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。 胃排空及胃肠运动 用来测定胃排空和胃肠道运动的稳定示踪剂加在食物中服用，然后采集呼 出气体进行仪器测试。测试结果用来诊断胃肠道运动机能是否有异常，方法经 济、简便，结果准确、可靠，可以取代复杂昂贵的闪烁扫描仪方法。 消化功能 病人根据医嘱口服某种稳定示踪剂，然后采集呼出气体样品用来进行仪器 测试，从而可以判断病人是否对某种食物消化不良。病人也可在自己家里服用 示踪剂后收集呼出气体样品，然后将样品寄送给医生或实验室。 肝脏功能 利用稳定同位素技术可以测定、诊断一些肝功能异常或病变。与其它呼气 试验一样，口服稳定示踪剂后收集呼出气体样品，用仪器测定气体中示踪剂代 谢产物的浓度，根据结果对病症做出诊断。 稳定同位素与营养健康 Stable Isotopes and Nutrition 几十年来稳定同位素技术被广泛应用于营养、营养学和食品研究，从食物营 养成分的消化吸收到体内营养物质的代谢，包括从碳水化合物、脂肪和氨基酸、 蛋白质和维生素到微量元素所有营养物质。其非放射特性(即不衰变，无幅射污 染)免除了由放射性而引起的对试验者和受试者的生物辐射不安全因素，从而使 直接研究孕妇与儿童成为现实。例如，用稳定同位素作为示踪剂可以研究母体 饮食成分和习惯对婴儿的代谢、营养物质摄取量和生长发育的影响。普通人、 体育工作者以及病人的营养代谢和能量需要都可用稳定同位素来进行定量测定 研究。在动物营养领域，则可以用来测定动物的生长发育和肉蛋产量。此技术 已成为人体营养、临床试验和动物营养中不可缺少的基本手段。 蛋白质组学 Proteomics 随着蛋白质组学和代谢组学的兴起，非放射性同位素技术在这些领域里的 应用发展很快。此技术可以用来同时分析测定多个不同的样品，从而消除了个 体间的分析差异，提高了分析结果的准确性和可靠性，而且加快了研究速度。 其工作原理是利用两种以上不同的稳定同位素标记形式来标记不同的样品中的 蛋白质或肽，然后把这些样品混合在一起进行分析测试。现在，市场上已有好 几种由稳定同位素标记的试剂，做到可以同时测定 8 个样品 （例如 iTRAQ, iCAT, ICPL, SILAC 等）。 由于这些样品的标记不同，所以在测试中合而不混， 互不干扰。下面举一个例子。两个样品(人或细胞)，一个正常，另一个患癌症。 取样后，两个样品分别由两种不同的同位素标记，进行培养，然后混合，最后 分析测定两个样品中的蛋白质 A 的量差，如图所示。 从以上检测结果可以看出，正常和癌变两个样品中的同一蛋白质 A 有 量的显著差异，即癌变样品含有的蛋白质 A 的量是正常样品的两倍。因为两个 样品是合二而一来测定的，所以它们之间没有由测试引入的分析差异，因而此 定量结果具有不偏性，准确可靠。这一技术可以利用更多种不同的非放射性同 位素来同时分析更多个不同的样品，所以同时也大大地提高了工作效率，因而 也就具有显著的经济效益。 畜牧兽医-动物发育和肌肉生长 Animal Development and Production 传统上研究和测定家畜动物的蛋白质合成和肌肉生长是利用原始的称重法， 简便易行但比较粗放，结果误差大。随着科学技术的发展，这种古老的办法在 很多情况下已不适用，而要求用更精确、更科学的方法来研究动物生产。 最常用的方法是同位素示踪法，包括放射性和非放射性两种。前者由于放射性 同位素的较早商业生产而及早得到了应用，但是由于其放射污染而造成对人体、 动物及环境的污染等诸多限制，放射性同位素的应用越来越不受欢迎而呈现下 降趋势。从上世纪中期以来开始流行的非放射性（稳定）同位素技术由于其安 全可靠而受到人们的青睐。通常用于测定肌肉生长的稳定示踪剂包括由碳 13、 氮 15 或氘标记的氨基酸，将其通过饲喂、静脉注射或腹膜腔注射，然后定期 采集肌肉样品来测定该示踪剂在肌肉中的丰度（即进入肌肉的示踪剂的量）， 从而计算得到肌肉蛋白的合成速率或增长率。由于质谱仪测定的高精度甚至超 高精度，其结果准确可靠。而且可以同时测定任何组织，比如在同一次试验中 可以测定不同部位的骨骼肌、心肌、肝脏等各个组织器官的蛋白质合成。试验 也可以是存活试验，只需要在被测试动物肌肉组织采集极小量的样品（毫克级） 即足够供仪器测试所用。 随着稳定同位素技术的不断发展提高，示踪剂投放以及样品的测定越来越 先进、简便和可靠。比如可以用经济易用的重水（D2O 或 2H2O) 作为示踪剂。 因为蛋白质合成时需要结合水分子，所以重水中的氘原子便进入新合成的蛋白 质。通过对肌肉蛋白质中氘的丰度和体液中氘的丰度的比较，就可以计算得到 该组织的蛋白质合成速率或肌肉增长率。另外，示踪剂的投放途径可以根据情 况和需要改变，抑或是静脉恒速灌流，或者是一次性腹膜腔内大剂量注射（也 叫洪水式投放），都可以通过利用相应的数学处理来得到正确的结果。下图是 一组仔猪试验结果，通过腹膜腔注射一大剂量氘标记的苯丙氨酸后其血浆丰度 随时间的变化曲线。从途中可以看到，15 分钟以后血浆苯丙氨酸示踪剂丰度进 入平台期，所以在此期间可以采集组织样品，测试组织蛋白中氘苯丙氨酸的丰 度，从而计算得到该蛋白质的合成速度： 蛋白质合成速率, % = 组织蛋白质中氘-苯丙氨酸丰度 血浆氘-苯丙氨酸 丰度 x 100% 农业生产-肥料利用率 Fertilizer Unitilzation Efficiency 利用同位素示踪技术测定作物的肥料利用率：将稳定同位素标记的肥料施 用于作物的土壤里，可利用同位素稀释原理来定量测定作物体内来自肥料中的 各种营养成分，从而得知作物对肥料养分的吸收利用率。此方法直接简单，与 通过比较施肥和不施肥条件下养分吸收差值法来测定肥料养分利用率相比，稳 定同位素示踪法更接近自然条件下的植物生长发育状况，从而可以在正常的生 产和施肥条件下进行，真实地反映植物对肥料的利用情况。 同位素稀释原理: 利用同位素示踪法测定作物肥料利用率的基本技术是同 位素稀释法，其原理如下。同位素标记的某肥料养分（示踪剂）与天然的、未 标记的同种养分（被示踪剂，亦即被测养分）在土壤和植物中的代谢行为相同， 植物对其吸收利用也相同。应用时，示踪剂和被示踪剂按一定比例混合后施用 于土壤里（该比例即肥料中被测养分同位素丰度）。当示踪剂被植物吸收后， 被植物内原有的被测养分稀释，因而植物体内该养分的示踪剂丰度（即该养分 中所含示踪剂的浓度）比肥料中该养分示踪剂的丰度要低，因而形成一丰度差， 用丰度比来表示。 此丰度比即是该肥料养分在植物内被稀释的倍数，即稀释度， 其倒数就是植物体内新吸收来的肥料养分的度量，由分数（例如 0.1）或百分 数（例如 10%）来表示。 此例数的含义是，植物体内该养分中有 10%是从肥 料中吸收而来。 生态环境-鸟类迁徙 Bird Migration 动物、鸟类的出生地段、繁殖基地和活动区域的植被非放射性同位素组成 及浓度就像无形的标签一样把每一个息者准确地进行了标记。由于体内脂类和 蛋白质合成都需要氢原子，所以它们的毛发和羽毛中的重氢含量反映了栖息地 的重氢含量。无论它们走到哪里，只要对它们的毛发、羽毛重氢(即氘)进行测 试比较，就可以知道它们的原产地或栖息地，还可以推断出它们的迁徙途径。 比如美丽的北美洲鸣鸟 (见图) 秋季开始向南迁徙，于冬季到达中美洲过冬。 鸟类学家通过对它们迁徙途中脱落的羽毛氘含量测定后得知，在北美洲最北端 繁殖栖息的鸣鸟最早在秋季开始南迁，于冬季最早到达中美洲南端，即所谓的 蛙跳式迁徙理论，而这些知识除了用同位素术是不可能得到的。 微生物的利用 Exploiting Microorganisms 1利用稳定同位素技术研究微生物的底物特异性：将混合微生物种群（如反刍 动物瘤胃微生物）与碳 13 标记的某一底物（如纤维素）一起培养后，测定各 微生物种群的繁殖率。繁殖的快慢由对该底物的依赖性和利用能力所决定。所 以，繁殖最快的种群对该底物的依赖性和利用能力最高，反之亦然。这样，通 过逐个地培养各种底物就可以测定微生物种群对底物利用的特异性和依赖性。 当然，仅此目的无须用标记物，用普通底物即可达到目的，但是有误判的可能。 因为有些种群的繁殖并不是直接利用该底物，而是通过间接地利用别的种群产 生的代谢产物来生长繁殖，于是出现误判。所以标记物在此的目的是追踪该底 物的代谢途径，以免误判。通过比较微生物体内的产物和培养液中底物的碳 13 丰度，就可以断定该种群是直接还是间接地利用该底物。同时，这样的比较还 可以测定该种群利用该底物产生其代谢产物的定量关系。 2提高秸秆饲料的利用率：反刍动物营养学中一个从未解决的难题是如何提高 植物纤维素的消化利用，因为植物纤维素与木质素在化学结构上互相交织形成 木质纤维素（lignocellulose)而阻止了微生物对纤维素的降解，所以植物秸秆 的利用率很低。其中一个重要原因是人们还不详细了解瘤胃微生物生态和代谢 途径，比如那些微生物种群可以利用木质纤维素。将标记的纤维素，木质素或 木质纤维素与瘤胃微生物一起培养，然后测定微生物体内的代谢产物，这样就 可以知道那些种群有能力利用木质纤维素，那些只能利用纤维素。对瘤胃微生 物代谢生态的详细了解将为基因工程提供理论和实验依据，以便采取相应措施 提高秸秆饲料的利用率。 3甲烷工厂：甲烷是大气污染的一个重要成分，而反刍动物在其中的贡献 不可忽视，因为其瘤胃内某些微生物种群产生大量甲烷，然后进入大气。利用 稳定同位素示踪技术可以测定那些种群利用什么物质，以什么速率产生甲烷。 4利用秸秆酿酒：有些微生物