呼吸碳-13穩定同位素技術在動物生理生態研究中的應用

      能量代謝測量系統通過得到VO2、VCO2、RER指標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），是連續測量動物能量消耗的首選技術，但不能區分、量化外源性（如食物攝取）和內源性（動物自身的組織成分）底物，以及某些營養素的氧化消耗。
      通過代謝示蹤劑（如碳-13標記物，就像給生物分子裝上了精確GPS定位器）跟蹤，以及呼吸穩定同位素分析儀實時監測動物呼出氣體中的¹³CO2來區分量化動物能量代謝中消耗的哪些能量物質等，可以更深入的研究代謝生理學機制(如代謝靈活性）等，而這種定量測量特定能量物質氧化速率往往也需要知道VCO2。
動物能量代謝與呼吸¹³C穩定同位素技術部分應用案例：
 
1）限水麻雀內源性氨基酸的氧化       動物可以通過多種方式應對脫水，包括行為和生理。每千焦耳蛋白質氧化產生的代謝水比脂肪或碳水化合物產生的更多，鳥類會因高水分流失率而增加蛋白質分解代謝。然而，為響應限水而動員的氨基酸氧化尚未有詳細研究。
 
      研究者給圈養的家麻雀喂食¹³C標記的亮氨酸9周，以標記內源性蛋白質。每周進行一次試驗，在此期間，測量了對限水的生理反應，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）。研究發現，限水的鳥類分解代謝了更多的瘦肉組織，并且還富集了δ¹³Cbreath以響應限水。然而，δ13Cbreath隨代謝率和限水期的長短而變化，這表明當可以使用其它生理策略實現水分平衡時，鳥類可能會節省蛋白質。       文中使用儀器技術：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標準流通式呼吸測量技術在蒸發失水（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、與能量代謝測量系統完美兼容、高性價比等諸多優勢以滿足多領域科學家的期待。
 
2) 牦牛糞菌助高原鼠兔回收氮源，適應冬季低蛋白環境
 
      氮平衡是食草動物在食用低氮飲食時面臨的主要挑戰。腸道微生物群介導的尿素氮循環促進了缺氮時期的蛋白質穩態，但其與野生非冬眠小型哺乳動物的相關性仍不清楚。文中實驗通過同位素示蹤、能量代謝測量、宏基因組學、靶向短鏈脂肪酸分析和糞便微生物群移植相結合，研究了冬季蛋白質限制對青藏高原鼠兔（Ochotona curzoniae）尿素氮循環的影響。
      在呼吸穩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，以調節氣流并維持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：       在冬季蛋白質限制期間，肝臟尿素循環代謝下調，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運蛋白的增加，以及乙酸鹽的產生，隨之增加氮重新摻入鼠兔的蛋白質庫。至關重要的是，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，揭示了一種關鍵機制，即同域物種之間的種間水平微生物轉移增強了宿主蛋白穩態。
    作者的研究結果揭示了腸道微生物群在尿素氮循環中的功能作用，以維持冬季活動的草食性小型哺乳動物的蛋白質平衡，并有助于理解物種共存和哺乳動物對高海拔環境的適應。研究結果表明，微生物群驅動的尿素氮循環是冬季活動食草動物蛋白質穩態的關鍵適應策略。這項工作為哺乳動物適應高海拔環境的機制和種間共存的動態提供了新的見解。 
 
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.
 
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      FMS便攜式多功能能量代謝測量儀+小動物跑步機+穩定性同位素氣體分析儀
      定制動物（包括風洞等）或人體呼吸穩定性同位素分析系統；
      已購買Sable所有系列產品的客戶系統配置升級，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測技術、動物行為、活動狀態監測技術、元素分析儀系統
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