文章来源：中华内分泌代谢杂志,2020,36 (05): 433-436
作者：金辰烨 王卫庆 宁光
人体代谢舱使用间接测热法(indirect calorimetry, IC)，即测定氧气消耗及二氧化碳生成量，并结合尿氮排泄量，通过Weir公式计算实时的能量消耗，并可推算三大宏观营养素消耗占比，是人体能量测定的'金标准'之一[1]。早在20世纪80年代，英国剑桥[2]、美国国立卫生研究院[3]等便建有代谢舱，之后美国[4]、日本[5]、中国[6,7,8]等数十家研究机构陆续完成代谢舱建设，代谢舱已然成为探究能量代谢的最佳研究手段之一。在过去几十年，代谢性疾病患病率逐渐升高，人们愈发关注能量代谢平衡在代谢性疾病中的作用，并尝试以此为切入点进行疾病的预防与诊治。本文将对人体代谢舱在代谢相关疾病研究中的应用加以综述，并展望代谢舱在未来医学的应用前景。
利用代谢舱可以实现数据实时反馈、多项能量代谢指标同时测定、长时程观测受试者自由活动状态等。传统能量代谢检测的'金标准'-'双标水能量测定方法'仅能测定数日至2周内的总能量消耗，再以此计算平均每日的能量消耗。与之相比，随着气体成分分析设备及算法的发展，代谢舱数据回报速度已从每15分钟1次缩至每1～5分钟1次，接近实时反馈机体代谢变化[3,5]。在高效性方面，代谢舱能够同时测算24 h能量消耗(24 h-EE)及其组分，如基础代谢率(BMR)、睡眠代谢率(SMR)、食物热效应(DIT)、活动能量消耗(AEE)等在24 h-EE中的占比及相应呼吸商(RQ)[1]。在准确性方面，代谢舱与呼吸头罩的总体准确性相当[9]，而且在个体水平较公式法计算BMR[3,10]、运动计法测算AEE[11]更为精准。同时，由于同一个体短期内24 h-EE基本保持稳定[3]，因此一次测量可准确反映该个体近期能量消耗水平。在舒适性方面，与呼吸头罩、兜罩等测量方式相比，代谢舱可以最大程度模拟受试者的日常生活状态，减少设备佩戴所造成的活动限制，实现长时间持续测量，目前已有连续监测96 h的记录[4]。
二、生理状态下的能量代谢测定
近40年来，代谢舱除了用于测定BMR外，还用于研究饮食、睡眠、运动等状态下的能量代谢改变，以探究不同状态或生活方式对机体能量平衡的作用。
BMR是指清晨醒来后在热中性环境中静息平卧的能量消耗值，约占24 h-EE的80%[1]，也是能量代谢研究中最常用的指标，受去脂体重(FFM)、脂肪重量(FM)、性别、年龄、人种(遗传)、温度、生理状况(昼夜节律、月经周期、妊娠等)以及疾病状态等因素影响[3]。SMR即睡眠中的能量消耗，一般选取睡眠中躯体活动时间<1%～1.5%的连续3 h[3,12]或能量消耗均值最低的连续3 h[1]进行计算。代谢舱可用于测定睡眠节律紊乱对能量平衡或代谢底物选择等的影响[4]，进而探究睡眠缺乏或睡眠状态导致肥胖、2型糖尿病等代谢性疾病的机制。DIT即进食后的能量消耗增加现象，约占24 h-EE的10%，受饮食影响较大。代谢舱可通过限制餐后活动[13,14]校正运动能耗[5,12]，测定DIT，因此可用于探究饮食总热量、营养物质构成比例、进食时间与时程[12,15]等对DIT的影响，探究饮食、能量消耗对肥胖等代谢性疾病发生发展的影响[15,16]。但是，具体饮食组成模式，如'地中海饮食'或我们提出的'江南饮食'模式对能量消耗的影响尚需深入研究[17]，这也是未来代谢舱在营养健康中的拓展应用。AEE即活动时的能量消耗，代谢舱可用于各类久坐行为的能量代谢检测，如使用电视、手机、玩电子游戏等，以准确评估现代生活方式对能量代谢及代谢性疾病的作用[6]。当然，代谢舱还可以用于评估不同运动方式，包括乐器、操类、冥想甚至球类运动产生的代谢消耗[18,19]。
目前针对中国人群进行的生理状态下的能量代谢研究有限。1995年Liu等[20]提出传统BMR计算公式不适用于中国人群；而后Yang等[21]利用健康成都人进行研究，提出了新的预测公式。但当BMI及年龄范围扩大后，Liu、Yang公式计算的BMR预测值准确率明显下降，且个体间差异明显[10]。因此，有必要在不同地区、不同生理情况下测定人体能量消耗状况。
三、代谢舱在代谢性疾病中的应用
1．肥胖病：
持续性的能量摄入高于能量消耗，即能量'正平衡'可以引起体重(体脂)增加，最终导致肥胖的发生。运用人体代谢舱可以探究肥胖的能量消耗率的改变或病因，分析能量消耗与能量摄入的关系，以实现能量平衡及肥胖精准诊治。
(1)精确分型病因：代谢舱可以准确评估肥胖患者的能量代谢率。瑞士学者发现肥胖者24 h-EE显著高于健康对照，以日间氧耗升高为著，但是DIT显著降低，而且在减重后仍然偏低[22]，提示肥胖患者的产热能力降低。而后，研究者陆续发现一些基因的多态性或者变异可能影响能量代谢水平，如黑素皮质素受体-4(MC4R)[23]、瘦素受体(LEPR)[24]、解耦联蛋白2(UCP2)[25]、G蛋白耦联受体158(GPR158)[26]与24 h-EE降低30～150 kcal/d[23,25,26]或DIT降低[24]相关，提示部分肥胖患者发病原因可能与遗传因素缺陷所致能量代谢率下降有关。
利用代谢舱测定能量代谢率可以预测未来体重增长。一项针对美国原住民的队列研究表明，随访3至23个月，基线24 h-EE实测值低于预测值200 kcal/d是体重增加的危险因素[27]；延长中位随访期至6.7年后发现，基线24 h-EE、SMR降低及RQ升高均为体重增加的危险因素，24 h-EE降低100 kcal/d导致每年体重增加0.2 kg，其中50%为脂肪量。体重增加可能与这类人群脂肪氧化能力(或棕/米色脂肪活性)较弱，而倾向于积累脂肪有关[28]。针对BMI>29 kg/m2的人群运用代谢舱检测'觉醒和进食产热'(AFT)，发现AFT与BMI呈负相关，AFT降低100 kcal/d与未来每年体重增长约0.4 kg相关[29]，提示能量代谢降低可导致体重进一步增加。通过代谢舱的能量代谢检测将患者精准分型，可针对性地对'易胖人群'进行个体化预防性干预，预防甚至逆转肥胖发生。
(2)衡量能量摄入：能量代谢检测可用于指导能量摄入，维持能量平衡，避免肥胖的发生。研究发现体重正常人群自主进食量与24 h-EE、24 h-RQ呈正相关。BMI>29 kg/m2的人群，总能量摄入与AFT呈负相关[30]，每日能量正平衡达100 kcal/d可导致每月体重增加0.22 kg[31]，提示肥胖者可能存在能量感知异常，无法根据能量消耗适当调整进食量，从而导致能量代谢失衡，进一步增加体重。能量代谢测定也可用于指导妊娠妇女的体重控制，研究发现即使SMR的实测值接近预测值，对于妊娠中期的肥胖妇女，现有美国指南推荐的能量摄入仍然显著高于实际需要[32]，由此可能造成妊娠期增重过多及不良妊娠结局。运用代谢舱可根据实际能量代谢率准确调整热量摄入。
(3)评估干预措施：能量代谢率检测可用于评价能量平衡干预措施的效果。使用饮食干预，同样减少30%的热量摄入，低碳水饮食显著降低肥胖患者的24 h-EE、SMR，总体减脂效果不及低脂饮食[16]。肥胖患者在减重手术后8周和1年测得的24 h-EE、SMR较术前的理论预测值降低190～230 kcal/d[33]。肥胖患者使用降糖药物如艾塞那肽(24周)[34]或利拉鲁肽(5周)[35]干预，24 h-EE不会或仅轻度(约3%)降低，但减重幅度不及手术。减重过程往往伴随着能量代谢率的适应性改变，减重效果不佳可能与能量消耗降低相关，因此及时评估能量代谢水平的变化，可以调整减重干预策略，进一步增强减重效果。
综上，鉴于能量代谢率的个体差异与能量平衡对肥胖的影响，若采用个体化、精准化的病因诊断、疾病亚组分型，动态评估能量代谢水平，并以此为参考维持能量平衡，可提升体重控制的疗效。
2．2型糖尿病：
2型糖尿病(T2DM)伴有能量代谢率与代谢底物选择的改变。研究者使用代谢舱发现T2DM患者的24 h-EE、BMR、SMR较正常对照升高70～140 kcal/d，但DIT占总能量摄入比例降低[36,37]。对非糖尿病人群研究发现，24 h-EE升高、24 h-RQ降低均与空腹血糖升高相关，为血糖调节受损者补充胰岛素后能量消耗率显著降低[38]。针对具有T2DM家族史、低出生体重、基因异常的人群研究发现：与对照组相比，具有T2DM家族史但基线能量代谢率正常的个体，高脂饮食后睡眠RQ显著升高，骨骼肌线粒体含量减少[39]；低出生体重者睡眠RQ降低，空腹血糖及胰岛素升高，中心型肥胖程度更为严重[13]；葡萄糖激酶(GCK)基因突变携带者DIT及碳水化合物代谢水平降低[40]。部分T2DM患者能量消耗增加可能与肝脏糖异生等耗能过程增强有关，这也部分解释了血糖控制不佳时的体重减轻[36,37,38]。胰岛素抵抗可使代谢底物转向脂肪而降低RQ，但尚未出现糖代谢异常的个体，高脂饮食后RQ降低的幅度减小，提示机体对代谢底物的选择调节能力减退[14,39]。运用代谢舱对T2DM患者进行能量代谢率检测，个体化地制定饮食、减重等方案；对具有T2DM危险因素的个体评估能量代谢率，进行预防性干预，做到早防早治。
四、代谢舱在内分泌疾病中的应用
下丘脑、垂体、甲状腺、肾上腺等内分泌腺体分泌的激素是能量代谢调节的重要因素，激素水平异常可导致能量代谢改变。研究提示，甲亢可使24 h-EE、BMR、SMR升高，治疗后TT3、FT4降至正常值低限，能量代谢率恢复至正常水平[41]。相反，甲减可导致静息能量代谢率(REE)降低、RQ升高，在补充足量左甲状腺素后恢复正常[42]。动物实验显示PTH过表达的小鼠能量代谢率升高[43]。临床发现，具有肥胖表型的假性甲状旁腺功能减退1a型儿童的静息能量代谢率较肥胖对照者降低346 kcal/d[44]，可能与PTH抵抗相关。
伴有生长激素缺乏的垂体功能减退患者在启动生长激素替代治疗后，24 h-EE、SMR、BMR及脂肪氧化速率逐渐升高，但日间EE无显著变化，提示生长激素主要在夜间至清晨发挥代谢率调控作用[45]。该研究也体现出代谢舱在探究代谢与时间动态关系上的优势。肾上腺激素如肾上腺素、去甲肾上腺素、皮质醇也是能量代谢研究的重要评估指标。研究发现库欣综合征患者的REE、糖脂氧化率并未明显改变[46]，但肾上腺皮质功能减退患者停止补充糖皮质激素可导致REE降低约10%[47]。嗜铬细胞瘤患者分泌过量儿茶酚胺，手术治疗后REE显著降低[48]，可能与疾病状态下棕(米)色脂肪含量增加相关[49]。未来利用代谢舱探究疾病状态及治疗后的能量代谢率改变，能够为内分泌疾病的诊治和能量平衡提供关键证据。
五、展望
代谢舱是目前用于能量代谢率检测最先进的评估手段之一，具有数据回传速度快(接近实时性)、同时进行多项检测(大数据整合)、准确性高、受试者使用舒适等优点，广泛用于各项能量代谢指标的生理水平检测，以及探究肥胖、2型糖尿病等内分泌代谢性疾病的能量代谢率改变。
未来可运用代谢舱，进行大样本健康受试者能量代谢检测，以建立人群能量代谢的正常参考范围；招募各类内分泌疾病患者，评估疾病状态及干预对临床治疗流程的影响；建立队列进行随访，探究能量代谢在疾病发生发展中的规律；评估或预测现有的治疗肥胖等代谢性疾病方法的疗效；辅助新药开发，如提高能量代谢率的减重药物、增强脂肪氧化的减脂药物等。可以预见，代谢舱对于未来代谢相关疾病的诊疗、智慧医疗的发展、药物研发与评估等均会带来重要的影响。
参考文献 （略）
