线粒体氧分压监测：即将到来

1、摘要

目的：

在危重病人复苏中为了更好的执行血流动力学一致性的理念，应将实质脏器细胞状态信息纳入监测。线粒体氧分压(mitoPO2)作为一种临床监测技术来评估线粒体水平的氧转运和氧利用信息。本文将概述该技术的基本原理，总结其进展，并详述在线粒体水平上测氧原理。

最新研究：

mitoPO2可以通过原卟啉IX-三重态寿命技术(PpIX-TSLT)来测量。经过临床前动物模型的验证和使用，这项技术最近以临床监测系统的形式在市场上销售。该系统目前已在许多健康志愿者研究中使用，目前正在几个欧洲大学医院的围手术期和重症监护患者的研究中进行评估。

总结：

PpIX-TSLT是一种无创且耐受良好的技术，可用于临床各方面的线粒体功能评估。它帮助医生能够总体了解体循环和微循环情况，在治疗策略中考虑细胞水平的氧平衡。

关键词：

血流动力学一致性；线粒体氧分压；线粒体呼吸；组织氧合；

KEY  POINTS

•线粒体是重要产能细胞器，其在围手术期和重症监护治疗期间受到影响

•利用原卟啉IX的光学特性，可以无创、安全地测量mitoPO2

•线粒体氧监测在床边是可行的，并提供独特的参数和信息

•线粒体氧监测为复苏、输血和病理生理学研究提供了新的工具

2、标题内容引言

不同原因休克的复苏是重症监护的主要任务，也是挑战。研究发现以全身血流动力学参数正常值为治疗目标并不能改善预后[1-5]。在过去的二十年中，人们已经认识到休克的本质就是微循环功能障碍，从而产生了“血流动力学一致性”的概念[6,7]。

血流动力学一致性是指体循环、微循环和最终的实质脏器细胞之间的一致性，从而达到组织对氧气和营养物质的最佳供需平衡。血流动力学一致性的降低与发病率和死亡率的增加有关[8-10]，最近在心源性休克患者中再次得到证实[11]。治疗方案对发生血流动力学一致性的降低有影响[12]。

优化体循环和微循环血流动力学的最终目标是为实质脏器细胞提供最佳的生存环境，因此对组织细胞水平的信息了解是必不可少的，尤其是线粒体作为重要的细胞器和氧气的最终利用场所，可能非常有用。利用光学技术，现在可以获得有关mitoPO2及其氧利用的定量信息。

3、线粒体功能

线粒体是一个由双层膜包被的细胞器，在细胞生理学中起着关键作用。在过去的二十年里，我们对其功能以及与周围环境相互作用的理解得到了提升，并且还在不断加深[13]。众所周知，线粒体是细胞的动力源，参与其他重要的细胞过程。例如，线粒体通过打开通透性转换孔和分泌细胞色素C参与细胞调亡[14,15]。此外，线粒体可能在细胞内钙稳态中发挥作用[16]，因为其具有钙转运子[17,18]，线粒体生成的活性氧（ROS）作为细胞信号分子参与能量代谢[19]、凋亡[20]和自噬[21]。

通过氧化磷酸化产生ATP是线粒体核心功能。线粒体是氧气的主要消耗者，约占人体总耗氧量的98%。氧气最终用于线粒体内膜电子传递链的复合体IV。在Krebs循环中产生的还原性烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)分别从载体分子转移到复合物I和II上的电子传递链，通过电子链传递将质子逆浓度梯度泵入线粒体膜间隙。这种质子泵作用在内膜上产生一种电化学梯度，通过ATP合酶将ADP转化为ATP。ATP是细胞的能量货币，用于驱动细胞过程，如维持膜电位、蛋白质合成和复制。

4、线粒体功能的影响因素

如最近的一篇综述所述：在围手术期和重症监护室中，许多因素影响线粒体的完整性和功能性[22]。图1总结了已明确的内外部影响因素。这些因素导致线粒体功能的改变，例如呼吸减弱和ATP产生下降，但并不意味着一定是损害直接导致线粒体功能障碍，它可以是对其的适应性反应，例如由于氧适应或新陈代谢改变而导致的长期缺氧[23,24]，直接延伸到线粒体功能障碍，而在线粒体复苏上得到证明[25]。这种氧依赖性适应对细胞和器官功能的影响及其对微血管灌注的影响仍不清楚。因此，目前还不清楚危重症的微血管灌注紊乱是由线粒体功能障碍引起的，还是由细胞代谢改变和氧气需求减少引起的附带现象，如果是前者应该将其作为治疗的靶点。因此，直接检测线粒体功能是有助于揭开本质，线粒体氧分压是这方面的一个重要参数。

5、mitoPO2测定

通过引入一种光学技术，即原卟啉IX-三重态寿命技术(PpIX-TSLT)，mitoPO2的测量成为了可能。原卟啉IX是血红素生物合成途径的最终前体，在线粒体中合成[26]，在蓝光或绿光照射下呈现亮红色荧光。例如，这种荧光在光动力诊断中用于手术切除时肿瘤显示[27]。PpIX-TSLT发展的关键是发现了一种源自原卟啉IX的寿命更长的红色发射物，称为延迟荧光[28]。尽管瞬发荧光强度衰减为纳秒级，但延迟荧光持续时间为微秒至毫秒。

6、氧依赖性延迟荧光

延迟荧光寿命与氧浓度有关。氧浓度越高，寿命越短；反之氧浓度越低，寿命越长。延迟荧光的这种氧依赖猝灭的分子机制已经在其他研究中提出过[29]。简而言之，原卟啉IX光诱导三重态激发态，自发的向基态弛豫，并导致光子的发射(延迟荧光)。或者，能量可以在没有光子发射的情况下，碰撞和弛豫发生时被转移到一个氧分子上。更多的氧气导致更多的碰撞和更高的碰撞率，因此，导致更快的衰减延迟荧光信号(淬火)。通过Stern-Volmer方程可以将延迟荧光寿命转化为氧分压[30]。

7、细胞到动物试验

2006年，首次提出了利用原卟啉IX的延迟荧光技术测定mitoPO2[28]。在这项关键研究中，5-氨基乙酰丙酸(ALA)被用于多种细胞培养，并证实了ALA诱导的原卟啉IX在线粒体的定位，以及细胞悬液中氧依赖性延迟荧光的存在。同时直接测量mitoPO2和细胞外PO2，发现细胞膜上仅存在浅层氧梯度。几年后，有人证明该技术可以扩展到体内使用[31]。静脉注射ALA导致大鼠肝[31]和心脏[32]可检测到氧依赖性延迟荧光。该技术已被用于一些临床前病理生理学研究[23,33-35]。

这项技术在人体上应用是可行的，但ALA全身性给药被认为是不利的方案，因此使用ALA局部给药来测量mitoPO2(图2)。结合实际和临床，皮肤被认为是此类测量的理想靶器官。事实上，皮肤局部应用ALA可诱导足够的氧依赖性延迟荧光[36]，并可在大鼠局部测量mitoPO2。在一个猪模型中，我们发现与近红外光谱测量的组织氧合不同，皮肤mitoPO2在个体水平上检测血液稀释的生理范围是一个敏感的参数。皮肤是特别有趣的，因为它就像胃肠道，可以被视为身体的告密者[38]。

8、人体应用(细胞氧代谢)

PpIX-TSLT的临床样机在健康志愿者研究中测试成功[39]，并引发了COMET系统的发展。COMET是细胞氧代谢的缩写，是荷兰乌特勒支市Photonics Healthcare公司开发的一种监测系统。该系统带有CE质量合格标志，并结合其皮肤传感器，可以在皮肤上重复无创测量mitoPO2[40]。为了做延迟荧光测量的准备，在皮肤上涂上一层含ALA的膏药(Alacare, photonacare & Co. KG,德国皮内贝格)。尽管这种膏药充分诱导PpIX需要几个小时，但它提供了在临床条件下将ALA应用于皮肤的一种实用方法。到目前为止，COMET系统已经在几项健康志愿者研究中进行了测试[41,42]，目前正在临床围手术期和重症监护室的研究中进行评估[22,40,43]。

重要的是，COMET系统的使用并不局限于皮肤mitoPO2测量。该系统已被用于论证内镜评估胃肠道粘膜氧合的可行性[44]。为此，通过口服途径对ALA进行全身给药，并通过内镜工作通道的光纤测量氧依赖性延迟荧光。作者建议在考虑慢性肠系膜缺血时使用mitoPO2测量作为诊断方法，但由于肠道对休克非常敏感[45]，这种方法最终也可能有利于重症监护室的复苏。

9、低mitoPO2缪谈

人们普遍认为氧气从微循环通过自由扩散进入组织细胞，根据经典的氧级联反应，一般mitoPO2应该非常低(几个mmHg)，以产生足够大的氧梯度[46,47]。然而,用PpIX-TSLT技术测定的平均mitoPO2由特定的组织决定，似乎接近微血管氧分压[33,48]和已知的组织和/或间质氧水平[49,50]。事实上，mitoPO2不太可能比微血管和组织间氧分压低很多。首先，氧气不会逐步消失，因此会看到一些线粒体的PO2接近血管内水平；其次，更大的血管(不仅是毛细血管)也有助于扩散氧传递[51]，所以可能会看到一些线粒体的PO2比毛细血管中的更高；第三，细胞膜上的氧梯度是小的[28]，不会导致mitoPO22明显低于间质PO2。通常报道的皮肤mitoPO2值在基准情况下为40～70mmHg，与皮肤的其他测量值相匹配[50]。重要的是，我们在临床前[34]和临床中[40]都证明了，与基于血红蛋白饱和度为基础的技术相比(如近红外光谱)，mitoPO2提供了不同的信息。在可见光光谱和近红外光谱对电子扰动没有反应时，mitoPO2明显下降，表明细胞受损。

10、“新”输血提示参数

在目前的临床实践中，优化围手术期和重症监护患者的血液动力学和组织供氧主要集中在输液、输血和血管活性药物的应用上，对血压、心输出量、血红蛋白水平和静脉血氧饱和度等全身血液动力学参数目标导向治疗。例如，急性贫血的治疗主要集中在使用以特定血红蛋白水平为指导的同种异体输血，而不是针对患者的个人需要。异基因输血本身并非没有风险，已被证明是增加死亡率和发病率的独立因素[52,53]。

输血指南使用血红蛋白水平来指导是否需要输血。这些指南根据大数据为基础，并纳入了可能导致个别病例不必要输血的安全裕度。由于线粒体最终是利用氧的部位，使用mitoPO2作为个体输血需要的测量手段似乎是合理的。这一前提是通过发现在血液稀释的猪模型中，由于持续的血液稀释而mitoPO2下降。当达到了一头猪的生理极限后，mitoPO2急剧下降，而这一下降早于其他类型的氧供给不足，如血清乳酸升高。因此，mitoPO2测量可以作为一个新的输血提示技术在个体化输血医学中使用。有研究表明，自体血可以逆转mitoPO2的下降，而mitoPO2可能确实是一个潜在的正在进行中的生理输血提示参数。

11、氧平衡破坏

基于全身血流动力学参数的液体复苏仍然是脓毒性休克治疗的关键。治疗依据是脓毒性休克和多器官衰竭的发生是由组织缺氧引起的，较高的代谢率以及微循环氧自由扩散过程受损[54]。然而，许多临床试验未能证明复苏对血流动力学参数（如血压、中心静脉压、心输出量和中心静脉饱和度）的益处[3,4,55,56]。这提示线粒体功能障碍等其他机制也在脓毒症休克的发病中发挥作用。然而，关于脓毒症中线粒体功能障碍的文献显示了相互矛盾的结果[57]，最可能的原因是缺乏有效和可靠的测量方法来监测线粒体功能障碍[58]。

因此，我们认为PpIX-TSLT是一种可能的无创性监测工具，可用于测量线粒体氧分压（mitoPO2）和线粒体耗氧量（mitoVO2）。耗氧量是通过动态的mitoPO2测量来确定的，每秒测量mitoPO2持续约90秒，同时微血管供氧则是通过测量皮肤加压探头的压力来测量。然后，可以从产生的氧离曲线中推导出mitoVO2[59]。我们证明了在急性危重病内毒素模型中测量mitoPO2和mitoVO2的可行性[60]，在这项研究中我们观察到脓毒症大鼠通过液体复苏mitoPO2不论降低还是恢复，mitoVO2始终下降，这表明脓毒症血流动力学即使在没有明显休克的情况下，也会对线粒体功能有持久的影响。

最近的另一项研究将PpIX-TSLT测量结果与广泛使用的“离体”线粒体呼吸测量技术进行了比较。在诱导脓毒症后通过PpIX-TSLT测量到mitoPO2和mitoVO2减少，但在脓毒症诱导前后的“离体”线粒体功能测量值保持不变。这一结果可能是由于与经典的“体外”测量相比，“体内”PpIX-TSLT测量具有更高的灵敏度。

皮肤mitoPO2测定的可行性得到印证之后，证明皮肤mitoPO2和mitoVO2至少在某种程度上反映了其他重要器官的线粒体参数仍然很重要。因此，我们进行了一项研究，比较皮肤、肝脏和胃肠道mitoPO2与mitoVO2数值和变化趋势[61]。结果表明，皮肤组织中mitoPO2与mitoVO2的绝对值可能与其他器官不同，但在注射内毒素后，所有研究器官中都观察到mitoPO2与mitoVO2的下降趋势。

12、结论

线粒体是氧代谢的最终场所。在线粒体水平上测量氧和氧的利用，将有助于指导在恢复或优化组织氧合和最终器官功能的治疗。PpIX-TSLT是一种无创且耐受良好的监测mitoPO2和mitoVO2的技术，COMET系统可以在床边使用，为连续监测提供了可能。