制备用于视黄醇同位素稀释技术的稳定同位素标记维生素A,必须符合食品安全标准。本方案展示了在植物油中配制剂量的方法,其浓度适用于所选的递送系统和所采用的分析平台。
制备用于视黄醇同位素稀释技术的稳定同位素标记维生素A,必须符合食品安全标准。本方案展示了在植物油中配制剂量的方法,其浓度适用于所选的递送系统和所采用的分析平台。
视黄醇同位素稀释(RID)技术依赖于向人体受试者施用同位素标记的维生素A示踪剂。本文介绍了一种方法,旨在指导研究团队如何为科研研究和人群调查制备维生素A稳定同位素示踪剂。文章概述了示踪剂的制备流程、材料来源、所需设备以及相关操作步骤,以确保示踪剂适合人体摄入且安全可靠。维生素A稳定同位素示踪剂可从商业途径获得,通常以氘[2H]或碳-13[13C]标记,其全反式异构体纯度>95%,同位素富集度>99%。制备维生素A稳定同位素示踪剂的过程包括通过超声和加热将示踪剂溶解于可食用植物油中。示踪剂的浓度需控制在递送系统可容纳的体积范围内。最后,将示踪剂分装至无菌棕色玻璃小瓶中,并通过分光光度法确认其浓度。
为了有效监测旨在减少维生素A缺乏症的干预项目,视黄醇同位素稀释法(retinol isotope dilution, RID)已成功应用于获取不同人群总体维生素A储存量(total body vitamin A stores, TBS)的信息1,2,3,4。尽管血清视黄醇5、血清视黄醇结合蛋白(retinol binding protein, RBP)6,7,8以及改良相对剂量反应(modified relative dose response, MRDR)试验9常被用于确认维生素A缺乏状态,但RID是唯一能够在整个范围内——从亚临床缺乏到中毒——准确量化总体维生素A储存量的方法3,10。通过给予已知剂量的标记维生素A,并在达到平衡后测定其在血浆中的稀释程度,RID方法可精确估算TBS及肝脏维生素A储备量11,12。重要的是,即使在存在炎症的人群中,RID方法仍保持可靠,因此在评估干预措施有效性以及重叠进行的补充和强化项目中的毒性风险方面具有不可替代的作用13,14。
为了实施RID方法,需要以视黄醇酯的形式口服给予同位素标记的维生素A,大多数情况下使用的是溶解在可食用植物油中的视黄醇醋酸酯。大多数实验室会从商业供应商处获得同位素标记的维生素A1,3,7,15,16,17,18,19,20,21,22。几乎所有市售的维生素A同位素示踪剂均使用碳-13 [13C] 或氘 [2H] 等稳定同位素进行标记(表1)。所选用同位素剂量的选择取决于用于测定血清或血浆中质量标记视黄醇浓度的分析仪器。气相色谱-质谱联用(GC-MS)和液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)可同时分析 [13C] 和 [2H]22,23,24,25,26,27,而气相色谱-燃烧-同位素比值质谱(GC-C-IRMS)仅能分析 [13C] 标记的视黄醇示踪剂4,25,28。所选分析仪器的检测限、目标人群(儿童或成人)以及研究持续时间将决定所需给予剂量的大小3,25,29。迄今为止,儿童应用的同位素剂量范围为0.3–4.3 mg视黄醇当量(RE;相当于1–15 µmol RE)3,4,30,成人为0.6–10.0 mg RE(相当于2–35 µmol RE)2,3,31,而较新的研究中儿童剂量较低,为0.3–0.6 mg RE(1–3 µmol RE),成人则为0.6–2.0 mg RE(2–7 µmol RE)。尽管曾有人担忧剂量中维生素A的质量过高可能干扰维生素A的内在代谢动力学,但最近一项基于房室模型的分析证实,儿童剂量高达7 µmol RE、成人高达14 µmol RE时,仍不会影响总身体储存(TBS)预测的准确性29。本文将演示如何为RID方法制备用于口服的同位素标记示踪剂,并兼顾食品安全问题及准确剂量浓度的获取。同位素剂量的制备对RID方法至关重要。
研究1在注册英国临床研究网络(UKCRN:7413)之前,已获得英国国家研究伦理服务机构东北桑德兰委员会的批准(REC 09/H0904/20)。研究2获得了菲律宾大学马尼拉分校研究伦理委员会(IRB ID:UPMREB 2016-282-01)、加州大学戴维斯分校机构审查委员会(IRB ID:903681-2)的批准,并在ClinicalTrials.gov注册(ID:NCT03030339)。研究2是比尔及梅琳达·盖茨基金会资助的GloVitAS项目(OPP1115464:评估大规模食品强化及其他干预措施导致维生素A毒性的风险)的一部分。Georg Lietz是GloVitAS项目的首席研究员,负责监督现场研究的实施。研究方案的概述见图1。
1. 纳入与排除标准
2. 确定用于RID的稳定同位素示踪剂的总量
3. 确定溶解稳定同位素示踪剂所需的植物油量
4. 在专用食品制备区域制备稳定同位素标记示踪剂
5. 实验室内稳定同位素示踪剂浓度的测定
总同位素示踪剂剂量大小的计算
针对一项包含100名受试者的研究,计算了[13C10]视黄基乙酸酯的总用量,以确定需要合成的[13C10]视黄基乙酸酯量(表2)。该用量基于统计功效分析所确定的所需样本量(n = 100)、预计失访人数(n = 15;失访率15%)、移液过程中的损失(20%)以及每剂[13C10]视黄基乙酸酯的视黄醇当量浓度(0.4 mg RE;依据所用质谱仪的灵敏度、实验持续时间及受试者年龄组而定)。由此得出所需的总视黄醇当量(55.2 mg RE)再换算为所需的[13C10]视黄基乙酸酯质量(63 mg)。
为计算溶解 [13C10]视黄醇乙酸酯所需葵花籽油的体积,我们首先将给药体积设定为 150 µL/剂量(0.15 mL/剂量)。随后,计算 [13C10]视黄醇乙酸酯在 1 mL 葵花籽油中的浓度(表 2)。将所需 [13C10]视黄醇乙酸酯的质量(63 mg)除以所需剂量浓度,即可得到所需葵花籽油的总体积。最后,通过葵花籽油的相对密度确定其质量。
通过分光光度计基于比尔-朗伯定律测定稳定同位素示踪剂浓度,确认了油中[13C10]视黄醇乙酸酯的目标剂量浓度的准确性(表3)。考虑测量过程中稳定同位素示踪剂的稀释因素(稀释倍数为500),得到油中[13C10]视黄醇乙酸酯的浓度为2.58 µmol/µL。因此,为获得0.4 mg RE剂量所需的稳定同位素示踪剂终体积确定为155 µL(表3)。
检测示踪剂剂量的潜在异构化
通过高效液相色谱法(HPLC)检测cis异构体的生成,以确定所获得示踪剂剂量的异构体纯度(图2)。操作时,取5.1.2步骤中稀释后的示踪剂溶液样品,在氮气下吹干,残留物重新溶解于100%乙醇中用于进样。采用Liu等人的方法34对3个重复样品进行HPLC分析,以检测是否存在cis-异构化现象(见图2)。在整个研究过程中应持续监测示踪剂剂量的纯度,以确保其未发生降解。
示踪剂剂量浓度对随时间变化的剂量分数的影响
不同剂量水平的应用将导致随时间推移摄入剂量的比例有所不同,这可能影响分析平台对[13C10]在所有受试者的指定时间点检测视黄醇水平。应用1 mg或0.4 mg剂量的[13C10成人油剂中醋酸视黄醇(retinyl acetate)图3A)或儿童(图3B) 表明,给予1 mg [相较于0.4 mg [13C10]视黄醇乙酸酯,并证实了所采用的液相色谱-串联质谱法(LC-MS/MS)检测[13C10]受试者在给药后长达28天内的视黄醇水平。这证实了在不同时间点获取剂量分数信息至关重要,可用于判断所施用的剂量水平是否足够高,以在所用分析平台的检测限之上获得可检测信号;此类信息 ideally 应在使用代表性样本进行的预试验研究中获得。

图1:维生素A示踪剂剂量的制备流程图。 稳定同位素剂量制备的关键步骤,包括所需用量的确定、获得的示踪剂浓度测定以及剂量纯度的确认。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:示踪剂量的高效液相色谱图,用于研究视黄醇乙酸酯的异构化反应。 通过高效液相色谱法分析每一步骤后的同位素剂量,评估了[13C10]视黄醇乙酸酯在(A)超声处理和(B)50 °C加热30分钟后的潜在异构化情况。分析采用二极管阵列检测器的高效液相色谱系统,并依据Liu等人的方法进行34。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:摄入[13C10]视黄醇乙酸酯后,血浆中视黄醇的剂量分数随时间变化的观测均值。 剂量分数数据来自(A)45名英国成年人16 和(B)112名菲律宾儿童1,他们分别接受了1 mg或0.4 mg的[13C10]视黄醇乙酸酯剂量。剂量分数计算公式为:{血浆中[13C]视黄醇浓度(µmol/L)× 估计血浆体积(L)/ [13C]剂量(µmol)}。数据以几何均数 ± 标准误(SEM)表示。请点击此处查看该图的放大版本。
| 稳定同位素 | 供应商/制造商 |
| [D4]-视黄醇乙酸酯 | Buchem BV/ReseaChem GmbH/ Cambridge Isotope Laboratory |
| [D6]-视黄醇乙酸酯 | Buchem BV/ReseaChem GmbH/ Cambridge Isotope Laboratory |
| [D8]-视黄醇乙酸酯 | Buchem BV/ReseaChem GmbH/ Cambridge Isotope Laboratory |
| [13C3]-视黄醇乙酸酯 | Buchem BV/ReseaChem GmbH |
| [13C4]-视黄醇乙酸酯 | Buchem BV/ReseaChem GmbH/ Cambridge Isotope Laboratory |
| [13C8]-视黄醇乙酸酯 | Buchem BV/ReseaChem GmbH/ Cambridge Isotope Laboratory |
| [13C10]-视黄醇乙酸酯 | Buchem BV/ReseaChem GmbH/ Cambridge Isotope Laboratory |
表1:市面上可获得的稳定维生素A同位素示踪剂。 不同供应商提供的13C和2H标记的视黄醇乙酸酯示踪剂列表。
| 参数 | ||
| 样本量 [n]: | 100 | |
| 失访数 [n] (%): | 15 (15%) | |
| 移液损失: | 20% | |
| MW [13C10]视黄醇乙酸酯: | 338.5 µg/µmol | |
| MW [13C10]视黄醇: | 296.46 µg/µmol | |
| 给药剂量: | 每位志愿者 0.4 mg RE 的 [13C10]视黄醇乙酸酯 | |
| 计算 | ||
| 所需RE总量: | = 给药剂量(mg RE)× 样本量 × 失访系数 × 移液损失系数 | |
| = 0.4 mg RE × 100 × 1.15 × 1.2 | ||
| = 55.2 mg RE | ||
| 所需 [13C10]视黄醇乙酸酯总量: | = mg RE × MW [13C10]视黄醇乙酸酯 / MW [13C10]视黄醇 | |
| = 55.2 mg RE × 338.5 µg/µmol / 296.46 µg/µmol | ||
| = 63.0 mg [13C10]视黄醇乙酸酯 | ||
| 油中 [13C10]视黄醇乙酸酯的给药浓度: | [13C10]视黄醇乙酸酯 [mg/ml] = | |
| (mg RE × MW [13C10]视黄醇乙酸酯 / MW [13C10]视黄醇) / 0.15 ml | ||
| = (0.4 mg RE × 338.5 µg/µmol / 296.46 µg/µmol) / 0.15 ml | ||
| = 3.04 mg/ml | ||
| 所需葵花籽油总体积: | = [13C10]视黄醇乙酸酯总质量 / 油中给药浓度 | |
| = 63.0 mg / 3.04 mg/ml | ||
| = 20.7 ml 油 | ||
| 所需葵花籽油质量: | = 葵花籽油总体积 × 葵花籽油相对密度 | |
| = 20.7 ml × 0.92 g/ml | ||
| = 19.0 g 葵花籽油 | ||
表2:稳定同位素示踪剂剂量计算示例。 用于确定示踪剂剂量和植物油用量的参数及计算方法。
| 参数 | |
| 摩尔消光系数(E1%1cm) 的[13C10]己烷中的醋酸视黄酯: | 52718 L mol-1 cm-1 x 1 厘米 |
| 稀释倍数: | 500 (100µL 50 mL 己烷中的油样制备 |
| 测定的平均吸光度: | 0.917 |
| MW [13C10]视黄醇: | 296.46 µg/µmol |
| 计算 | |
| 浓度(mol/L)的[13C10]己烷中的醋酸视黄酯: | 浓度(mol/L)= 吸光度 / E1%1cm 比色皿光程长度(1 cm) |
| = 0.917 / 52718 L mol-1 cm-1 x 1 cm = 1.739 x 10-5 mol/L | |
| 将浓度转换为 µmol/µL: | 浓度(mol/L)= 浓度(µmol/µL) |
| 1.739 × 10-5 mol/L 相当于 1.739 × 10-5 µmol/µL | |
| 校正稀释倍数: | 1.739 × 10-5 µmol/µL x 500 = 8.697 x 10-3 µmol/µL 在油中 |
| 重量每 µL (µg/µL): | = [13C10]视黄醇乙酸酯 µmol/µL 在油中 x MW [13C10]视黄醇 |
| = 8.697 × 10-3 µmol/µL x 296.45 µg/µmol = 2.58 µg/µL | |
| 每剂体积: | = 体积 (µL/ 400 µg 剂量)= 400µg / 2.58 µg/µL = 155 µL |
表3:稳定同位素示踪剂剂量浓度的确定。 用于确定示踪剂剂量浓度及口服给药所需体积的相关参数与计算方法。
在人体研究中使用的稳定同位素示踪剂通常被认为是安全的,在所应用的浓度下未见有不良生物学或生理学效应的报道25,35。然而,由于稳定同位素示踪剂需要经口给予,因此必须确保示踪剂剂量符合食品安全标准。这可以通过要求稳定同位素标记维生素A的供应商和生产商对所提供的同位素进行食品安全检测来实现7,20,24。同样,同位素的配制和储存必须仅在专门用于食品制备的区域进行。此外,用于配制稳定同位素的所有设备必须专用于同位素配制,并存放于食品制备区域内。
先前,标记同位素的醋酸视黄酯是使用乙醇溶解,然后在氮气下干燥,再溶于植物油中36。本文介绍一种通过超声和加热相结合的方法,将同位素标记的示踪剂直接溶解于植物油中的技术。尽管该方法在食品制备区域操作更为简便,但在加热溶解示踪剂时需格外小心。全反式视黄醇在加热过程中会异构化为13-cis-视黄醇,且随着温度升高,异构化速度加快37。视黄醇的异构化在光照条件下会进一步加剧32。此外,视黄醇的稳定性还受到植物油脂质氧化特性的影响32,38。由于植物油中α-生育酚的含量对维生素A的保留具有积极影响32,而葵花籽油的α-生育酚含量处于较高水平33,因此我们选择使用葵花籽油来配制示踪剂剂量。决定采用最高50°C的加热条件溶解示踪剂,是基于在化妆品生产中加热溶解视黄醇晶体且未造成显著损失的相关应用39。尽管在本方案所述条件下我们未观察到醋酸视黄酯的显著降解,但在加热处理后立即检测示踪剂剂量中是否存在cis异构化仍至关重要(图2)。我们进一步建议,在整个研究过程中应持续监测示踪剂剂量的稳定性,以确认所用示踪剂浓度的准确性。
示踪剂的配制浓度必须严格控制在给药系统容积限制范围内,以确保准确给予所需剂量。由于RID依赖于稳定同位素标记示踪剂的精确给药,建议使用正置换移液器进行剂量施用。尽管过去曾对成人给予高达1 mL的剂量16,20,40,但施用100–250 µL的体积更为方便,因为该体积范围已被证明在婴儿和儿童中具有良好的耐受性1。此外,剂量也可采用胶囊形式给予17,但必须选择专门设计以防止油泄漏并确保在研究人群中具有良好可接受性的胶囊。最后,所用剂量水平取决于目标人群的年龄组29、所用分析平台对低浓度物质的检测能力3以及目标人群的总体脂含量;总体脂含量越高,血浆中示踪剂剂量的占比越低1。
如上例所示,将浓度为 2.58 µg/µL 的[13C10]视黄醇醋酸酯溶于葵花籽油中,可在 155 µL 葵花籽油中提供 0.4 mg RE 的示踪剂剂量,该体积可使用 250 µL 正置换移液器准确递送。为了获得符合递送系统体积限制的浓度,必须使用分析天平(精确至 0.1 g)准确称量用于溶解示踪剂的植物油,并将其加入含有稳定同位素示踪剂的瓶中。例如,若需在葵花籽油中配制总质量为 63 mg、浓度为 3.04 mg/mL 的[13C10]视黄醇醋酸酯溶液,且葵花籽油在 25 ◦C 时的相对密度为 0.92 g/mL,则需向含有示踪剂的瓶中称取 19.0 g(20.7 mL × 0.92 g/mL)油。尽管最终的稳定同位素示踪剂浓度将通过分光光度计读数确认,但对同位素示踪剂及所用油的精确称量可确保所得浓度接近每剂所需的递送体积。
建议根据预期的每日用量分装油剂,以确保瓶内所有剂量在开瓶后2周内使用完毕。使用过程中,在野外应将油剂置于冰袋上保存,并在给药结束后尽快重新冷冻。尽管油剂不受反复冻融循环的影响,但在不使用时必须始终避光并冷冻保存。
综上所述,本实验方案详细阐述了用于RID方法的示踪剂剂量的精确制备与质量控制,以确保给药的准确性、稳定性和安全性。该方法可计算示踪剂的需求量,优化其在植物油中的溶解性,并通过紫外-可见光谱法和高效液相色谱法(HPLC)验证其纯度和浓度。严格的处理和储存规范可确保示踪剂的完整性,从而保证基于同位素评估结果的准确性。
作者声明无任何利益冲突。
本工作的支持由比尔 & 比尔及梅琳达·盖茨基金会(项目编号:OPP1115464)和维也纳国际原子能机构(IAEA)(项目编号:E4.30.30)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 100ml容量瓶 | Fisher | 11323644 | Pyrex硼硅酸盐玻璃A级认证容量瓶 |
| 50ml容量瓶 | Fisher | 11313644 | Pyrex硼硅酸盐玻璃A级认证容量瓶 |
| 分析天平 | Fisher | 13592970 | |
| 毛细管活塞(移液吸头)CP100 10x96 TIPACK | Gilson | FD148314 | |
| 毛细管活塞 CP1000ST 2x91 | Gilson | F148180 | |
| 毛细管活塞 CP250ST 6x96 | Gilson | F148714 | |
| 纸质冻存盒 | Starlab | A9623-8181 | |
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| 正己烷 95% n-己烷 HPLC级 经认证HPLC用 | Fisher | H/0406/17 | |
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| Microman E M1000E移液器(正向置换式) | Gilson | FD10006 | |
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| Microman E M250E移液器(正向置换式) | Gilson | FD10005 | |
| 显微镜 | Nikon | Eclipse E400 | |
| 显微镜载玻片 | Sigma | 41122601 | |
| 超声水浴锅 | VWR | USC100T | |
| 分光光度计 | Thermo Fisher Scientific | A51119600C | |
| 稳定同位素标记的醋酸视黄酯示踪剂 | Buchem BV | N/A | RID方法可使用多种稳定同位素。表1列出了不同 commercially available 的同位素。 |
| 非搅拌式水浴锅 | SLS | SLS1176 | |
| 植物油 | 任意杂货店 | N/A | 制备同位素剂量时,必须使用新鲜且保质期充足的植物油。 |
| Volac无塞玻璃巴斯德移液管 150mm | SLS | PIP4150 |