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https://link.springer.com/article/10.1007/s43657-023-00127-9

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Zhou, G., Bao, K., Xiao, H. et al. Measurement of Energy Expenditure by Indirect Calorimetry with a Whole-Room Calorimeter. Phenomics (2024). https://doi.org/10.1007/s43657-023-00127-9

研究背景

能量消耗（EE）是一个高度综合的指标，反映了各种生理病理的潜在变化。大量研究证明，生理差异，例如性别、年龄、肌肉体积、脂肪体积等；以及不同的生理状态，例如运动、禁食和冬眠等，均会导致能量消耗发生显著变化。准确测量能量消耗对于研究能量代谢状态和生活事件的相互影响至关重要。

目前，主要有四种方法用于评估人体的能量消耗，包括双标水法、直接量热法、费克法和间接量热法。双标水法是测量长时间内总能量消耗（TEE）的首选方法。然而，它的应用涉及质谱仪和稳定同位素，相关操作和物质门槛较高，而且无法准确量化人体能量代谢各组分的准确数值。直接量热法顾名思义，即直接测量由身体产生的包括无氧和有氧代谢在内的总热量，但直接量热计的操作和维护成本较高，且在长时间高精度检测上依然存在技术瓶颈，从而极大限制了这种方法的应用范围。费克法是一种需要心脏导管插入的侵入性技术，由于其侵入性和非经济性没有得到广泛应用。间接量热法目前虽然测量能量消耗方面得到了广泛应用，但在不同制造商的制造的间接量热计中，具体的测量程序有所不同。该研究旨在规范用于队列研究中能量消耗测量的操作程序，尤其强调了测量不同能量代谢成分时的要点，从而提高生成的数据的可比性。

操作流程

在进行正式检测之前，推荐进行甲醇燃烧测试来验证间接量热设备的稳定性。甲醇燃烧的理论二氧化碳产生体积和消耗氧气比值为2：3，因此，可根据甲醇燃烧测试过程中，舱式间接量热计实测二氧化碳、氧气比值验证系统准确性。推荐在设备长期待机之后进行长时间的过夜（~14小时）甲醇燃烧测试。为了提供过夜甲醇燃烧验证过程的详细概述，研究可视化了一次长时间甲醇燃烧测试中氧气消耗、二氧化碳产生量和二者比值的实时变化（图1a）。整个测试期间氧气消耗和二氧化碳产生量在实验前期缓慢增加，表明甲醇燃烧速率在实验前期增加。测试全程氧气消耗、二氧化碳产生量比值读数均保持在0.667左右，验证了系统的稳定性。同时，关于舱内气候指数的实时记录也显示了气候控制系统运行良好（图1b-e）。同时，研究也指出，在必要情况下，可在两次受试者测量之间进行短时间的甲醇燃烧测试，该研究提供了四次典型的短时间甲醇燃烧测试数据（图1f-g），数据显示在几次测试中氧气消耗和二氧化碳产生量的比值在一个有限的范围内波动，满足高精度和可重复测量的要求。这种经常性的测试有助于实验员了解系统的实时状态，这将有助于获得值得信赖的高精度数据。

图1 全室量热计的甲醇燃烧验证

2 志愿者代谢状态评估

在志愿者能量代谢测量中，一些基础的准则应当被遵守：例如在测量前，所有志愿者会被要求在测量前三天内不要摄取影响能量消耗的食物和饮料（酒精、咖啡和茶等），并确保有足够的睡眠。测量日，受试者最好可以通过交通工具抵达测量地点，以避免剧烈活动（长距离行走，或者奔跑），导致进入劳累状态。在测量正式开始前，志愿者会更换宽松舒适的测量制服，一些研究指出过紧的衣服会导致能量消耗的测量数值出现波动。

静息能量消耗（REE）测量应在确保受试者完全完成上一餐消化（距离上一餐超过4-6小时），以避免消化食物产生的食物热混杂提高静息能量消耗的测量值。并要求受试者在热中性环境中保持静息状态（例如，躺在床上不进行脑力活动）。一般的热中性温度预设为25℃。志愿者躺在床上休息至少10分钟，进入平静状态之后进行正式测量，正式测量要求至少记录连续15分钟的能量消耗指标。

该研究总共招募了20名志愿者进行代谢状态评估。志愿者基础指标的可视化如图2a-3d所示，与女性相比，男性在能量代谢相关表型方面呈现更大的变异性。此外，如图2e所示，关联分析显示氧耗、二氧化碳产生和能量消耗之间存在强烈的相关性，而与呼吸交换比相关性较弱，这显示呼吸交换比更多的代表了燃料来源能量代谢，而不直接代表代谢旺盛程度。而对能量消耗与生理特征的相关性分析显示其与生理指标的强关联，包括与体重（图2f）、身体质量指数（BMI，图2g）正相关，以及存在性别差异（图2h）。然而，当根据体重调整时，能量消耗相关项目的性别差异变得不显著（p = 0.3054，图2i），表明体型差异在很大程度上解释了能量消耗中的性别差异。然而，基于现有研究，除了体型之外，性别在生理上的差异可能会对能量消耗产生影响，这可能需要更大的队列来验证。此外，该研究显示环境温度对REE的影响的测试表明，在热中性（25 ℃）和较低温度（20 ℃）之间的REE没有呈现显著变化。然而，较高温度（30 ℃）显著增加了男性（图2j）和女性（图2k）的REE。

图2 受试者的静息能量消耗测量

2.2 运动相关产热评估

对于运动相关产热（EAT）的测量，我们首先明确了从静息到运动状态的代谢转化响应时间。如图3a所示，当志愿者开始踏板运动时，能量消耗迅速增加（在约10分钟达到运动状态峰值）。为了满足建议的15分钟测量间隔，志愿者会被指示在读数稳定后继续进行踏板运动15分钟。与REE不同，EAT在不同环境温度下并未明显变化（图3b，4c）。与REE类似，EAT显示出与生理指标的显著相关，例如与体重（图3d）和身体质量指数（BMI，图3e）的正相关，以及存在性别差异（图3f）。

图3 受试者的运动致生热测量

讨论

该研究利用Omnical仪器作为代表性示例，提供了使用全室量热器进行能量消耗测量的标准操作程序。除了甲醇燃烧验证实验外，手稿还详细描述了在不同环境温度下测量RER和EAT的过程，并给出了20位志愿者的测量结果。

目前一项相对低成本的间接量热法的解决策略是移动式代谢车，相比于舱式间接量热计，代谢车需要受试者躺在半身式呼吸罩下或佩戴面罩，难以进行长时间，多种人体能量代谢成分的同时测量，而配备呼吸舱的舱式间接量热计在测量所需空间和时间方面提供了更大的灵活性。此外，舱式间接量热计确保了呼吸舱内环境因素的稳定性。然而，在房间大小的呼吸舱中进行气体组成微小变化的测量依然存在挑战且具备提升空间，尤其是由于人类活动可能导致的潜在气流波动而影响系统示数。因此，该研究建议采用15分钟的间隔作为最小测量间隔，以降低噪声以获得更可重复的结果。

总体而言，随着在临床和实验研究中评估代谢状态的重要性不断增长，对于代谢状态的研究不断深入，能量代谢测量设备的应用有望为观察生理病理状态提供更加全面的视角，进而为探索相关机制提供潜在支持。

Abstract

Energy plays a vital role in biological processes. To assess energy metabolism status in a large population cohort, the standard operating procedure for measuring energy expenditure measurement using a whole-room calorimeter was purposed in this study. This protocol illustrates the procedure and specific details for validating methanol burning and evaluating the metabolic status of volunteers. In metabolic status evaluation, the 1) O2 consumption, 2) CO2 production, 3) energy expenditure, and 4) respiratory exchange ratio were first measured at resting and provided as basic phenotype items in Human Phenotype Atlas. Besides, it includes the procedure and results for measuring exercise-related activity thermogenesis and evaluating the impact of environmental temperature on energy metabolism. These results demonstrate the broader utility of the whole-room calorimeter. The implementation of this protocol is expected to enhance the data comparability in Human Phenotype Atla and provide a valuable reference for metabolism-related studies.

通讯作者

刘铁民

刘铁民，复旦大学生命科学学院生理学与神经生物学系主任，遗传工程国家重点实验室PI，人类表型组研究院高级专家。国家重点研发计划“发育编程及其代谢调节”重点专项关于神经调控代谢领域的项目首席科学家。主要研究中枢神经及外周脂肪、肌肉、肝脏等组织在能量平衡和糖脂代谢调节中的重要作用，以组织特异性过表达或者敲除动物模型为研究对象，结合生理学和神经学来研究肥胖症、糖尿病及代谢综合征的病理机制。着眼于将基础科研中的新发现转化为新颖的药理和临床干预疾病等应用型研究。已在Cell，Cell Metabolism，Neuron，Nature Neuroscience等国际顶级刊物发表论文80多篇。

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