶连锁反应技术(PCR), 必将迅速得到广泛的推广和应用，有力地推动生命科学的发展。稳定同位素在自然界的无所不在意味着该技术应用的普遍性，有大自然显微镜的独特功能，将揭开越来越多的大自然和人体的奥秘。

糖耐量试验与血糖控制

Oral Glucose Tolerance Test and Blood Glucose Control

口服葡萄糖耐受性试验，即糖耐量试验，是临床上常用的一种简便的预测、诊断糖尿病的方法。被测者饮用一剂普通葡萄糖后，在以后的2-3小时内定时采血，测定血糖浓度的变化。糖尿病的严重程度和病症的不同发展时期有着不同的、具有特征性的血糖浓度变化轨迹，例如血糖浓度峰值和下降曲线都可能有所不同。如上图所示，糖耐量试验中糖尿病人的血糖浓度升降曲线高于正常人，并且恢复到试验前水平需要较长时间。但是，这种方法只能了解全身的糖代谢状况，而不能提供内脏器官的糖代谢情况，例如肝脏和肌肉等组织。在不同的糖尿病人，

这些器官的糖代谢会有很大区别，有些人的糖尿病主要由肝脏的病变引起，有些则是肌肉等外围组织的缘故，因而治疗也应有所不同。利用稳定同位素示踪剂技术可以同时测定肝脏的葡萄糖代谢状况以及肌肉、脂肪组织的葡萄糖利用状况，从而提高糖尿病诊断的特异性和可靠性，帮助医生制定具有针对性的治疗方案，提高疗效。换句话说，稳定同位素技术可以用来让医生根据每个病人的不同病变特点进行个性化治疗，达到提高疗效的目的。

肥胖症和超体重是二型糖尿病的高发群体，其发病机制往往因为不同器官的病变而有所区别。稳定同位素技术可以用来对这些群体进行定期检测，及早发现不同器官的代谢变化，从而对糖尿病的发生起到预警和预防作用。

能量消耗测定Energy Expenditure Determination

体重观察控制

Body Weight Monitoring and Control

利用氘(2H)及重氧(18O) 双标记的重水可以用来测定人在自然生活状态下的能量消耗，比如在各种正常工作状态下、休息时或运动中，并且测试程序简单。被试者喝入与体重成比例的小量双标记重水后，继续正常生活状态，只是定时采集几次尿液、唾液或血液以供仪器测试，测试结果用来计算能量消耗。此外，还可以根据能量消耗及体重变化来推算出试验期间的能量摄入量(即进食量)。这些结果可用于对体重的观察控制，以便及时制定相应措施，比如什么时候应该体育锻炼，什么锻炼项目合适，运动量应该多大。该技术准确性高，适用于任何人，无副作用，无毒性，绝对安全。

药物研发生产和质量控制

Drug Research and Development, Production and Quality Control

诊断性呼出气体试验概述

诊断性呼出气体试验概述

呼出气体试验是一种既方便又经济的临床诊断方法。其原理是，人体内胃肠道或其它器官的病变会造成其组织内某些酶活性的变化，从而对某些化合物的代谢发生变化。所以，可以用稳定同位素标记的化合物作为示踪剂注入或食入人体，其代谢产物因酶活性的变化而升高或降低。这些代谢产物随呼出气体排出体外，所以气体中示踪剂代谢产物的变化直接反映酶活性的变化。由于质谱仪测定精度高，所以诊断较其他方法更可靠。口服或注射示踪剂对人体无任何危害，并且从呼出气体采样，完全无侵入性或组织创伤，既方便又安全。

胃幽门沙氏杆菌感染

胃幽门沙氏杆菌感染的呼吸试验又叫尿素呼气试验，因为所用口服稳定示踪剂是碳-13标记的尿素。尿素是食物蛋白质的正常代谢产物，是人体内的一种自然化学成分。测试过程很简单，口服尿素示踪剂后收集呼出气体用来测定二氧化碳中的碳-13丰度，就可做出诊断。测试结果准确性高，不会误诊，只有活性期的细菌感染才会导致阳性反映，已经治愈的或无活性的感染不会出现阳性反应，所以也可以用来检查沙氏杆菌感染的治疗效果。该方法灵敏度高，可以测出低度的感染，而且很方便。