易(yi)科(ke)泰呼(hu)吸(xi)碳(tan)-13 穩(wen)定(ding)同位(wei)素技術(shu)在(zai)動物(wu)生理(li)生態(tai)研(yan)究(jiu)中(zhong)的應(ying)用(yong)

能(neng)量代(dai)謝(xie)測量系(xi)統通過得(de)到(dao)VO2、VCO2、RER指標(biao)來(lai)推斷(duan)動物(wu)的能(neng)量消(xiao)耗，以(yi)及(ji)總(zong)的代(dai)謝(xie)底物(wu)利用(yong)（如(ru)碳水(shui)化(hua)合(he)物(wu)、脂(zhi)肪(fang)、蛋(dan)白(bai)質），是(shi)連續(xu)測量動(dong)物(wu)能(neng)量消(xiao)耗的技術(shu)，但(dan)不(bu)能(neng)區(qu)分、量化(hua)外源(yuan)性（如(ru)食物(wu)攝(she)取）和(he)內(nei)源(yuan)性（動(dong)物(wu)自身的組(zu)織成(cheng)分(fen)）底物(wu)，以及某些(xie)營養(yang)素(su)的氧(yang)化(hua)消(xiao)耗。

通過代(dai)謝(xie)示(shi)蹤(zong)劑（如(ru)碳-13標(biao)記(ji)物，就像(xiang)給(gei)生物(wu)分(fen)子裝上了(le)精確GPS定(ding)位(wei)器）跟(gen)蹤(zong)，以(yi)及呼(hu)吸(xi)穩(wen)定(ding)同位(wei)素分(fen)析儀(yi)實(shi)時監(jian)測動物(wu)呼(hu)出(chu)氣(qi)體中(zhong)的¹³CO2來(lai)區分(fen)量化(hua)動(dong)物能(neng)量代(dai)謝(xie)中消(xiao)耗的哪些能(neng)量物(wu)質(zhi)等，可以(yi)更深入的研(yan)究(jiu)代(dai)謝(xie)生理(li)學(xue)機制(如(ru)代謝靈活(huo)性）等(deng)，而(er)這種(zhong)定(ding)量測量特(te)定(ding)能(neng)量物(wu)質(zhi)氧(yang)化(hua)速(su)率往往(wang)也需要(yao)知(zhi)道VCO2。

動(dong)物(wu)能(neng)量代(dai)謝(xie)與(yu)呼(hu)吸(xi)¹³C穩(wen)定(ding)同位(wei)素技術(shu)部分(fen)應(ying)用(yong)案例(li)：

1）限水(shui)麻(ma)雀內(nei)源(yuan)性氨(an)基酸(suan)的氧(yang)化(hua)

動(dong)物(wu)可以通過多(duo)種方(fang)式(shi)應對(dui)脫(tuo)水(shui)，包(bao)括行(xing)為(wei)和生理(li)。每(mei)千(qian)焦耳(er)蛋(dan)白(bai)質氧(yang)化(hua)產生的代(dai)謝(xie)水(shui)比(bi)脂肪(fang)或碳水(shui)化(hua)合(he)物(wu)產生的更(geng)多(duo)，鳥類(lei)會(hui)因(yin)高(gao)水(shui)分(fen)流(liu)失(shi)率而(er)增加蛋(dan)白(bai)質分(fen)解代(dai)謝。然而(er)，為(wei)響應(ying)限水(shui)而(er)動員(yuan)的氨(an)基酸(suan)氧(yang)化(hua)尚未(wei)有(you)詳(xiang)細(xi)研(yan)究(jiu)。

研(yan)究(jiu)者(zhe)給(gei)圈(quan)養(yang)的家麻(ma)雀餵食¹³C標(biao)記(ji)的亮氨(an)酸(suan)9周(zhou)，以(yi)標記(ji)內(nei)源(yuan)性蛋(dan)白(bai)質。每(mei)周(zhou)進(jin)行(xing)壹(yi)次試(shi)驗，在(zai)此期(qi)間，測量了(le)對(dui)限水(shui)的生理(li)反(fan)應，如(ru)瘦體(ti)重、脂肪(fang)量、新陳代謝的變化(hua)以(yi)及呼(hu)出(chu)二氧(yang)化(hua)碳(tan)中¹³C 的富集（δ13Cbreath）。研(yan)究(jiu)發(fa)現(xian)，限水(shui)的鳥類(lei)分(fen)解代(dai)謝了(le)更(geng)多(duo)的瘦肉(rou)組(zu)織，並(bing)且(qie)還(hai)富集了(le)δ¹³Cbreath以(yi)響(xiang)應限水(shui)。然(ran)而(er)，δ13Cbreath隨(sui)代謝率(lv)和(he)限水(shui)期(qi)的長(chang)短(duan)而(er)變化(hua)，這(zhe)表(biao)明(ming)當(dang)可(ke)以使用(yong)其(qi)它生理(li)策(ce)略(lve)實(shi)現水(shui)分(fen)平(ping)衡時，鳥類(lei)可(ke)能(neng)會(hui)節(jie)省(sheng)蛋(dan)白(bai)質。

文(wen)中(zhong)使用(yong)儀器技術(shu)：定(ding)量磁(ci)共振(zhen)用(yong)於(yu)身體(ti)成(cheng)分(fen)分析；G2131-I同位(wei)素碳(tan)分析儀(yi)測量¹³Cδ呼(hu)氣(qi)；SSI標準(zhun)流(liu)通式(shi)呼(hu)吸(xi)測量技術(shu)在(zai)蒸發失(shi)水(shui)（EWL）和(he)δ13C呼(hu)吸(xi)的同時測量RMR。需(xu)要(yao)說(shuo)明(ming)的是(shi)，美國Sable公(gong)司新推出(chu)的¹³C穩(wen)定(ding)性同位(wei)素分(fen)析儀(yi)具備(bei)便(bian)攜性、高(gao)精度(du)、實(shi)時測量、無(wu)需(xu)耗材(cai)及(ji)外部(bu)校準、與(yu)能(neng)量代(dai)謝(xie)測量系(xi)統兼容、高(gao)性價比(bi)等諸多(duo)優(you)勢(shi)以(yi)滿(man)足(zu)多(duo)領域(yu)科(ke)學家的期(qi)待(dai)。

2) 牦(mao)牛(niu)糞菌助(zhu)高原(yuan)鼠兔(tu)回收(shou)氮源，適應冬季(ji)低(di)蛋(dan)白(bai)環境(jing)

氮平(ping)衡是(shi)食草動物(wu)在(zai)食用(yong)低氮飲食時面臨(lin)的主要(yao)挑戰(zhan)。腸道(dao)微生物(wu)群(qun)介導(dao)的尿(niao)素(su)氮循環促進(jin)了(le)缺氮時期的蛋(dan)白(bai)質穩(wen)態，但(dan)其(qi)與(yu)野(ye)生非(fei)冬(dong)眠(mian)小型(xing)哺(bu)乳(ru)動物(wu)的相(xiang)關(guan)性仍不(bu)清楚(chu)。文(wen)中實(shi)驗通過同位(wei)素示(shi)蹤(zong)、能(neng)量代(dai)謝(xie)測量、宏(hong)基因(yin)組(zu)學(xue)、靶向短鏈(lian)脂(zhi)肪(fang)酸(suan)分析和(he)糞(fen)便(bian)微生物(wu)群(qun)移(yi)植相結(jie)合(he)，研(yan)究(jiu)了(le)冬(dong)季(ji)蛋(dan)白(bai)質限制對(dui)青(qing)藏(zang)高(gao)原(yuan)鼠(shu)兔（Ochotona curzoniae）尿(niao)素(su)氮循環的影(ying)響(xiang)。

在(zai)呼(hu)吸(xi)穩(wen)定(ding)同位(wei)素測量實(shi)驗中(zhong)，將(jiang)每(mei)只鼠兔放(fang)入圓(yuan)柱(zhu)形(xing)聚(ju)乙烯代(dai)謝(xie)室中，該(gai)腔室(shi)通過 Tygon管(guan)連接(jie)到(dao)FMS新款便(bian)攜式呼(hu)吸(xi)代(dai)謝(xie)測量儀(yi)，以(yi)調(tiao)節(jie)氣(qi)流(liu)並維持CO2濃(nong)度(du)約(yue)為(wei)1%，確保(bao)可(ke)靠(kao)的δ¹³C測量。將(jiang)鼠(shu)兔放(fang)入腔室(shi)後(hou)，立即在(zai)鋁(lv)箔(bo)氣(qi)囊中(zhong)收(shou)集基線(xian)呼(hu)吸(xi)樣(yang)本。每(mei)30分鐘收(shou)集壹(yi)次後(hou)續(xu)樣(yang)本。每(mei)個(ge)空氣(qi)樣(yang)品(pin)¹³C:¹²C比(bi)率（稱為(wei)δ¹³C，以(yi)%表(biao)示(shi)）通過元(yuan)素(su)分析儀(yi)與(yu)同位(wei)素比(bi)質譜儀（IRMS）離(li)散(san)方(fang)式(shi)測量。由此得(de)到(dao)的δ¹³C值以每mil（‰）表(biao)示(shi)，參考Regan等(deng)2022年(nian)Science論(lun)文(wen)公(gong)式：

  在(zai)冬季(ji)蛋(dan)白(bai)質限制期(qi)間，肝(gan)臟尿素(su)循環代謝(xie)下(xia)調(tiao)，伴(ban)隨(sui)著(zhe)具有尿(niao)素溶解能(neng)力(li)的有(you)益(yi)細(xi)菌(jun)（如(ru)阿利斯(si)肽(tai)屬）、腸道(dao)脲(niao)酶活(huo)性和(he)尿(niao)素轉運蛋(dan)白(bai)的增加，以及乙酸(suan)鹽的產生，隨(sui)之增加氮重新摻(chan)入鼠(shu)兔的蛋(dan)白(bai)質庫(ku)。至關(guan)重(zhong)要(yao)的是(shi)，用(yong)牦牛(niu)糞便(bian)微生物(wu)群(qun)補充低蛋(dan)白(bai)飲食通過增加阿利斯(si)肽(tai)豐(feng)度(du)來(lai)增強尿素溶解能(neng)力(li)，揭示(shi)了(le)壹(yi)種關(guan)鍵(jian)機制，即同域(yu)物種(zhong)之間(jian)的種(zhong)間(jian)水(shui)平(ping)微(wei)生物(wu)轉(zhuan)移(yi)增強了(le)宿(xiu)主蛋(dan)白(bai)穩(wen)態。

  作者的研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)揭示(shi)了(le)腸道(dao)微生物(wu)群(qun)在(zai)尿素(su)氮循環中的功(gong)能(neng)作用(yong)，以維(wei)持冬季(ji)活(huo)動的草食性小(xiao)型(xing)哺(bu)乳(ru)動物(wu)的蛋(dan)白(bai)質平(ping)衡，並有助(zhu)於(yu)理解物(wu)種共存(cun)和哺(bu)乳(ru)動物(wu)對高(gao)海拔環境(jing)的適應。研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，微生物(wu)群(qun)驅動(dong)的尿(niao)素(su)氮循環是(shi)冬季(ji)活(huo)動食草動物(wu)蛋(dan)白(bai)質穩(wen)態的關(guan)鍵(jian)適應策(ce)略(lve)。這(zhe)項(xiang)工(gong)作為(wei)哺(bu)乳(ru)動物(wu)適應高海拔環境(jing)的機制和種(zhong)間共存(cun)的動(dong)態(tai)提(ti)供(gong)了(le)新的見解。 

參考文獻(xian)

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(yi)科(ke)泰生態(tai)技術(shu)公(gong)司積(ji)十(shi)幾年動物(wu)能(neng)量代(dai)謝(xie)測量技術(shu)研(yan)究(jiu)服(fu)務(wu)經(jing)驗，與(yu)美(mei)國、歐(ou)洲等國際能(neng)量代(dai)謝(xie)技術(shu)公(gong)司合(he)作，為(wei)國內(nei)動(dong)物(wu)生理(li)生態(tai)、生物(wu)醫(yi)學研(yan)究(jiu)等(deng)提(ti)供(gong)全面精準技術(shu)方(fang)案：

ü SSI呼(hu)吸(xi)代(dai)謝(xie)系(xi)統（模塊(kuai)式或(huo)便(bian)攜式）+穩(wen)定(ding)性同位(wei)素氣(qi)體分(fen)析儀(yi)

ü FMS便(bian)攜式多(duo)功能(neng)能(neng)量代(dai)謝(xie)測量儀(yi)+小(xiao)動物跑(pao)步機+穩(wen)定(ding)性同位(wei)素氣(qi)體分(fen)析儀(yi)

ü 定(ding)制(zhi)動(dong)物（包括風(feng)洞等）或(huo)人體(ti)呼(hu)吸(xi)穩(wen)定(ding)性同位(wei)素分(fen)析系(xi)統；

ü 已(yi)購買(mai)Sable所(suo)有(you)系列產品(pin)的客(ke)戶(hu)系統配置升級，包(bao)括小(xiao)動物(wu)跑(pao)步機、呼(hu)吸(xi)同位(wei)素分(fen)析等(deng)

ü 植(zhi)入(ru)式動物體溫心率(lv)檢測、Thermo-RGB高(gao)靈敏度(du)紅(hong)外熱(re)成(cheng)像(xiang)體溫監(jian)測技術(shu)、動物(wu)行(xing)為(wei)、活(huo)動狀(zhuang)態監(jian)測技術(shu)、元素(su)分(fen)析儀(yi)系(xi)統

ü 基於(yu)動物能(neng)量代(dai)謝(xie)測量技術(shu)與(yu)客(ke)戶(hu)合(he)作共同開發(fa)動(dong)物(wu)生理(li)生態(tai)研(yan)究(jiu)領域(yu)新產品(pin)等