Ambulante Methode zur Charakterisierung des Glucosemetabolismus unter Verwendung von getrocknetem Blut und stabiler, nicht radioakti-ver Isotopenmarkierung : Dried blood spots (DBS-GLUC)

Abstract

Ein wichtiges Ziel in der Diabetesforschung besteht darin, Wege zu finden, den Glucosestoff-wechsel von Patienten möglichst nicht invasiv und ohne großen Aufwand möglichst präzise darstellen zu können, um so eine drohende Stoffwechselentgleisung möglichst früh zu erken-nen, oder aber um gezielte Angriffspunkte für die Therapie eines bereits manifesten Diabetes zu erhalten. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, durch orale Gabe von nicht radioaktiv mar-kierter Glucose (Isotopolog [U13C6]) und seriellen Messungen der Metaboliten mittels Mas-senspektroskopie die Ermittlung des Flusses der Glucose bzw. der Metaboliten mittels eines „Point of Care (POC) Ansatzes erfassbar zu machen. Hierzu verwendeten wir ein standardi-siertes Protokoll zur Extraktion und nachfolgenden massenspektrometrischen Analytik von Isotopenverteilungsmustern der Ziel-Metaboliten Glucose und Laktat. Um aus den Isotopen-verteilungsmustern quantitative Cori-Zyklus Flüsse zu gewinnen, modellierten wir diesen Zyk-lus mit Differentialgleichungssystemen und validierten ihn mittels Messungen über acht Stun-den nach Verabreichung von 2 g isotopenmarkierter Glukose an gesunden Probanden und Patienten mit Diabetes mellitus. Im Resultat konnte ein Verfahren entwickelt werden, welches den Fluss der aufgenommenen Glucose beziehungsweise ihrer Metaboliten erfassen kann. Um in dieser Vielzahl der massenspektrometrisch erfassten Datenmesspunkte ein Muster ähnlicher Verläufe beziehungsweise Ballung von Messpunkten unter bestimmten Bedingun-gen zu explorieren, wurde darüber hinaus eine Clusteranalyse durchgeführt. Hierdurch konn-ten zwei Cluster identifiziert werden: In Cluster eins zeigten die Patienten höhere Glucose-konzentrationen und Glucoseproduktionen als in Cluster zwei. Cluster eins bestand fast voll-ständig aus Diabetikern; Cluster zwei aus Nicht-Diabetikern. Lediglich ein männlicher Nicht-Diabetiker zeigte ebenfalls eine erhöhte Glucoseproduktion und wurde Cluster eins zugeord-net. Dieser entwickelte zwei Jahre nach Versuchsdurchführung einen gestörten Glucoseme-tabolismus (= Prädiabetes). Es konnte also exemplarisch anhand eines Patienten gezeigt werden, dass anhand des Clusterings, der in der Untersuchung aus Glucoseproduktion und Glucosekonzentration modellierten Flüsse der Glucose, eine gestörte Glucosetoleranz früh-zeitig noch vor klinischer Manifestation erfasst werden kann. Wir behaupten daher, dass die Sensitivität der frühen Diabetes-Diagnostik in Zukunft durch die in der vorliegenden Arbeit vorgestellte Methodik gesteigert werden könnte.

An important goal in diabetes research is finding ways to represent the glucose metabolism of patients as non-invasively as possible and with low expenditure, recognizing an impending metabolic imbalance easily or obtaining targeted points of attack for the therapy of an already manifest diabetes. The work´s aim was to determine the flow of glucose or metabolites using a point of care (POC) approach through oral administration of non-radioactively labeled glucose (Isotopolog [U13C6]) and serial measurements of the metabolites using mass spectroscopy to make tangible. Therefore, we used a standardized protocol for the extraction and mass spectrometric analysis of isotope distribution patterns of the target metabolites glucose and lactate. In order to obtain quantitative Cori cycle flows from the isotope distribution patterns, we modeled this cycle with systems of differential equations and validated it by means of measurements over eight hours after administration of 2 g of isotope-labeled glucose to individual patients and patients with diabetes mellitus. Consequently, a method could be developed which can record the flow of glucose ingested or its metabolites. In order to expose a pattern of similar courses or clustering of measuring points under certain conditions in this recorded mass spectrometric data measuring point, a cluster analysis was implemented. As a result, two clusters could be identified: Cluster one shows the patients with higher glucose concentrations and glucose productions than in cluster two. Cluster one quickly consisted entirely of diabetics; cluster two from non-diabetics. Only one male non-diabetic also showed glucose production and cluster one was increased. Two years after the experiment, this patient developed a disturbed glucose metabolism (= prediabetes). Using a patient could be exemplified that a disturbed glucose tolerance can be detected early before clinical manifestation by clustering modeled flows. Therefore, we claim that the sensitivity of early diabetes diagnosis could be increased in the future by the method presented in the present work.