通過(guò)監(jiān)測(cè)同位素比來(lái)檢測(cè)代謝途徑之系統(tǒng)性振蕩的速率變化的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明描述的方法基于可用于鑒定生物體(例如人)中“不健康”狀態(tài)的目的之呼吸同位素比數(shù)據(jù)的振蕩的觀(guān)測(cè)。本文描述的是通過(guò)鑒定呼吸同位素比數(shù)據(jù)中的振蕩模態(tài)來(lái)確定個(gè)體健康狀態(tài)(例如從健康轉(zhuǎn)變至受感染)的方法。將所述振蕩模態(tài)在頻率和/或振幅上的變化與所述個(gè)體的健康相關(guān)聯(lián)。所述方法可在比之前方法更短的時(shí)間段內(nèi)有利地用來(lái)提供關(guān)于個(gè)體健康的信息。
【專(zhuān)利說(shuō)明】通過(guò)監(jiān)測(cè)同位素比來(lái)檢測(cè)代謝途徑之系統(tǒng)性振蕩的速率變 化
[0001] 聯(lián)邦資助聲明
[0002] 本發(fā)明在國(guó)立衛(wèi)生研究院授予的LM008992的政府支持下完成。政府享有本發(fā)明 的某些權(quán)利。
[0003] 本公開(kāi)內(nèi)容的【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004] 本公開(kāi)內(nèi)容涉及人和生物體中分解代謝狀態(tài)的檢測(cè),其通過(guò)檢測(cè)呼出氣體中的同 位素比（例如碳同位素比），特別地通過(guò)測(cè)定碳同位素比的系統(tǒng)性振蕩速率。
【背景技術(shù)】
[0005] 分解代謝指將分子（例如多糖、核酸、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)）分解成更小單位的代謝途 徑，而合成代謝指由更小單位構(gòu)建分子的代謝途徑。分解代謝產(chǎn)生能量，而合成代謝需要能 量。分解代謝狀態(tài)指這樣的情況：其中身體利用存儲(chǔ)的碳水化合物、氨基酸或脂肪作為用 于維持的能量來(lái)源，從而產(chǎn)生尿氮和在呼吸中的C0 2。這些變化將在尿和呼吸中迅速顯現(xiàn)出 來(lái)。身體碳水化合物、氨基酸和脂肪也是合成防御產(chǎn)物（例如，免疫球蛋白和急性期蛋白） 的營(yíng)養(yǎng)物來(lái)源，所述防御產(chǎn)物可以是分解代謝狀態(tài)的函數(shù)。因此，即使在總體為分解代謝狀 態(tài)的期間，生物體中也可以伴隨發(fā)生合成代謝過(guò)程。分解代謝狀態(tài)可由感染、疾病、外部病 原體、毒性化學(xué)物質(zhì)暴露、營(yíng)養(yǎng)不良或其他原因誘導(dǎo)。作為嚴(yán)重疾病的指標(biāo)，分解代謝狀態(tài) 發(fā)生的早期檢測(cè)在人和動(dòng)物的健康方面具有廣泛的應(yīng)用。僅就膿毒癥而言，通過(guò)更早期的 檢測(cè)和介入就可使44%的死亡率（在報(bào)道的750, 000例病例中）減半。
[0006] 在已授權(quán)的美國(guó)專(zhuān)利No. 5, 912, 178( '178專(zhuān)利）中描述了通過(guò)檢測(cè)呼吸中呼出 的C02中的同位素變化來(lái)辨別分解代謝狀態(tài)之發(fā)生的非侵入性、非摻雜（non-doping)、快速 穩(wěn)定的同位素方法。通過(guò)將生物體中的采樣比（C 13 : C12)與基線(xiàn)比進(jìn)行比較來(lái)確定所述生 物體的相對(duì)健康，例如通過(guò)在質(zhì)譜儀中測(cè)試呼吸樣品。'178專(zhuān)利中公開(kāi)的方法允許對(duì)發(fā)生 改變的器官功能或營(yíng)養(yǎng)物攝入缺陷的生物體的凈分解代謝過(guò)程進(jìn)行非入侵性測(cè)定。'178專(zhuān) 利中所公開(kāi)方法的一個(gè)缺點(diǎn)是需要比較標(biāo)本來(lái)確定對(duì)其呼吸樣品進(jìn)行測(cè)量的生物體是否 處于分解代謝狀態(tài)。
[0007] 類(lèi)似地，在美國(guó)專(zhuān)利^.7,465,276^ 276專(zhuān)利）中，隨時(shí)間測(cè)量第一呼吸同位素 與第二呼吸同位素的相對(duì)量以確定生物體是否正經(jīng)歷病毒或細(xì)菌感染。^ 276專(zhuān)利方法的 優(yōu)點(diǎn)是可以監(jiān)測(cè)同位素非富集生物體之呼吸樣品的同位素比隨時(shí)間的變化以確定所述生 物體是否正經(jīng)歷細(xì)菌或病毒感染。所述方法的缺點(diǎn)是優(yōu)選來(lái)自健康對(duì)象的基線(xiàn)測(cè)量值從而 可測(cè)量相對(duì)于基線(xiàn)的變化，該變化指示感染。此外，通常建議經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)或者甚至數(shù)天獲得 測(cè)量值使得可以測(cè)定同位素比相對(duì)于基線(xiàn)比的變化。因此，在短期感染時(shí)期內(nèi)（例如30分 鐘至2小時(shí)）不太可能測(cè)定從健康向受感染生物體的轉(zhuǎn)變，因?yàn)樵谠摃r(shí)間段內(nèi)斜率的變化 是不可測(cè)量的。
[0008] 需要另外的方法以利用呼吸中同位素比的變化來(lái)確定生物體的分解代謝或受感 染狀態(tài)以及從健康向患病的轉(zhuǎn)變以允許促進(jìn)治療介入。
[0009] 簡(jiǎn)要概述
[0010] 在一個(gè)方面，確定個(gè)體是否正從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至不健康狀態(tài)的方法包括：
[0011] 在總時(shí)間段（t@)內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同 位素的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述個(gè)體在時(shí)間段期間是健康的，其中、是時(shí)間段 開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn)，并且七_(dá)是t 期間所述個(gè)體健康的時(shí)間點(diǎn)，
[0012] 在時(shí)間段期間對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的健康功能振 蕩模式（functional oscillation pattern)進(jìn)行鑒定，
[0013] 在內(nèi)的測(cè)試時(shí)間段對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的測(cè)試 功能振蕩模式進(jìn)行鑒定，其中〖《?與不重疊，以及
[0014] 當(dāng)所述健康功能振蕩模式與所述測(cè)試功能振蕩模式在振蕩周期、振蕩/單位時(shí) 間、和/或振蕩周期中的變異度（variability)不同時(shí)，確定所述個(gè)體正從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至 不健康狀態(tài)，
[0015] 其中所述第一同位素與所述第二同位素選自13C和12C對(duì)、 15N和14N對(duì)、170和160對(duì)、 以及硫同位素對(duì)。
[0016] 在另一個(gè)方面，確定個(gè)體是否處于不健康狀態(tài)的方法包括：
[0017] 在總時(shí)間段（t@)內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同 位素的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述個(gè)體在時(shí)間段中是不健康的，其中、是時(shí)間段 開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn)，并且?_是期間所述個(gè)體不健康的時(shí)間點(diǎn)，
[0018] 在時(shí)間段期間對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的不健康功 能振蕩模式進(jìn)行鑒定，
[0019] 在內(nèi)的測(cè)試時(shí)間段對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的測(cè)試 功能振蕩模式進(jìn)行鑒定，其中不重疊，以及
[0020] 當(dāng)所述不健康功能振蕩模式與所述測(cè)試功能振蕩模式在振蕩周期、振蕩/單位時(shí) 間、和/或振蕩周期中的變異度不同時(shí)，確定所述個(gè)體正從不健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至健康狀態(tài)，
[0021] 其中所述第一同位素與所述第二同位素選自13C和12C對(duì)、 15N和14N對(duì)、170和160對(duì)、 以及硫同位素對(duì)。
[0022] 在又一個(gè)方面，確定個(gè)體感染之嚴(yán)重程度的方法包括：
[0023] 在時(shí)間周期（t)內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同 位素的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述第一同位素與所述第二同位素選自 13C和12C對(duì)、15N和14N 對(duì)、170和160對(duì)、以及硫同位素對(duì)；
[0024] 對(duì)所述個(gè)體在時(shí)間周期（t)內(nèi)對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的 功能振蕩模式進(jìn)行鑒定，以及
[0025] 測(cè)定所述個(gè)體的所述功能振蕩模式與健康的和/或受感染的參考群體的平均功 能振蕩模式之間相比的任何差別，
[0026] 其中所述個(gè)體的所述功能振蕩模式與所述參考群體的所述平均功能振蕩模式之 間的差別程度確定了感染的嚴(yán)重程度。
[0027] 在再一個(gè)方面，確定個(gè)體是否處于不健康狀態(tài)的方法包括：
[0028] 在時(shí)間周期（t@)內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同 位素的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述第一同位素與所述第二同位素選自 13C和12C對(duì)、15N和14N 對(duì)、170和160對(duì)、以及硫同位素對(duì)；
[0029] 在時(shí)間周期（t@)內(nèi)對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的功能振蕩模 式進(jìn)行鑒定，并且將所述個(gè)體的所述功能振蕩模式與已知健康/或不健康的參考群體的平 均功能振蕩模式進(jìn)行比較，以及
[0030] 當(dāng)所述個(gè)體的所述功能振蕩模式與所述健康和/或受感染的參考群體的所述平 均功能振蕩模式在頻率和/或振幅上不同時(shí)，確定所述個(gè)體處于不健康狀態(tài)。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1示出在收集自人對(duì)象的數(shù)據(jù)中呼吸Λ值（delta value)的振蕩證據(jù)。使用同 位素分析儀從健康人對(duì)象每秒收集原始呼吸△值，持續(xù)30分鐘。使用標(biāo)準(zhǔn)Savitzky-Golay 濾波器（階數(shù)=2)來(lái)平滑原始數(shù)據(jù)。示出了通過(guò)經(jīng)平滑振蕩數(shù)據(jù)的Hilbert-Huang變換產(chǎn) 生的模態(tài)3和4的和。X軸代表30分鐘的采樣（0. 5小時(shí)）。Y軸是實(shí)際呼吸碳Λ值。在 三個(gè)固定時(shí)間段（以粗體水平條示出）內(nèi)，觀(guān)察到了具有可變頻率的重復(fù)的振蕩。段3示 出"缺失的"振蕩峰。垂直線(xiàn)說(shuō)明振蕩模式的重復(fù)性和復(fù)雜性?xún)烧?，其可使?jiǎn)單定量分析有 挑戰(zhàn)性，但是在數(shù)學(xué)上可行。
[0032] 圖2示出呼吸C02 (Υ軸）的改變與呼吸碳Λ值（X軸）的變化之間的相關(guān)性。低 R2示出呼吸碳△值的變化獨(dú)立于呼吸C02濃度的變化。
[0033] 圖3示出使用同位素分析儀每秒測(cè)量的室內(nèi)空氣的碳Λ值。X軸的總時(shí)間是60 分鐘，通過(guò)條長(zhǎng)度示出2分鐘的段。室內(nèi)空氣的碳Λ值大約為-13并且隨著時(shí)間測(cè)量的室 內(nèi)空氣的碳Λ值不存在振蕩模式。
[0034] 圖4示出使用同位素分析儀每秒測(cè)量的個(gè)體小鼠 （η = 3/處理）的原始碳Λ值。 從每個(gè)處理組選擇一只小鼠用于顯示以降低數(shù)據(jù)密度。X軸是注射后的小時(shí)數(shù)，而Υ軸是呼 吸碳Λ值。以"細(xì)虛"線(xiàn)表示用無(wú)菌鹽水腹腔注射的小鼠的值，"淡實(shí)線(xiàn)"表示以lmg脂多 糖（LPS)/Kg體重注射的，并且"深實(shí)線(xiàn)"表示以5mg脂多糖/Kg體重注射的。始于圖例框 的箭頭指明相應(yīng)的跡線(xiàn)。對(duì)于注射了 5mg/kg LPS的動(dòng)物，呼吸碳Δ值的下降趨勢(shì)線(xiàn)（大 箭頭）清楚地存在于振蕩模式之中。
[0035] 圖5說(shuō)明了數(shù)據(jù)平滑對(duì)圖4示出的原始數(shù)據(jù)的影響。使用標(biāo)準(zhǔn)Savitzky-Golay濾 波器（階數(shù)=2)來(lái)歸一化和平滑數(shù)據(jù)以進(jìn)一步揭示呼吸碳△值振蕩的復(fù)雜模式的存在。
[0036] 圖6示出Hilbert-Huang變換的呼吸碳同位素 Λ值的兩個(gè)模態(tài)。使用標(biāo)準(zhǔn) Savitzky-Golay濾波器（階數(shù)=2)將經(jīng)4500秒收集時(shí)段來(lái)自6只健康動(dòng)物的原始呼吸碳 Λ值（例如在圖4中所示）平滑（以創(chuàng)建例如圖5所示的數(shù)據(jù)），然后使用Hilbert-Huang 變換分解來(lái)清楚地揭示振蕩模式。將每一區(qū)組（block)內(nèi)示出（區(qū)組=小鼠）的數(shù)據(jù) Hilbert-Huang(HH)變換為7個(gè)模態(tài)，其中在每次相繼的模態(tài)變換時(shí)，提取最低振蕩頻率。 選擇具有較高頻率和每小時(shí)有4至15次振蕩的Hilbert-Huang變換的模態(tài)進(jìn)一步用于傅 立葉（Fourier)分析。每只小鼠示出兩個(gè)Hilbert-Huang變換（通常是HH模態(tài)3和4)。X 軸為秒，Y軸是根據(jù)HH分解的振蕩標(biāo)度（無(wú)標(biāo)度量度）。
[0037] 圖7是對(duì)于健康的和注射了脂多糖（LPS)的小鼠，通過(guò)Hilbert-Huang(HH)變換 (歸一化振蕩數(shù)據(jù)）產(chǎn)生的選定頻率模態(tài)（在圖6中示出并描述于圖6的圖例中）之"30 分鐘"時(shí)間段的傅立葉分析。在HH變換數(shù)據(jù)的傅立葉分析中，健康動(dòng)物示出了具有許多輔 頻（less dominate frequency)的主頻。在注射了 LPS的動(dòng)物的情況下，失去健康功能振 蕩模式之特性并且一個(gè)或更多個(gè)改變的功能振蕩模式變得明顯。Y軸和X軸為任意單位。
[0038] 圖8示出用來(lái)建立比較數(shù)據(jù)庫(kù)的隨機(jī)選擇的數(shù)據(jù)區(qū)域（框）的三個(gè)實(shí)施例，所述 比較數(shù)據(jù)庫(kù)用于測(cè)試具有未知健康狀況的動(dòng)物的呼吸碳△值振蕩模式?？蛞园氡壤L制 以減少混亂并且說(shuō)明概念-其并非按比例繪制。在數(shù)據(jù)分析期間選擇的框記錄30分鐘時(shí) 間段的呼吸碳△值。使用來(lái)自已知健康的和脂多糖刺激的動(dòng)物的呼吸碳△振蕩數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng) 建代表健康和疾病狀態(tài)兩者的振蕩模式數(shù)據(jù)庫(kù)。還從飼喂不同飲食的動(dòng)物收集數(shù)據(jù)，因?yàn)?已知飲食可影響△值（原始數(shù)據(jù)未示出，但是類(lèi)似于圖8)。將健康狀態(tài)和/或飲食數(shù)據(jù)組 合以用于與來(lái)自未知狀況的數(shù)據(jù)組進(jìn)行比較。（參見(jiàn)描述數(shù)據(jù)管理的實(shí)施例）。
[0039] 圖8示出用來(lái)建立比較數(shù)據(jù)庫(kù)的隨機(jī)選擇的30分鐘數(shù)據(jù)區(qū)域（框）的三個(gè)實(shí)施 例，所述比較數(shù)據(jù)庫(kù)用于測(cè)試具有未知健康狀況的動(dòng)物的呼吸碳△值振蕩模式。使用來(lái)自 已知健康的和脂多糖刺激的動(dòng)物的呼吸碳△振蕩數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建代表健康和疾病狀態(tài)兩者的 振蕩模式數(shù)據(jù)庫(kù)。還從飼喂不同飲食的動(dòng)物收集數(shù)據(jù)，因?yàn)橐阎嬍晨捎绊憽髦担ㄔ紨?shù) 據(jù)未示出，但是類(lèi)似于圖8)。將健康狀態(tài)和/或飲食數(shù)據(jù)組合以用于與來(lái)自未知狀況的數(shù) 據(jù)組進(jìn)行比較。（參見(jiàn)描述數(shù)據(jù)管理的實(shí)施例）。
[0040] 圖9示出自圖8示出的每一參考數(shù)據(jù)框收集的時(shí)間序列的較低維投影。估計(jì)量 f (參見(jiàn)用于計(jì)算的實(shí)施例）計(jì)算時(shí)間序列數(shù)據(jù)至第70維。在該圖中，以2D平面上的單個(gè) 點(diǎn)示出每一時(shí)間序列的f。健康的和注射了脂多糖（LPS)的動(dòng)物點(diǎn)分別任意沿著X軸和Y 軸聚類(lèi)。動(dòng)物的健康群體內(nèi)的飲食變化也聚類(lèi)。"陰影"條證明了對(duì)于每一時(shí)間序列，f值 的聚類(lèi)提供健康動(dòng)物與"不健康的"（注射了 LPS)的動(dòng)物的完全區(qū)分。飲食也影響f值，然 而飲食不干擾基于如由f定義的呼吸碳△值振蕩模式來(lái)區(qū)分健康動(dòng)物與不健康動(dòng)物的能 力。
[0041] 圖10示出所述算法的2D圖像（參見(jiàn)用于解釋的實(shí)施例），其用于檢測(cè)已知健康狀 態(tài)的35分鐘時(shí)間序列呼吸碳Λ值是否可充分地測(cè)量健康狀態(tài)，但是其通過(guò)來(lái)自?xún)煞N飲食 的動(dòng)物的混合數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建。在99%置信度下，可從不健康的動(dòng)物的呼吸樣品數(shù)據(jù)庫(kù)中區(qū)分 出健康的呼吸樣品。該實(shí)驗(yàn)還證明了當(dāng)基于碳Λ值的呼吸振蕩時(shí)，飲食并不是區(qū)別健康狀 態(tài)與不健康狀態(tài)的混淆因素。所示實(shí)驗(yàn)還證明了將未知的與建立的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較的所述 方法在建立健康狀態(tài)中有效。
[0042] 從以下詳細(xì)說(shuō)明、附圖、以及所附權(quán)利要求書(shū)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解和理解上述 及其他特征。
[0043] 詳細(xì)描述
[0044] 本公開(kāi)內(nèi)容涉及使用新發(fā)現(xiàn)的呼出氣體同位素比數(shù)據(jù)的振蕩來(lái)鑒定生物體（例 如，人）的"不健康"狀態(tài)。已經(jīng)在人呼吸數(shù)據(jù)中以及健康的和不健康的狀態(tài)的小鼠內(nèi)毒素 血癥模型中鑒定了振蕩模式?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)分析方法區(qū)分健康對(duì)象和不健康對(duì)象中的振 蕩。此外，可將本領(lǐng)域已知的機(jī)器學(xué)習(xí)工具應(yīng)用于振蕩數(shù)據(jù)并且用來(lái)將健康對(duì)象和不健康 對(duì)象之間的振蕩差異分類(lèi)而不考慮對(duì)象的飲食。本文所用術(shù)語(yǔ)不健康的、患病的、以及受感 染的都是指不存在"健康"的狀態(tài)，其反映在呼出氣體中同位素比的振蕩模式的變化中?？?將本文公開(kāi)的方法用于臨床中作為及時(shí)護(hù)理（point of cafe，P0C)測(cè)試以確定患者的狀態(tài) 及他們的感染類(lèi)型。此外，本方法可在獸醫(yī)臨床中用于對(duì)動(dòng)物進(jìn)行類(lèi)似的測(cè)試。雖然所述 方法可用于富含穩(wěn)定同位素的生物體，但有利地，該方法還可對(duì)同位素非富集的個(gè)體進(jìn)行。
[0045] 本文所用術(shù)語(yǔ)個(gè)體是指人和動(dòng)物，其包括所有脊椎動(dòng)物、尤其是哺乳動(dòng)物，例如 狗、貓和馬、以及鳥(niǎo)類(lèi)例如雞和火雞。
[0046] 在一個(gè)實(shí)施方案中，本文公開(kāi)的方法用于檢測(cè)不健康的狀態(tài)，例如個(gè)體的疾病狀 態(tài)或受感染的狀態(tài)。對(duì)抗感染（例如起源于細(xì)菌的那些）需要迅速的蛋白質(zhì)分解以供給高 能量和原料需求（例如，氨基酸）用于抗體產(chǎn)生及其他抗感染應(yīng)答。在身體組織中存儲(chǔ)的 蛋白質(zhì)、脂肪以及碳水化合物的特定同位素比不同于經(jīng)新陳代謝食物的同位素比，并且當(dāng) 通過(guò)感染誘導(dǎo)分解代謝狀態(tài)時(shí)，身體開(kāi)始消耗存儲(chǔ)的組織，這（由于在存儲(chǔ)的組織中的不 同比值）導(dǎo)致呼吸（例如，呼出的 13C02含量）中的比值變化。類(lèi)似地，不同疾病狀態(tài)引起 蛋白質(zhì)底物和新陳代謝的變化。此外，"動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)"也受疾病或感染影響，其中分子 基于其同位素重量參與不同的化學(xué)反應(yīng)。如本文所示，除了同位素比的斜率的變化，還有同 位素比的固有振蕩模式的變化，與斜率相比其可在更短時(shí)間標(biāo)度上檢測(cè)。有利地，不同疾病 和感染例如將以不同的方式改變同位素振蕩模式，因此允許基于同位素振蕩模式變化的一 般診斷機(jī)制。
[0047] 在感染或?qū)膊顟B(tài)之急性期響應(yīng)的存在下，在呼吸中測(cè)量的重同位素與輕同位 素之比變得更負(fù)。這意味著呼吸中輕同位素的相對(duì)量升高而重同位素的量降低。重同位素 相對(duì)多度的該變化的原因是因?yàn)閯?dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)。分子（例如氨基酸）可用于燃料或蛋 白質(zhì)合成。在感染或急性疾病狀態(tài)期間，最可能用于燃料從而被轉(zhuǎn)化為C0 2的分子是不合 13c的分子，因此在感染期間或急性疾病狀態(tài)期間呼吸變得富含12C。含 13C的分子與身體在 一起并且用于新蛋白質(zhì)的合成，例如在急性疾病狀態(tài)期間所需的抗體和其他蛋白質(zhì)。認(rèn)為 該變化是身體組織用于"燃料"（ 12c分子）相比于蛋白質(zhì)合成（13C分子）增加的直接反映。 在不存在感染或急性疾病狀態(tài)響應(yīng)的誘導(dǎo)的條件下，呼吸C0 2類(lèi)似于身體中所見(jiàn)的同位素 比。
[0048] 例如，在細(xì)菌感染期間，在感染第一小時(shí)內(nèi)，通過(guò)突然釋放分解代謝的細(xì)胞因子來(lái) 標(biāo)記對(duì)于入侵的免疫應(yīng)答（急性并且涉及先天免疫系統(tǒng)）。這些細(xì)胞因子由腫瘤壞死因子 (TNF)，以及白細(xì)胞介素（IL) 1和6組成。這三種細(xì)胞因子導(dǎo)致身體營(yíng)養(yǎng)物（例如氨基酸） 的迅速重新分布。例如，TNF和IL-1將誘導(dǎo)骨骼肌的降解，導(dǎo)致氨基酸的釋放可用于制造免 疫和炎性急性期蛋白質(zhì)或用作能量來(lái)源。隨著氨基酸流向蛋白質(zhì)合成或是作為燃料燃燒， 碳同位素發(fā)生分離。
[0049] 雖然病毒感染也可誘導(dǎo)碳分離和更多負(fù)的呼吸碳Λ值，但與細(xì)菌感染起始相比 時(shí)，與病毒感染早期相關(guān)的細(xì)胞因子引起不同細(xì)胞因子（即干擾素）的釋放。與病毒感染 相關(guān)的碳分離可產(chǎn)生不同模式，例如與病毒繁殖期相關(guān)的模式。
[0050] 此前已示出在細(xì)菌攻擊開(kāi)始之后約兩小時(shí)內(nèi)，同位素比量有明顯變化，隨后比長(zhǎng) 期相對(duì)穩(wěn)定，盡管相對(duì)于未被攻擊的個(gè)體發(fā)生了變化。相反地，病毒攻擊的宿主表現(xiàn)出一系 列周期性改變，開(kāi)始得顯著更晚（例如2至3天）。同樣，在細(xì)菌感染的情況下，與病毒感染 期間相比呼吸以更高速率變得"更輕"。因此，在指示病毒生命周期的比值模式下，改變的速 度以及存在或不存在重復(fù)的尖峰是感染原類(lèi)型的指示。
[0051] 類(lèi)似于在感染中所觀(guān)察到的，創(chuàng)傷、燒傷和外科手術(shù)也可影響對(duì)象的疾病/健康 狀態(tài)（特別是疾病的急性期），并且可以導(dǎo)致同位素比量的明顯變化。同位素比量的變化及 振蕩應(yīng)當(dāng)在急性疾病期內(nèi)更加突出，因?yàn)樵诩毙约膊∑谄陂g蛋白質(zhì)新陳代謝的變化更大。
[0052] 因此，可以使用呼吸中同位素比隨時(shí)間的變化來(lái)確定個(gè)體的健康的/不健康的狀 態(tài)。然而，對(duì)人而言，可能在年度體檢或于另外的患者如若去醫(yī)療機(jī)構(gòu)且未抱怨疾病癥狀的 機(jī)會(huì)下獲得對(duì)于患者基線(xiàn)讀數(shù)?；蛘?，第一讀數(shù)可以是當(dāng)患者第一次抱怨感染或疾病類(lèi)型 癥狀（例如，特別是體溫升高）時(shí)。在另一個(gè)方面，可將個(gè)體的數(shù)據(jù)與相同物種的個(gè)體之群 體的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
[0053] 本發(fā)明人已經(jīng)出乎意料地發(fā)現(xiàn)，呼吸同位素比在健康的和不健康的個(gè)體中具有振 蕩模態(tài)，并且所述振蕩模態(tài)在健康個(gè)體和患病個(gè)體中不同。這些振蕩疊加在同位素比隨時(shí) 間的向下的斜率上。因此，通過(guò)測(cè)量呼吸中同位素比的振蕩（獨(dú)立于比值變化的斜率），可 獲得個(gè)體分解代謝狀態(tài)/健康的指示。同位素比之振蕩頻率的測(cè)量不同于呼吸同位素比的 絕對(duì)監(jiān)測(cè)。測(cè)量同位素比之振蕩頻率的變化可有利地用來(lái)確定個(gè)體是否正從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變 到不健康狀態(tài)，來(lái)確定個(gè)體是否處于不健康的狀態(tài)，以及來(lái)確定個(gè)體是否正從不健康狀態(tài) 轉(zhuǎn)變到健康狀態(tài)。有利地，可以在不知道處于健康狀態(tài)個(gè)體的同位素比頻率模式的情況下 確定所述個(gè)體的不健康狀態(tài)。使用振蕩模態(tài)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是相比于測(cè)定斜率所需的時(shí)間周 期，可以在更短時(shí)間周期內(nèi)確定生物體的狀態(tài)，例如35分鐘相比于2小時(shí)。使用振蕩模態(tài)的 另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由生物體消耗的飲食不干擾檢測(cè)健康狀態(tài)的能力并且如果固定了健康狀態(tài)， 則可以對(duì)關(guān)于飲食狀態(tài)的線(xiàn)索進(jìn)行辨別。
[0054] 在本文公開(kāi)的方法中，使用個(gè)體隨時(shí)間的呼吸來(lái)測(cè)量其中隨時(shí)間第一同位素與第 二同位素的相對(duì)量，其中所述第一同位素和所述第二同位素是例如 13c和12C對(duì)，但是還可替 代地是15N和14N對(duì)、或 170和160對(duì)、或硫同位素對(duì)（例如，32S和34S ;33S和36S)。
[0055] 在一個(gè)實(shí)施方案中，利用光腔衰蕩光譜（cavity ringdown spectroscopy)進(jìn)行相 對(duì)同位素測(cè)量。在一個(gè)特定實(shí)施方案中，使用具有頻繁采樣（例如，每秒）的分光計(jì)進(jìn)行測(cè) 量，使得可以測(cè)定振蕩模態(tài)。一種示例性?xún)x器是Picarro G2101-i同位素 C02分析儀。在 一個(gè)實(shí)施方案中，在總時(shí)間段內(nèi)測(cè)量第一同位素與第二同位素的相對(duì)量包括在時(shí)間 周期（t, &)內(nèi)連續(xù)測(cè)量或在離散時(shí)間點(diǎn)（tp)和離散時(shí)間段（&)內(nèi)測(cè)量。離散時(shí)間段可以 在健康狀態(tài)（t es)期間、不健康狀態(tài)期間、或未知或可測(cè)試狀態(tài)（ti^)期間。在 一個(gè)實(shí)施方案中，測(cè)量之間的時(shí)間點(diǎn)（tp)為一秒并且離散時(shí)間段（ti)為一分鐘至一小時(shí)。
[0056] 在一個(gè)實(shí)施方案中，確定個(gè)體是否正從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至不健康狀態(tài)的方法包括：
[0057] 在總時(shí)間段內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)其中第一同位素與第二同位素 的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述個(gè)體在時(shí)間段中是健康的，其中、是時(shí)間段開(kāi)始的 時(shí)間點(diǎn)，而t _是在t ,&期間所述個(gè)體健康的時(shí)間點(diǎn)，
[0058] 在時(shí)間段期間對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的健康功能振 蕩模式進(jìn)行鑒定，
[0059] 在內(nèi)的測(cè)試時(shí)間段，對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的測(cè)試 功能振蕩模式進(jìn)行鑒定，其中〖《?與不重疊，以及
[0060] 當(dāng)所述健康功能振蕩模式與所述測(cè)試功能振蕩模式在振蕩周期、振蕩/單位時(shí) 間、和/或振蕩周期中的變異度不同時(shí)，確定所述個(gè)體正從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至不健康狀態(tài)，
[0061] 其中所述第一同位素和所述第二同位素選自13C和12C對(duì)、 15N和14N對(duì)、170和160對(duì)、 以及硫同位素對(duì)，并且其中測(cè)量是在時(shí)間周期內(nèi)的連續(xù)測(cè)量或在離散時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量。
[0062] 在另一個(gè)實(shí)施方案中，確定個(gè)體是否正從不健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至健康狀態(tài)的方法包 括：
[0063] 在總時(shí)間段內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同位 素的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述個(gè)體在時(shí)間段
【權(quán)利要求】
1. 確定個(gè)體是否正從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至不健康狀態(tài)的方法，所述方法包括： 在總時(shí)間段（t,&)內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同位素 的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述個(gè)體在時(shí)間段期間是健康的，其中h是時(shí)間段開(kāi)始 的時(shí)間點(diǎn)，并且七_(dá)是?期間所述個(gè)體健康的時(shí)間點(diǎn)， 在時(shí)間段期間對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的健康功能振蕩模 式進(jìn)行鑒定， 在內(nèi)的測(cè)試時(shí)間段所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的測(cè)試功能 振蕩模式進(jìn)行鑒定，其中^_與不重疊，以及 當(dāng)所述健康功能振蕩模式與所述測(cè)試功能振蕩模式在振蕩周期、振蕩/單位時(shí)間、和/ 或振蕩周期的變異度不同時(shí)，確定所述個(gè)體正從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至不健康狀態(tài)， 其中所述第一同位素與第二同位素選自13c和12C對(duì)、15Ν和 14Ν對(duì)、170和160對(duì)、以及硫 同位素對(duì)。
2. 權(quán)利要求1所述的方法，其還包括通過(guò)測(cè)定所述第一同位素與所述第二同位素的相 對(duì)量的變化來(lái)測(cè)定斜率在時(shí)間周期內(nèi)從時(shí)間、至?xí)r間t x的變化。
3. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述健康功能振蕩模式獨(dú)立于所述個(gè)體的飲食。
4. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一同位素與所述第二同位素是13C和12C對(duì)。
5. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述監(jiān)測(cè)步驟使用光腔衰蕩光譜來(lái)測(cè)定所述第一同位 素與所述第二同位素的相對(duì)量的變化。
6. 權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)所述個(gè)體從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至不健康狀態(tài)時(shí)，所述健 康功能振蕩模式的振蕩周期、振蕩/單位時(shí)間、和/或振蕩周期和/或振蕩/單位時(shí)間的變 異度與所述測(cè)試功能振蕩模式的差別大于10%。
7. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述時(shí)間段為至少5分鐘并且包含至少一個(gè)來(lái)自健 康狀態(tài)的時(shí)間段和至少一個(gè)來(lái)自不健康狀態(tài)的時(shí)間段。
8. 權(quán)利要求1所述的方法，其中在時(shí)間段內(nèi)對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的 相對(duì)量進(jìn)行的測(cè)量包括在時(shí)間段內(nèi)連續(xù)測(cè)量或在離散時(shí)間段（tj內(nèi)的測(cè)量。
9. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的健康功 能振蕩模式具有6至7分鐘的振蕩周期以及8. 5至10次振蕩/小時(shí)。
10. 權(quán)利要求1所述的方法，其中在時(shí)間段內(nèi)對(duì)所述第一同位素與所述第二同位 素的相對(duì)量的健康功能振蕩模式進(jìn)行的鑒定，包括分解時(shí)間段內(nèi)對(duì)所述第一同位素 與所述第二同位素的相對(duì)量以產(chǎn)生有限數(shù)目的固有模態(tài)，其中第一主導(dǎo)振蕩模態(tài)是所述固 有模態(tài)之一。
11. 權(quán)利要求10所述的方法，其還包括使用模態(tài)分解對(duì)高頻振蕩模態(tài)進(jìn)行鑒定，并且 對(duì)來(lái)自時(shí)間段內(nèi)所述第一同位素與所述第二同位素之相對(duì)量的高頻振蕩模態(tài)進(jìn)行濾 波。
12. 權(quán)利要求1所述的方法，其還包括對(duì)時(shí)間周期（ν_)內(nèi)所述第一同位素與所述 第二同位素的相對(duì)量的第二健康功能振蕩周期進(jìn)行鑒定。
13. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述個(gè)體是同位素非富集個(gè)體。
14. 權(quán)利要求1所述的方法，其中所述個(gè)體是經(jīng)插管的。
15. 確定個(gè)體是否處于不健康狀態(tài)的方法，所述方法包括： 在總時(shí)間段（t,&)內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同位素 的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述個(gè)體在時(shí)間段、_@?期間是不健康的，其中h是時(shí)間段t A開(kāi) 始的時(shí)間點(diǎn)，并且4_是期間所述個(gè)體不健康的時(shí)間點(diǎn)， 在時(shí)間段期間對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的不健康功能振 蕩模式進(jìn)行鑒定， 在內(nèi)的測(cè)試時(shí)間段所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的測(cè)試功能 振蕩模式進(jìn)行鑒定，其中^_與不重疊，以及 當(dāng)所述不健康功能振蕩模式與所述測(cè)試功能振蕩模式在振蕩周期、振蕩/單位時(shí)間、 和/或振蕩周期的變異度不同時(shí)，確定所述個(gè)體正從不健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至健康狀態(tài)， 其中所述第一同位素與所述第二同位素選自13c和12C對(duì)、15N和 14N對(duì)、170和160對(duì)、以 及硫同位素對(duì)。
16. 權(quán)利要求15所述的方法，其還包括通過(guò)測(cè)定所述第一同位素與所述第二同位素的 相對(duì)量的變化來(lái)測(cè)定斜率在時(shí)間周期從時(shí)間h至?xí)r間t x的變化。
17. 權(quán)利要求15所述的方法，其中所述不健康功能振蕩模式獨(dú)立于所述個(gè)體的飲食。
18. 權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一同位素與所述第二同位素是13C和12C對(duì)。
19. 權(quán)利要求15所述的方法，其中所述監(jiān)測(cè)步驟使用光腔衰蕩光譜來(lái)測(cè)定所述相對(duì)量 的變化。
20. 權(quán)利要求15所述的方法，其中當(dāng)所述個(gè)體從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變至不健康狀態(tài)時(shí)，所述 健康功能振蕩模式的振蕩周期、振蕩/單位時(shí)間、和/或振蕩周期和/或振蕩/單位時(shí)間的 變異度與所述測(cè)試功能振蕩模式的差別大于10%。
21. 權(quán)利要求15所述的方法，其中所述時(shí)間段為至少5分鐘。
22. 權(quán)利要求15所述的方法，其中在時(shí)間段內(nèi)對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素 的相對(duì)量進(jìn)行的測(cè)量包括在時(shí)間段內(nèi)連續(xù)測(cè)量或在離散時(shí)間段（tj內(nèi)的測(cè)量。
23. 確定個(gè)體感染之嚴(yán)重程度的方法，所述方法包括： 在時(shí)間周期（t)內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同位素 的相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述第一同位素與所述第二同位素選自13C和12C對(duì)、15N和 14N對(duì)、 170和160對(duì)、以及硫同位素對(duì)； 對(duì)所述個(gè)體在時(shí)間周期（t)內(nèi)對(duì)所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的功能 振蕩模式進(jìn)行鑒定，以及 測(cè)定所述個(gè)體的所述功能振蕩模式與健康的和/或受感染的參考群體的平均功能振 蕩模式之間相比的任何差別， 其中所述個(gè)體的所述功能振蕩模式與所述參考群體的所述平均功能振蕩模式之間的 差別程度確定了感染的嚴(yán)重程度。
24. 權(quán)利要求23所述的方法，其中所述個(gè)體的所述功能振蕩模式獨(dú)立于所述個(gè)體的飲 食。
25. 權(quán)利要求23所述的方法，其中所述第一同位素與所述第二同位素是13C和12C對(duì)。
26. 權(quán)利要求23所述的方法，其中所述監(jiān)測(cè)步驟使用光腔衰蕩光譜來(lái)測(cè)定所述相對(duì)量 的變化。
27. 權(quán)利要求23所述的方法，其中所述時(shí)間周期為至少5分鐘。
28. 權(quán)利要求23所述的方法，其中在時(shí)間周期（t)內(nèi)對(duì)所述第一同位素與所述第二同 位素的相對(duì)量進(jìn)行的測(cè)量包括在時(shí)間周期（t)內(nèi)連續(xù)測(cè)量或在離散時(shí)間段（tj內(nèi)的測(cè)量。
29. 確定個(gè)體是否處于不健康狀態(tài)的方法，所述方法包括： 在時(shí)間段（t,&)內(nèi)對(duì)所述個(gè)體的呼吸進(jìn)行監(jiān)測(cè)并且對(duì)其中第一同位素與第二同位素的 相對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，其中所述第一同位素與所述第二同位素選自13C和12C對(duì)、15N和 14N對(duì)、170 和160對(duì)、以及硫同位素對(duì)； 在時(shí)間周期（t,&)內(nèi)對(duì)其中所述第一同位素與所述第二同位素的相對(duì)量的功能振蕩模 式進(jìn)行鑒定，并且將所述個(gè)體的所述功能振蕩模式與已知健康/或不健康的參考群體內(nèi)的 平均功能振蕩模式進(jìn)行比較，以及 當(dāng)所述個(gè)體的所述功能振蕩模式與所述健康和/或受感染的參考群體的所述平均功 能振蕩模式在頻率和/或振幅上不同時(shí)，確定所述個(gè)體處于不健康狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】A61B5/00GK104272107SQ201380012753
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2013年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月7日
【發(fā)明者】哈米德·R·埃格巴爾尼亞, 馬克·E·庫(kù)克, 瓦倫·保羅·波特, 丹尼爾·埃爾默·布茨 申請(qǐng)人:威斯康星校友研究基金會(huì)