| 碳-13及其同位素簡介 碳-13之計量與測定 碳-13之臨床安全性 碳-13之臨床應用原理與特性 碳-13之臨床應用範圍與實例 碳-13之臨床應用研究現況與展望 |
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| 碳-13及其同位素簡介 |
| 碳-13（carbon-13, 13C）之原子核含有6個質子及7個中子，是一種在1929年發現的天然而穩定的核種，也就是說在無外力激發下，不會自行蛻變而放出任何輻射線（如x-ray，r-ray，
-ray等）或粒子（如中子，α-粒子等），因此它在人體中，完全不會產生任何輻射線傷害。在自然界或人體中與其共存的碳-12同位素，化性與物性幾乎完全相同，但是含量懸殊，碳-12約佔98.9%，碳-13約佔1.1%。此外，自然界中還有一種同位素，稱作碳-14同位素，由於其原子核之中子數比質子數多了兩個，因此會自行蛻變，放射出
-ray，半衰期為5,760年，在自然界中之含量非常微小，在人體中之含量可以忽略不計。但在考古學上測定人類遺骸之年代時，卻非常有用。在臨床應用上，碳-13與碳-14皆可標幟於特定化合物中的特定位置，經口服或靜脈注射進入人體後，利用示蹤技術或核磁共振造影，可以檢驗人體疾病或測定臟器功能與感染，但是由於碳-14同位素之半衰期長達5,760年，在臨床應用上，雖然劑量微小，但卻可能造成無法預期之傷害。於1986年左右，法國、德國、奧地利等數個歐洲國家即開始禁止碳-14使用於臨床研究。反之，碳-13同位素，由於安全無慮，近年來已逐漸取代碳-14同位素在臨床應用上的地位。此外，碳-13原子核具磁性，可利用來進行13C-NMR監測或MRI造影，而碳-12及碳-14則無此特性。 |
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| 碳-13之計量與測定 |
碳-13由於不具放射性，故在測定時必須使用質譜儀。雖然在1930年代即被使用於醫學研究，但由於當時之質譜儀非常難以操作而且價格太過昂貴，因此不久即被較容易計測的碳-14所取代，1989年起專門為臨床應用設計的新質譜儀紛紛上市之後，情況因而逆轉，目前測定一個人體呼氣樣品只需兩分鐘，且操作難度亦大幅降低，1996年後，經改良之紅外線光譜儀，雖然精確度不如質譜儀，但已被證實可符合臨床使用之要求。此外，核磁共振儀在臨床應用上則可用來測定碳-13標幟藥物之13C-NMR光譜及MRI造影。
在臨床應用上，碳-13之計量並不採用絕對量，而係使用碳-13與碳-12之比值來定量，例如一般人體之呼氣中，碳-13/碳-12比值（13C/12C
isotope ratio, R），可能約為0.0115左右，在服用碳-13標幟藥物後，可能增加為0.0119左右，此種比值差異在一般的理化分析上似乎不具意義，但在質譜分析學上，卻是精確可靠的。為便於計讀，在臨床應用上，又將此比值，帶入下列公式而得到δ13C值：
其中Rs，RPDB分別為樣品及國際標準之碳-13/碳-12比值，而RPDB已知等於0.0112372。 |
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| 碳-13之臨床安全性 |
| 碳-13在臨床應用上的安全性，除了前述不具放射性的絕對輻射安全之外，尚有同位素效應（isotope
effect）可能引起的傷害顧慮，必須加以澄清；正常人體內每公斤體重含碳-13約僅2克，碳-12則多達約178克，每人每天從食物中攝取碳-13約100mg，碳-12約8991mg，若因臨床應用碳-13標幟化合物，而使人體內之碳-13同位素含量比增加，則是否會導致任何不良反應或疾病；其答案是否定的。（詳情請見Gregg等人1973年之報告）。所以碳-13之臨床應用安全性無庸置疑。 |
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| 碳-13之臨床應用原理與特性 |
| 碳-13與碳-14之臨床應用原理相似，皆是利用同位素示蹤技術，追蹤人體內之代謝反應，從而判定人體內之臟器功能是否正常或產生任何病變與感染。一般皆利用口服攝入碳-13標幟化合物，少部分例子是利用靜脈注射進入人體，而檢體之取得則大部分的例子是採取人體之自然呼氣樣品（稱為碳-13呼氣試驗法），少部分例子是採取血液或組織。此外，尚可利用碳-13原子核之磁性而進行核磁共振造影（MRI）。因此，碳-13之臨床應用特性是高靈敏度（high
sensitivity）、高專一性（high specificity）、高安全性及非侵襲性。而且，所需檢體之量相當微小，一般約含50ug的碳-13即可準確定量。 |
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| 碳-13之臨床應用範圍與實例 |
碳-13之臨床應用廣泛見於各專科之臨床診斷與療效追蹤。目前應用最多的是碳-13二氧化碳呼氣試驗法（13CO2
Breath Test, 13CO2-BT） 檢測胃、腸、肝、胰等的疾病與功能，尤其是碳-13尿素呼氣試驗法（13C-Urea
Breath Test, 13C-UBT）檢驗幽門螺旋桿菌感染，是目前國內外消化系醫學界公認為臨床上檢驗幽門螺旋桿菌感染之金標準（gold
standard），該試驗法及所需之碳-13尿素檢驗藥劑，在國內外皆已取得主管機關核可，並已進入例行臨床檢驗之行列，現正申請健保給付中。
碳-13標幟化合物之臨床應用標的包括：胃幽門螺旋桿菌感染及胃排空檢查、肝功能檢測、胰功能檢測、小腸功能檢測及腸內細菌增生等。近年來，由於碳-13呼氣試驗法檢測胃排空時間，可以幫助臨床醫師確定糖尿病或AIDS患者之給藥劑量與時機，以達到生物可用性（Bioavailability）及藥物有效性之最佳化；小兒科方面，嘔吐及食慾不振的病患，測定其胃排空時間亦很重要；胃食道逆流患者胃排空延遲之鑑定；以及測定各種藥物對胃排空速率之影響等等，已逐漸為臨床醫師所重視，目前國內健保對胃排空檢查已有給付，不過因使用核醫學之檢測法，病患必須長時間（約3小時以上）佔用高貴而稀少之儀器設備（two
head γ-camera），故實際能接受檢查者甚少，尤其孕婦與兒童更受限制，故歐美等先進國家正發展碳-13呼氣試驗以資取代，目前正紛紛申請專利中。至於碳-13呼氣試驗法檢測肝功能，最近已能針對肝細胞胞質液、微粒體及粒線體之機能，進行專一性的量測，故其對應之碳-13標幟藥物種類繁多，1999年取得美國專利之13C-methionine
呼氣試驗法評估肝功能，似乎已有商業化的價值，在臨床上可以測定肝細胞粒線體的機能，從而用以預測肝功能障礙，手術後之嫁接植體生存能力（graft
viability）及肝移植手術後之急性排斥。
碳-13的臨床應用，除了上述屬於碳-13呼氣試驗法部分外，尚有兩類臨床應用：其一是核磁共振造影（MRI）或核磁共振分析
（13C-NMR）的應用；例如碳-13葡萄糖 （13C-glucose）於1990年左右即被應用於腦癌、巴金森氏症等等之診斷造影，優點在於低背景訊號及可進行生化途徑之動態分析，臨床上可用以監測化療與放線治療之療效。
碳-13之第三類臨床應用則在於無法產生二氧化碳的人體新陳代謝程序之偵測，此類應用必須採取血液檢體進行碳同位素比值分析，其臨床應用實例如人體必需脂肪酸之增長與去飽和化測定，用碳-13標幟於亞麻油酸（13C-linoleic
acid），口服後，於一定時間抽血檢驗是否有碳-13花生四烯酸 （13C-arachidonic
acid）之生成，如此便可測定人體增長碳鏈與去飽和機能是否正常。 |
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| 碳-13之臨床應用研究現況與展望 |
| 由於近年來分析儀器與技術之突飛猛進以及碳-13標幟藥物之趨於普遍與廉價，碳-13之臨床應用漸受重視，因此歐、美、日之臨床應用研究已蔚為風氣。如歐洲共同體10個國家約25個穩定同位素研發中心，業已自1993年起，聯合執行有關穩定同位素醫學應用研究之大型計畫，分別編號為BIOMED
project no PL93-1239，M&T no 4132等，其中有關碳-13之臨床應用佔大部分。日本醫學界早於1987年代初組成
「碳-13醫學應用研究會」，每年定期集會，並發表論文專刊。美國數個著名醫學研究中心；如Mayo
Clinic and Mayo Foundation，Baylor College of Medicine等甚至早於1970年代即連續研究碳-13之臨床應用迄今。1998年9月一個名為「Clinical
Application of Breath Tests in Gastroenterology
and Hepatology」之國際研討會，終於在羅馬市召開，並出版論文集。展望今後之碳-13臨床應用，將由消化系醫學延伸及擴展至其他醫學專科領域。我國醫學界亦應與世界同步，攜手開發此一碳-13臨床應用之新領域。 |
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