易科泰呼吸碳-13稳定同位素技术在动物生理生态研究中的应用

       能量代谢测量系统通过得到VO2、VCO2、RER指标来推断动物的能量消耗，以及总的代谢底物利用（如碳水化合物、脂肪、蛋白质），是连续测量动物能量消耗的首.选技术，但不能区分、量化外源性（如食物摄取）和内源性（动物自身的组织成分）底物，以及某些营养素的氧化消耗。

       通过代谢示踪剂（如碳-13标记物，就像给生物分子装上了精确GPS定位器）跟踪，以及呼吸稳定同位素分析仪实时监测动物呼出气体中的¹³CO2来区分量化动物能量代谢中消耗的哪些能量物质等，可以更深入的研究代谢生理学机制(如代谢灵活性）等，而这种定量测量特定能量物质氧化速率往往也需要知道VCO2。

图1 便携式实时呼吸碳同位素分析仪（左）；¹³C示踪营养物氧化速率计算（右）

动物能量代谢与呼吸¹³C稳定同位素技术部分应用案例：

1）限水麻雀内源性氨基酸的氧化

       动物可以通过多种方式应对脱水，包括行为和生理。每千焦耳蛋白质氧化产生的代谢水比脂肪或碳水化合物产生的更多，鸟类会因高水分流失率而增加蛋白质分解代谢。然而，为响应限水而动员的氨基酸氧化尚未有详细研究。

       研究者给圈养的家麻雀喂食¹³C标记的亮氨酸9周，以标记内源性蛋白质。每周进行一次试验，在此期间，测量了对限水的生理反应，如瘦体重、脂肪量、新陈代谢的变化以及呼出二氧化碳中¹³C 的富集（δ13Cbreath）。研究发现，限水的鸟类分解代谢了更多的瘦肉组织，并且还富集了δ¹³Cbreath以响应限水。然而，δ13Cbreath随代谢率和限水期的长短而变化，这表明当可以使用其它生理策略实现水分平衡时，鸟类可能会节省蛋白质。

       文中使用仪器技术：定量磁共振用于身体成分分析；G2131-I同位素碳分析仪测量¹³Cδ呼气；SSI标准流通式呼吸测量技术在蒸发失水（EWL）和δ13C呼吸的同时测量RMR。需要说明的是，美国Sable公司新推出的¹³C稳定性同位素分析仪具备便携性、高精度、实时测量、无需耗材及外部校准、与能量代谢测量系统完美兼容、高性价比等诸多优势以满足多领域科学家的期待。

2) 牦牛粪菌助高原鼠兔回收氮源，适应冬季低蛋白环境

       氮平衡是食草动物在食用低氮饮食时面临的主要挑战。肠道微生物群介导的尿素氮循环促进了缺氮时期的蛋白质稳态，但其与野生非冬眠小型哺乳动物的相关性仍不清楚。文中实验通过同位素示踪、能量代谢测量、宏基因组学、靶向短链脂肪酸分析和粪便微生物群移植相结合，研究了冬季蛋白质限制对青藏高原鼠兔（Ochotona curzoniae）尿素氮循环的影响。

在呼吸稳定同位素测量实验中，将每只鼠兔放入圆柱形聚乙烯代谢室中，该腔室通过 Tygon管连接到FMS新款便携式呼吸代谢测量仪，以调节气流并维持CO2浓度约为1%，确保可靠的δ¹³C测量。将鼠兔放入腔室后，立即在铝箔气囊中收集基线呼吸样本。每30分钟收集一次后续样本。每个空气样品¹³C:¹²C比率（称为δ¹³C，以%表示）通过元素分析仪与同位素比质谱仪（IRMS）离散方式测量。由此得到的δ¹³C值以每mil（‰）表示，参考Regan等2022年Science论文公式：

       其中 PDB（Pee Dee Belemnite）作为标准。

       图A）实验设计示意图（每组n=5只鼠兔）；（B）¹³C-尿素示踪的Abx鼠兔和对照鼠兔的平均呼气δ¹³C，箭头表示腹膜内注射¹³C-尿素；（C）根据（B）中的呼吸δ¹³C数据计算的曲线面积（AUC）。

       在冬季蛋白质限制期间，肝脏尿素循环代谢下调，伴随着具有尿素溶解能力的有益细菌（如阿利斯肽属）、肠道脲酶活性和尿素转运蛋白的增加，以及乙酸盐的产生，随之增加氮重新掺入鼠兔的蛋白质库。至关重要的是，用牦牛粪便微生物群补充低蛋白饮食通过增加阿利斯肽丰度来增强尿素溶解能力，揭示了一种关键机制，即同域物种之间的种间水平微生物转移增强了宿主蛋白稳态。

       作者的研究结果揭示了肠道微生物群在尿素氮循环中的功能作用，以维持冬季活动的草食性小型哺乳动物的蛋白质平衡，并有助于理解物种共存和哺乳动物对高海拔环境的适应。研究结果表明，微生物群驱动的尿素氮循环是冬季活动食草动物蛋白质稳态的关键适应策略。这项工作为哺乳动物适应高海拔环境的机制和种间共存的动态提供了新的见解。 

       易科泰生态技术公司积十几年动物能量代谢测量技术研究服务经验，与美国、欧洲等国际一流能量代谢技术公司合作，为国内动物生理生态、生物医学研究等提供全面精准技术方案：

● SSI呼吸代谢系统（模块式或便携式）+稳定性同位素气体分析仪

● FMS便携式多功能能量代谢测量仪+小动物跑步机+稳定性同位素气体分析仪

● 定制动物（包括风洞等）或人体呼吸稳定性同位素分析系统；

● 已购买Sable所有系列产品的客户系统配置升级，包括小动物跑步机、呼吸同位素分析等

● 植入式动物体温心率检测、Thermo-RGB高灵敏度红外热成像体温监测技术、动物行为、活动状态监测技术、元素分析仪系统

● 基于动物能量代谢测量技术与客户合作共同开发动物生理生态研究领域新产品等

参考文献

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.

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.