E学先锋L乳酸酸中毒病理生理分类 - 强酸类中毒

TUhjnbcbe - 2021/4/10 13:09:00

E学先锋翻译组：何少丹吴遥赵雅静王楠

校对：刘树元辛天宇

L-乳酸酸中*（L-LA）是重症监护病房中代谢性酸中*最常见的原因，其与大幅增加的死亡率有关。这篇文章的目的是为临床医生概述L-LA产生的生化和代谢背景，以便于了解可能导致L-LA发展的不同病理生理机制。根据L-LA病理生理学变化是否由产生增加或清除减少而导致，从而提出了一种分类方法。本文介绍了关于葡萄糖氧化的生化和代谢方面的综述以及L-LA的产生和清除，并讨论了各种导致L-LA的病理生理学原因。

关键词：糖酵解；缺氧；L-乳酸酸中*；氧化磷酸化

L-LA的定义是血液中L-乳酸水平＞5mmol/L。该定义通常包括血液pH＜7.35和血浆碳酸氢盐浓度＜20mmol/L；但是，这些参数的绝对值是由呼吸性和/或代谢性酸碱紊乱决定的。L-乳酸在细胞外液中的蓄积会导致碳酸氢根阴离子（HCO3-）的丢失和乳酸盐阴离子的增加。血浆中新增加的阴离子是通过血浆中阴离子间隙(PAG)的增加检测出来的。血液中L-乳酸的含量可能会显著增加，但是PAG却没有明显增加。这可能反映了被认为是PAG正常值的范围很广，由于血浆白蛋白浓度过低，这些患者经常出现血浆白蛋白浓度校正PAG基线值的错误，和/或存在血浆白蛋白负价阴离子的净值改变。

L-LA是住院患者最常见的代谢性酸中*的原因，尤其是在重症监护病房中。L-LA与死亡率的大幅增加相关，并与血液中的乳酸水平直接相关。L-LA并不是一种疾病诊断，而是一种葡萄糖和能量代谢紊乱的表现，可能是多种疾病的结果。与L-LA相关的死亡率增加可能反映了由于能量代谢紊乱引起的细胞功能障碍的严重程度。严重的酸血症也可能导致心血管系统衰竭。这可能是由于氢离子（H+）与细胞蛋白结合的作用，削弱了它们的功能。

大约50年前，Cohen和Woods提出将L-LA分为A型（有组织缺氧的临床证据）和B型（无组织缺氧的临床证据）。在这种分类方法中，组织缺氧可以用常用的临床参数来检测，这些参数可以评估整体氧输送的情况。许多不同的疾病可能通过不同的病理生理机制导致发生L-LA，因此被归为一类:B型L-LA。

L-LA产生的病理生理机制可能是由于L-乳酸的产生增加或者排出减少所致。尽管在很多情况下涉及到这两种机制，但通常有一种占主导地位。因此，我们根据L-LA产生是以L-乳酸的产生增加为主还是排出减少为主而提出了另一个分类。

我们从葡萄糖氧化的生物化学概要开始此次讨论。接下来讨论L-LA发生的生化和代谢基础。在此背景下，我们进行了有关L-LA各种病因的病理生理学讨论。

//一、骨骼肌中葡萄糖氧化的生物化学过程

葡萄糖的氧化分为4个步骤：糖酵解、乙酰辅酶A的形成、三羧酸循环和电子传递链（ETC）。

（一）糖酵解

在此过程中，发生在细胞质中的1分子葡萄糖被分解为2分子的丙酮酸（图1）。在己糖激酶和磷酸果糖激酶-1（PFK-1）催化的初始反应中使用了2分子的三磷酸腺苷（ATP）。最终产生4分子的ATP。因此，每个葡萄糖分子代谢都会净产生2分子的ATP。在糖酵解的代谢反应中，2分子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）转换为还原形式的NADH+H+【在此反应中，2个电子（1个H+和一个H-）转移到每个NAD+中，形成NADH和一个游离的H+）。

图1.糖酵解。糖酵解过程可分为两个阶段：第一阶段，葡萄糖被磷酸化并分解成2分子3-磷酸甘油醛；在这一阶段消耗2分子三磷酸腺苷（ATP）。第二阶段，2分子3-磷酸甘油醛转化为2分子丙酮酸，同时有4分子ATP再生。因此，净生成2分子ATP。两分子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）被还原为2分子的NADH+H+，其中2分子3-磷酸甘油醛分解为2分子1,3-二磷酸甘油酸。磷酸果糖激酶1（PFK-1）可催化6磷酸果糖转化为1，6-二磷酸果糖，而且这个过程是不可逆的，PFK-1是糖酵解的关键调节酶。ADP：二磷酸腺苷；HK：己糖激酶；PI：无机磷酸盐。

尽管通常使用有氧和无氧糖酵解这两个术语，但是由于在葡萄糖氧化的这一步骤中没有利用分子氧，因此所有糖酵解实际上都是无氧的。

糖酵解的过程导致丙酮酸的形成。当3-磷酸甘油醛(一种醛)转化为1,3二磷酸甘油酸(一种酸)时，首先产生一个质子。然而，质子会被消耗，因为这个化合物的羧酸部分与磷酸形成一个酸酐键。当该酸酐键在下一步骤中被破坏时就会净产生一个质子，其中1,3二磷酸甘油酸转化为3-磷酸甘油酸，随后转化为丙酮酸。由于细胞质中的pH约为7.1，丙酮酸的酸度系数pK约为2.8，因此丙酮酸将其H+贡献出来，从而形成丙酮酸阴离子。当丙酮酸阴离子代谢成中性终产物（CO2+H2O或葡萄糖/糖原）时，这些H+被去除。因此，只有当丙酮酸阴离子积累在细胞质中并转化为L-乳酸阴离子时，H+才有净增加。L-乳酸阴离子及其H+通过细胞膜上的单羧酸共转运蛋白排到细胞外，从而在细胞外液间隙中引起酸中*。

（二）乙酰辅酶A的形成

丙酮酸通过电压依赖性阴离子通道(VDAC)穿过线粒体外膜，并通过线粒体丙酮酸载体MPC1和MPC2穿过线粒体内膜。

在线粒体基质中，丙酮酸通过多蛋白酶复合丙酮酸脱氢酶（PDH）代谢（图2）。硫胺素的活化形式硫胺素焦磷酸（TPP）是PDH的重要辅助因子。丙酮酸首先不可逆地脱羧（在此过程中产生1分子CO2）；然后除去2个氢原子，生成乙酰辅酶A。NAD+还原为NADH+H+。

图2.乙酰辅酶A的形成和三羧酸循环。丙酮酸被转运至线粒体中，在CoA-SH(带有巯基的辅酶A)的参与下由丙酮酸脱氢酶(PDH)催化转化为乙酰辅酶A、产生1分子CO2，并且1分子烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）还原为1分子NADH+H+。乙酰辅酶A与草酰乙酸结合形成柠檬酸。然后柠檬酸在三羧酸循环中发生一系列反应，导致乙酰基氧化生成2分子CO2与草酰乙酸。在这些反应中，3分子NAD+被还原为3分子NADH+H+，1分子*素腺嘌呤二核苷酸（FAD）生成其羟基醌形式FADH2，并生成1分子三磷酸鸟苷（GTP；相当于三磷酸腺苷）。因为1分子葡萄糖可以生成2分子丙酮酸，进而生成2分子乙酰辅酶A，所以在三羧酸循环中，2分子乙酰辅酶A共氧化生成8分子NADH+H+、2分子FADH2和2分子GTP。GDP：鸟苷二磷酸；Pi：无机磷酸盐。

（三）三羧酸循环

乙酰辅酶A（一种2碳化合物）与草酰乙酸（一种4碳化合物）结合形成柠檬酸盐（一种6碳化合物；图2）。然后柠檬酸盐进入三羧酸循环，在三羧酸循环中，它受到一系列酶的作用而进行一系列反应，从而导致乙酰基氧化为2分子CO2和重新生成4碳分子草酰乙酸。CO2分子中的氧原子来源不是O2分子，而是源自水分子。由于乙酰基被代谢，释放的电子将3分子NAD+还原为3分子NADH+H+，并将1分子*素腺嘌呤二核苷酸（FAD）还原为其羟基醌形式FADH2。在该过程中，1分子鸟苷二磷酸和1分子无机磷酸盐（Pi）合成1分子的三磷酸鸟苷（相当于1分子的ATP）。

（四）ETC和氧化磷酸化

ETC由一系列氧化还原连锁反应组成，其中电子从一个电子供体转移到一个电子受体，O2成为最终的电子受体（图3）。

ETC由4种大型的多蛋白复合物（Ⅰ–Ⅳ）组成。这些复合物由电子载体组成，包括：（i）含*素脱氢酶；（ii）含铁的铁硫簇（Fe-S簇）多肽；（iii）铁作为细胞色素中血红素卟啉辅基的一部分；（iv）含铜络合物Ⅳ。在血红蛋白或肌红蛋白中，血红素的铁在氧传输过程中始终保持为Fe2+，但铁硫簇多肽和细胞色素中血红素的铁可以是氧化（Fe3+）或者是还原（Fe2+）形式。

除了这些固定的复合物外，还有2个电子载体并不与任何一个复合物紧密相连，只是在它们之间穿梭；泛醌/泛醇（泛醌的还原形式），也称为辅酶Q和细胞色素C。辅酶Q携带电子从复合物Ⅰ和Ⅱ到复合物Ⅲ。细胞色素C使电子在复合物Ⅲ和复合物Ⅳ之间穿梭。

图3.电子传递链（ETC）和氧化磷酸化。平行实线代表线粒体内膜及其内外双层结构。虚线代表线粒体外膜。电子传递链由4个大的多蛋白复合物（I–IV）和2个电子载体组成，2个电子载体在复合物-辅酶Q（用*表示）和细胞色素C（用**表示）之间起穿梭作用。电子传递链由一系列互相联系的氧化还原反应组成，其中电子从电子供体转移到电子受体，最后把电子传递到O2分子(形成水)。复合物I、III和IV利用电子流产生的能量将H+从线粒体基质泵送到膜间腔。质子在膜间腔的积聚产生了一个大的电化学梯度，有利于H+重新进入线粒体基质。当H+流经ATP（三磷酸腺苷）合成酶时，这种电化学能量被重新捕获，并与二磷酸腺苷（ADP）和无机磷酸盐（Pi）相耦合重新生成ATP。e：电子；FAD：*素腺嘌呤二核苷酸；FADH2：FAD的羟基醌形式；NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NADH+H+：NAD+的还原形式。

NADH+H+只能提供成对电子，而含铁的氧化还原辅助因子只能接受单个电子。在复合物Ⅰ中，这种从2-电子载体到1-电子载体的转变是通过*素核苷酸实现的，*素核苷酸可以接受或提供一个或两个电子。2个电子和2个H+转移到FAD，还原成FADH2。然后，电子传递到含有铁硫簇多肽的铁中，而2H+进入到线粒体基质中。随后这两个电子将转移至泛醌，将其还原为泛醇。泛醇又将它们传递至复合物Ⅲ。

复合物Ⅱ（也称为琥珀酸脱氢酶）将琥珀酸氧化为延胡索酸；2个电子和2个H+被转移到FAD，还原成FADH2，FADH2随后将电子通过铁硫簇转移到泛醌。

复合物Ⅲ接受来自泛醇的电子，将其氧化为泛醌，然后将其传递给细胞色素C。复合物Ⅳ接受来自细胞色素C的电子。该复合物包含2个血红素基团和3个铜离子，它们紧紧地抓住一个氧分子，直到被完全还原。还原的O2原子结合H+形成H2O。需要四个电子来还原1分子的O2并产生2分子的H2O。

复合物Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ使用电子流产生的能量从线粒体基质中泵出H+，使其穿过线粒体内膜一直到膜间隙。复物Ⅰ和Ⅲ分别释放4个H+，复合物Ⅳ释放2个H+。在复合物Ⅱ反应中释放的能量不足以泵出H+，因此它虽然可作为电子的来源，但无助于产生泵出H+的动力。

H+在膜间隙中的积累会产生电荷梯度和化学梯度，从而有利于H+再次进入线粒体基质。当H+流经ATP合成酶时，该电化学能被重新捕获。位于线粒体内膜的ATP合成酶由F0域和F1域组成的2个域，F0域为H+的流动提供通道，F1域具有二磷酸腺苷（ADP）和Pi的结合位点，并催化ATP。F1有一个组成核心的γ亚基和3个β亚基。H+从F0到F1的流动所产生的能量使γ亚基循环。这种循环运动导致3个β亚基发生构象变化，从而导致ADP和Pi以松散构象与1个亚基结合，也使第2个亚基成为紧密构象（ATP在这里合成），促进紧密结合的ATP从第三亚基释放。此过程称为”氧化磷酸化偶联”。

ADP与ATP合成酶的结合诱导膜间隙中的H+从F0流到线粒体基质中。因此，ATP的利用率（ADP的可利用率）决定了ATP的合成速度。

在2个电子从NADH+H+转移到O2的过程中，有10个质子被泵送到膜间隙，而在2个电子从FADH2转移到O2的过程中，只有6个质子被泵到膜间隙。在脊椎动物中，需要8个质子通过ATP合成酶才能再生3个ATP分子。ATP实际的再生速度比实际上要低一些。因为每个ATP都需要使用质子偶联的磷酸盐转运蛋白将1个H2PO4–从细胞质中转运到线粒体中，并且在线粒体中产生的ATP4–被转移到细胞质中，以交换腺嘌呤核苷酸转位酶上的ADP3–，每产生一个ATP并转运到细胞质中，就会消耗1个质子的电化学梯度。由计算得出，每分子NADH+H+氧化成NAD+可产生约2.7分子ATP，每分子FADH2氧化成FAD产生约1.6分子ATP。

葡萄糖的氧化过程总结在公式1和表1（Pi=无机磷酸盐）中：

ATP：三磷酸腺苷；CoA：辅酶A；FAD：*素腺嘌呤二核苷酸；FADH2：FAD的羟基醌形式；NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NADH+H+：NAD+的还原形式。表中的数字是葡萄糖分子数。1分子葡萄糖共产生10分子NADH+H+和2分子FADH2。1分子NADH+H+氧化为NAD+时大约产生2.7分子ATP，1分子FADH2被氧化成FAD时，大约产生1.6分子ATP。因此，在氧化磷酸化过程中，每分子葡萄糖共生成30.5分子ATP。此外，糖酵解产生2分子ATP，三羧酸循环中2分子丙酮酸氧化产生2分子ATP（假设三磷酸鸟苷和ATP相等）；1分子葡萄糖氧化净产生约34.5分子ATP。在电子传递链中产生12个H2O分子，在糖酵解和三羧酸循环中消耗6分子H2O；因此，每氧化1分子葡萄糖只产生6分子H2O。

//二、L-LA生化学简介

在生理条件下，L-乳酸是碳水化合物和非必需氨基酸代谢的重要媒介，每天每公斤体重产生大约20mmol（例如70kg人体大约产生mmol）。由于红细胞缺乏线粒体，因此糖酵解是红细胞ATP再生的必经之路。皮肤、脂肪组织、中枢神经系统、肌肉和胃肠道也会产生L-乳酸。大量L-乳酸主要通过肝脏（约60%）和肾皮质（约30%）的糖异生作用来清除，而在许多器官（肝脏、肾脏、肌肉、心脏和大脑）中通过氧化作用去除的程度要小很多。这种L-乳酸由一些组织产生又通过肝脏和肾脏的糖异生作用来清除，这种内部循环方式被称为Cori循环。在运动期间，L-乳酸是心脏和骨骼肌的主要能量来源。肾脏分泌乳酸的阈值为6–10mmol/L，因此仅在严重高乳酸血症时，肾脏才有显著的排出乳酸作用。

L-乳酸蓄积可由其生成速度增加和/或其清除速度下降引起。

（一）L-乳酸的生成增加

当线粒体中ATP的再生率不能满足其进行生物活动的需求时，L-乳酸的产生就会增加（图4）。

图4.L-乳酸的生成。在细胞质中，供生物活动所需的能量是由三磷酸腺苷（ATP）末端高能键的水解提供的，同时生成了二磷酸腺苷（ADP）。ADP通过腺嘌呤核苷酸转运体进入线粒体，与ATP交换。在ATP生成速度降低的情况下，胞浆中ADP的浓度升高。在腺苷酸激酶的催化下，2个ADP分子在一个接近平衡的反应中转化回1个ATP分子，生成一个单磷酸腺苷（AMP）。AMP浓度的增加提供了一个强有力的信号，因为它导致磷酸果糖激酶1（PFK-1）活性和糖酵解通量的大幅增加。丙酮酸在细胞质中的累积，加上还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH+H+）与其氧化型（NAD+）的比率增加，驱动了乳酸脱氢酶（LDH）催化的近平衡反应，丙酮酸还原为L-乳酸，NADH+H+氧化为NAD+。Pi：无机磷酸盐。

在细胞质中，进行生物活动所需的能量（例如通过Na-K-ATP酶泵送离子）是由ATP的末端高能键水解提供的。ADP就是由此形成的。ADP通过腺嘌呤核苷酸转位酶进入线粒体，线粒体中氧化磷酸化偶联产生的ATP进行交换。当ATP再生速度降低时，胞浆中ADP的浓度升高。这为PFK-1（磷酸果糖激酶-1）的激活提供了信号，PFK-1是骨骼肌糖酵解的关键调节酶，因为它催化6-磷酸果糖和ATP转化为1，6-二磷酸果糖和ADP（图1）。PFK-1的活性受到细胞浆中ATP浓度相关信号的调控(即当ATP浓度下降时，PFK-1被激活)。然而，ATP浓度的变化太小，不能为PFK-1的激活提供一个可靠的信号。当ADP在胞浆中蓄积时，在腺苷酸激酶的催化下，它在一个接近平衡的反应中被转化回ATP且生成单磷酸腺苷（AMP）：

2ADP?ATP+AMP（2）

因为在肌细胞中，ATP的浓度远远高于ADP，ATP浓度的小幅度下降会导致ADP浓度的大幅度上升。此外，由于AMP浓度与ADP浓度的平方有关，这导致AMP浓度增加的百分比更大。因此，ATP浓度降低的信号通过增加AMP浓度而显著放大，从而导致PFK-1活性的大幅度增加。

然而，为了保持糖酵解的通量，NADH+H+（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）必须转换回NAD+（氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）。因为NAD+是3-磷酸甘油醛转化为1,3-二磷酸甘油酸的反应中所必需的（图1）。正常情况下，NADH+H+在线粒体中被氧化为NAD+。在氧化磷酸化不足的情况下，在乳酸脱氢酶催化的平衡反应中，NADH+H+在胞质中被氧化为NAD+，而丙酮酸转化为L-乳酸：

丙酮酸+NADH+H+?乳酸+NAD+（3）

从公式3来看，有人认为丙酮酸盐转化为乳酸是一个质子消耗过程，因为当NADH+H+转化为NAD+时，质子被消耗了，因此应具有碱化效应。然而，如果有NADH+H+的连续供应，将导致L-乳酸的连续产生，因而质子的消耗成为唯一可能性。将NAD+转换为NADH+H+就是一个质子产生的过程。因此，综合这两个反应发现没有H+的净产生或消耗。

尽管在糖酵解过程中，每个葡萄糖分子只生成2分子的ATP，但糖酵解速度比静息时氧化磷酸化产生ATP的速度快2或3倍。然而，付出的代价是每生成1mmolATP就会产生1mmol的L-乳酸。H+浓度的增加可以抑制PFK-1。尽管细胞内的pH值下降幅度较小，但可能会导致能量产生严重不足，尤其是对于重要脏器（如大脑和心脏）的细胞来说可能产生有害影响。

本文无意讨论与L-LA管理相关的问题，这些问题最近在其他文献中也有所提及，但仍有必要对NaHCO3的使用进行简要评论。L-LA患者的主要治疗方法是有效地解决潜在的病因；然而，使用NaHCO3可能是一个不错的临时措施，以便于有时间进行直接干预。

细胞内H+浓度升高的有害影响可能是H+与细胞蛋白质结合，改变其电荷及形态，并可能影响其功能（例如各种酶、转运体、收缩因子和结构化合物）。反对使用NaHCO3的一个理由是，在一些L-LA动物模型中给药会导致血L-乳酸水平升高。然而，这种增加可能是有益的，因为它有可能反映了PFK-1的去抑制作用、糖酵解通量的增加以及重要器官中ATP再生速度的增加，为证明所添加的H+负荷是通过碳酸氢钠缓冲系统而不是通过细胞内蛋白质来滴定的这一假说提供了证据。反对使用NaHCO3的另一个观点认为HCO3-与H+发生反应，导致进入细胞内的CO2增加，使细胞内pH值下降。由于细胞外液中几乎没有游离或结合形式的H+，因此这种滴定给药HCO3-的H+可能源自与细胞内蛋白质结合的H+。然而，为了使HCO3-进行细胞内蛋白质的反滴定得以继续，细胞及其间质中应保持较低的PCO2。这需要足够的肺泡通气量和有效循环血量。可能需要大量的NaHCO3来实现返滴定，也就是大量H+负荷与细胞内蛋白质相结合。像静脉-静脉血液透析这样的连续透析方式可以持续提供大量NaHCO3，同时避免发生容量过负荷和肺水肿的风险。

（二）L-乳酸清除率降低

代谢清除L-乳酸的第一步是氧化成丙酮酸。这主要发生在胞浆中，但L-乳酸似乎也可以运输到线粒体，在那里它被线粒体乳酸脱氢酶转化为丙酮酸。在线粒体内，丙酮酸盐可能被PDH（丙酮酸脱氢酶）转化为乙酰辅酶A，并转移到氧化途径以再生ATP，或由丙酮酸羧化酶（其辅酶是生物素，即维生素B7）转化为草酰乙酸，并通过糖异生途径产生葡萄糖。

糖异生发生在肝脏和肾皮质。糖异生的途径如图5所示；这些反应消耗了3mmol的ATP。因为合成1分子葡萄糖需要2分子丙酮酸，将2个L-乳酸分子转化为1个葡萄糖分子共消耗6分子ATP。因此，糖异生的速度将受到ATP再生率的限制，同时在相关器官中进行其他细胞转化反应时对ATP需求多少也限制了糖异生的速度。

图5.通过糖异生清除L-乳酸。乳酸可以在肝脏和肾皮质中生成葡萄糖。糖异生反应的关键是丙酮酸转化为磷酸苯酚丙酮酸（PEP），分两步进行。第一步是通过丙酮酸羧化酶（PC）将线粒体中的丙酮酸代谢成草酰乙酸（OAA）。然后OAA被还原成苹果酸，苹果酸转运体将其转运到细胞质中。一旦进入细胞质，苹果酸就会被合成草酰乙酸。第二步是在磷酸丙酮酸羧激酶（PEPCK）的催化下将OAA转化为PEP。将1分子L-乳酸转化为1分子3-磷酸甘油醛的反应中消耗3分子三磷酸腺苷（ATP）。由于生成1分子葡萄糖需要2分子3-磷酸甘油醛，因此在将2分子L-乳酸转化为1分子葡萄糖的过程中，总共消耗6分子ATP。ADP，二磷酸腺苷；Pi，无机磷酸盐。

//三、发生L-LA的临床背景

L-乳酸生成的临床环境通常是导致L-乳酸生成量增加的临床环境。可能由疾病导致L-乳酸的清除减少从而发生L-LA的情况比较少见。在许多情况下，L-乳酸的产生增加和清除减少都可能存在，但以其中一种病理生理学变化占主导地位。

（一）以L-乳酸产生过多为主的临床环境

1、氧供不足。

人体消耗的大部分氧气被ETC（电子传递链）的复合物IV利用。全身氧输送（DO2）是每分钟输送到全身各组织的氧总量，与血流分布无关。DO2是心输出量和动脉氧含量的乘积：

DO2=Q×Hb×1.39×氧饱和度%（4）

其中Q是心输出量，单位为L/min；Hb是血红蛋白浓度，单位为g/L；1.39（Huffner常数）是海平面上每克血红蛋白几乎完全饱和时携带的氧气量（ml）（PO.5mmHg）

当Q值为5L/min，血红蛋白为g/L，血红蛋白完全饱和时，DO2大约是ml/min，比成人清醒休息时的耗氧量（约ml/min）高4倍。只有25%的氧气提取率能够在不影响耗氧量的情况下显著降低DO2。

随着DO2下降或代谢需求增加，组织对O2摄取率增加，但一旦达到最大比率（大多数在60%-70%），将导致DO2进一步下降或代谢需求增加使组织发生缺氧。DO2的阈值（低于）在不同物种之间有很大差异，证据表明低于该阈值组织就发生缺氧。在19-25岁的健康清醒的受试者中，静息状态下的临界DO2小于7.3ml/kg/min。在麻醉状态下进行机械通气伴有神经肌肉阻滞的患者中，可以观察到DO2大约是5ml/kg/min。尽管有这些结果，在氧供和氧需之间的平衡可能存在区域性或器官特异性变化。

实验研究证实了由降低DO2组成成分（血红蛋白水平、动脉血氧饱和度和心输出量）引起的组织缺氧与发生高乳酸血症之间的关系。临床研究也显示了氧消耗的供应依赖状态与高乳酸血症的发展之间的关系。

由于DO2减少而导致乳酸快速上升的一个常见临床疾病是心源性休克。导致DO2不足的其他情况包括低血容量性休克、严重低氧血症（PO–40mmHg）和严重正常血容量性贫血（血红蛋白浓度45g/l）。在一氧化碳中*患者中可能会发生L-LA，因为血红蛋白与一氧化碳结合的亲和力大于对氧气的亲和力，产生一种不能携带氧气的化合物——碳氧血红蛋白。此外，氧合血红蛋白解离曲线向左移动；因此，组织对氧的利用进一步降低。一氧化碳还抑制ETC的复合物IV。

在这些情况下，因肝脏和肾脏输送的氧减少也限制了通过糖异生去除L-乳酸的速度。

2、脓*症。

L-LA常见于严重脓*症和感染性休克患者；L-乳酸水平与死亡率直接相关。

尽管脓*症患者DO2的各项系统参数已充分恢复，但仍可能持续或进展为高乳酸血症。在危重病人中，即使在超常的DO2水平下，O2的消耗仍然依赖于氧输送。在感染性休克早期并伴有高乳酸盐血症的患者中证明了对氧输送的依赖性。这样以来便出现一个假设，即这些患者可能有隐性的O2负平衡，可以通过增加氧输送来消除，并提供了”早期目标导向治疗”策略的基本原理，即将血乳酸水平正常化作为复苏的目标。然而，这种氧输送依赖性在其他研究中没有得到证实。

在脓*症患者中，尽管DO2的系统变量得到了纠正，但由于器官间血流的区域分布紊乱、微循环障碍和线粒体氧利用缺陷仍可能会导致组织缺氧。心输出量的区域和微循环分布由内皮、神经和代谢因子的复杂相互作用决定。在危重病人中，尤其是败血症患者，血流的正常自动调节功能丧失会导致心输出量分流和某些器官组织缺氧。小动脉平滑肌细胞在脓*症中失去肾上腺素敏感性和张力。微循环功能障碍导致血流分布不均匀，一些毛细血管床灌注不足，而另一些则可能有正常到高血流量。内皮细胞暴露于自身产生的许多炎症介质中，影响血管张力和内皮功能的其他方面。比如，在感染性休克时，血管壁诱导产生一氧化氮合成酶，使得一氧化氮的生成增加。诱导型一氧化氮合成酶的异质性表达导致血流从缺乏诱导型一氧化氮合成酶的区域病理性分流到一氧化氮诱导的血管舒张区域。凝血级联的激活和红细胞聚集增加可能导致微血栓的形成和改变微循环血流。活化的白细胞产生的活性氧可直接损伤内皮细胞，破坏微循环功能，促进血小板-内皮粘附和微血栓形成。炎症介质改变毛细血管通透性会导致组织水肿，从而进一步阻碍O2扩散。组织缺氧也可能是由线粒体功能紊乱和O2提取减少引起的。此外，这些机制还可能损害O2向肝脏和肾脏的输送，并限制通过糖异生作用清除L-乳酸的速度。

组织缺氧以外的机制也可能是脓*症患者发生L-LA的原因。炎性细胞因子增加了细胞对葡萄糖的摄取。内*素可使PDH失活。β2-肾上腺素受体激活可增加环磷酸腺苷（cAMP）的生成，从而刺激糖原分解，从而增加丙酮酸的浓度。cAMP还通过激活Na-K-ATP酶增加对ATP的需求。有人认为β2-肾上腺素受体阻断在脓*症所致L-LA患者的治疗中起作用。然而，这需要开发临床工具来识别那些β2-肾上腺素受体激活起主导作用的患者，因为尽管DO2的系统参数正常也可能会存在组织缺氧。

L-LA常见于肠系膜缺血患者。除了缺血的肠管会产生过多的L-乳酸外，先前讨论的脓*症/炎症的机制也可能导致其他组织产乳酸增加，减少肝脏和肾脏对乳酸的清除。

3、对ATP的需求增加。

L-LA发生在癫痫发作和高强度运动期间。当ADP蓄积在运动肌肉细胞的胞浆中时，刺激糖酵解发生并转化为ATP；产生AMP和PFK-1的激活（方程式2）。

这种病理生理学的另一个例子或许可以在维生素B6（吡哆醇）缺乏症患者中看到。吡哆醇是谷氨酸脱羧酶催化反应的辅助因子，谷氨酸在该酶中转化为γ-氨基丁酸。由于γ-氨基丁酸激活抑制受体，这种酸的缺乏可能导致神经元兴奋性增强，导致癫痫发作。由于异烟肼/维生素B6复合物的形成，服用异烟肼（通常用于治疗结核病）的患者可能会出现吡哆醇缺乏症。由于血液透析去除了这种水溶性维生素，因此他们往往缺乏维生素B6，血液透析患者患这种并发症的风险增加。如果没有给予足够的维生素B6补充，接受全肠外营养的患者也可能出现吡哆醇缺乏症，最近在美国发生的肠外复合维生素产品短缺的情况可能就是这样。

β2-肾上腺素受体的激活可解释严重支气管哮喘患者中发生L-LA的原因，尤其是当他们使用β2-肾上腺素受体激动剂时。这种病症也会在一些嗜铬细胞瘤患者中发生。

（二）在没有缺氧或ATP需求增加的情况下L-乳酸生成增加的临床情况

1、酒精中*。

乙醇中*患者发生乳酸酸中*说明了乙醇脱氢酶和乙醛脱氢酶在乙醇代谢过程中NAD+持续向NADH+H+转化所导致的肝细胞内NADH+H+/NAD+比值增高。丙酮酸的来源是某些氨基酸的分解代谢和糖原的分解，因为在这种情况下高水平的肾上腺素和低水平的胰岛素都可能激活糖原磷酸化酶。酒精中*患者的乳酸酸中*程度通常较轻，血浆L-乳酸浓度5mmol/l，因为其他器官能够清除肝脏产生的L-乳酸。更严重的乳酸酸中*表明，还有其他原因导致L-乳酸产生过剩，可能包括缺氧(例如，由于脓*症导致的血流动力学衰竭，胃肠道出血，胰腺炎)，硫胺素缺乏，癫痫发作(由于酒精戒断，震颤性谵妄)和/或在慢性肝病（如脂肪肝、肝硬化）的基础上叠加由酒精引起的急性肝炎造成严重肝病导致L-乳酸利用不足。

2、硫胺素缺乏。

硫胺素（维生素B1）的衍生物是PDH的关键辅助因子。硫胺素缺乏与乳酸酸中*有关。

乙醇中度和硫胺素缺乏的人可能会迅速发生严重的乳酸酸中*。在这种情况下L-乳酸的产生部位可能是肝脏，因为在肝脏中有丙酮酸的蓄积(由PDH活性降低引起)和高NADH+H+/NAD+比值(由乙醇代谢引起)。由于PDH活性降低且存在优先用于再生ATP的替代燃料(例如肌肉的游离脂肪酸、大脑的酮酸)，其他器官的乳酸清除也减少。

3、恶性肿瘤。

据报道，L-乳酸存在于血液系统和实体器官恶性肿瘤患者中，通常与预后不良有关，可作为高度有丝分裂和侵袭性肿瘤的标志物。这些患者发生乳酸酸中*的可能机制包括：肿瘤细胞糖酵解活性增强(Warburg效应)、肿瘤组织缺氧、硫胺素或核*素缺乏以及肝转移导致L-乳酸清除率下降。

糖酵解增加和谷氨酰胺代谢增加的“能量代谢重新编程”被认为是癌细胞的代谢特征。在20世纪20年代，OttoWarburg证明了尽管有足够的O2可以完全氧化葡萄糖，单腹水中肿瘤细胞有很高的葡萄糖消耗率和乳酸生成率。在20世纪20年代，OttoWarburg证明，尽管有足够的氧气供给葡萄糖完全氧化，但腹水肿瘤细胞具有很高的葡萄糖消耗率和乳酸生成率。

人体葡萄糖有2种代谢方式：糖酵解产生NADH+H+和ATP，磷酸戊糖途径产生烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和5-磷酸核糖。NADPH是合成脂肪酸所必需的，脂肪酸用于合成细胞膜和所有细胞器的膜所需的磷脂。5-磷酸核糖是合成核苷酸(如RNA和DNA中的核苷酸)所必需的戊糖。癌细胞和快速增殖的细胞对磷脂和5-磷酸核糖都有很高的需求，因此需要将葡萄糖运送到戊糖磷酸途径中。丙酮酸激酶(PK)催化糖酵解的最后一步，磷酸基团从磷酸苯酚丙酮酸转移到ADP，产生1个丙酮酸分子和1个ATP分子（图1）。有4种类型的丙酮酸激酶；肿瘤细胞和快速增殖的细胞具有高水平的PKM2二聚体，其催化活性非常低；因此，葡萄糖转入到单磷酸戊糖途径。

除了将葡萄糖转入到磷酸戊糖途径外，葡萄糖在糖酵解途径中代谢成丙酮酸，然后再代谢成乙酰辅酶A，大部分柠檬酸被送回细胞质，用于脂肪酸合成，而不是进入三羧酸循环（图2）。由于糖酵解中每个葡萄糖分子的ATP产量仅为氧化磷酸化的1/17，因此必须大大加速糖酵解过程，以满足这些细胞对ATP的高需求。

研究表明，在快速增殖的癌细胞中，被利用的葡萄糖中超过90%会转化成L-乳酸作为最终产物。许多参与葡萄糖转运和糖酵解的基因在不同的肿瘤细胞中的表达增加。丝氨酸-苏氨酸激酶AKT(蛋白激酶B)是癌细胞中最常见的激酶之一，它通过增加高亲和力葡萄糖转运体GLUT1和GLUT4在细胞表面的表达，激活己糖激酶2和抑制糖原合成酶激酶来增加糖酵解。P53肿瘤抑制基因功能突变导致果糖2-6二磷酸酶TIGAR(TP53诱导的糖酵解和凋亡调节因子)的减少。这导致PFK-1的变构激活剂2-6二磷酸果糖的水平增加。缺氧诱导因子-1(HIF-1)是由两个亚基组成的异源二聚体复合物：结构性表达的HIF-1β和对氧依赖降解高度敏感的HIF-1α。在氧气存在的情况下，HIF-1α在脯氨酸残基上发生羟基化，这使得它能够被vonHippel-Lindau蛋白识别并使蛋白酶体发生靶向降解。肿瘤细胞通过一些基因改变来实现防止vonHippel-Lindau蛋白降解HIF-1α并维持其稳定。PKM2通过酪氨酸磷酸化激活核转录因子STAT3。活化的STAT3诱导HIF-1α转录从而提高HIF-1α蛋白水平。HIF-1α诱导一些编码葡萄糖转运蛋白和一些糖酵解酶的基因表达上调，包括己糖激酶2和PFK-1。HIF-1α还诱导乳酸脱氢酶A和PK1表达上调，诱导PK1磷酸化并使PDH失活。HIF1α诱导单羧酸共转运蛋白4表达上调，该转运蛋白可将L-乳酸输出到细胞外。

有人认为，肿瘤细胞通过在其微环境中保持相对较低的pH值，可以通过抑制抗癌免疫反应来逃避免疫破坏。已经提出许多将Warburg效应与肿瘤侵袭性联系起来的机制，包括由于细胞外酸性环境激活蛋白酶而导致的细胞外基质降解。这种对糖酵解的依赖也可能通过降低肿瘤细胞对低氧应激的敏感性而为其提供生存优势。

4、丙烷1，2-二醇(丙二醇)。

丙二醇通常用作一些静脉和口服药物制剂的溶剂，其中一些通常用于危重患者(如劳拉西泮或地西泮、巴比妥酸盐、苯妥英那和甲氧苄啶/磺胺甲恶唑)。长时间大剂量服用丙二醇可导致乳酸酸中*。

丙烷1，2-二醇是D-和L-异构体的50：50混合物。在给药剂量中，40%在尿液中以原形排出，60%在肝脏中通过乙醇脱氢酶代谢为乳酸。L-乳醛由乙醛脱氢酶代谢为L-乳酸。相反，D-乳醛不是乙醛脱氢酶的优良底物；它会蓄积并导致在这种环境下观察到的许多*性效应。D-乳醛可以在肝脏中通过另一条途径代谢为D-乳酸，该途径使用还原型谷胱甘肽作为辅助因子。因为L-乳酸比D-乳酸代谢快，所以在这种环境中积累的最多的酸是D-乳酸。

5、先天性L-LA。

L-LA可能是由于丙酮酸从胞浆向线粒体基质转运缺陷所致。线粒体丙酮酸载体MPC1基因编码突变在3个先天性乳酸酸中*家系中被发现。

大多数报道的由于先天性PDH复合体缺陷而导致的L-乳酸酸中*的病例都是由于PDHA1基因的突变所致，该基因编码酶复合体的e1亚基。那些影响三羧酸循环功能的遗传性疾病很少出现L-LA。

线粒体DNA或核DNA的突变可能会导致线粒体ETC的多个组分中的任何一个出现缺陷。线粒体转移RNA基因MT-TL1的突变是大多数MELAS综合征(线粒体脑肌病、乳酸酸中*和卒中样发作)的原因。

6、抑制ETC。

（1）核*素缺乏症。维生素B2(核*素)、*素单核苷酸(FMN)和FAD形成的活性代谢物是ECT复合物I和II的组成部分。因此，核*素缺乏与L-LA相关。ATP依赖的激酶激活核*素产生FMN和FAD。三环类抗抑郁药物(如阿米替林和丙咪嗪)抑制该激酶。严重的甲状腺功能减退症中这种激酶的活性也会降低；粘液性水肿的患者可能会发展成L-LA。

（2）抗逆转录病*药物。在人类免疫缺陷病*感染的患者中使用核苷类似物逆转录病*抑制剂有L-LA的报道。长期使用这些抑制剂可能会导致γ-DNA聚合酶的损伤，导致线粒体DNA的损耗。这会损害ETC，因为线粒体DNA编码了ETC中涉及的一些酶。硫胺素和/或核*素缺乏也可能导致其中一些患者出现L-LA。

服用核苷类逆转录酶抑制剂的患者，除L-乳酸生成增加外，还可能出现严重的肝脂肪变性，其原因是线粒体功能障碍和长链游离脂肪酸β氧化受损，这可能会减少L-乳酸的清除。

（3）利奈唑胺。利奈唑胺是一种恶唑烷酮类抗生素，经常用于治疗由万古霉素耐药肠球菌和其他革兰氏阳性细菌引起的感染。利奈唑胺的使用与L-LA的发生有关。利奈唑胺与细菌核糖体结合，抑制细菌蛋白质合成。利奈唑胺相关的L-LA可能是由于线粒体核糖体抑制了复合体IV某些蛋白质的合成。这可能是因为细菌和线粒体核糖体之间的相似之处，因为线粒体被认为是先前需氧细菌共生定居的遗留痕迹，后者为人类细胞提供了利用氧的能力。

（4）异丙酚。L-LA与异丙酚输注有关。其机制可能是由于抑制了ETC的复合体IV。输注异丙酚与血浆丙二酰肉碱的增加有关，丙二酰肉碱是肉碱棕榈酰转移酶的抑制剂，它将长链游离脂肪酸输送到线粒体。中短链脂肪酸(不需要肉碱转运体)进入线粒体的增加被认为可以抑制ETC的复合体II。

（5）甲醇中*。甲醇中*患者出现阴离子间隙增高的代谢性酸中*，是由于甲酸和L-乳酸蓄积所致。血浆L-乳酸水平经常超过甲酸盐水平。L-LA被认为是由于甲酸盐对复合体IV的抑制。

值得注意的是，当使用L-乳酸氧化酶反应检测L-乳酸时，发现严重乙二醇中*患者的血乳酸水平假性升高。在这种方法中，L-乳酸被L-乳酸氧化酶氧化成丙酮酸；在这个反应中产生的过氧化氢氧化了显色系统，并采用分光光度法测量生成的染料络合物的吸光度。由于L-乳酸与乙二醇代谢物乙醇酸和乙醛酸的结构相似，L-乳酸氧化酶与这些代谢物反应，导致L-乳酸水平假升高。然而，使用乳酸脱氢酶催化的反应来测定L-乳酸时，这种干扰不会发生，在该反应中，乳酸被转化为丙酮酸，而添加的NAD+被还原为NAH+H+，而后者是用分光光度法测定的。

（6）氰化物中*。氰化物与细胞色素中的血红素中的Fe3+强烈结合，并抑制ETC的复合物IV。家庭火灾的烟雾吸入和职业暴露(采矿中的金属提取、珠宝生产中的电镀、摄影以及塑料和橡胶制造)是氰化物中*的最常见原因。硝普钠用于治疗高血压急症，每个分子含有5个氰基。慢性肾功能衰竭患者或儿科患者在长时间输注该药后，可能会达到氰化物的中*水平。

（7）氧化磷酸化的解偶联剂。氧化磷酸化的解偶联发生在通过线粒体内膜从线粒体基质中抽出的H+通过另一个H+通道(解偶联蛋白)或通过另一个与ADP到ATP的转化无关的机制(即ETC和ADP的磷酸化反应解偶联)重新进入线粒体基质时发生的。大多数解偶联氧化磷酸化的化合物都是亲脂性的弱酸，能够将H+转移到脂质双层上。解偶联蛋白在H+浓度较高的膜间隙吸收H+，然后迅速扩散到线粒体基质中，在那里它们失去H+，因为在这个位置H+浓度较低。于是，H+浓度梯度下降，重新生成ATP能力减弱（图6）。

图6.氧化磷酸化的解偶联。平行实线代表线粒体内膜及其内外双层结构。虚线代表线粒体外膜。当通过线粒体内膜从线粒体基质中泵出H+离子，然后又通过另一个H+离子通道(一种解偶联蛋白)或者通过另一种与二磷酸腺苷转化为三磷酸腺苷无关的机制(即电子传递链与二磷酸腺苷磷酸化的反应是不耦合的)又重新进入线粒体基质的过程，就发生了氧化磷酸化解偶联。大多数不耦合氧化磷酸化的化合物都是亲脂性弱酸，H+离子能够穿过脂质双层；这样，H+浓度梯度消失，三磷酸腺苷再生减少。*：辅酶Q；**：细胞色素C；e：电子；FAD：*素腺嘌呤二核苷酸；FADH2：FAD的羟基醌形式；NAD+：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；NADH+H+：NAD+的还原形式。

二甲双胍是一种双胍类药物，被认为是2型糖尿病患者口服降血糖的一线药物。单纯由二甲双胍引起的L-LA的发生率似乎非常低，大多数发生在低灌注或低氧血症的糖尿病患者中。二甲双胍相关的L-LA更有可能发生在因任何原因引起的急性肾功能衰竭并继续服用二甲双胍的患者中，其原因是由于肾脏清除率下降导致二甲双胍的蓄积。二甲双胍引起L-LA的病例常见于二甲双胍血浆浓度5μg/l(治疗浓度2μg/l)。L-LA的作用机制可能与二甲双胍解偶联氧化磷酸化和抑制复合物I有关。二甲双胍还被认为可以减少肝脏的糖异生，这种作用是通过降低肝细胞中的ATP含量来实现的。

水杨酸是另一种解偶联氧化磷酸化的药物。阿司匹林过量患者发生阴离子间隙增高的代谢性酸中*的主要原因是L-乳酸和酮酸的蓄积。

（三）L-乳酸清除量明显减少的临床情况

这种类型的L-LA与主要产生L-乳酸的L-LA不同，没有后者那样紧急，因为这种L-LA与ATP的再生问题无关。H+的蓄积速度通常要慢得多，L-LA通常处于慢性稳定状态。L-LA清除率低的原因通常与严重的肝脏损伤有关，要么是由于急性肝炎(比如病*感染或药物中*)，要么是由于先前的缺氧(例如休克肝)，或者是正常肝细胞的广泛替代(例如被肿瘤细胞或大量脂肪沉积)。

对乙酰氨基酚过量患者的L-LA被认为是由急性肝损伤引起的。然而，某些患者肝损伤之前就可能已发生L-LA。在健康成年人的外周血细胞中观察到，接触4克对乙酰氨基酚48小时后，编码与ETC有关的蛋白质的核基因和线粒体基因都下调了。

文献来源

KamelSKamel,ManSOh,MitchellLHalperin.L-lacticacidosis:pathophysiology,classification,andcauses;emphasisonbiochemicalandmetabolicbasis.KidneyInt.Jan;97(1):75-88.

E学先锋翻译组成员简介

何少丹

美国乔治华盛顿大学生物医学工程，M.Med

吴遥

北京协和医学院急诊医学系

硕士研究生

赵雅静

医院

急诊科

王楠

医院

重症医学科

长按识别