血乳酸生物传感器在新冠肺炎诊疗中的应用探讨

2020-02-23孙慧囡高广恒刘庆艾马耀宏李静史建国

山东科学 2020年3期

孙慧囡,高广恒,刘庆艾,马耀宏,李静,史建国*

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省科学院生物研究所山东省生物传感器重点实验室,山东济南 250103; 2.山东博科生物产业有限公司,山东济南 250101)

肺炎是由病原微生物或其他因素引起的常见疾病之一，如不能及时控制和治疗，可引起严重级联反应，导致多器官功能衰竭，危及患者生命。新冠肺炎(COVID-19)疫情已对人民健康和社会稳定带来严重危害，如何快速诊断和形成有效救治方案是目前面临的重大挑战。传统诊断方法样本周转时间(turnaround time，TAT)与患者在医疗场所的停留时间(length of stay,LOS)较长，且常规的病情严重程度评分标准体系复杂、繁琐，给医护人员和肺炎患者带来巨大压力[1]。已有研究表明，血乳酸(blood lactic acid,BLA)水平与肺炎病理进展密切相关[2]。在《新型冠状病毒(2019-nCoV)感染的肺炎诊疗快速建议指南(标准版)》[3]中，血乳酸指标已列入实验检查项目，可结合血气分析，用于判断中、重症患者的氧合情况，筛查高危的氧合障碍患者。血乳酸检测方法很多，其中，即时检验(point of care testing，POCT)血乳酸生物传感器测定简单、快速和准确，被认为是一种高性能、低成本的检测工具[4]。本文将对血乳酸指标的临床应用和血乳酸生物传感器的特点进行综述，旨在为新冠病毒肺炎的精准诊断、治疗和预后提供参考。

1 血乳酸

乳酸是葡萄糖无氧代谢的产物，产生于骨胳、肌肉、脑和红细胞。葡萄糖经酵解途径(glycolytic pathway)生成丙酮酸，然后在乳酸脱氢酶催化下转化为乳酸[5]，如式(1)所示。

丙酮酸+NADH+H+→乳酸+NAD+，

(1)

其中，NADH为还原态烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，NAD+为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。

血乳酸浓度取决于糖酵解途径的乳酸生成及消除的速度，是反映组织供氧和代谢状态的重要指标。组织缺氧状态下，NADH蓄积，抑制了乙酰辅酶A的形成，使丙酮酸通过无氧代谢形成乳酸。同时，NAD+缺乏可抑制乳酸生成糖(糖异生代谢)，刺激糖酵解以补充机体ATP需要，从而促进乳酸的生成[6]。在氧充分的情况下，乳酸经乳酸脱氢酶催化生成丙酮酸，然后氧化分解生成CO2和H2O；也可经糖异生途径合成葡萄糖和糖元；或经丙酮酸、乙酰辅酶A途径合成脂肪酸、氨基酸等；乳酸经肝脏代谢后由肾分泌排泄，极少量乳酸由汗液、泪液排出。

2 血乳酸检测在肺炎诊疗中的意义

肺炎病情严重程度及治疗效果可根据多种生理、生化指标来判断，其中，血乳酸是直接相关的重要生化代谢指标之一[7]。早在20世纪70年代，血乳酸测定开始用于患者的肺炎病情严重程度判断和预后评估[8]。但由于血乳酸检测方法的限制，相关临床应用研究不多。20世纪90 年代，借助于生物传感器血乳酸测定技术，临床上实现了全血、微量、快速血乳酸检测[9]，使血乳酸指标的临床应用价值得到更加广泛的关注。

2.1 血乳酸水平与肺炎病情严重程度评估

肺炎病情的评估包括严重程度评估和脏器功能受损程度评估两个方面，如CURB-65(confusion，urea，respiratory rate，blood pressure，65)、PSI(pneumonia severity index)、快速序贯器官衰竭评分(quick sequential organ failure assessment，qSOFA)等评分系统。根据评分值判断病情轻症或重症，从而确定患者初始抗生素药物的选择、实验室检查强度、是否需要住院或住ICU等[10]。近年来的研究表明，血乳酸水平、PSI评分和CURB-65评分都可作为死亡率预测因子。Song等[11]对443例肺炎患者进行了血乳酸水平与qSOFA评分系统的评估效果分析，结果表明，以qSOAF评分≥2分或入院血乳酸浓度>2 mmol/L为临界点时，qSOAF和血乳酸浓度的组合预测病死率的能力明显高于单纯qSOAF评分。当高乳酸血症发展成乳酸中毒时，血乳酸成为危重患者死亡的独立风险因素，甚至是预测患者死亡的唯一独立风险因素[12]，其精确度显著高于qSOFA等评分系统[13].

2.2 动态血乳酸检测与治疗效果评价

血乳酸水平的高低与血乳酸的生成和清除效率有关。正常情况下血乳酸浓度为(1.0±0.5)mmol/L。随着体内乳酸浓度的升高，患者的死亡风险也逐渐增加。危重患者血乳酸浓度为2.0～2.5 mmol/L；高乳酸血症血乳酸浓度为2.5～4.0 mmol/L；血乳酸浓度为4.0～5.0 mmol/L，需要救治；血乳酸浓度持续增高达5.0 mmol/L，预示乳酸中毒；血乳酸浓度高于9.0 mmol/L，预示高死亡率[14]。

临床上一般以6 h为时间间隔，计算6 h血乳酸清除率和48 h的血乳酸值变化评估患者治疗效果，其中6 h血乳酸清除率>10%为高乳酸清除率，6 h血乳酸清除率<10%为低乳酸清除率[15]。乳酸清除率(P)与入院时血乳酸浓度(ρ0)、即时血乳酸浓度(ρ)计算如式(2)所示。

(2)

2018年，Aramburo等[16]采用手持式乳酸分析仪Arkray对高乳酸血症(hyperlactataemia, HL)儿童患者入院时进行血乳酸检测。根据入院时的乳酸水平将患者分为重度HL(乳酸浓度≥5.0 mmol/L)、中度HL(乳酸浓度2.5～5.0 mmol/L)或无HL(乳酸浓度<2.5 mmol/L)。采集8 h血乳酸清除率，连续72 h进行观察，血乳酸清除率≥40%表明治疗效果良好。

3 血乳酸生物传感器测试方法

临床检验中传统的血乳酸测定方法主要有化学法和酶法[17]。随着医疗技术的发展，这些手工测定方法逐步被自动化分析仪器所取代，如全自动生化分析仪、全自动血气分析仪和生物传感器[18]。

生化分析仪是利用光电比色原理来测量某种特定化学成分，血液的颜色和浊度对测定有干扰，因此，样品必须是血清或离心后的血浆[19]，样品处理相对烦琐，不能达到实时血乳酸测定。血气分析仪是由一系列电化学电极组成的分析系统，被测物含量可根据电极产生的电流(电压)信号大小确定，血液样品(全血)的颜色和浊度对测定没有干扰[9]。但血气分析仪的检测是以动脉血或动脉化毛细血管血为主，取样时需要无菌动脉插管或专用取血工具，采血难度相对较大[20]，特别是对于需反复采血追踪观察血乳酸的病人，动脉采血弊端较多[21]。血乳酸生物传感器检测样品可以是微量静脉血(全血)，取样操作简单、安全，样品颜色、浊度对测定没有影响，且快速、准确，是血乳酸检测最理想的分析工具[22]。

血乳酸生物传感器主要采用固定化酶电化学分析方法，属于电化学生物传感器的一种类型，也称为酶电极。1973年，美国 YSI开发了全球第一个酶电化学乳酸分析仪，在体育训练、临床检验等领域得到广泛应用[22]。同类产品还有德国的EKF系列和中国的SBA系列乳酸分析仪[23]，其检测原理包括酶催化反应和电极电化学反应，如式(3)所示。

酶催化反应：乳酸+O2+H2O→丙酮酸+H2O2，

电极电化学反应：

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过氧化氢。通过电极检测氧的消耗(氧电极)或H2O2的产生，根据测试电极电流(电压)信号的大小就可确定乳酸的含量。

3.1 乳酸酶电极分析仪

早期的乳酸酶电极分析仪主要用于运动员训练水平的评定、运动强度的制定和训练负荷的评价，如美国YSI-23型及便携式YS1-1500乳酸分析仪。1991年，彭崇谦等[24]采用YSI-1500血乳酸分析仪对50例健康儿童的血乳酸进行测试，结果证明，血乳酸分析仪的准确度、精密度、线性范围等指标都能满足临床科研和急救医学的需要。目前，临床常用的是YSI-2300、BIOSEN C和SBA-40双指标分析仪，可同时测定葡萄糖和乳酸。该方法通过在耳垂、指尖采血25 μL进行全血测定，样品不需离心等分离处理，样品的颜色和浊度对测定没有影响。电极响应时间20 s，1 min出结果，误差为±2%。酶电极法以静脉血检测标本为主，具有取样简单、方便、安全的特点，虽然静脉血乳酸浓度稍高于动脉血，但两者无显著性差异(p>0.05)[25]。

3.2 POCT血乳酸分析仪

生物传感器对发展血乳酸POCT技术具有独特的优势[26]，其特点是靠近患者、快速准确、操作简单、样品前处理简单等，可帮助医护人员快速而恰当地进行诊疗、护理、病程观察，进而提高医疗质量和患者生活质量及满意度[27]。目前，除血糖仪外，根据酶电极分析原理开发的手持式POCT血乳酸仪主要有美国NOWA、德国SCOUT和中国鹤田等。该类仪器可通过专用测试条实现检测操作，采用指尖釆血，只需一滴(5 μL)全血样品，简单、方便、安全，测试时间15 s，误差为±3%，检测结果记忆250个数据，可与PC连接，也可无线传输。

截至目前，用于医院和家庭血糖检测的POCT血糖仪已广泛应用，在糖尿病患者的护理方面发挥了重要作用[28]。相比之下，POCT血乳酸仪的临床应用研究还处于起步阶段。如何发展血乳酸仪的应用技术，已引起人们的广泛关注[29]。Ma等[4]曾采用SCOUT血乳酸仪，在乌干达两家医院对155例临床肺炎患儿进行了血乳酸跟踪监测。结果表明，在预测存活率方面，简单的手持型血乳酸测量等同或优于任何单独的临床症状或综合临床评分结果。而且，这种检测工具特别适合医疗资源有限的社区医院或诊所。

4 血乳酸检测技术在新冠肺炎疫情中应用的必要性

血乳酸水平是一种快速、廉价和广泛可用的附加风险标准[30]，可用于肺炎患者最初病情严重程度确定从而对肺炎病情进行分层管理，包括最初治疗地点的选择，如门诊、住院或ICU治疗[10]。POCT血乳酸检测方法的应用，可降低患者住院治疗费用，节约公共治疗支出。从资源配置角度，可解决急诊科拥挤问题，合理高效利用急诊科医疗资源[27]。

根据血乳酸水平和血乳酸清除率，对肺炎患者的治疗情况进行定量评价，并根据评价的结果及时调整治疗方案[31]。纽约杜克大学医学中心Toffaletti博士曾指出，血乳酸酶电极的诞生，给临床血乳酸检测技术带来进步。对于休克患者可以每20 min测量一次，治疗1 h内，血乳酸减少超过10%，可预测临床改善，如果没有观察到乳酸减少，应积极考虑改变治疗方案[14]。

新冠病毒疫情已造成广泛的应激障碍，医护人员、特别是患者产生了巨大心理压力。这种心理危机将持续很长时间，给出院患者康复治疗带来不利影响[32]。采用血乳酸快速检测方法，社区医护人员或患者个人(家庭)可从生理、病理角度及时了解病情状况。即使生命体征尚正常的轻症患者，血乳酸水平也有助于判断自身病情进展[33]，从而缓解心理压力，促进机体康复。