血乳酸生物傳感器在新冠肺炎診療中的應(yīng)用探討

孫慧囡,高廣恒,劉慶艾,馬耀宏,李靜,史建國*

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院生物研究所 山東省生物傳感器重點實驗室,山東 濟(jì)南 250103; 2.山東博科生物產(chǎn)業(yè)有限公司,山東 濟(jì)南 250101)

肺炎是由病原微生物或其他因素引起的常見疾病之一，如不能及時控制和治療，可引起嚴(yán)重級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致多器官功能衰竭，危及患者生命。新冠肺炎(COVID-19)疫情已對人民健康和社會穩(wěn)定帶來嚴(yán)重危害，如何快速診斷和形成有效救治方案是目前面臨的重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)診斷方法樣本周轉(zhuǎn)時間(turnaround time，TAT)與患者在醫(yī)療場所的停留時間(length of stay,LOS)較長，且常規(guī)的病情嚴(yán)重程度評分標(biāo)準(zhǔn)體系復(fù)雜、繁瑣，給醫(yī)護(hù)人員和肺炎患者帶來巨大壓力[1]。已有研究表明，血乳酸(blood lactic acid,BLA)水平與肺炎病理進(jìn)展密切相關(guān)[2]。在《新型冠狀病毒(2019-nCoV)感染的肺炎診療快速建議指南(標(biāo)準(zhǔn)版)》[3]中，血乳酸指標(biāo)已列入實驗檢查項目，可結(jié)合血?dú)夥治觯糜谂袛嘀?、重癥患者的氧合情況，篩查高危的氧合障礙患者。血乳酸檢測方法很多，其中，即時檢驗(point of care testing，POCT)血乳酸生物傳感器測定簡單、快速和準(zhǔn)確，被認(rèn)為是一種高性能、低成本的檢測工具[4]。本文將對血乳酸指標(biāo)的臨床應(yīng)用和血乳酸生物傳感器的特點進(jìn)行綜述，旨在為新冠病毒肺炎的精準(zhǔn)診斷、治療和預(yù)后提供參考。

1 血乳酸

乳酸是葡萄糖無氧代謝的產(chǎn)物，產(chǎn)生于骨胳、肌肉、腦和紅細(xì)胞。葡萄糖經(jīng)酵解途徑(glycolytic pathway)生成丙酮酸，然后在乳酸脫氫酶催化下轉(zhuǎn)化為乳酸[5]，如式(1)所示。

丙酮酸+NADH+H+→乳酸+NAD+，

(1)

其中，NADH為還原態(tài)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，NAD+為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸。

血乳酸濃度取決于糖酵解途徑的乳酸生成及消除的速度，是反映組織供氧和代謝狀態(tài)的重要指標(biāo)。組織缺氧狀態(tài)下，NADH蓄積，抑制了乙酰輔酶A的形成，使丙酮酸通過無氧代謝形成乳酸。同時，NAD+缺乏可抑制乳酸生成糖(糖異生代謝)，刺激糖酵解以補(bǔ)充機(jī)體ATP需要，從而促進(jìn)乳酸的生成[6]。在氧充分的情況下，乳酸經(jīng)乳酸脫氫酶催化生成丙酮酸，然后氧化分解生成CO2和H2O；也可經(jīng)糖異生途徑合成葡萄糖和糖元；或經(jīng)丙酮酸、乙酰輔酶A途徑合成脂肪酸、氨基酸等；乳酸經(jīng)肝臟代謝后由腎分泌排泄，極少量乳酸由汗液、淚液排出。

2 血乳酸檢測在肺炎診療中的意義

肺炎病情嚴(yán)重程度及治療效果可根據(jù)多種生理、生化指標(biāo)來判斷，其中，血乳酸是直接相關(guān)的重要生化代謝指標(biāo)之一[7]。早在20世紀(jì)70年代，血乳酸測定開始用于患者的肺炎病情嚴(yán)重程度判斷和預(yù)后評估[8]。但由于血乳酸檢測方法的限制，相關(guān)臨床應(yīng)用研究不多。20世紀(jì)90 年代，借助于生物傳感器血乳酸測定技術(shù)，臨床上實現(xiàn)了全血、微量、快速血乳酸檢測[9]，使血乳酸指標(biāo)的臨床應(yīng)用價值得到更加廣泛的關(guān)注。

2.1 血乳酸水平與肺炎病情嚴(yán)重程度評估

肺炎病情的評估包括嚴(yán)重程度評估和臟器功能受損程度評估兩個方面，如CURB-65(confusion，urea，respiratory rate，blood pressure，65)、PSI(pneumonia severity index)、快速序貫器官衰竭評分(quick sequential organ failure assessment，qSOFA)等評分系統(tǒng)。根據(jù)評分值判斷病情輕癥或重癥，從而確定患者初始抗生素藥物的選擇、實驗室檢查強(qiáng)度、是否需要住院或住ICU等[10]。近年來的研究表明，血乳酸水平、PSI評分和CURB-65評分都可作為死亡率預(yù)測因子。Song等[11]對443例肺炎患者進(jìn)行了血乳酸水平與qSOFA評分系統(tǒng)的評估效果分析，結(jié)果表明，以qSOAF評分≥2分或入院血乳酸濃度>2 mmol/L為臨界點時，qSOAF和血乳酸濃度的組合預(yù)測病死率的能力明顯高于單純qSOAF評分。當(dāng)高乳酸血癥發(fā)展成乳酸中毒時，血乳酸成為危重患者死亡的獨(dú)立風(fēng)險因素，甚至是預(yù)測患者死亡的唯一獨(dú)立風(fēng)險因素[12]，其精確度顯著高于qSOFA等評分系統(tǒng)[13].

2.2 動態(tài)血乳酸檢測與治療效果評價

血乳酸水平的高低與血乳酸的生成和清除效率有關(guān)。正常情況下血乳酸濃度為(1.0±0.5)mmol/L。隨著體內(nèi)乳酸濃度的升高，患者的死亡風(fēng)險也逐漸增加。危重患者血乳酸濃度為2.0～2.5 mmol/L；高乳酸血癥血乳酸濃度為2.5～4.0 mmol/L；血乳酸濃度為4.0～5.0 mmol/L，需要救治；血乳酸濃度持續(xù)增高達(dá)5.0 mmol/L，預(yù)示乳酸中毒；血乳酸濃度高于9.0 mmol/L，預(yù)示高死亡率[14]。

臨床上一般以6 h為時間間隔，計算6 h血乳酸清除率和48 h的血乳酸值變化評估患者治療效果，其中6 h血乳酸清除率>10%為高乳酸清除率，6 h血乳酸清除率<10%為低乳酸清除率[15]。乳酸清除率(P)與入院時血乳酸濃度(ρ0)、即時血乳酸濃度(ρ)計算如式(2)所示。

(2)

2018年，Aramburo等[16]采用手持式乳酸分析儀Arkray對高乳酸血癥(hyperlactataemia, HL)兒童患者入院時進(jìn)行血乳酸檢測。根據(jù)入院時的乳酸水平將患者分為重度HL(乳酸濃度≥5.0 mmol/L)、中度HL(乳酸濃度2.5～5.0 mmol/L)或無HL(乳酸濃度<2.5 mmol/L)。采集8 h血乳酸清除率，連續(xù)72 h進(jìn)行觀察，血乳酸清除率≥40%表明治療效果良好。

3 血乳酸生物傳感器測試方法

臨床檢驗中傳統(tǒng)的血乳酸測定方法主要有化學(xué)法和酶法[17]。隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，這些手工測定方法逐步被自動化分析儀器所取代，如全自動生化分析儀、全自動血?dú)夥治鰞x和生物傳感器[18]。

生化分析儀是利用光電比色原理來測量某種特定化學(xué)成分，血液的顏色和濁度對測定有干擾，因此，樣品必須是血清或離心后的血漿[19]，樣品處理相對煩瑣，不能達(dá)到實時血乳酸測定。血?dú)夥治鰞x是由一系列電化學(xué)電極組成的分析系統(tǒng)，被測物含量可根據(jù)電極產(chǎn)生的電流(電壓)信號大小確定，血液樣品(全血)的顏色和濁度對測定沒有干擾[9]。但血?dú)夥治鰞x的檢測是以動脈血或動脈化毛細(xì)血管血為主，取樣時需要無菌動脈插管或?qū)Ｓ萌⊙ぞ撸裳y度相對較大[20]，特別是對于需反復(fù)采血追蹤觀察血乳酸的病人，動脈采血弊端較多[21]。血乳酸生物傳感器檢測樣品可以是微量靜脈血(全血)，取樣操作簡單、安全，樣品顏色、濁度對測定沒有影響，且快速、準(zhǔn)確，是血乳酸檢測最理想的分析工具[22]。

血乳酸生物傳感器主要采用固定化酶電化學(xué)分析方法，屬于電化學(xué)生物傳感器的一種類型，也稱為酶電極。1973年，美國 YSI開發(fā)了全球第一個酶電化學(xué)乳酸分析儀，在體育訓(xùn)練、臨床檢驗等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[22]。同類產(chǎn)品還有德國的EKF系列和中國的SBA系列乳酸分析儀[23]，其檢測原理包括酶催化反應(yīng)和電極電化學(xué)反應(yīng)，如式(3)所示。

酶催化反應(yīng)：乳酸+O2+H2O→丙酮酸+H2O2，

電極電化學(xué)反應(yīng)：

O2+2H++2e-→H2O2，

(3)

或H2O2→O2+2H++2e-。

在乳酸氧化酶的催化下，乳酸被氧化生成丙酮酸和過氧化氫。通過電極檢測氧的消耗(氧電極)或H2O2的產(chǎn)生，根據(jù)測試電極電流(電壓)信號的大小就可確定乳酸的含量。

3.1 乳酸酶電極分析儀

早期的乳酸酶電極分析儀主要用于運(yùn)動員訓(xùn)練水平的評定、運(yùn)動強(qiáng)度的制定和訓(xùn)練負(fù)荷的評價，如美國YSI-23型及便攜式Y(jié)S1-1500乳酸分析儀。1991年，彭崇謙等[24]采用YSI-1500血乳酸分析儀對50例健康兒童的血乳酸進(jìn)行測試，結(jié)果證明，血乳酸分析儀的準(zhǔn)確度、精密度、線性范圍等指標(biāo)都能滿足臨床科研和急救醫(yī)學(xué)的需要。目前，臨床常用的是YSI-2300、BIOSEN C和SBA-40雙指標(biāo)分析儀，可同時測定葡萄糖和乳酸。該方法通過在耳垂、指尖采血25 μL進(jìn)行全血測定，樣品不需離心等分離處理，樣品的顏色和濁度對測定沒有影響。電極響應(yīng)時間20 s，1 min出結(jié)果，誤差為±2%。酶電極法以靜脈血檢測標(biāo)本為主，具有取樣簡單、方便、安全的特點，雖然靜脈血乳酸濃度稍高于動脈血，但兩者無顯著性差異(p>0.05)[25]。

3.2 POCT血乳酸分析儀

生物傳感器對發(fā)展血乳酸POCT技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢[26]，其特點是靠近患者、快速準(zhǔn)確、操作簡單、樣品前處理簡單等，可幫助醫(yī)護(hù)人員快速而恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行診療、護(hù)理、病程觀察，進(jìn)而提高醫(yī)療質(zhì)量和患者生活質(zhì)量及滿意度[27]。目前，除血糖儀外，根據(jù)酶電極分析原理開發(fā)的手持式POCT血乳酸儀主要有美國NOWA、德國SCOUT和中國鶴田等。該類儀器可通過專用測試條實現(xiàn)檢測操作，采用指尖釆血，只需一滴(5 μL)全血樣品，簡單、方便、安全，測試時間15 s，誤差為±3%，檢測結(jié)果記憶250個數(shù)據(jù)，可與PC連接，也可無線傳輸。

截至目前，用于醫(yī)院和家庭血糖檢測的POCT血糖儀已廣泛應(yīng)用，在糖尿病患者的護(hù)理方面發(fā)揮了重要作用[28]。相比之下，POCT血乳酸儀的臨床應(yīng)用研究還處于起步階段。如何發(fā)展血乳酸儀的應(yīng)用技術(shù)，已引起人們的廣泛關(guān)注[29]。Ma等[4]曾采用SCOUT血乳酸儀，在烏干達(dá)兩家醫(yī)院對155例臨床肺炎患兒進(jìn)行了血乳酸跟蹤監(jiān)測。結(jié)果表明，在預(yù)測存活率方面，簡單的手持型血乳酸測量等同或優(yōu)于任何單獨(dú)的臨床癥狀或綜合臨床評分結(jié)果。而且，這種檢測工具特別適合醫(yī)療資源有限的社區(qū)醫(yī)院或診所。

4 血乳酸檢測技術(shù)在新冠肺炎疫情中應(yīng)用的必要性

血乳酸水平是一種快速、廉價和廣泛可用的附加風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)[30]，可用于肺炎患者最初病情嚴(yán)重程度確定從而對肺炎病情進(jìn)行分層管理，包括最初治療地點的選擇，如門診、住院或ICU治療[10]。POCT血乳酸檢測方法的應(yīng)用，可降低患者住院治療費(fèi)用，節(jié)約公共治療支出。從資源配置角度，可解決急診科擁擠問題，合理高效利用急診科醫(yī)療資源[27]。

根據(jù)血乳酸水平和血乳酸清除率，對肺炎患者的治療情況進(jìn)行定量評價，并根據(jù)評價的結(jié)果及時調(diào)整治療方案[31]。紐約杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Toffaletti博士曾指出，血乳酸酶電極的誕生，給臨床血乳酸檢測技術(shù)帶來進(jìn)步。對于休克患者可以每20 min測量一次，治療1 h內(nèi)，血乳酸減少超過10%，可預(yù)測臨床改善，如果沒有觀察到乳酸減少，應(yīng)積極考慮改變治療方案[14]。

新冠病毒疫情已造成廣泛的應(yīng)激障礙，醫(yī)護(hù)人員、特別是患者產(chǎn)生了巨大心理壓力。這種心理危機(jī)將持續(xù)很長時間，給出院患者康復(fù)治療帶來不利影響[32]。采用血乳酸快速檢測方法，社區(qū)醫(yī)護(hù)人員或患者個人(家庭)可從生理、病理角度及時了解病情狀況。即使生命體征尚正常的輕癥患者，血乳酸水平也有助于判斷自身病情進(jìn)展[33]，從而緩解心理壓力，促進(jìn)機(jī)體康復(fù)。

5 結(jié)論

血乳酸指標(biāo)在臨床檢驗領(lǐng)域的應(yīng)用已引起越來越廣泛的關(guān)注。特別是隨著生物傳感技術(shù)的發(fā)展，臨床血乳酸檢測更加便捷、經(jīng)濟(jì)，可快速、連續(xù)檢測血乳酸變化，實用性更強(qiáng)，在新冠肺炎病情的快速診斷和精準(zhǔn)治療中將發(fā)揮積極的作用。