線粒體氧分壓監測:即將到來

1、摘要

目的：

在危重病人復甦中為了更好的執行血流動力學一致性的理念，應將實質臟器細胞狀態信息納入監測。線粒體氧分壓(mitoPO2)作為一種臨床監測技術來評估線粒體水平的氧轉運和氧利用信息。本文將概述該技術的基本原理，總結其進展，並詳述在線粒體水平上測氧原理。

最新研究：

mitoPO2可以通過原卟啉IX-三重態壽命技術(PpIX-TSLT)來測量。經過臨床前動物模型的驗證和使用，這項技術最近以臨床監測系統的形式在市場上銷售。該系統目前已在許多健康志願者研究中使用，目前正在幾個歐洲大學醫院的圍手術期和重症監護患者的研究中進行評估。

總結：

PpIX-TSLT是一種無創且耐受良好的技術，可用於臨床各方面的線粒體功能評估。它幫助醫生能夠總體了解體循環和微循環情況，在治療策略中考慮細胞水平的氧平衡。

關鍵詞：

血流動力學一致性；線粒體氧分壓；線粒體呼吸；組織氧合；

KEY  POINTS

•線粒體是重要產能細胞器，其在圍手術期和重症監護治療期間受到影響

•利用原卟啉IX的光學特性，可以無創、安全地測量mitoPO2

•線粒體氧監測在床邊是可行的，並提供獨特的參數和信息

•線粒體氧監測為復甦、輸血和病理生理學研究提供了新的工具

2、標題內容引言

不同原因休克的復甦是重症監護的主要任務，也是挑戰。研究發現以全身血流動力學參數正常值為治療目標並不能改善預後[1-5]。在過去的二十年中，人們已經認識到休克的本質就是微循環功能障礙，從而產生了「血流動力學一致性」的概念[6,7]。

血流動力學一致性是指體循環、微循環和最終的實質臟器細胞之間的一致性，從而達到組織對氧氣和營養物質的最佳供需平衡。血流動力學一致性的降低與發病率和死亡率的增加有關[8-10]，最近在心源性休克患者中再次得到證實[11]。治療方案對發生血流動力學一致性的降低有影響[12]。

優化體循環和微循環血流動力學的最終目標是為實質臟器細胞提供最佳的生存環境，因此對組織細胞水平的信息了解是必不可少的，尤其是線粒體作為重要的細胞器和氧氣的最終利用場所，可能非常有用。利用光學技術，現在可以獲得有關mitoPO2及其氧利用的定量信息。

3、線粒體功能

線粒體是一個由雙層膜包被的細胞器，在細胞生理學中起著關鍵作用。在過去的二十年裡，我們對其功能以及與周圍環境相互作用的理解得到了提升，並且還在不斷加深[13]。眾所周知，線粒體是細胞的動力源，參與其他重要的細胞過程。例如，線粒體通過打開通透性轉換孔和分泌細胞色素C參與細胞調亡[14,15]。此外，線粒體可能在細胞內鈣穩態中發揮作用[16]，因為其具有鈣轉運子[17,18]，線粒體生成的活性氧（ROS）作為細胞信號分子參與能量代謝[19]、凋亡[20]和自噬[21]。

通過氧化磷酸化產生ATP是線粒體核心功能。線粒體是氧氣的主要消耗者，約佔人體總耗氧量的98%。氧氣最終用於線粒體內膜電子傳遞鏈的複合體IV。在Krebs循環中產生的還原性煙醯胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和黃素腺嘌呤二核苷酸(FADH2)分別從載體分子轉移到複合物I和II上的電子傳遞鏈，通過電子鏈傳遞將質子逆濃度梯度泵入線粒體膜間隙。這種質子泵作用在內膜上產生一種電化學梯度，通過ATP合酶將ADP轉化為ATP。ATP是細胞的能量貨幣，用於驅動細胞過程，如維持膜電位、蛋白質合成和複製。

4、線粒體功能的影響因素

如最近的一篇綜述所述：在圍手術期和重症監護室中，許多因素影響線粒體的完整性和功能性[22]。圖1總結了已明確的內外部影響因素。這些因素導致線粒體功能的改變，例如呼吸減弱和ATP產生下降，但並不意味著一定是損害直接導致線粒體功能障礙，它可以是對其的適應性反應，例如由於氧適應或新陳代謝改變而導致的長期缺氧[23,24]，直接延伸到線粒體功能障礙，而在線粒體復甦上得到證明[25]。這種氧依賴性適應對細胞和器官功能的影響及其對微血管灌注的影響仍不清楚。因此，目前還不清楚危重症的微血管灌注紊亂是由線粒體功能障礙引起的，還是由細胞代謝改變和氧氣需求減少引起的附帶現象，如果是前者應該將其作為治療的靶點。因此，直接檢測線粒體功能是有助於揭開本質，線粒體氧分壓是這方面的一個重要參數。

5、mitoPO2測定

通過引入一種光學技術，即原卟啉IX-三重態壽命技術(PpIX-TSLT)，mitoPO2的測量成為了可能。原卟啉IX是血紅素生物合成途徑的最終前體，在線粒體中合成[26]，在藍光或綠光照射下呈現亮紅色螢光。例如，這種螢光在光動力診斷中用於手術切除時腫瘤顯示[27]。PpIX-TSLT發展的關鍵是發現了一種源自原卟啉IX的壽命更長的紅色發射物，稱為延遲螢光[28]。儘管瞬發螢光強度衰減為納秒級，但延遲螢光持續時間為微秒至毫秒。

6、氧依賴性延遲螢光

延遲螢光壽命與氧濃度有關。氧濃度越高，壽命越短；反之氧濃度越低，壽命越長。延遲螢光的這種氧依賴猝滅的分子機制已經在其他研究中提出過[29]。簡而言之，原卟啉IX光誘導三重態激發態，自發的向基態弛豫，並導致光子的發射(延遲螢光)。或者，能量可以在沒有光子發射的情況下，碰撞和弛豫發生時被轉移到一個氧分子上。更多的氧氣導致更多的碰撞和更高的碰撞率，因此，導致更快的衰減延遲螢光信號(淬火)。通過Stern-Volmer方程可以將延遲螢光壽命轉化為氧分壓[30]。

7、細胞到動物試驗

2006年，首次提出了利用原卟啉IX的延遲螢光技術測定mitoPO2[28]。在這項關鍵研究中，5-氨基乙醯丙酸(ALA)被用於多種細胞培養，並證實了ALA誘導的原卟啉IX在線粒體的定位，以及細胞懸液中氧依賴性延遲螢光的存在。同時直接測量mitoPO2和細胞外PO2，發現細胞膜上僅存在淺層氧梯度。幾年後，有人證明該技術可以擴展到體內使用[31]。靜脈注射ALA導致大鼠肝[31]和心臟[32]可檢測到氧依賴性延遲螢光。該技術已被用於一些臨床前病理生理學研究[23,33-35]。

這項技術在人體上應用是可行的，但ALA全身性給藥被認為是不利的方案，因此使用ALA局部給藥來測量mitoPO2(圖2)。結合實際和臨床，皮膚被認為是此類測量的理想靶器官。事實上，皮膚局部應用ALA可誘導足夠的氧依賴性延遲螢光[36]，並可在大鼠局部測量mitoPO2。在一個豬模型中，我們發現與近紅外光譜測量的組織氧合不同，皮膚mitoPO2在個體水平上檢測血液稀釋的生理範圍是一個敏感的參數。皮膚是特別有趣的，因為它就像胃腸道，可以被視為身體的告密者[38]。

8、人體應用(細胞氧代謝)

PpIX-TSLT的臨床樣機在健康志願者研究中測試成功[39]，並引發了COMET系統的發展。COMET是細胞氧代謝的縮寫，是荷蘭烏特勒支市Photonics Healthcare公司開發的一種監測系統。該系統帶有CE質量合格標誌，並結合其皮膚傳感器，可以在皮膚上重複無創測量mitoPO2[40]。為了做延遲螢光測量的準備，在皮膚上塗上一層含ALA的膏藥(Alacare, photonacare & Co. KG,德國皮內貝格)。儘管這種膏藥充分誘導PpIX需要幾個小時，但它提供了在臨床條件下將ALA應用於皮膚的一種實用方法。到目前為止，COMET系統已經在幾項健康志願者研究中進行了測試[41,42]，目前正在臨床圍手術期和重症監護室的研究中進行評估[22,40,43]。

重要的是，COMET系統的使用並不局限於皮膚mitoPO2測量。該系統已被用於論證內鏡評估胃腸道黏膜氧合的可行性[44]。為此，通過口服途徑對ALA進行全身給藥，並通過內鏡工作通道的光纖測量氧依賴性延遲螢光。作者建議在考慮慢性腸繫膜缺血時使用mitoPO2測量作為診斷方法，但由於腸道對休克非常敏感[45]，這種方法最終也可能有利於重症監護室的復甦。

9、低mitoPO2繆談

人們普遍認為氧氣從微循環通過自由擴散進入組織細胞，根據經典的氧級聯反應，一般mitoPO2應該非常低(幾個mmHg)，以產生足夠大的氧梯度[46,47]。然而,用PpIX-TSLT技術測定的平均mitoPO2由特定的組織決定，似乎接近微血管氧分壓[33,48]和已知的組織和/或間質氧水平[49,50]。事實上，mitoPO2不太可能比微血管和組織間氧分壓低很多。首先，氧氣不會逐步消失，因此會看到一些線粒體的PO2接近血管內水平；其次，更大的血管(不僅是毛細血管)也有助於擴散氧傳遞[51]，所以可能會看到一些線粒體的PO2比毛細血管中的更高；第三，細胞膜上的氧梯度是小的[28]，不會導致mitoPO22明顯低於間質PO2。通常報導的皮膚mitoPO2值在基準情況下為40～70mmHg，與皮膚的其他測量值相匹配[50]。重要的是，我們在臨床前[34]和臨床中[40]都證明了，與基於血紅蛋白飽和度為基礎的技術相比(如近紅外光譜)，mitoPO2提供了不同的信息。在可見光光譜和近紅外光譜對電子擾動沒有反應時，mitoPO2明顯下降，表明細胞受損。

10、「新」輸血提示參數

在目前的臨床實踐中，優化圍手術期和重症監護患者的血液動力學和組織供氧主要集中在輸液、輸血和血管活性藥物的應用上，對血壓、心輸出量、血紅蛋白水平和靜脈血氧飽和度等全身血液動力學參數目標導向治療。例如，急性貧血的治療主要集中在使用以特定血紅蛋白水平為指導的同種異體輸血，而不是針對患者的個人需要。異基因輸血本身並非沒有風險，已被證明是增加死亡率和發病率的獨立因素[52,53]。

輸血指南使用血紅蛋白水平來指導是否需要輸血。這些指南根據大數據為基礎，並納入了可能導致個別病例不必要輸血的安全裕度。由於線粒體最終是利用氧的部位，使用mitoPO2作為個體輸血需要的測量手段似乎是合理的。這一前提是通過發現在血液稀釋的豬模型中，由於持續的血液稀釋而mitoPO2下降。當達到了一頭豬的生理極限後，mitoPO2急劇下降，而這一下降早於其他類型的氧供給不足，如血清乳酸升高。因此，mitoPO2測量可以作為一個新的輸血提示技術在個體化輸血醫學中使用。有研究表明，自體血可以逆轉mitoPO2的下降，而mitoPO2可能確實是一個潛在的正在進行中的生理輸血提示參數。

11、氧平衡破壞

基於全身血流動力學參數的液體復甦仍然是膿毒性休克治療的關鍵。治療依據是膿毒性休克和多器官衰竭的發生是由組織缺氧引起的，較高的代謝率以及微循環氧自由擴散過程受損[54]。然而，許多臨床試驗未能證明復甦對血流動力學參數（如血壓、中心靜脈壓、心輸出量和中心靜脈飽和度）的益處[3,4,55,56]。這提示線粒體功能障礙等其他機制也在膿毒症休克的發病中發揮作用。然而，關於膿毒症中線粒體功能障礙的文獻顯示了相互矛盾的結果[57]，最可能的原因是缺乏有效和可靠的測量方法來監測線粒體功能障礙[58]。

因此，我們認為PpIX-TSLT是一種可能的無創性監測工具，可用於測量線粒體氧分壓（mitoPO2）和線粒體耗氧量（mitoVO2）。耗氧量是通過動態的mitoPO2測量來確定的，每秒測量mitoPO2持續約90秒，同時微血管供氧則是通過測量皮膚加壓探頭的壓力來測量。然後，可以從產生的氧離曲線中推導出mitoVO2[59]。我們證明了在急性危重病內毒素模型中測量mitoPO2和mitoVO2的可行性[60]，在這項研究中我們觀察到膿毒症大鼠通過液體復甦mitoPO2不論降低還是恢復，mitoVO2始終下降，這表明膿毒症血流動力學即使在沒有明顯休克的情況下，也會對線粒體功能有持久的影響。

最近的另一項研究將PpIX-TSLT測量結果與廣泛使用的「離體」線粒體呼吸測量技術進行了比較。在誘導膿毒症後通過PpIX-TSLT測量到mitoPO2和mitoVO2減少，但在膿毒症誘導前後的「離體」線粒體功能測量值保持不變。這一結果可能是由於與經典的「體外」測量相比，「體內」PpIX-TSLT測量具有更高的靈敏度。

皮膚mitoPO2測定的可行性得到印證之後，證明皮膚mitoPO2和mitoVO2至少在某種程度上反映了其他重要器官的線粒體參數仍然很重要。因此，我們進行了一項研究，比較皮膚、肝臟和胃腸道mitoPO2與mitoVO2數值和變化趨勢[61]。結果表明，皮膚組織中mitoPO2與mitoVO2的絕對值可能與其他器官不同，但在注射內毒素後，所有研究器官中都觀察到mitoPO2與mitoVO2的下降趨勢。

12、結論

線粒體是氧代謝的最終場所。在線粒體水平上測量氧和氧的利用，將有助於指導在恢復或優化組織氧合和最終器官功能的治療。PpIX-TSLT是一種無創且耐受良好的監測mitoPO2和mitoVO2的技術，COMET系統可以在床邊使用，為連續監測提供了可能。