Роль лактата в клинической практике

Лактат или молочная кислота (2-гидроксипропановая кислота) является нормальным продуктом метаболизма и образуется из пировиноградной кислоты в анаэробных условиях в тканях скелетных мышц (25%), мозге (20%), коже (25%), эритроцитах (20%), лейкоцитах, слизистой оболочке тонкой кишки и мозговом веществе почек.

Преимущественно лактат метаболизируется в печени (60%), почках (30%), и лишь небольшое его количество утилизируется в других тканях (10%). Определение уровня лактата в крови предоставляет ценную информацию для дифференциального диагноза и менеджмента гиперлактемии при таких состояниях, как шок (септический, кардиогенный, гиповолемический, дистрибьютивный), при осложнении системных заболеваний (сахарный диабет (СД), алкоголизм, панкреатит, рак, инфекции), заболеваниях сердца, гипоксемии, тяжелой анемии, инфаркте кишечника, интерференции лекарственных препаратов, асфиксии новорожденных, физических нагрузках, редких врожденных нарушениях обмена веществ.

Эволюция представлений о лактате

Первое описание лактата относится к 1780 г., когда шведский аптекарь и химик Carl Wilhelm Scheele обнаружил его в кислом молоке. Новая кислота получила название mjоlksyra, что означает «молочная кислота». Период между открытием лактата (1780) и исследованием мышц W. Fletcher и F. Hopkins (1907) назван «эрой премолочной кислоты». В это время наиболее важным для физиологии был результат, полученный J. Berzelius в 1807 г. Он обнаружил повышение лактата в мышцах только что убитых оленей. Ученый сделал вывод о том, что количество молочной кислоты пропорционально нагрузке, которую выполняли мышцы. J. Berzelius полагал, что лактат, найденный в мышцах, аналогичен таковому, обнаруженному С. Scheele в 1780 г. в кислом молоке. Однако в 1848 г. H. Engelhardt, а затем в 1873 г. J. Wislicenus сообщили о различных свойствах молочной кислоты в мышцах и кислом молоке. Сейчас известно, что ткани человека и животных продуцируют почти исключительно L(+) лактат, в то время как микроорганизмы могут производить D(-) лактат или иногда комбинацию D(-) и L(+), что может привести к рацемическим смесям, например в ферментированном молоке (рис. 1).

Наличие лактата в крови человека при патологических состояниях после смерти впервые отметил Johann Joseph Scherer (1843). Он обнаружил повышенный уровень молочной кислоты в крови у двух женщин, умирающих от родильной горячки (послеродовый септический шок). Через несколько лет аналогичные данные были получены у пациентов с различными заболеваниями. В 1847 г. немецкий химик von Liebig (основатель мировой школы химии) отметил присутствие лактата в мышечной ткани у мертвых организмов. Вскоре после этого W. Fletcher и F. Hopkins обнаружили, что повышение лактата приводит к увеличению кислотности в мышцах и фактически связали это с данными, полученными ранее J. Berzelius. Лактатацидоз как клинический синдром был впервые описан W. Huckabee в 1958 г. – это повышение уровня лактата в крови вследствие его гиперпродукции или снижения элиминации, или сочетание этих факторов. После проведения ряда важных физиологических экспериментов были определены различные уровни лактата в крови и отношение лактат/пируват при различных кислорододефицитных состояниях, а также при экстремальных упражнениях, низком содержании кислорода в воздухе, с нарушением сердечного выброса. R. Cohen и H. Woods в 1976 г. выделили 4 типа лактатацидоза: А, В1, В2, В3.

Метаболизм лактата

Лактат является продуктом метаболического пути – гликолиза, состоящего из 10 стадий, катализируемых ферментами, находящимися в цитозоле клеток человека, где происходит окисление глюкозы без потребления кислорода, т. е. в анаэробных условиях. На последнем этапе гликолиза пируват восстанавливается до лактата с помощью фермента лактатдегидрогеназы (ЛДГ), а кофермент никотинамидадениндинуклеотида (NAD) окисляется до NAD⁺. При этом происходит выделение 2 молей аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая является основным источником энергии и используется клетками как топливо. В аэробных условиях пируват диффундирует в митохондрии клетки и через цикл Кребса продуцирует дополнительно 36 молей АТФ (рис. 2).

В клетках, которые не содержат митохондрий (например, эритроциты), пируват под действием ЛДГ превращается в лактат, который перемещается из клеток и транспортируется в другие ткани для производства энергии. В почках, сердце и печени лактат превращается обратно в пируват, а затем транспортируется в митохондрии для производства АТФ. Около половины образовавшегося лактата конвертируется в глюкозу (глюконеогенез), а половина окисляется до пирувата и далее метаболизируется по пути аэробного гликолиза. Обмен лактата и глюкозы между мышцами и печенью известен как цикл Кори или глюкозо-лактатный цикл. Избыточное количество лактата выделяется клетками в межклеточное вещество и поступает в кровь. Движение молочной кислоты между клетками и межклеточным веществом происходит благодаря существованию механизма межклеточного лактатного шунта (Cell-Cell Lactate Shuttle) (рис. 3).

В современной клинической практике измерение лактата обычно осуществляется у пациентов с целью выявления гипоксии тканей. Однако, учитывая метаболизм лактата и влияние различных заболеваний на метаболизм глюкозы, повышенные уровни лактата могут отражать значительно больший спектр патологических состояний пациента.

Клиническое использование лактата

Сепсис и септический шок

Измерение уровня лактата в крови особенно важно в случаях тяжелого сепсиса и септического шока. В этом контексте лактат используется для оценки тяжести заболевания, анализа ответа на лечение и дальнейшего прогноза. В соответствии недавним руководством Sepsis‑3 лактат, содержащийся в сыворотке >2 ммоль/л, должен быть включен в качестве нового критерия при клиническом определении септического шока. Эта рекомендация основана на том, что уровень лактата сильно и положительно коррелирует с тяжестью заболевания и смертностью при сепсисе. Так, в исследовании N. Shapiro и соавт. было обнаружено, что уровень лактата может правильно стратифицировать пациентов в соответствии со смертностью. Повышение уровней лактата при значениях 0-2,4, 2,5-3,9 и ≥4 ммоль/л ассоциировано со смертностью 4,9, 9,0 и 28,4% соответственно. Недавно опубликованные научные работы показывают, что высокие концентрации лактата могут быть предиктором смертности, в то время как снижение свидетельствует о благоприятном исходе. В связи с этим некоторые авторы предпочитают использовать термин «кинетика лактата», который больше отражает его продуцирование, чем клиренс.

Травма

Среди пациентов с травмой отмечается гипоперфузия, которая чаще всего связана с кровопотерей. Повышенные уровни лактата могут идентифицировать больных, у которых изначально нормальные показатели жизнедеятельности маскируются гипоперфузией ткани. Было обнаружено, что начальные уровни лактата значительно выше среди невыживших пациентов по сравнению с выжившими после травмы. Уровень увеличения лактата и его скорость выведения сильно коррелируют с риском полиорганной дисфункции и выживания после травмы.

Кардиогенный, обструктивный и геморрагический шок

У больных с дисфункцией миокарда, которая вызвала шок после операции на сердце, значительно повышен уровень лактата. Это связано в первую очередь с увеличением продуцирования последнего в тканях без снижения клиренса. У пациентов с кардиогенным шоком, которым требуется экстракорпоральная мембранная оксигенация, лактат является полезным параметром для прогнозирования смертности. Больные после инфаркта миокарда с кардиогенным шоком с подъемом сегмента ST имели неэффективный клиренс лактата (<10%) и более низкую выживаемость. Повышение уровней лактата также можно наблюдать при легочной эмболии. S. Vanni и соавт. показали, что увеличение лактата (>2 моль/л) связано с повышенной смертностью независимо от гемодинамического статуса и дисфункции правого желудочка. Геморрагический шок является еще одной причиной повышения уровня лактата. S. Akkose и соавт. измеряли уровни лактата у 60 пациентов, поступивших в отделение неотложной помощи, и обнаружили, что они были значительно повышены при травматическом и нетравматическом геморрагическом шоке по сравнению с контрольной группой.

Остановка сердца

Роль лактата была изучена при остановке сердца. Вероятной причиной повышения лактата в таком случае является ишемия из-за нарушения кровотока, а также воспаления в результате ишемически-реперфузионного повреждения. Этиология персистентного повышения лактата после остановки сердца включает системный воспалительный ответ и продолжающуюся гипоксию тканей, что вызывает кардиогенный шок, а также дисфункцию микроциркуляции. Смертность у пациентов после остановки сердца при исходном лактате <5 ммоль/л составила 39%, тогда как при начальном лактате >10 ммоль/л – 92%.

Судорожный припадок

Судороги (в зависимости от вида) могут привести к значительному повышению уровня лактата. Однако, что важно для клиницистов, это явление временное. Как только судороги прекращаются, содержание лактата возвращается к норме. Постоянно повышенный уровень лактата после судорог свидетельствует о сопутствующей причине заболевания и требует дальнейшего рассмотрения.

Чрезмерная мышечная активность

Уровни лактата увеличиваются при тяжелых физических нагрузках главным образом из-за анаэробного метаболизма глюкозы. А. Siegel и соавт. обнаружили, что уровень лактата был повышен у 95% участников марафона от 1,1 до 11,2 ммоль/л. Увеличенные цифры лактата при острой тяжелой астме могут объясняться (частично) интенсивной работой мышц. А. Rabbat и соавт. продемонстрировали, что повышенный уровень лактата часто встречается при тяжелой астме с увеличением в первые 6 ч после поступления пациента в медицинское учреждение. Однако они не обнаружили связь со смертностью или прогрессированием дыхательной недостаточности. Бета-агонисты, используемые для лечения астмы, могут играть роль в адренергической стимуляции. Тем не менее для установления этой связи необходимы дальнейшие исследования.

Спирты

Связь между увеличением уровня лактата и этанолом остается спорной, так как исследования показывают различные результаты. Хотя этанол может повышать уровень лактата в экспериментальных условиях, значимое повышение редко наблюдается у пациентов без каких-либо жалоб или сопутствующих заболеваний. Другие спирты, такие как пропиленгликоль, этиленгликоль и метанол, способствуют повышению лактата.

Дефицит тиамина

Тиамин служит кофактором для многих клеточных ферментов, включая пируватдегидрогеназу и α-кетоглутаратдегидрогеназу, компонентов, необходимых для цикла трикарбоновых кислот, и метаболизма углеводов в аэробных условиях. При отсутствии тиамина преобладает анаэробный метаболизм и увеличивается продуцирование лактата. Факторами риска недостаточности тиамина являются дефицит питательных веществ, алкоголизм, хронические заболевания печени, нервная анорексия, шунтирование желудка. Повышенный уровень лактата из-за дефицита тиамина часто упускается из виду, однако его необходимо учитывать.

Дисфункция печени

Печень является главным органом, ответственным за клиренс лактата. Поэтому при дисфункции печени может быть нарушен его клиренс. Кроме того, непосредственно сама печень при остром повреждении служит источником лактата. При этом клиницистам необходимо рассматривать другие причины его повышения.

Диабет

У пациентов с СД как первого, так и второго типов уровень лактата повышен в плазме натощак. Диабетические пациенты с ожирением имеют более высокий уровень лактата по сравнению с лицами с ожирением, но без диабета. А. Barnett и соавт. предположили, что связанная с диабетом гиперлактемия может быть ранним признаком начала заболевания. Аналогичные данные предыдущих исследований сообщают о повышенных концентрациях лактата на ранних стадиях диабета, преддиабета и гиперинсулинемии. Кроме того, М. Brouwers и соавт. обнаружили увеличение лактата у пациентов с плохо контролируемым СД 1 типа и гликогенной гепатопатией. Они пришли к выводу, что увеличение лактата является частью клинического спектра этого заболевания. Поэтому лактат может выступать как показатель раннего возникновения диабета. Механизмы, лежащие в основе диабетассоциированной гиперлактатемии, включают существенные изменения метаболизма внутриклеточной глюкозы в чувствительных к инсулину тканях (например, снижение синтеза гликогена, нарушение метаболизма окисления глюкозы и увеличение скорости неокислительного гликолиза). Инсулинорезистентность играет важную роль в патогенезе СД 2 типа и может быть использована в качестве раннего маркера для диагностики заболевания. Под инсулинорезистентным состоянием подразумевают высокий уровень инсулина, способствующий гликолизу через активацию двух ферментов, ограничивающих скорость, а именно фосфофруктокиназы и пируватдегидрогеназы. Таким образом, у пациентов с инсулинорезистентностью/диабетом проявляется повышенная активность гликолиза, что приводит к образованию NAD, пирувата и снижению уровня NAD+. Происходит превращение пирувата в лактат с помощью ЛДГ путем генерации NAD+ из NAD в окислительно-восстановительной реакции, которая усиливается инсулинорезистентностью, так как гиперинсулинемия вызывает усиленный гликолиз.

Рак

Общей чертой первичного и метастатического рака является повышение скорости гликолиза, что приводит к увеличению усвоения глюкозы и образованию лактата даже при нормальном содержании кислорода. Этот процесс известен как аэробный гликолиз или эффект Варбурга (описан в 1920-х гг. Варбургом). В дальнейшем экспериментальные исследования показали повышение гликолиза при раке и в нормоксических условиях. При пролиферации раковых клеток происходит переключение гликолиза на повышенное потребление глюкозы и накопление лактата.

К примеру, уровни лактата при раке шейки матки могут варьировать от 4 до 40 ммоль/л, в то время как физиологические значения составляют до 2 ммоль/л. Молекулярные механизмы, лежащие в основе активизации гликолиза при раке, до конца не ясны. Предполагается, что это результат нарушения клеточного дыхания, изменения онкогенов, избыточного метаболизма транспортеров и гликолитических ферментов, например транспортеров глюкозы и гексокиназ, которые являются решающими регуляторными молекулами для гликолиза.

Асфиксия новорожденных

Важной причиной неонатальной смертности и последующих неврологических нарушений у выживших новорожденных является перинатальная асфиксия, в результате чего наблюдаются долговременные неврологические нарушения, которые начинаются в первые дни жизни. В этот период очень важно идентифицировать высокий риск гипоксически-ишемической энцефалопатии для назначения нейропротекторной терапии. Вследствие затрудненной диагностики данного состояния большинство новорожденных с перинатальной асфиксией такое лечение не получают. Недавно было показано, что высокие уровни лактата в крови являются надежным инструментом для оценки тяжести асфиксии плода. Увеличение концентрации лактата после рождения – лучший предиктор тяжелой гипоксически-ишемической энцефалопатии.

Лекарственные препараты и токсические вещества

Ряд лекарственных средств и токсических агентов связаны с повышением уровня лактата в крови. К ним относят метформин, ацетаминофен, линезолид, β₂-агонисты, пропофол, адреналин, теофиллин, этанол, кокаин, угарный газ, цианиды. Клиницистам особое внимание следует обратить на метформин и алкоголь из-за их частого использования.

Методы измерения лактата

Нормальные цифры лактата в крови у взрослых составляют 0,5-2,2 ммоль/л. Клиническое значение имеет лишь повышение концентрации в крови. Например, при значительной физической нагрузке содержание лактата достигает уровня 10-15 ммоль/л, а у пациентов в критическом состоянии – 4,0-8,0 ммоль/л.

Уровни лактата в крови могут быть измерены с помощью различных приборов (биохимические анализаторы в центральной лаборатории, анализаторы газов крови, портативные приборы или Point of Care). На преаналитическом этапе следует обращать внимание на повышенный лейкоцитоз и гематокрит (эритроциты не имеют митохондрий). Поэтому такие образцы необходимо исследовать в течение 15 мин или хранить в т. н. ледяной бане, т. е. охлажденными до 1-4 °C, что позволяет в несколько раз снизить уровень метаболизма. Рекомендуется для определения лактата применять пробирки с фторидом, который является сильным ингибитором гликолиза. Кроме того, полученные конечные результаты при использовании различных типов крови (артериальная, венозная, капиллярная) не сильно отличаются друг от друга.

Впервые возможность определения лактата в крови млекопитающих продемонстрировал G. Gaglio в 1866 г. Он определял содержание молочной кислоты в крови собак и кроликов после вскрытия у них вен. Позже (1877) M. Berlinerblau подтвердил эти наблюдения у млекопитающих и впервые определил концентрацию  лактата в венозной крови человека. Тогда для анализа требовалось почти 200 мл крови (сейчас несколько микролитров). В 1941 г. S. Barker и W. Summerson предложили колориметрическое определение лактата в биологических пробах. В присутствии серной, фосфорной кислот и солей меди из лактата образуется уксусный альдегид, который реагирует с параоксидифенилом с образованием окрашенного в фиолетовый цвет соединения. Интенсивность окраски пропорциональна концентрации лактата в пробе, что регистрируют спектрофотометрически при длине волны 340 нм. Данный метод долгое время применялся в лабораторной практике, однако требовал длительной пробоподготовки и сложного аппаратного обеспечения.

На современном этапе для определения лактата используют коммерчески доступные наборы с колориметрическим ферментативным методом определения и биосенсорные методы.

Ферментативный колориметрический метод

Ферментативные методы определения лактата основаны на каталитическом действии ферментов лактатоксидазы и пероксидазы. Они просты в применении и обеспечивают высокую специфичность, точность и воспроизводимость.

Лактатоксидаза катализирует окисление молочной кислоты до пирувата и перекиси водорода. Затем пероксидаза катализирует реакцию перекиси водорода с донором водорода в присутствии 4-аминофеназона с образованием красителя. Интенсивность цвета, измеренная при 550 нм, пропорциональна концентрации лактата в образце.

Биосенсоры лактата

Методы для определения лактата с помощью биосенсоров являются сравнительно простыми, чувствительными, быстрыми и экономичными. Биосенсор представляет собой аналитическое устройство с элементом биологического распознавания, имеющего прямой пространственный контакт с преобразовательным элементом. Биосенсоры лактата разделяют на 5 основных классов: электрохимические, электрохемилюминисцентные, флуоресцентные, микрополосные, безреагентные.

Электрохимические биосенсоры в дальнейшем были классифицированы на потенциометрические и амперометрические. Потенциометрические лактатные биосенсоры измеряют накопление потенциала заряда на рабочем электроде по сравнению с электродом сравнения. Они имеют определенные недостатки, ведь на их работу влияют эндогенные ионы аммония крови или мочи. Также они отличаются низким пределом обнаружения и плохой стабильностью ферментативного электрода. Амперометрические биосенсоры измеряют ток, пропорциональный концентрации молочной кислоты. Эти биосенсоры имеют высокую чувствительность, низкую стоимость, быстро работают.

Электрохемилюминисцентные лактатные биосенсоры основаны на образовании Н₂О₂ из лактата с помощью ЛДГ и пируватоксидазы с использованием люминола для усиления сигнала. Работа этих биосенсоров зависит от рН и температуры. Они не обладают достаточной специфичностью и селективностью.

Флуоресцентные биосенсоры очень чувствительны и специфичны, но имеют недостатки. В случае использования органического флуоресцентного красителя происходит потеря химического сопряжения при конъюгировании с лактатом.

Микрополосные лактатные биосенсоры на основе углеродных микрополосных электродов изготавливаются из чернил на водной основе, которые легко обнаруживают Н₂О₂. Такие чернила с добавлением лактатоксидазы используются для создания микрополосных биосенсоров для определения лактата.

Безреагентные лактатные биосенсоры основаны на применении электрополимеризированной сополимерной пленки (5-гидрокси‑1,4-нафтохинон-со‑5-гидрокси‑3-уксусная кислота‑1,4-нафтохинон). Хининовая группа этого полимера электроактивна и действует как иммобилизованный медиатор для рециркуляции ферментов. Эти биосенсоры не требуют каких-либо реагентов, однако имеют определенные погрешности в работе из-за влияния молекулярного кислорода.

Существуют различные типы анализаторов для определения лактата:

• биохимические анализаторы (полуавтоматические, автоматические);
• анализаторы кислотно-основного состояния (с электродом для определения лактата);
• анализаторы глюкоза/лактат;
• анализаторы Point of Care.

Выводы

Повышенный уровень лактата наблюдается при многих клинических патологиях, что подвергает пациентов значительному риску развития болезни и служит предиктором смертности. Измерение уровня лактата (кроме отделений реанимации и неотложной терапии) рекомендуется при рутинных лабораторных исследованиях, так как данный лабораторный тест может помочь в дифференцировке диагноза больного.

Список литературы находится в редакции.

Медична газета «Здоров’я України 21 сторіччя» № 3 (448), лютий 2019 р.