基于新型排尿指数生物标志物的无创高血糖检测新方法：代谢紊乱小鼠模型研究的重大突破

《Lab Animal》：Robust noninvasive detection of hyperglycemia in mouse models of metabolic dysregulation using the novel Urination Index biomarker

　　本刊推荐：为解决糖尿病小鼠模型中血糖监测的侵入性、间歇性和应激性难题，研究人员开展了基于垫料湿度监测的排尿指数(UI)生物标志物研究。通过Tecniplast DVC系统连续监测自发性（ob/ob）和诱导性（STZ）糖尿病小鼠模型，发现UI与血糖水平（>20 mM阈值）、多饮多食症状显著相关。该非侵入性方法可实现笼内连续监测昼夜排尿节律，准确评估降糖干预疗效，为糖尿病研究提供符合3R原则的创新方案。

　　

在糖尿病研究领域，血糖监测始终是困扰科学家的核心难题。传统尾静脉采血仅能提供间歇性血糖快照，而连续血糖监测（CGM）又需手术植入传感器，这些操作均会引发应激性高血糖，干扰实验结果的准确性。更棘手的是，小鼠糖尿病模型存在显著个体差异，频繁采血不仅增加动物痛苦，还可能导致数据偏差。面对这些挑战，研究人员开始探索能否通过糖尿病典型症状——多尿症（polyuria）来实现无创监测。

近日发表在《Lab Animal》的研究团队开发出基于垫料湿度监测的排尿指数（Urination Index, UI）生物标志物，通过Tecniplast数字通风笼（DVC）系统实现对高血糖的连续、无创评估。该研究整合了1型糖尿病（STZ诱导）和2型糖尿病（ob/ob自发）小鼠模型，利用DVC系统床垫状态指数（BSI）数据推导UI算法，并通过房舍密度测试、体外验证实验和INSPIRE老年队列数据验证其可靠性。

关键技术方法包括：采用Tecniplast DVC系统的电容传感技术连续采集垫料湿度数据；开发UI算法处理BSI信号并排除饲养操作干扰；利用STZ诱导的T1DM模型（C57BL/6J雌鼠）和ob/ob自发性T2DM模型开展纵向研究；通过胰岛素干预实验验证UI对治疗反应的敏感性；使用自主研发的UrinatoR应用（https://tsnscientific.com/urinator）进行数据分析。

基本排尿算法开发方面，研究团队将DVC系统检测的电磁场强度下降信号（BSI）转化为逆向增量变化，剔除垫料更换引起的信号中断后，通过累积处理数据生成UI指标。体外验证显示，UI与加水量呈强线性关系（R²=0.92-0.96），而饲料添加对UI影响微弱（<5%水量当量），证实该指标对尿液的特异性响应。

通过房舍密度分析发现，UI与饲养数量呈线性相关（雄性R²=0.78，雌性R²=0.96），证实方法的规模化适用性。与INSPIRE队列的排尿行为测试相关性分析表明，UI与尿液斑点总面积显著正相关（雄性R²=0.55，雌性R²=0.58），验证了UI作为排尿量有效指标的可信度。

在ob/ob小鼠模型研究中，严重高血糖个体（血糖>33.3 mM）UI值显著高于野生型，而轻度高血糖个体（Ob low）UI仅轻度升高。特别值得注意的是，唯一出现严重多尿的小鼠（Ob#6）在血糖超过20 mM阈值后，UI急剧增加11.5倍，提示高血糖与多尿症之间存在明显的阈值效应。

STZ初步研究中，两个STZ处理笼虽血糖差异不大（22.9±2.0 mM vs 15.8±1.3 mM），但UI差异显著（11.6 vs 2.5 UI/鼠/天）。昼夜排尿模式分析显示，严重高血糖个体（STZ 1）全天持续多尿，而轻度高血糖（STZ 2）仅在后半夜出现峰值，反映不同严重程度高血糖的排尿节律差异。

STZ主要研究进一步证实，UI与血糖（R²>0.5）、饮水量和摄食量显著相关。将STZ处理组按反应程度分为高反应（STZ high）和低反应（STZ low）后，发现血糖20 mM是关键阈值：超过此值则多食、多饮、多尿症状显著加剧。重要的是，UI和饮水量监测比间歇性血糖检测提前2-9天预测高血糖发展。

昼夜节律分析揭示，STZ处理后小鼠排尿模式变为双相型：黑暗期开始9小时内出现主要排尿高峰，光照期初期出现次要高峰。这种详细节律信息是传统检测方法无法获取的。

胰岛素干预实验证明UI可敏感反映治疗效果。长效胰岛素（Lantus）治疗使严重高血糖小鼠（血糖>30 mM）的UI在2天内下降73%，昼夜排尿模式几乎恢复正常。尤为重要的是，即使笼中仅一只小鼠接受治疗，UI也能明显反映疗效，证明其在群养条件下的检测灵敏度。

本研究开发的排尿指数生物标志物代表代谢研究方法学的重要进步。与传统血糖监测相比，UI方法具有三重优势：实现真正无创连续监测，消除操作应激对数据干扰；捕捉高血糖相关症状（多尿、多饮、多食）的整体病理变化；提供传统方法无法获得的昼夜节律信息。该方法符合3R原则，通过减少侵入性操作和提高数据质量，显著改善动物福利和研究可靠性。

尽管UI在轻度高血糖（10-20 mM）检测灵敏度有限，且群养条件下可能掩盖个体差异，但通过实验设计优化（如治疗鼠与对照鼠同笼饲养）可有效解决。随着UrinatoR分析应用的公开共享，这一方法有望成为糖尿病研究领域的标准工具，推动更伦理、更可靠的代谢研究发展。