安定同位体呼気試験の臨床応用
Clinical application of 13C-breath test

講座担当教授松浦東京慈恵会医科大学・臨床検査医学講座 1、消化器肝臓内科 2

知和 1、助教 田中 賢 2、助教 進藤大典 1

Tomokazu Matsuura, MD., PhD (Professor) 1, Ken Tanaka, MD.,PhD (Assistant Professor) 2, Daisuke Shindo, PhD (Assistant Professor) 1
1

Department of Laboratory Medicine & 2Division of Gastroenterology and Hepatology, Department of Internal Medicine,
The Jikei University School of Medicine

1. はじめに（D）
を天然存在比よりも多く含んだ二酸化炭素や水な

C は、自然界に 1.115％存在する安定同位体であする事により、生体内の代謝状況を解析することがでる。 Cメタンなどを自然界から取り出し、濃縮する技術

きる。現在では質量分析技術が革新的に進歩し、あるも進歩し、種々の 13 C 標識化合物を合成することができ瞬間の細胞、組織、臓器のメタボロームのプロファイルる。13 C - グルコースや 13 C - オクタン酸など比 較 的 安 価を一斉に解析するメタボロミクス技術（stable isotope-な C 化 合 物であれば、ヒトに投 与する量も容 易に手resolved metabolomics: SIRM）が確立している。安定に入れることが可 能である。 C で標 識された化 合 物同位体で標識した化合物が、細胞や生体でどのようを生体に投与し、その代謝産物である 13 CO 2 を呼気でに代謝されていくか、時間軸で一斉解析することもで測定することにより化合物の生体での代謝・動態を評きる。一方で、微量な蛋白質やペプチドなどのバイオ価することができる 。臨床検査では、すでに C- 尿素

マーカーを質量分析で解析するターゲットプロテオミク（ CH4N2O）を利用し、ヘリコバクター・ピロリ感染の診スでは、内部標準として安定同位体標識ペプチドを断および治療後の評価系（尿素呼気試験 Urea Breath用いて定量している。また、臨床検査用で、なおかTest）として応用されている 2）−4）。本編では、13 C 化合物

つ、Point of Care Testing（ POCT）にも応用できる簡易を応用した呼気試験に関して概説する。

1313どが採取できる。この採取した物質の同位体比を測定

1313131）1313

CO 2 測定用赤外分光光度計が開発・実用化され、2. 安定同位体の医学応用同位体（Isotope）とは、同じ原子番号を持つ元素の原子において、原子核の中性子数、つまりその原子の質量数が異なる核種のことである。この中で、放射性崩壊を起こさず、安定して存在する同位体を安定同位体（Stableisotope：SI）という。英国の科学者であるFrancis William
Aston によって発 見され、Aston にはこの功 績によって1922 年にノーベル化学賞が授与されている（図 1）。
近年、SI の医学応用が進んでいる。
①代謝測定：重水（D 2O）、水 -18Oあるいは 13C で標識した試薬を生体内に投入すると、生体内で代謝が進む
ことにより、呼気や尿・血液などから 13C、18O、重水素

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図 1 Francis William Aston 24）

安定同位体呼気試験の臨床応用

C 呼気試験の臨床応用が急速に進んでいる。

クロレラ産 生 混 合 中 性 脂 肪 14）, 15））やアミノ酸（13C-②核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance：NMR）

alanine16）, 13C-phenilalanine16）, 17）, 13C-methionine16）, 13C-

構造解析：同一原子であっても同位体核種により核スleucine18））や薬物（ 13C-phenacetine19）, 13C-methacetine20）

ピンが異なることを利用して、高分子のタンパク質の13NMR 構造解析ができる。例えば、アミノ酸の炭素に面から肝機能や消化吸収機能を評価しようという臨床Cを標識すれば、12C のみのアミノ酸が組み込まれた研究が行なわれ、実用化されている（表 1）22）。

1313

蛋白質は検出されず、13C で標識された蛋白質は検C-aminopyrine6）, 13C-caffeine21））を基質として、代謝の13

C 呼気試験が実用化されて実臨床の検査として用出できる。一方、炭化水素の水素を重水素で標識すいられるには、もちろん検査としての意義が重要である

れば、重水素は NMRを起こさないので検出されず、が、同時に検査の価格が安く、迅速で、患者の負担が炭化水素以外の水素を感度良く検出できる。このた少ない安全な検査であることが重要である。従って、13C

め、重クロロホルムや重アセトンを溶媒として用い、試標識試薬は、薬剤よりは通常の食事にも含まれる糖質・料を溶かして測定すると感度があがる。水素に重水脂肪・アミノ酸・有機酸がよく、経口で服用し、2 時間以素や溶媒の利用が欠かせない。NMRには、重水素、内に結果が出る定点測定の検査が望ましい。

13C、15Nなどの安定同位体が用いられている。

③ポジトロン断層法（Positoron Emission Tomography：PET）：癌 診 断 に 用 い ら れ る PET 試 薬 で あ る

4. 感染症診断－尿素呼気試験－

2-deoxy-2-［ 18 F］fluoro-D-glucose（ 18 FDG）
を合成

ヘリコバクター・ピロリ、いわゆるピロリ菌感染は、繰りする際、標識する放射性同位体 18 F（半減期約 108

返す胃・十二指腸潰瘍の原因である。近年では、胃癌分）の原料として、酸素の安定同位体、 O 原子で標の発生にも大きな役割をはたしていると考えられ、胃カメ識した Water- O（H 2 O）が必要である。H 2 Oをサ

ラ検査で慢性萎縮性胃炎があり、さらに種々の検査でイクロトロンで 核 反 応させることで、18 F を作 製し、ピロリ菌の感染があれば、積極的に除菌する方針となっ18ている。

18181818FDGを合成している。

ピロリ菌の感染診断には、胃カメラ検査で組織をとっ国内では、大陽日酸株式会社が独自の超高純度酸て、病理組織的に菌体を検出するか、胃粘膜組織から素深冷分離技術を開発し、空気中にわずか 0.2%しか菌を培養して証明するか、迅速ウレアーゼ試験で陽性存在しない 18 Oを、98％まで濃縮したH 2 18 Oを2004 年か反応がでるかで検討する。あるいは、非侵襲検査としら製造している。現在年間100kgの製造能力があるが、て、血清抗体検査、便中抗原検査さらに尿素呼気試新設プラントを新設して年間 300kg の生産供給体制と験がある。組織検査、培養検査では、感度が低いたなる予定である（https://www.tn-sanso.co.jp/jp/closeup/

め、実際には血清抗体検査、迅速ウレアーゼ試験で感water-18o.html）。15 N は SI サイエンス株式会社が製造染の確定を行う場合が多い。尿素呼気試験は感度・特している（http://www.kagaku.com/shoko/）。しかし、 Cを異度とも高い検査で、迅速性もあり、感染診断にも用い製造していた東京ガス株式会社は SI 事業から撤退しられるが、除菌療法後の判定診断に特に有用である。ている。海外では、Cambridge Isotope Laboratories. Inc.

尿素呼気試験は、ピロリ菌の持つウレアーゼ活性を（CIL）が、主要な安定同位体およびその標識化合物を特異的に検出する検査法である。13 Cを標識した尿素製造販売している。

を空腹時に服用すると、胃内にピロリ菌がいると13 CO 2と13アンモニアに分解される。胃壁より13 CO 2 は吸収され、血中に入り、肺から呼気中に排出される。試薬の服用から

3. 13C 呼気試験

呼気の採取まで 20 分ほどで終了する（図 2）。除菌療

また、現在までに様々な施設で C で標識した糖質13（ C-glucose , C-galactose ）、脂質（ C-triolein135）136）137）, 8）,C-trioctanoin7）, 9）−11）, 13C-hiolein12）, 13C-octanoil glycerol13）,13

法後 6 週間ほどで、死菌も胃内から排出され、除菌判定を比較的早く行うことができる。日本国内では 13 C 呼気試験で唯一保険収載された検査である。

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表 1 13C 呼気試験による消化管・肝臓・膵臓の機能試験（文献 22 参考、一部追記）

図 2 尿素呼気試験

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5. 肝臓インスリン抵抗性の診断‐空腹時 13C-グルコース呼気試験‐

Chlorella Industry Co.,LTD. Tokyo, Japan）
は、グルコース1 分子中の 6 か所の炭素基がすべて 13 C に置換されている。一晩の絶食の後、被検者に 100ml の水に溶解しC- グルコース呼 気 試 験は、微 生 物、哺 乳 動 物 細

た 100mg の 13C-glucoseを服用させた。摂取終了時を開胞、生体の糖代謝を簡易かつ鋭敏に評価する検査方始時間とした。試験開始前に、baselineの呼気サンプルを法である。

容量 1.3L 呼気サンプリングバッグ（Otsuka Pharmaceutical13

肝臓では、グルコースは Glucose transporter 2（ GLUT-Co., Ltd., Tokyo, Japan）に採取した。以降、被験者は基2）を介して肝 細 胞に入り、Glucokinase（ GK）によって礎代謝量に変化が加わらないように安静とした。経時的

Glucose 6 phosphate（ G6P）に変換されて解糖系やグリな呼吸サンプルは、グルコース摂取後15分・30分・60分・コーゲン合成などの代謝経路に進む。また、糖新生時は90 分・120 分・150 分・180 分・240 分・300 分・360 分

Glucose 6-phosphatase（ G6Pase）や Phosphoenolpyruvateの計 10 回 採 取した。採 取された呼 気中の 13 CO 2 は、carboxykinase（ PEPCK）などの非可逆的律速段階を担13う酵素によって調節される。血糖値は解糖系、グリコーPOC one TM（Otsuka Pharmaceutical Co., Ltd., Tokyo,ゲン分解、糖新生のバランスによって調節されている。

Japan）
で測定した。測定した 13 CO 2 / 12 CO 2 存在比を、実肝臓でインスリン抵抗性の状態になると、インスリン作用際に排出された 13 CO 2 排出量に換算し、さらに 13 C 排出が不全となり、糖新生の経路が活性化する 8）。解糖系速度の動態曲線に変換した。

CO 2 / 12 CO 2 存 在 比として赤 外 分 光 分 析 装 置である

経路は抑制され、ミトコンドリアの TCA サイクルにおける空腹時 13 C-グルコース呼気試験（Fasting 13C-glucose

好気的エネルギー産生は低下し、CO 2の産生が低下す

breath test: FGBT）では、HOMA-IR（インスリン抵抗性る。In vivo の研究から、生体でも空腹時に血糖上指数）2.5 以上の肝臓インスリン抵抗性、HbA1c（ ヘモ昇を誘導しない程度の、微量な Cを標識したグルコーグロビン・エイワンシー）6.3以上の糖尿病（耐糖能異常）

スを投与した代謝産物としての 13 CO 2 を測定し、その動を本試験で検出できたが、HOMA-IR では検出されな態から肝臓でのインスリン抵抗性を評価できるのではなかった男女差が FGBT では検出されたことから、肝臓いかと考えたのエネルギー代謝に関して感度よく評価できる試験と考9）,10）

13。

22）

用いた C-glucose（D-Glucose-U- C6, C:99atom%,131313

えられた（図 3）。

図 3 空腹時 13C-グルコース呼気試験
空腹時 13C-グルコース呼気試験で、健常女性では健常男性に比較して、肝臓糖代謝能が高いことが示唆された。
（文献 23より、一部改訂）

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510）坂本昭雄 , 碓井貞仁 , 豊泉惣一郎 , 高石聡 , 鍋谷圭宏 , 奥山

6． まとめ和明 , 小野田昌一 , 磯野可一 , 竜崇正．
日本消化器外科学会

安定同位体呼気試験は、質量分析技術の進歩、簡易測定機器の開発によって、急速に臨床応用の可能性が広がっている。安定同位体化合物の服用と呼気中の 13 CO 2 測定のみで、生体内の代謝診断、感染微生物の感染診断、胃腸の生理機能検査が可能であり、非侵襲で安全な検査である。新生児や高齢者の検査としても有用であり、簡易機器で測定できるため、クリニックや在宅で行うPOCTとして、迅速検査としても有用である。
国内では尿素呼気試験の保険収載より10 年以上が経過し、それ以降新規の安定同位体呼気試験が保険収載されることは今のところないが、安定同位体化合物を開発・合成する製薬・検査試薬メーカーと医療業界が一体となって、安定同位体の医療応用に取り組むべきである。

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24）「フランシス・アストン」『フリー百 科 事 典 ウィキペディア日本語版』。URL：http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B7%E3%82%B9%E3%83%BB%E3%82%A2%E3%82%B9%E3%83%88%E3%83%B3