Диагностика сахарного диабета методом оценки выдыхаемого воздуха

УДК 57.089

И. И. Шайхнуров, И. В. Жукова, И. Н. Мусин, Б. И. Гареев, А. А. Абакумова, Г. А. Баталии

ДИАГНОСТИКА САХАРНОГО ДИАБЕТА МЕТОДОМ ОЦЕНКИ ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА

Ключевые слова: сахарный диабет, ацетон, кетоновые тела, неинвазивная диагностика.

Исследован выдыхаемый воздух больных сахарным диабетом (1 и 2 группы) и выдыхаемый воздух контрольной группы. Проведенаоценка линейной корреляции уровня ацетона в выдыхаемом воздухе с уровнем глюкозы в крови, произведены расчеты и составлены диаграммы рассеяния. Показана корреляция уровня ацетона в выдыхаемом воздухе с уровнем глюкозы в крови.

Keywords:diabetes, acetone, ketone bodies, non-invasive diagnostics.

The exhaled air of patients with diabetes mellitus (groups 1 and 2) and exhaled air of the control group was studied. The linear correlation of the level of acetone in the exhaled air with the level ofglucose in the blood was evaluated, the calculations were made and the scattering diagrams were compiled. The correlation of the level of acetone in the exhaled air with the level of glucose in the blood.

Введение

Сахарный диабет занимает третье место в мире после сердечнососудистых заболеваний и рака по массовости и степени тяжести. Исходя из итогов деятельности проекта "Государственный регистр больных сахарным диабетом" за 2015 год, 2,8% населения РФ болеет сахарным диабетом, а за 5-летний период наблюдается прирост в 23%. Высокая степень данной категории больных диабетом приводит к большим экономическим затратам и социальному ущербу, что актуализирует проблему простой экспресс-диагностики сахарного диабета. Оперативная диагностика, и, как, следствие, раннее выявление сахарного диабета является ключевым фактором, определяющим качество жизни больных.

Самым распространенным методом диагностики сахарного диабета является измерение уровня глюкозы в крови в домашних условиях - портативные глюкометры функционирующие на основании электрохимических свойств крови больного в реакции с тест-полоской. Данный способ диагностики сахарного диабета чреват болезненной процедурой подготовки к анализу, биологический опасностью для окружающих и внесением во внутреннюю среду организма болезнетворных вирусов и бактерий.

Кроме классического метода диагностики сахарного диабета, существуют исследования в направлении замены традиционных методовновыми способами неинвазивной диагностики сахарного диабета, однако, каждая из них имеет ряд недостатков (табл. 1).

Ацетон (С3Н60) является одним из трех кетоновых тел, которые производятся в печени, как показано на рисунке 1.

Другими кетоновыми телами являются ацетоаце-тат (АсАс, С4Н603) и 3-0-гидроксибутирата (3НВ). Существует два источника ацетона: декарбоксили-рованиеацетоацетата и дегидрирование изопропано-ла. Первый - это процесс преобразования ацетоаце-тата путем удаления СО2: СНэШС^гаО^ Н+ ^ СН3СОСН2СООН ^ СН3СОСН3+ СО2. Этот процесс составляет ~ 37% ацетоацетата произведенного во время голодания [1] и ~ 52% у диабетических пациентов с умеренным или тяжелым кетоаци-дозом [2].

Таблица 1 - Методики неинвазивного определения уровня глюкозы в крови

Метод Недостатки

Исследование тканевой жидкости Временное отставание между уровнем глюкозы в крови и тканевой жидкости

Исследование сосудов через слизистую оболочку рта Перекрытие показаний другими факторами

Исследование конденсата выдыхаемого Низкая чувствительность сенсоров

Исследование назальной жидкости Высокая разница секреции легких

Трансдермальные датчики Вызывает эритему, ограниченная чувствительность

Рис. 1 - Схема генерация ацетона в печени путем декарбоксилированияацетоацетата

Ацетон выводится из организма человека через легкие, а в мочу переходит через диффузию [3]. Рейхард и другие выяснили, что дыхательное и мо-чевыводящее удаление ацетона составляет 2-30% его эндогенного производства во время спокойствия у 231 пациентов с диабетом, у которых был умеренный или тяжелый кетоацидоз, Оуэн и другие обнаружили положительную линейную зависимость

между процентом скорости выработки ацетона в выдыхаемом воздухе и концентрацией ацетона в плазме. При низкой концентрации ацетона в плазме, выделение ацетона через выдох составил примерно 20%; в то время как при высоких концентрациях ацетона в плазме, примерно 80% выделения ацетона было приписано выдыхаемому воздуху [2].

В представленной работе приведены результаты экспериментальных исследований методом изотопной хромато-масс спектрометрии. Экспериментальные данные интерпретированы с привлечением методов расчета линейной корреляции и визуализации диаграмм рассеяния.

Экспериментальная часть и квантово-химические расчеты

Отбор образцов проводился на базе государственного автономного учреждения здравоохранения «Республиканская клиническая больница №2». Изъятие образцов проводилось в послеобеденное время, спустя 2 часа после принятия пищи. Непосредственно процедура состояла в предварительной оценке уровня глюкозы в крови подопытного с последующим отбором выдыхаемого воздуха. Предварительная оценка глюкозы в крови осуществлялась на приборе «Энзискан ультра» - анализатор глюкозы автоматический мембранного типа анализирующий на принципе глюкозооксидазного метода в диапазоне концентраций от 2 до 30 ммоль/л.

Для чистоты эксперименты подопытные были разделены на 3 группы: контрольная группа, которую составляли здоровые подопытные; группа больных сахарным диабетом 1 типа и группа больных сахарным диабетом 2 типа. Численность каждой группы составляла 5, 7 и 6 человек соответственно. Подробная информация представлена на таблице 2.

Таблица 2 - Общая информация по каждому представителю групп испытуемых

№ обр. Тип диабета Уровень глюкозы Диета

1. - 5,70 Низкобелк.

2. - 6,20 -

3. - 5,70 Высоко-белк.

4. - 4,90 Высоко-белк.

5. - 5,00 -

6. 1 4,52 Без сахар.

7. 1 4,60 Без сахар.

8. 1 9,20 Без сахар.

9. 1 10,30 Без сахар.

10. 1 4,18 Без сахар.

11. 1 9,70 Без сахар.

12. 1 16,90 Без сахар.

13. 2 5,40 Без сахар.

14. 2 7,66 Без сахар.

15. 2 8,20 Без сахар.

16. 2 9,20 -

17. 2 9,70 Без сахар.

18. 2 7,80 Без сахар.

Для проведения исследований был использован изотопный масс-спектрометр модели «Delta V plus» от компании «Thermofishersrientific».

В ходе анализа результатов исследования был выявлен наиболее коррелирующий показатель -площадь пика на масс-спектрометре. В то время как 1%-й уровень (значимый) начинался примерно с 0,613, значение корреляции площади пика на масс-спектрометре с уровнем глюкозы в крови составил около 0,797 на основании полученных значений (табл.2).

Таблица 3 - Корреляция данных масс-спектроскопии с уровнем глюкозы в крови

Образец Данные хро-мато-масс-спектрометра Уровень глюкозы

1. 0,052 5,7

2. - 6,2

3. 0,056 5,7

4. 0,061 4,9

5. 0,042 5

6. 0,045 4,5

7. 0,032 4,6

8. 0,042 9,2

9. 0,046 10

10. 0,054 4,2

11. 0,063 9,7

12. 0,438 17

13. 0,084 5,4

14. 0,103 7,7

15. 0,121 8,2

16. 0,072 9,2

17. 0,175 9,7

18. 0,148 7,8

Для визуализации степени корреляции был применен метод составления диаграммы рассеяния (рис.2).

Рис. 2 - Общая диаграмма рассеяния корреляции уровня глюкозы в крови и значений показателей хромато-масс-спектрометра по площади пика

Из данной диаграммы мы можем сделать вывод о том, что прослеживается явная восходящая корреляция. Промахи объясняются несовершенством технологии отбора образцов (выдыхание в пробирку для забора образцов).

Таким образом, была выявлена зависимость содержания глюкозы в крови больного сахарным диабетом и содержанием ацетона в выдыхаемом воздухе.

Предлагаемый метод диагностики сахарного диабета позволит осуществить:

1) быстроту процедуры анализа;

2) безболезненность процедуры анализа;

3) безопасность для пациента и обслуживающего персонала;

4) отсутствие нарушения целостности кожи и ткани.

Данный метод может использоваться в поликлиниках при проведении мероприятий по выяснению состояния здоровья больших групп населения, эндокринологических диспансерах и клиниках.

Литература

1. Reichard G A J, Haff A C, Skutches C L, Paul P, Holroyde C P and Owen O E 1979 Plasma acetone metabolism in the fasting human J. Clin. Invest. 63 619-26

2. Owen O E, Trapp V E, Skutches C L, Mozzoli M A, Hoeldtke R D, Boden G and Reichard G A J 1982 Acetone metabolism during diabetic ketoacidosis Diabetes 31 242-8

3. Widmark E M P 1920 Studies in the acetone concentration in blood, urine, and alveolar air: II. The passage of acetone and aceto-acetic acid into the urine Biochem. J. 14 364-78

© И. И. Шайхнуров - студент группы 717М-21 КНИТУ; И. В. Жукова - доцент кафедры «ТОМПЛ» КНИТУ; И. Н. Мусин -зав. кафедрой ТОМЛП КНИТУ; Б. И. Гареев - ассистент кафедры геофизики и геоинформационных технологий ИГиНГТ КФУ; А. А. Абакумова - заведующая эндокринологическим отделением РКБ 2; Г. А. Баталин. - ассистент кафедры геофизики и геоинформационных технологий ИГиНГТ КФУ.

© 1 I. Shaikhnurov - student of the group 717M-21, KNRTU; 1 V. Zhukova - Ph.D. in Chemistry Science of the Department "TEMLI", KRITU; I. N. Musin, head of the Department "TEMLI", KNRTU; B. 1 Gareev- assistant of the Department of Geophysics and Geoinformation Technologies, IGINGT KFU; A. A. Abakumova - head of the endocrinology department of the RKB 2; G. A. Batalin - Assistant of the Department of Geophysics and Geoinformation Technologies, IGINGT KFU