齐文旗
浙大二院急诊医学科
浙江省严重创伤与烧伤诊治重点实验室
浙江省急危重症临床医学研究中心
国家创伤区域医疗中心(建设)
摘 要用目前的诊断方法对脓毒症进行早期检测具有挑战性，美国每年在此项目上的支出为270亿美元，并且死亡率很高。已经提出了各种评分系统，例如用于识别脓毒症的序贯器官功能衰竭评分 (SOFA) 和全身炎症反应综合征 (SIRS) 标准，但当用于急诊科分流时，它们的敏感性仅为60%至70%。除了生命体征监测外，其他识别脓毒症的方法可能依赖于实验室检查，但这些检查迟于脓毒症的进展。到目前为止，自动预警尚未显示死亡率有任何降低。新技术可能会填补脓毒症早期发现的关键空白。理想的床边筛查设备将快速出结果，高便携性，对未漏检病例的高灵敏度，以及合理的特异性，以防止检测者因过度错误警报而疲劳。分析乳酸和毛细血管再充盈时间 (CRT) 的非侵入性终末器官灌注装置往往在速度和便携性方面表现良好，但可能不太敏感。生物标志物设备展示了更广泛的性能指标。与评估多种生物标志物的技术相比，分析单一生物标志物的技术往往更敏感，但对脓毒症诊断的特异性较低，而后者的敏感性较低。此外，生物标志物装置通常是侵入性的，需要血液样本，这可能并不适用于所有患者，尤其是在需要连续抽取时。脓毒症是一个复杂的疾病过程，除了生命体征和患者有致病高危病史外，很可能需要结合改进的技术来更好地识别。本综述探讨了2017年至 2020年间基于设备的脓毒症早期检测的最新进展，重点是床边诊断，分为灌注标志物和通常与脓毒症有关的生物标志物。
关键词：脓毒症、检测、诊断、床旁、技术、设备、筛查
脓毒症的最新定义是由宿主对感染的反应失调引起的危及生命的器官功能障碍。脓毒症的病理生理学很复杂，但其根源是由于细菌毒素、过度的促炎细胞因子和补体反应以及遗传易感性，使局部感染升级为全身炎症反应。微循环内的凝血失调和活性氧、酶和血管活性化合物对内皮细胞的损伤以及红细胞转运的改变导致组织灌注不良并最终导致细胞死亡。这一过程发生在所有器官系统中，通常表现为低血压、肺水肿、急性肾功能衰竭和脑病。此外，脓毒症会导致胃肠道菌群的重复感染，这些菌群会转移到血流中，并降低肝脏和脾脏中网状内皮系统的免疫功能，从而有效地自我传播。广泛的炎症功能障碍涉及许多生物途径和级联反应，其细节超出了本综述的范围。稍后将讨论与诊断设备相关的生物标志物。
脓毒症并不罕见；事实上，它是美国住院和再入院的主要原因，每年花费超过270亿美元。在初次入院时使用早期检测系统可以显著降低这一惊人的成本，从而降低与脓毒症相关的再入院相关的成本。一项研究表明，抗生素治疗每延迟一小时，与脓毒症相关的72小时死亡率就会增加高达7.6%。大约6%的入院患者在抵达时出现脓毒症或后来变成脓毒症，其中超过20%的患者死亡。与社区获得性脓毒症患者相比，在医院发生脓毒症的患者，即使在调整了其他危险因素后，死亡的可能性也要高出三倍。在一家儿科医院进行的一项研究表明，高达 36%的重症监护病房 (ICU) 收住率（脓毒症患者的常见命运）是可以预防的；另一项研究表明，与人为相关的监测错误是可预防收住的根本原因。能够及早快速发现脓毒症可以显著降低死亡率和医疗成本。拯救脓毒症运动概述了脓毒症早期诊断和管理的指南。改进的床边技术可以帮助临床医生和医院达到这些国际指南规定的指标，但显然缺乏用于早期识别和监测脓毒症的快速床边诊断手段。这些设备在分诊/急诊科 (ED) 以及对住院患者可能影响深远。2017年发布的最新脓毒症定义提倡使用SOFA评分，该评分已被证明比之前实施的评分标准对疑似脓毒症患者提供更大的预后评估价值。其他临床医生继续使用SIRS标准。两种评分系统都依赖于生命体征和血液检查。然而，脓毒症是一种可以迅速发展的动态疾病，有时比实验室检查都要快得多。最近的重点是标准化电子病历中的脓毒症预警，以帮助通过使用当前数据更早地识别患者。在2020年进行的系统评价中，自动或基于规则的脓毒症预警均未显示死亡率有任何差异，也未评估潜在危害。2015年的另一项系统评价强调了预警疲劳的危险，因为许多ICU患者可以满足SIRS标准而不会感染。因此，其他研究人员已转向开发可在床边进行的基于设备的诊断。必须注意，脓毒症中升高的生物标志物与其他疾病重叠；因此，脓毒症的诊断永远不会基于单一的生物标志物，也不太可能仅基于实验室数据；然而，它们有可能成为临床推理的有力辅助手段。本综述探讨了基于设备的脓毒症早期检测的一些最新进展。使用MeSH（医学主题词）术语脓毒症/诊断、脓毒症/血液、设备设计、生物传感技术、即时检测/系统、生物标志物/血液、生物标志物在国家医学图书馆的数据库MEDLINE中搜索2017年至2020年之间的数据，关键词包括早期、检测、设备、技术、脓毒症、灌注、毛细管再充盈时间 (CRT) 和乳酸。研究人员对初步搜索进行了筛选，以评估包含速度、便携性和定量限制信息的床边诊断。讨论部分对每种技术进行了简要描述，并评估了最有可能影响临床可用性的三个关键参数：速度、便携性和作为灵敏度间接测量的定量下限。
脓毒症的病理生理学机制是器官的循环和氧合差。终末器官灌注可通过侵入性监测直接评估，或通过特定措施间接评估，例如血乳酸水平（正常<2.3 mmol/L）和CRT（正常<2s）。前者需要大量专业知识；因此，更经常使用间接措施。具有里程碑意义的 ANDROMEDA-SHOCK 试验评估了入住ICU的脓毒症患者终末器官灌注的两种测量方法。尽管这旨在监测脓毒症的治疗干预，但它显示了这两种措施在识别脓毒症方面的效果，因为它们在积极接受脓毒症治疗的患者中得到动态改善。这项研究将患者随机分配到由连续乳酸测量或床边CRT指导的复苏，并发现与连续乳酸水平指导的复苏相比，使用CRT指导复苏技术可降低发病率和死亡率。最近的出版物表明，在脓毒症治疗期间CRT未正常化的患者死亡率高达50%，这证明了组织低灌注在脓毒症过程中的重要性。血乳酸水平和CRT已显示出作为预后工具的实用性，可作为监测脓毒症进展的一种手段，但关于它们作为诊断工具的有用性仍然存在一些问题。迄今为止，CRT的最大限制是人工评估的主观性。先前的一项研究让获得委员会认证的急诊医师在施加压力之前和之后评估受试者手指的视频数据，以确定毛细血管再灌注持续时间。这项研究表明，观察者之间和观察者内部的CRT差异很大。鉴于CRT是脓毒症评估和管理的关键，但受限于人工评估的主观性，因此开发了床边技术以使CRT更加客观。最近的一份出版物详细介绍了一种新技术，该技术可以使用与传统透射脉搏血氧饱和度不同的光学方法获得毛细血管再灌注时间，并提高准确性，但需要进一步的临床试验。2019年，Yasufumi等人，改变了脉搏血氧仪的用途，以定量测量CRT。受试者将手指放在设备内，该设备会施加压力以暂时停止血流，然后利用现有的脉搏血氧饱和度光学传感器技术释放并测量透射光。他们能够证明，在大样本中，将CRT添加到快速SOFA评分中可以提高其敏感性。在2019年的一项类似研究中，Shinozaki等人，在30名急诊患者中使用脉搏血氧饱和度传感器和手动手指按压，发现与医生借助计时器评估的CRT具有良好的一致性。这种方法可以使使用视觉评估和标准cut-off值2秒CRT的医生进行更准确的诊断和预测。血乳酸水平是评估终末器官灌注和相关组织代谢状态的客观替代方法。此外，研究表明乳酸水平与CRT之间存在显著的正相关关系。最近的两项研究试图开发一种用于快速床边监测乳酸水平的设备。2019年，胡等人开发了一种类似于血糖监测仪的一次性试纸系统，用于测量乳酸和葡萄糖向氧化形式的转化。他们的设备使用了一个传感器，该传感器在穿过样品后测量发光二极管的光吸收。色谱纸包含三个通道，用于独立评估乳酸和葡萄糖，以及一个含有谷氨酸的对照。将纸条封装在丙烯酸薄膜中，无需清洗即可重复使用设备，并将信号强度的降低降至最低。乳酸氧化酶和葡萄糖氧化酶被添加到各自的通道中，几分钟内研究人员就能够从他们的设备中获得结果。葡萄糖和乳酸的检测下限分别为0.520和0.110 mmol/L，后者远低于2.3 mmol/L的临床临界值（见表 1 ）。这种代谢物的快速检测方法已被现有的试纸系统证明对糖尿病的管理很有价值。
2020年，Budidha等人首次证明，乳酸水平可以使用光谱法在缓冲溶液中连续监测。他们的工作测试了各种波长的光，包括紫外/可见光、近红外和中红外，检测极限分别为1.59、0.89和0.49 mmol/L。在每个波长类别中，该团队都表现出很强的相关系数，均为R > 0.92。值得注意的是，使用动脉血气分析仪作为金标准的中红外分析是最准确的，但由于穿透人体组织足够深以分析动脉血的问题，因此仅限于体外研究。因此，作者建议未来开发无创连续乳酸监测仪的工作应集中在近红外波长上。鉴于这项研究的重点是缓冲溶液而不是人类全血，这项工作远不能转化为床边测试，尽管这些早期结果很有希望。许多生物标志物与脓毒症相关，包括乳酸、降钙素原(PCT)、C反应蛋白 (CRP)、葡萄糖、组织坏死因子(TNF)、白细胞介素(IL)-1β、IL-3、IL-6、microRNA ( miRNA)、CD64和瓜氨酸组蛋白H3 (CHH3)。以下研究集中在PCT、CRP、IL-6、miRNA、IL-3、CD64和CHH3。其中，PCT（正常<0.50 ng/mL）和CRP（正常<10 mg/L）在医院环境中最常用。脓毒症管理面临的最新挑战是以筛查方式和患者特异性方式在床边快速量化这些因素。酶联免疫吸附测定 (ELISA) 分析可能需要几个小时，这并不是所有脓毒症患者或护理机构都能享受的。此外，在致病菌不明的情况下，培养通常需要超过48小时，这可能导致过度使用经验性抗生素或延长住院时间。生物标志物的早期床边检测是改善脓毒症患者预后的另一条途径。2020年，Berger 等人联合PCT和IL-6（正常 <16.4 pg/mL）使用微珠免疫测定法将其放入生物芯片中。研究人员建议，未来可以将其应用于便携式设备。PCT的定量值为0.130 ng/mL，人血浆中IL-6 的定量值为0.150 ng/mL。然而，最终，研究人员发现，对于这两种生物标记物，他们的生物芯片只能可靠地将100 ng/mL与0 ng/mL的对照区分开来。相对于将要讨论的纳米颗粒技术，这种方法不太敏感，但可能更具成本效益，并且可以轻松修改以包括检测其他生物标志物。需要做更多的工作来将其发展为微尺度，同时提高早期检测脓毒症的敏感性，同时生物标志物更接近异常的较低范围。2019年，Fabri-Faja等人开发了一种20×14×23cm的即时光学生物传感器，利用金纳米孔芯片在大约1分钟内测量CRP以及IL-6和miRNA（正常：10 5 -10 8 拷贝/mL）。定量水平分别为18、88和6 mg/L。这些值显著高于其他基于纳米技术的设备以及脓毒症检测的CRP阈值，必须先降低该值，才能应用于早期诊断。白细胞介素虽然没有在临床环境中常规测量，但由于它们在介导脓毒症中心炎症反应中的作用而受到特别关注。上述两种设备都具有测量IL-6的能力，但在2020年，Alba-Patino等人开发了一种基于金纳米探针的便携式设备，该设备仅专门测量IL-6水平，与需要17分钟才能获得结果的对照分析相比，他们的设计可以通过智能手机应用程序对未处理的血液进行实时量化。相关的定量限值为0.1 pg/mL，该设备仅使用2.5 pg的样本血液就能够以99%的置信度检测出健康献血者全血中12.5 pg/mL的微量增加，这使该检测具有高度敏感性。同样，Min等人设计了一个独立的测定单元，尺寸为10×10×2.5cm，利用智能手机作为屏幕界面来测量IL-3水平（正常：22.1 ± 8.2 pg/mL），一种早期炎症介质，在其他细胞因子中诱导IL-6的产生。他们的设计需要将室温稳定的试剂、涂有 IL-3抗体的磁性微珠添加到100μL血液样本中。结果在床边1小时内返回，定量下限约为5 pg/mL，与ELISA对照相比，相关准确度为86.0%，灵敏度为91.3%，特异性为82.4%。当应用于临床患者时，它在识别非脓毒症患者方面比ELISA更敏感。研究人员还能够表明，IL-3血浆水平> 24 pg/mL与器官衰竭风险显著增加和死亡率增加九倍有关。这项研究的结果突出了监测IL-3在早期发现脓毒症中的未充分探索的效用，最后，与脓毒症相关的炎症细胞中性粒细胞相关的因素也受到了关注。Hassan等人使用含有CD64抗体（一种中性粒细胞特异性表面标记物）的生物芯片研究了血液中中性粒细胞的床边计数（正常：男性 1780-5380/μL；女性 1560-6130/μL）。特征电压脉冲与抗体-抗原相互作用发生，与标准血液学血细胞计数分析仪相比，允许在30分钟内以530到38750个中性粒细胞/μL的大动态范围对中性粒细胞进行定量，相关系数R=0.88。SIRS标准确定白细胞计数 <4,000 或 >12,000 可能与脓毒症一致；在应用这项技术之前，必须阐明特定于中性粒细胞计数的阈值，该阈值占健康人体血液中白细胞的40%至60%。Park等人同样探索了中性粒细胞在炎症状态下释放的独特生物标志物：CHH3（正常 <39 pg/mL），它参与形成中性粒细胞胞外陷阱的早期过程，并在严重感染期间诱导其他细胞凋亡。他们为他们的传感器微印了一个感光器，尺寸仅为2.5×2.5μm2，20分钟内可以在小鼠全血中检测到浓度范围在10-4-10 ng/mL。CHH3 的定量下限为0.87 pg/mL，而在内毒素诱导休克的情况下，金标准ELISA的定量下限为232 pg/mL。PCT最大浓度 (0.078 ng/mL)比CHH3 峰值浓度 (1.385 ng/mL) 低20倍，表明CHH3是比PCT更敏感和更可靠的内毒素介导休克标志物。这项技术需要对人体血液样本进行进一步测试。此外，尽管他们的传感器非常小，但用于分析血液样本的设备在本研究中体积庞大，需要在不影响样本分析速度的情况下进行床边应用的小型化。下表2总结了所审查的设备及其在脓毒症早期诊断中最相关的实用标记物，包括速度、便携性和相对检测限。
两种最常用的终末器官灌注间接标志物包括血乳酸水平和CRT。Hu等人采用现有概念，即用于快速评估糖尿病患者血糖水平的一次性试纸系统，以评估血乳酸水平；然而，检测限值相对高于生物标志物研究。然而，这个概念非常好，一次性试纸系统已被证明在糖尿病管理中的实用性，表明它可以很容易地转化为急诊科早期识别脓毒症的床边筛查措施。根据入院患者的情况，可以根据需要完成额外的筛查。然而，对于发生脓毒症风险增加的患者，最好进行持续的乳酸监测，以尽早发现脓毒症，从而采取更积极的干预措施。Budidha等人首次展示了使用缓冲溶液而不是人血的连续乳酸监测。对人类全血进行分析是这项技术的下一步方向，随后是对真实患者的临床试验。这项技术是否可以缩小到便携式尺寸，或者其分析仪是否必须成为病房的永久附件，还有待观察。
如Yasufumi和Shinozaki等人所示，可以通过改变用途的脉搏血氧仪来实现定期、客观的CRT监测。例如，此类设备可配置为获取连续的CRT读数，从而为脓毒症提供一致的监测。需要做更多的工作来评估使用脉搏血氧仪评估灌注时间的准确性。去年提出了一种利用反射光的非脉冲血氧仪CRT装置，在对照样本中显示出更高的准确性，但需要在潜在的脓毒症患者中进行临床试验。。这种CRT测量设备很容易被设想用于临床监测，而提供者工作流程的变化最小。生物标志物构成了脓毒症研究的另一个领域。大量生物标志物与脓毒症有关，但它们很少具有特异性。此外，生物标志物检测需要从患者那里获取血液样本，这可能并不完全可行，特别是当需要持续抽取样本以继续监测脓毒症时。无论如何，最先进和最可靠的生物标志物设备包括由Alba-Patino等人开发的IL-6检测器和Min等人开发的IL-3检测器，两者都表现出高便携性和相对较低的检测限值，但需要进一步研究来验证它们在人类受试者中的功效。此外，这些技术依赖于单一生物标志物的识别，这可能与许多其他异常有关，从而导致临床医生误诊。其他研究人员试图通过在他们的设备中加入多种生物标志物来解决这个问题。然而，其中一项研究牺牲了足够低的定量限值。提高检测限值，同时分析多种生物标志物，将提高早期诊断的准确性。敏感度较低的技术在监测确诊为脓毒症患者的病情进展方面仍有一定的实用价值。中性粒细胞的CD64表达和CHH3是在该领域通常受到较少关注的两个生物标志物。Hassan等人设计的细胞计数装置是一种独特的生物标志物量化方法，具有良好的检测限值，但目前检测速度和便携性较低。Park等人设计的CHH3定量装置仅限于小鼠血液样本，检测限值非常低，检测速度适中，便携性低。这两种技术都需要改进便携性和速度，然后才能被认为优于上述生物标志物设备。这些快速生物标志物方法可能会与快速微生物检测相结合，以确定脓毒症的病因，并根据治疗持续时间和敏感性指导适当的抗生素使用。这篇综述的局限性首先包括，这不是对现有文献的全面综述。此外，商业产品不包括在内，因为目前缺乏可用性，并且没有一个被广泛应用。相反，我们的目标是突出目前正在探索的各种技术，并展示其实施潜力，以便读者在未来对发展更加警觉。在没有公布大多数这些设备的敏感性、特异性、阳性预测值和阴性预测值的情况下，在评估其性能时存在一定程度的随意性。更多的研究还有待观察这些设备在临床试验中的表现。一个特别感兴趣的领域是这些生物标志物如何指导抗生素的使用。一项系统评价发现，在三项研究中的两项中，乳酸测量可缩短抗生素给药时间。PCT和CRP在多项研究中都证明了在缩短抗生素给药时间方面的功效；最近的一项研究表明，IL-6在预测治疗成功方面可能更有效。当抗生素由这些生物标志物指导时评估患者结果构成了未来研究的另一个领域，特别是对于IL-3和CHH3。脓毒症是美国医疗保健中的常见诊断，20%的病例死亡，每年花费近270亿美元来治疗。尽管有这些触目惊心的数据，但缺乏可靠的早期诊断工具，增加了患者病情进展的风险。鉴于越来越多的文献证明其有效性，未来的研究应继续探索将乳酸和毛细血管再灌注时间作为脓毒症指标的快速定量测量。其他基于生物标志物的方法需要进一步改进，从降低检测限值、缩短获得结果的时间和良好设计的研究中获益最多。新技术将允许对脓毒症进行早期诊断和改进监测，以降低医疗成本，同时改善发病率和死亡率。我们希望能够在多种环境中进行早期检测和使用，包括急诊室、住院部、门诊，甚至家庭环境。归根结底，任何一种设备都不太可能成为脓毒症早期诊断的灵丹妙药，但将新技术纳入现有诊断方法将增加脓毒症患者的早期检测和早期治疗。诊断将继续需要多变量算法，就像现在一样，但技术将理想地提高诊断的准确性和时间，从而降低相关的死亡率和发病率。
来源：Journal of Intensive Care MedicineDOI: 10.1177/08850666211044124急重症世界微信交流群
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