血乳酸生物傳感器在新冠肺炎診療中的應用探討

孫慧囡,高廣恒,劉慶艾,馬耀宏,李靜,史建國*

(1.齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科學院生物研究所 山東省生物傳感器重點實驗室,山東 濟南 250103; 2.山東博科生物產業有限公司,山東 濟南 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，可引起嚴重級聯反應，導致多器官功能衰竭，危及患者生命。新冠肺炎(COVID-19)疫情已對人民健康和社會穩定帶來嚴重危害，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。傳統診斷方法樣本周轉時間(turnaround time，TAT)與患者在醫療場所的停留時間(length of stay,LOS)較長，且常規的病情嚴重程度評分標準體系復雜、繁瑣，給醫護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)水平與肺炎病理進展密切相關[2]。在《新型冠狀病毒(2019-nCoV)感染的肺炎診療快速建議指南(標準版)》[3]中，血乳酸指標已列入實驗檢查項目，可結合血氣分析，用于判斷中、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、快速和準確，被認為是一種高性能、低成本的檢測工具[4]。本文將對血乳酸指標的臨床應用和血乳酸生物傳感器的特點進行綜述，旨在為新冠病毒肺炎的精準診斷、治療和預后提供參考。

1 血乳酸

乳酸是葡萄糖無氧代謝的產物，產生于骨胳、肌肉、腦和紅細胞。葡萄糖經酵解途徑(glycolytic pathway)生成丙酮酸，然后在乳酸脫氫酶催化下轉化為乳酸[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的重要指標。組織缺氧狀態下，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)，刺激糖酵解以補充機體ATP需要，從而促進乳酸的生成[6]。在氧充分的情況下，乳酸經乳酸脫氫酶催化生成丙酮酸，然后氧化分解生成CO2和H2O；也可經糖異生途徑合成葡萄糖和糖元；或經丙酮酸、乙酰輔酶A途徑合成脂肪酸、氨基酸等；乳酸經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

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

2.1 血乳酸水平與肺炎病情嚴重程度評估

肺炎病情的評估包括嚴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。根據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測因子。Song等[11]對443例肺炎患者進行了血乳酸水平與qSOFA評分系統的評估效果分析，結果表明，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測病死率的能力明顯高于單純qSOAF評分。當高乳酸血癥發展成乳酸中毒時，血乳酸成為危重患者死亡的獨立風險因素，甚至是預測患者死亡的唯一獨立風險因素[12]，其精確度顯著高于qSOFA等評分系統[13].

2.2 動態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。正常情況下血乳酸濃度為(1.0±0.5)mmol/L。隨著體內乳酸濃度的升高，患者的死亡風險也逐漸增加。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；血乳酸濃度持續增高達5.0 mmol/L，預示乳酸中毒；血乳酸濃度高于9.0 mmol/L，預示高死亡率[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)兒童患者入院時進行血乳酸檢測。根據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72 h進行觀察，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

臨床檢驗中傳統的血乳酸測定方法主要有化學法和酶法[17]。隨著醫療技術的發展，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、全自動血氣分析儀和生物傳感器[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，不能達到實時血乳酸測定。血氣分析儀是由一系列電化學電極組成的分析系統，被測物含量可根據電極產生的電流(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]。但血氣分析儀的檢測是以動脈血或動脈化毛細血管血為主，取樣時需要無菌動脈插管或專用取血工具，采血難度相對較大[20]，特別是對于需反復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分析方法，屬于電化學生物傳感器的一種類型，也稱為酶電極。1973年，美國 YSI開發了全球第一個酶電化學乳酸分析儀，在體育訓練、臨床檢驗等領域得到廣泛應用[22]。同類產品還有德國的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和電極電化學反應，如式(3)所示。

酶催化反應：乳酸+O2+H2O→丙酮酸+H2O2，

電極電化學反應：

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的產生，根據測試電極電流(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動員訓練水平的評定、運動強度的制定和訓練負荷的評價，如美國YSI-23型及便攜式YS1-1500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行測試，結果證明，血乳酸分析儀的準確度、精密度、線性范圍等指標都能滿足臨床科研和急救醫學的需要。目前，臨床常用的是YSI-2300、BIOSEN C和SBA-40雙指標分析儀，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。電極響應時間20 s，1 min出結果，誤差為±2%。酶電極法以靜脈血檢測標本為主，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

生物傳感器對發展血乳酸POCT技術具有獨特的優勢[26]，其特點是靠近患者、快速準確、操作簡單、樣品前處理簡單等，可幫助醫護人員快速而恰當地進行診療、護理、病程觀察，進而提高醫療質量和患者生活質量及滿意度[27]。目前，除血糖儀外，根據酶電極分析原理開發的手持式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%，檢測結果記憶250個數據，可與PC連接，也可無線傳輸。

截至目前，用于醫院和家庭血糖檢測的POCT血糖儀已廣泛應用，在糖尿病患者的護理方面發揮了重要作用[28]。相比之下，POCT血乳酸儀的臨床應用研究還處于起步階段。如何發展血乳酸儀的應用技術，已引起人們的廣泛關注[29]。Ma等[4]曾采用SCOUT血乳酸儀，在烏干達兩家醫院對155例臨床肺炎患兒進行了血乳酸跟蹤監測。結果表明，在預測存活率方面，簡單的手持型血乳酸測量等同或優于任何單獨的臨床癥狀或綜合臨床評分結果。而且，這種檢測工具特別適合醫療資源有限的社區醫院或診所。

4 血乳酸檢測技術在新冠肺炎疫情中應用的必要性

血乳酸水平是一種快速、廉價和廣泛可用的附加風險標準[30]，可用于肺炎患者最初病情嚴重程度確定從而對肺炎病情進行分層管理，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用，可降低患者住院治療費用，節約公共治療支出。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療資源[27]。

根據血乳酸水平和血乳酸清除率，對肺炎患者的治療情況進行定量評價，并根據評價的結果及時調整治療方案[31]。紐約杜克大學醫學中心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帶來進步。對于休克患者可以每20 min測量一次，治療1 h內，血乳酸減少超過10%，可預測臨床改善，如果沒有觀察到乳酸減少，應積極考慮改變治療方案[14]。

新冠病毒疫情已造成廣泛的應激障礙，醫護人員、特別是患者產生了巨大心理壓力。這種心理危機將持續很長時間，給出院患者康復治療帶來不利影響[32]。采用血乳酸快速檢測方法，社區醫護人員或患者個人(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展[33]，從而緩解心理壓力，促進機體康復。

5 結論

血乳酸指標在臨床檢驗領域的應用已引起越來越廣泛的關注。特別是隨著生物傳感技術的發展，臨床血乳酸檢測更加便捷、經濟，可快速、連續檢測血乳酸變化，實用性更強，在新冠肺炎病情的快速診斷和精準治療中將發揮積極的作用。