人体因素测定要领的发展

近年来,测量人体成分的方法和技术日新月异,其中有些建立在直接的生理学基础之上,而有些则较为间接。现从方法学的角度讨论了每种技术的适用范围和局限性,及其与“多室模型”之间的联系,同时也提供了目前这一领域的整体概况。

2C模型是人体成分模型的经典之作,它将人体分为两部分:一为脂肪组织(Fat Mass,FM),一为非脂肪组织(Fat Free mass,FFM)。前者的直接测量难度很大,但如果可以确定后者,那么前者即可通过体重与FFM间的差值间接得出,这也就是2C模型的应用原理。

最早和最常用的2C模型基于人体密度的测量,即水下称重法(Under Water Weighing,UWW),其它的方法如放射性钾(40K)计数法和放射性水稀释法需要更为精密的技术,FFM中水和钾的含量分别假设为常数0.732/kg和68.1meq/kg。虽然FFM的密度被视为固定常数,但它在不同年龄、种族、病理状态的人群中都是特异的。

此模型又将FFM再分为两部分:水和固态物(主要是蛋白质和矿物质),方法主要是同位素稀释法测全体水量。比起2C模型,它有所进步,但对于明显蛋白质缺乏或骨矿缺乏的患者来说,固态物的值将不够精确,进而影响体脂的结果分析。

要将2C模型扩展为4C模型,必须对蛋白质、矿物质和全体水量分别进行精确测量。此模型所用的UWW将人体蛋白质和骨矿的密度分别假设为1.34 kg/L和3.075 kg/L。然而,为得到这些数据,其它两种测量方法(中子激活分析和双能X线吸收法)是必需的,所以,从一定意义上来说,UWW显得“多余”了,因为这两种方法本身就能够精确测量体脂含量。改进后的4C模型将FFM分为三个基本的“室”:体细胞质量室(Body Cell Mass,BCM),细胞外水室(Extracellular Water,ECW)和细胞外固体室(Extracellular Solids,ECS)。其中,BCM可用全体水量、40K计数或血浆40K稀释法测量,ECW可用溴或硫酸化合物稀释法测量,ECS可用全体钙量和骨矿含量测量。FFM=BCM+ECW+ECS+BFM=BW-FFM。此法的不足在于测量误差的累积效应。

显而易见,每增加一种测量就可能增加一个“室”,只要这种新增的测量是独立于前面所有测量的。例如,估计ECW时可用全体氯量(Total body Cl,TBCI)的稀释测定代替全体溴量(Total body Br,TBBr),不过,若TBCI和TBBr的稀释同时进行,也不会得到更多信息,但二者可以相互印证。其它测量体脂和体水的方法有:中子激活法同时测定碳和氢以分别估计体脂和体水;双能X线吸收法和员稀释法分别测量体脂和体水;体氮和体钾同时用于测量骨骼肌、非肌肉瘦体组织和内脏组织的质量。另外,MRI和CT也可提供很多解剖信息,但需要多层扫描,而且相应的组织密度应该已知。值得一提的是,这两种扫描技术的敏感性不及生化组成模型,因为在很多疾病,当生化组成已发生明显异常时,其解剖结构仍是正常的。

Wang等人在总结了过去50年关于体室模型的研究后提出:人体成分研究的标准——五级水平多室模型。

每一级水平都有相应的方程描述,而且各级水平间也有转换方程。总体说来,生化组成(如氘、碳、氢、氮、钙量)与分子构成(如水、蛋白、脂肪、骨矿)间的关系在健康和疾病状态下都是相对稳定的。可见,从元素水平研究人体成分更为可靠,因为它对组织密度,含水量和/或结构的假设误差小得多。

人体密度测量的早期而广泛的应用使其成为人体成分测量的金标准,而水下称重法(UWW)又是最为常用的技术。它要求被测者完全浸入水中,利用其排开的水的体积和体重,就可以计算出整个人体的密度。

在2C中,BW=FM十FFM,1/Db=fFm/DFM+fFFM/DFFM,其中DFM和DFFM分别代表脂肪组织和非脂肪组织的密度,一般说来,DM是不变的,但DFFM却可以随性别、种族、生长发育、年龄、体育锻炼及疾病种类的变化而变化。因此,3C或4C模型便发展了对FFM即蛋白、水和矿物质的测量技术,见表1。

UWW存在的主要问题是对人体体积和肺残气量的估计,有文献报道,对于肺残气量的校正,最常用闭合回路型肺活量计的氧稀释法,但就老年人或呼吸功能不全的人来说,开放回路型氮清除法可能更好一些。3C或4C模型中近似的估计方程是造成最终脂肪含量结果产生误差的根本原因,因此,若缺乏对水和矿物质的精确校正,密度的测量不应作为不同人群的参考指标。不过,对于妊娠病例,UWW比放射性方法安全得多,此时可以考虑。

因被测者不必全身浸入水中,故近来UWW有逐渐被ADP取代的趋势。ADP系统包括两个室:一个用于被测者,另一个用作参照体积。当被测者进入一室时,门被关闭和密封,室内压会轻微升高,此时两室间的隔板会轻微形变从而改变两室的体积。利用一定温度下气压与体积间的关系就可算出人体体积,不过,UWW中存在的技术问题在ADP同样无法解决。近来已有研究表明:健康成人的ADP与UWW具有良好的一致性,但幼儿的情况还未见报道。

然而,即使所有的技术限制都能被解决,FFM的通用密度的生理精确性问题仍然存在:不论是解剖研究还是生化研究,其结果都显示不同个体间的密度测量的精确性很差。所以,在没有深入研究的情况下,2C模型(ADP)只能用于某个人群概况的估计或短期内监测个体脂肪含量的变化。

对于mC模型中的分子水平来说,占机体质量比例最大的单个分子是H20。在健康成人,TBW占FFM的73%左右和BW的60%左右,不过这些比例系数并非固定不变,而是随着年龄增长和疾病发生等不同情况而不断变化着的,这种变化反映了ICW和ECW问比例的变化。Wang等最近重新研究了“水合常数”的概念,发现即使很大的ECW/ICW变化也不会过大影响水合(TBW/FFM)的值。这一发现对于那些致力于研究如何控制体脂量的人来说很有意义(在FM=BW-FFM和测量技术着眼于体水的参数的前提下)。不过,如果研究者兴趣在于体细胞质量(Body Cell Mass,BCM)或细胞外水间隙(如脱水或水肿),那么这种仅适于测量全体水量的技术就显得有些力不从心了。

最早也是最直接测量TBW的技术是用同位素标记水(氘,氚或18O),分别取两次体液标本(血、尿或唾液):一为用药前,一为用药后2~3h。分析方法取决于所选示踪剂:氚用β粒子计数法,18O用质谱分析、红外吸收、气相色谱法等,氘用质谱分析法。每一种方法都已有研究表明有2%~4%的放射性氢与疏水性氢发生交换,但仅有约1%的18O发生交换。每种示踪剂所致的IBW测量误差都<1 kg,对于成年男性,这一IBW误差导致FM发生10%的误差,进而导致脂肪百分比发生2%的误差。但是,总体说来,利用同位素测定法获得的IBW值与其它方法相比被认为是标准值。