實時監控乳酸:突破性的可穿戴生物傳感技術

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乳酸在人體無氧代謝中扮演關鍵角色,當缺氧時,其濃度增加可能導致嚴重健康問題。此研究涉及使用光學和電化學技術開發的乳酸生物感測器,提供快速、精確且非侵入式的監測方案。透過創新的可穿戴設備,能在日常生活中實時監控乳酸水平,有助於體育醫學、臨床急救等多種應用。

Lactate biosensing: The emerging point-of-care and personal health monitoring

乳酸生物感測:新興的即時檢測與個人健康監測

Fahmida Alam a, Sohini RoyChoudhury a, Ahmed Hasnain Jalal a, Yogeswaran Umasankar b, Shahrzad Forouzanfar a, Naznin Akter a, Shekhar Bhansali a, Nezih Pala a Received 4 June 2018, Accepted 26 June 2018, Available online 28 June 2018, Version of Record 19 July 2018.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0956566318304858?via%3Dihub#preview-section-cited-by

Abstract

Lactate plays a crucial role in the anaerobic metabolic pathway of humans. In situations of oxygen deficit, its production increases; leading to several life-threatening conditions such as hemorrhage, respiratory failure, trauma or ischemia from lactate acidosis. Lactate level detection and point-of-care (POC) monitoring in a fast, accurate and non-invasive manner is ultimately important for many health care applications. Optical and electrochemical techniques are employed in lactate sensing to achieve high sensitivity and selectivity, miniaturization, portability, simplicity, and low cost. To improve the selectivity and sensitivity, two important enzymes, lactate oxidase (LOx) and lactate dehydrogenese (LDH) are employed. Conventional methods for lactate detection are not fast enough to be used in point-of-care or personal health monitoring settings. Moreover, the existing point-of-care lactate sensing tools follow invasive or partially invasive sampling protocols such as finger pricking. In this review, a comprehensive overview of different lactate biosensing devices is presented. Particularly, the state-of-the-art and prospects of wearable, non-invasive lactate sensing from different biofluids are discussed.

摘要

乳酸在人體的無氧代謝路徑中扮演著重要角色。在缺氧情況下,乳酸的產生會增加,導致多種危及生命的情況,例如出血、呼吸衰竭、創傷或因乳酸酸中毒引起的缺血。快速、準確且無創地檢測乳酸水平和即時檢測(POC)對許多醫療應用至關重要。光學和電化學技術被應用於乳酸感測,以實現高靈敏度和選擇性、小型化、便攜性、簡單性和低成本。為了提高選擇性和靈敏度,使用了兩種重要的酶:乳酸氧化酶(LOx)和乳酸脫氫酶(LDH)。傳統的乳酸檢測方法不夠快速,無法在即時檢測或個人健康監測環境中使用。此外,現有的即時檢測乳酸感測工具遵循侵入性或部分侵入性取樣協議,如指尖刺血。在本綜述中,我們全面概述了不同的乳酸生物感測裝置,特別討論了可穿戴的、無創的來自不同生物流體的乳酸感測的最新技術和前景。

引言

乳酸(LA)是組織中葡萄糖無氧分解的最終產物。它存在於細胞中,並被運送到肝臟,在那裡被氧化回丙酮酸(PA)(Blomkalns,2006),最終通過Cori循環轉化回葡萄糖。在組織缺氧時,乳酸的產生會增加,消耗能量。在這種持續的氧債情況下,會導致乳酸酸中毒(Stacpoole等,1994)。乳酸存在兩種光學異構形式:L-乳酸及其鏡像D-乳酸(Kowlgi和Chhabra,2015)。據報導,靜息時未受壓的患者的血乳酸水平約為0.5-1 mM,而重症患者的濃度則高於4 mM。體內的血漿乳酸水平反映了影響微妙乳酸平衡系統的參數之間的精細互動;因為它在人體內的有效性在狹窄的pH範圍內,即7.2到7.4之間(Valenza等,2005)。高乳酸血症被定義為持續的輕度至中度(2-4 mM)的濃度,沒有代謝性酸中毒,而乳酸酸中毒則表現為持續增加的水平(通常超過5 mM),並伴有代謝性酸中毒(Rathee等,2016)。正常人群中的乳酸以每小時320 mM/L的速度被迅速清除,主要通過肝臟代謝和乳酸重新轉化為丙酮酸。過量的乳酸會導致組織低灌流,增加無氧代謝(Jones和Puskarich,2009)。雖然在適當的組織灌流、完整的緩衝系統和充足的組織氧合情況下會出現高乳酸血症,但在代謝需求增加(例如癲癇後的乳酸酸中毒)或主要代謝失調(Garcia-Alvarez等,2014)時會出現乳酸酸中毒。乳酸酸中毒的成因有很多,最常見的是循環衰竭和缺氧。證據顯示,乳酸持續升高的患者會增加發病率和死亡率。體內過多的乳酸還會導致出血、呼吸衰竭、創傷、癲癇、缺血、腎臟問題、肝病、敗血症、組織缺氧、休克、貧血、血腫、惡性腫瘤、糖尿病、心臟病、缺血、低氧血症、腦膜炎、腎衰竭(Nakao等,1982)甚至關節炎。

乳酸監測對診斷和評估與乳酸酸中毒相關的健康問題以及那些在缺氧情況下(當體內乳酸水平超過公認值時)發生的健康問題至關重要。這些包括軍事和高風險人員的系統性醫療保健(Goodman等,1999;White,2015)、臨床急診、運動醫學和普通醫學。例如,運動醫學需要監測乳酸以進行訓練和性能耐力評估。這種評估可以作為運動員體能訓練水平的指標(Tsai等,2007),因為高血乳酸水平會導致血液pH值下降,從而引起疲勞。分娩時的氧氣供應不足也可能導致胎兒血液中乳酸水平升高,進而趨向酸中毒。胎兒頭皮血液中的乳酸和pH值被用作胎兒在分娩過程中缺氧或酸中毒困擾的指標(Heinis等,2011)。體內乳酸水平升高也可能是由於身體任何封閉腔內的細菌或真菌感染,例如關節、腦膜或胸膜。乳酸作為癌細胞和腫瘤微環境酸化的主要原因,如果不受控制,可能導致腫瘤(Walenta等,2000)。乳酸在大腦代謝中也扮演著重要角色,提供腦中風或腦外傷的指示(Cureton等,2010)。因此,基於實驗室的測試系統不足以診斷和監測這些危及生命的疾病和狀況。持續的乳酸監測可能是早期診斷和改善生活質量的解決方案。儘管最近在持續監測系統方面取得了進展,但在可穿戴、微創選項方面仍存在不足。指尖刺血是評估個人體生理狀況的侵入性手段。基於實驗室的分析儀器不適合於現場使用。最近,具有強大感測技術的新穎製造概念正在紡織品上實施,用於高靈敏度的化學或光學分析。這一代可穿戴感測器有潛力實時提供佩戴者的健康信息(Chuang等,2010)。

本文全面回顧了來自不同生物流體的乳酸感測器的最新技術變革,探討各自的優缺點,邁向無創檢測和實時持續監測。此外,還討論了商業上可用的乳酸感測器,並概述了檢測中尚未滿足的要求。

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