Acidobazická rovnováha a její vztahy k iontovému hospodářství. Klinické aplikace.

Transkript

1 Text použit s laskavým svolením autora. Acidobazická rovnováha a její vztahy k iontovému hospodářství. Klinické aplikace. Antonín Jabor Oddělení klinické biochemie Nemocnice Kladno Část 1. Relevantní parametry pro posouzení acidobazického stavu. Historický vývoj, obsolentní a racionální ukazatele Rozvoj měření a klinického využívání základních acidobazických parametrů je v Evropě spojen s epidemií poliomyelitidy v letech , úsilím profesora Poula Astrupa o klinickou aplikaci stanovení ph (a pco 2 ekvilibrací, poprvé prezentováno 1958) v krvi, vývojem elektrody pro přímé měření pco2 (Stow a Severinghaus, rovněž prezentováno 1958) a teoretickými pracemi Ole Siggaard-Andersena týkajících se base excess (poprvé 1960) jako deskriptoru metabolické komponenty acidobazického nálezu. Známý spojnicový nomogram Siggaard-Andersena pochází z roku 1963 a interpretační graf oblastí z roku Je nutné zmínit technický přínos kodaňské firmy Radiometer, zakladatelé firmy a jejich sourozenci se přímo podíleli na vývoji prvních aparátů. Evropa se rychle seznamovala s přístupy běžnými ve Spojených státech, kde byl koncept base excessu podroben kritice (velká transatlantická debata) a později zájem o acidobazickou problematiku probíhal ve vlnách většího a menšího zájmu, indukovanými hlavně technickými novinkami. V posledním desetiletí dvacátého století je technicky vyřešeno a prakticky využíváno společné stanovení acidobazických ukazatelů, parametrů oxygenace, iontového složení plazmy a vybraných metabolitů. Řada ukazatelů se díky historickým souvislostem definičně i interpretačně multiplikovala. Pokusíme se proto množinu používaných ukazatelů redukovat na parametry s nejvyšší klinickou vypovídací hodnotou. a. ph nebo aktivita (koncentrace) vodíkových iontů? Tradiční ukazatel ph představuje sumární parametr acidobazického stavu, výslednici všech acidifikujících a alkalizujících dějů, ať již jsou respiračního nebo metabolického původu. Hooper (Hooper, 1998?) však obhajuje používání aktivity (resp. koncentrace) H + jako vhodnějšího parametru.

2 Tabulka 1 Vztah mezi koncentrací H + a ph Koncentrace H + ph (nmol/l) 20 7, , , , , , ,10 Rovnoměrná dekadická stupnice u koncentrace H+ pravděpodobně lépe ukazuje tíži děje, na druhé straně je interpretace ph tak zakořeněna, že Hooperovo doporučení nelze aplikovat. Otázku tedy řešíme ve prospěch ph. b. HCO 3 - aktuální nebo HCO 3 - standardní? HCO 3 - aktuální je funkcí ph a p a CO 2 a získává se výpočtem z Hendersonovy Hasselbalchovy rovnice. Je součástí sloupce anionů, je nutný pro výpočet korigovaného anion gap (korekce na albumin), je nutný pro výpočet efektivního SID: SID effective = [HCO 3 - ] + [Alb x- ] + [P y- ]. Na druhé straně je pro samostatné posuzování metabolické komponenty nevhodný a pro terapeutické zásahy nepoužitelný. HCO 3 - standardní představuje teoretickou koncentraci hydrogenuhličitanu při normálním parciálním tlaku CO2. Je vysoce korelován s hodnotou base excess a proto jej lze považovat za obsolentní parametr. Otázku řešíme ve prospěch aktuálního HCO 3 -. c. Base excess krve, base excess plazmy nebo base excess extracelulární tekutiny? Teoretické podklady shrnuje Siggaard-Andersen, stručně jsou uvedeny ve vlastní monografii (Jabor, 1999). Stručně lze uvést, že base excess (BE, mmol/l) krve se vypočte pro aktuální hodnotu koncentrace hemoglobinu v plné krvi, BE plazmy pro nulovou koncentraci hemoglobinu a BE extracelulární tekutiny pro modelovou extracelulární tekutinu zahrnující krev i intersticium. Kvantitativní rozdíl mezi base excess krve a extracelulární tekutiny můžeme demonstrovat na příkladu akutní hyperkapnie, údaje jsou v tabulce 2.

3 Tabulka 2. Efekt výpočtu BE(ECT) při akutní hyperkapnii (aspirace u novorozence, porod 14:00 hodin). 14:45 17:30 22:00 ph 7,18 7,33 7,37 pco 2 9,3 6,3 5,7 (kpa) BE(krev) -6,6-2,0-0,9 (mmol/l) BE(ECT) -2,0-1,0 0,0 (mmol/l) Hemoglobin (g/l) Zatímco BE(krve) signalizuje v prvním nálezu kombinaci respirační a metabolické acidózy, BE(ECT) je v mezích. Důvodem pro rozdíl v hodnotě BE je redistribuce HCO 3 - mezi krví a slabě pufrovanou intersticiální tekutinou, způsobená hyperkapnií. Modelovou extracelulární tekutinou se míní hypotetická tekutina, jež vznikne zředěním jednoho objemu krve dvěma objemy její vlastní plazmy. Base excess extracelulární tekutiny představuje ideální ukazatel sumární metabolické komponenty. Vypočte se podle rovnice BE(ECT) = HCO ,2 + ß ecf * (ph 7,40) kde ß ecf = 16,2 mmol/l, pufrová hodnota nebikarbonátových pufrů v extracelulární tekutině. Ty jsou určeny zejména proteiny (albuminem) a proto použití konstanty nevyhovuje se stavech, kdy se vyskytuje hypoalbuminémi. Referenční meze jsou pro všechny typy base excess stejné, tj. 2,5 až +2,5 mmol/l (uvádí se též norma 2 až +2 mmol/l). Otázku řešíme ve prospěch base excess extracelulární tekutiny, ve shodě s doporučením expertního panelu IFCC. d. Anion gap nebo korigovaný anion gap? Anion gap (anionové okno) je jedním z tradičních ukazatelů metabolické acidobazické komponenty. Nejprve ale rozřešíme další problém: jaký anion gap? Jsou totiž dva postupy pro výpočet. První výpočet anion gap (AG, mmol/l), používaný více v Evropě AG = [Na + ] + [K + ] - ([Cl - ] + [HCO 3 - ]), druhý, bez (relativně konstantní) koncentrace kaliového kationu AG = [Na + ] - ([Cl - ] + [HCO 3 - ], používaný více v USA.

4 Anion gap je ukazatelem metabolické acidobazické poruchy, v uvedeném provedení však selhává u hypoproteinemie (resp. hypoalbuminemie). U hypoalbuminemie klesá koncentrace albuminátu (z hlediska elektroneutrality je albumin slabou kyselinou) a tento prostor je obsazen zvýšenou koncentrací HCO 3 -, takže bez přítomnosti zvýšených neměřených anionů se anion gap snižuje! Vyskytuje-li se ale současně acidifikující anion (laktát, ketolátky apod.), anion gap tuto poruchu neodhalí. Proto se doporučuje korekce AG na hypoalbuminemii (Figge, 1998): AG corrected = AG + 0,25 * ([Alb] normal - [Alb] measured ) kde [Alb] normal a [Alb] measured představují normální, resp. měřenou koncentraci albuminu v plazmě v g/l. Otázku řešíme ve prospěch korigovaného anion gap, pokud je z tradičních důvodů vyžadován. Při využívání modelu elektroneutrality plazmy je však tento ukazatel nadbytečný. e. Reziduální aniony nebo neměřené aniony? Dalším tradičním ukazatelem metabolické acidobazické komponenty jsou tzv. reziduální aniony (RA, mmol/l) (Kazda, 1984). Počítají se podle rovnice RA = [Na + ] + [K + ] + [Ca ++ ] + [Mg ++ ] ([Cl - ] + [HCO 3 - ] + [Prot x- ]), kde [Prot x- ] představuje náboj na proteinech vypočtený z ph krve a koncentrace celkových proteinů v séru [Prot] podle vztahu [Prot x- ] = (ph 5,08) * 0,104 * [Prot], zatímco neměřené aniony (UA, unmeasured anions, mmol/l) se počítají podle vzorce [UA - ] = [Na + ] + [K + ] + [Ca ++ ] + [Mg ++ ] ([Cl - ] + [HCO 3 - ] + [Alb x- ] + [Pi y- ]) kde [Alb x- ] a [Pi y- ] představují náboje albuminu, resp. fosfátů (viz dále). Jak však ukážeme dále, jsou neměřené aniony součástí modelu elektroneutrality plazmy. Do podobného kontextu reziduální aniony nezapadají, jsou separovaným pokusem lépe řešit metabolickou komponentu acidobazického obrazu, než je schopen provést anion gap. Reziduální aniony byly opodstatněné v době před korigováním anion gap. Z tohoto hlediska je samozřejmě jednodušší a spolehlivější korekce AG než výpočet RA. Otázku proto jednoznačně řešíme ve prospěch neměřených anionů. f. Buffer base séra nebo diference silných iontů? Buffer base séra (BBS, pufrové báze séra, mmol/l) jsou klasickým ukazatelem metabolické acidobazické komponenty: BBS = [Na + ] + [K + ] [Cl - ]

5 a prakticky (při zanedbání koncentrace kalcia a magnezia, které lze případně nahradit konstantou) odpovídají parametru, který Fencl (Fencl, 1993) označuje jako SID apparent (SID je Strong Ion Difference, diference silných iontů, mmol/l): SID apparent = [Na + ] + [K + ] + [Ca ++ ] + [Mg ++ ] - [Cl - ] Mnohem významnější je však efektivní diference silných iontů, SID effective SID effective = [HCO 3 - ]+[Alb x- ]+[Pi y- ] kde [Alb x- ] a [Pi y- ] představují náboje albuminu, resp. fosfátů (viz dále). Na rozdíl od BBS a SID apparent nezahrnuje SID effective neměřené aniony (UA) a není tedy zkreslen přítomností žádného silného anionu. Z uvedeného je zřejmé, že kladení rovnítka mezi BBS a SID je přinejmenším nepřesné, neuvede-li se, o jaký typ SID se jedná. Dále, význam BBS a SID apparent je malý. Otázku řešíme ve prospěch efektivního SID. g. Chlorid nebo korigovaný chlorid? Multifunkční acidobazické analyzátory nabízejí možnost přímého měření koncentrace sodného a chloridového iontu. Při poruchách hydratace je však nutné posoudit, zda je odchylka koncentrace chloridů proti normě způsobena změnou hydratace (tedy paralelně se změnou sodného kationu) nebo metabolickou acidobazickou poruchou (primární změna chloridového anionu, kterou může maskovat změna hydratace). Fencl (Fencl, 1993) proto doporučuje korigovat koncentraci chloridového anionu ([Cl - ] corrected, mmol/l) takto: [Cl - ] corrected = [Cl - ] measured * [Na + ] normal / [Na + ] measured kde jsou všechny hodnoty v mmol/l. Otázku řešíme ve prospěch korigovaných chloridů. h. pco 2 nebo total CO 2 Není nejmenších pochyb, že parametr total CO 2 je redundatní. Jedná se o sumární ukazatel respirační (pco 2 ) i metabolické (HCO 3 - ) složky. Z tohoto hlediska total CO 2 nemůže přispět k identifikaci jednotlivých acidobazických poruch. Otázku nelze řešit jinak než ve prospěch pco 2.

6 Část 2. Model elektroneutrality plazmy jako základ moderní interpretace acidobazických poruch Elektroneutralitu plazmy lze za ideálních okolností popsat rovnicí [Na + ] + [K + ] + [Ca ++ ] + [Mg ++ ] + [H + ] = [OH - ] + [Cl - ] + [HCO 3 - ] + [CO 2 -- ] + [Alb x- ] + [Pi y- ] Koncentrace [H + ], [OH - ] a [CO 2 -- ] jsou v plazmě zanedbatelné (nanomolární), rovnice navíc předpokládá neexistenci dalších anionů. Ty se však i za fyziologických situací vyskytují, v zájmu zachování elektroneutrality obvykle na úkor hydrogenuhličitanového anionu. Tyto aniony označujeme jako neměřené (UA, unmeasured anions) a rovnice elektroneutrality je potom následující: [Na + ] + [K + ] + [Ca ++ ] + [Mg ++ ] = [Cl - ] + [HCO 3 - ] + [Alb x- ] + [Pi y- ] + [UA - ] Symboly elektrolytů jsou jasné, [Alb x- ] popisuje stav, kdy na molekule albuminu převládá určitý počet negativních nábojů, podobně [Pi y- ] reprezentuje počet fosfátových negativních nábojů (obě hodnoty závisejí na ph, viz dále). Diference silných iontů (SID apparent, mmol/l) je rozdíl mezi silnými kationy (levá strana výše uvedené rovnice) a chloridovým anionem, výpočet jsme uvedli výše. Protože se však i za fyziologických okolností vyskytuje určitá koncentrace dalších silných iontů (sumárně jako [UA - ]), má praktický význam efektivní diference silných iontů (SID ef ). Efektivní diferenci silných iontů (v mmol/l) získáme zmenšením SID o hodnotu [UA - ]: SID effective = [Na + ] + [K + ] + [Ca ++ ] + [Mg ++ ] - [Cl - ] - [UA - ] Pokud si představíme sloupce kationů a anionů, které musejí být v rámci elektroneutrality stejně vysoké, jedná se o prostor tvořený hydrogenuhličitanem (HCO 3 - ), aniony albuminu a anorganického fosfátu. Neměřené aniony (unidentified, unmeasured anions, mmol/l) jsme definovali výše. Slabé netěkavé kyseliny (jako třetího reprezentanta nezávislých acidobazických proměnných) představuje parametr A tot, tedy suma látkových koncentrací negativních nábojů albuminu a anorganického fosforu. Počet negativních nábojů na molekule albuminu v mmol/l ([Alb x- ], Alb je koncentrace albuminu v plazmě v g/l, ph je ph krve) se vypočte podle rovnice: [Alb x- ] = (ph - 5,17) * 0,125 * Alb Počet negativních nábojů anorganického fosfátu v mmol/l ([Pi y- ] v mmol/l, P je plazmatický fosfor v mmol/l) se vypočte podle rovnice: [Pi y- ] = P * (ph * 0,309 0,469) Uvedené závislosti platí, pokud nejsou přítomny neměřené kationy (lithium, paraproteiny) nebo aniony (např. halogenové prvky).

7 Část 3. Klinické aplikace Základní klasifikace acidobazických poruch Z modelu elektroneutrality vychází klasifikace acidobazických poruch, jak ji uvádí Fencl (Fencl, 1993) na základě práce Stewarta (Stewart, 1983). Vychází se ze změn tzv. nezávislých acidobazických proměnných, kterými jsou pco 2, SID a A tot (A tot představuje sumu slabých netěkavých kyselin, jak byla uvedena výše). Podle tohoto přístupu se příčiny primárních poruch dělí na tři skupiny: 1. Změny poměru ventilace a perfúze s následnými změnami pco 2 vedou respirační acidóze (hyperkapnii), respirační alkalóze (hypokapnii). 2. Změny SID mohou vést k acidifikaci i alkalizaci organismu. Snížení SID Acidóza se snížením SID je způsobena zvýšením chloridů, zvýšením organických i anorganických kyselin, dilucí plazmy čistou vodou (vzniká hyponatrémie). Zvýšení SID Alkalózu se zvýšením SID způsobuje zejména snížení chloridů (a. renálního původu, b. extrarenálního původu, c. při pozitivní zevní bilanci Na + ), ztráta čisté vody (vzniká hypernatrémie). 3. Změny slabých netěkavých kyselin představují nejčastěji hypoproteinemická (hypoalbuminemická) metabolická alkalóza a acidóza ze zvýšení fosfátů (např. při oligurickém renálním selhání). Příklady využití uvedeného přístupu při hodnocení kombinovaných poruch ukazují následující kazuistiky. V jednotlivých tabulkách jsou podbarveny nálezy výrazněji překračující referenční meze (se vztahem k acidobazické rovnováze).

8 Chronická obstruktivní choroba bronchopulmolání, bronchopneumonie, srdeční městnání Měřené hodnoty Vypočtené hodnoty Na mmol/l - HCO 3 33 mmol/l K + 4,8 mmol/l AG measured 7 mmol/l Ca 1,7 mmol/l AG corrected 15 mmol/l Mg 0,8 mmol/l BE pl +9 mmol/l Cl mmol/l BE ecf +10 mmol/l Pi 0,9 mmol/l SID 39 mmol/l Albumin 15 g/l Cl - corrected 105 mmol/l ph 7,45 UA - corrected 9 mmol/l pco 2 6,6 kpa acidifikující poruchy: alkalizující poruchy: hyperkapnie při základním onemocnění hypoalbumiemie Jediným zdrojem závažné MALK (BE +9 mmol/l) je hypoalbuminemie. Není jiná metabolická porucha (normální SID, Cl -, Na +, UA, AG corrected ). Běžně se vyskytující hypochlorémie v rámci renální kompenzace respirační acidózy se nevyvinula vzhledem k alkalizující hypoalbuminémii.

9 Srdeční zástava, kardiopulmonální resuscitace, hypoxická encefalopatie MĚŘENÉ HODNOTY VYPOČTENÉ HODNOTY Na mmol/l - HCO 3 25,5 mmol/l K + 3,6 mmol/l AG measured 16 mmol/l Ca 2,1 mmol/l AG corrected 25 mmol/l Mg 1,1 mmol/l BE pl +2 mmol/l Cl mmol/l BE ecf +3,5 mmol/l Pi 0,5 mmol/l SID 29 mmol/l Albumin 9 g/l CL - corrected 108 mmol/l ph 7,55 UA - corrected 17 mmol/l pco 2 3,7 kpa acidifikující poruchy: alkalizující poruchy: zvýšené UA deficit vody, hypoalbuminemie, hypokapnie Nejedná se o respirační alkalózu s minimální metabolickou poruchou. Není nadbytek chloridů, jak by se dalo soudit z koncentrace Cl (po korekci na dehydrataci je Cl normální). Na závažnou metabolickou acidózu neukazuje žádný z tradičních dopočítaných ukazatelů (AG, HCO 3 -, base excess), od normy jsou ve smyslu acidózy odchýleny pouze neměřené aniony, korigovaný anion gap a efektivní SID.

10 Diabetická ketoacidóza MĚŘENÉ HODNOTY VYPOČTENÉ HODNOTY Na mmol/l - HCO 3 23,5 mmol/l K + 3,5 mmol/l AG measured 20 mmol/l Ca 2,0 mmol/l AG corrected 26 mmol/l Mg 0,8 mmol/l BE pl 0 mmol/l Cl - 90 mmol/l BE ecf +1 mmol/l Pi 0,9 mmol/l SID 31 mmol/l Albumin 20 g/l CL - corrected 98 mmol/l ph 7,50 UA - corrected 20 mmol/l pco 2 4 kpa acidifikující poruchy: alkalizující poruchy: zvýšené UA, nadbytek vody deficit Cl, hypoalbuminemie Nejedná se o jednoduchou respirační alkalózu. Na podíl výrazné metabolické acidózy neukazuje žádný z tradičních dopočítaných ukazatelů (AG, HCO 3 -, base excess), od normy jsou ve smyslu acidózy odchýleny naopak neměřené aniony, korigovaný anion gap a efektivní SID. Tato složka metabolické acidobazické poruchy je ale vyvážena podíle metabolické alkalózy s hypoalbuminemie a deficitu chloridů.

11 Kraniocerebrální trauma, bezvědomí, akutní renální selhání Měřené hodnoty Vypočtené hodnoty Na mmol/l - HCO 3 25,5 mmol/l K + 3,9 mmol/l AG measured 15 mmol/l Ca 2,1 mmol/l AG corrected 24 mmol/l Mg 0,8 mmol/l BE pl +1 mmol/l Cl - 96 mmol/l BE ecf +1 mmol/l Pi 0,4 mmol/l SID 29 mmol/l Albumin 10 g/l CL - corrected 103 mmol/l ph 7,36 UA - corrected 19 mmol/l pco 2 6 kpa acidifikující poruchy: alkalizující poruchy: zvýšené UA, nadbytek vody, hyperkapnie hypoalbuminemie, hypofosforemie Vzhledem k normálnímu BE by se hodnotilo jako jednoduchá respirační acidóza! Není deficit chloridů, jak by se mohlo zdát z koncentrace Cl! Hyperfosforemie typická pro chronické renální selhání se v tomto případě nerozvinula.

12 Cirhóza jater, krvácení z jícnových varixů Měřené hodnoty Vypočtené hodnoty Na mmol/l - HCO 3 24 mmol/l K + 5,2 mmol/l AG measured 8 mmol/l Ca 1,6 mmol/l AG corrected 16 mmol/l Mg 0,5 mmol/l BE pl 0 mmol/l Cl - 98 mmol/l BE ecf 0 mmol/l Pi 0,9 mmol/l SID 29 mmol/l Albumin 13 g/l CL - corrected 111 mmol/l ph 7,40 UA - corrected 8 mmol/l pco 2 5,2 kpa acidifikující poruchy: alkalizující poruchy: nadbytek vody, nadbytek chloridů hypoalbuminemie Nadbytek chloridů ukazují pouze korigované chloridy! Tradiční parametry (BE) metabolickou poruchu neukazují!

13 Závěry Předložené sdělení hodnotí běžně využívané acidobazické ukazatele a navrhuje množinu relevantních parametrů. Ty jsou uvedeny v závěrečné tabulce spolu s referenčními mezemi pro jejich hodnocení. Určitou výjimku v tabulce tvoří korigovaný anion gap, jehož používání mezi ostatními parametry je zbytečné a pro detekci patologicky zvýšených silných anionů je vhodnější výpočet neměřených anionů. V práci se nezabýváme parametry oxygenace. Proto v tabulce není žádný z potřebných ukazatelů uveden. Možné parametry pro hodnocení acidobazických poruch a skupina navržených relevantních ukazatelů. MOŽNÉ PARAMETRY ph aktivita (koncentrace) vodíkových iontů pco 2 total CO 2 HCO - 3 aktuální HCO - 3 standardní Base excess krve base excess plazmy base excess extracelulární tekutiny Anion gap korigovaný anion gap Reziduální aniony neměřené aniony Buffer base séra diference silných iontů Chlorid korigovaný chlorid RELEVANTNÍ PARAMETRY (referenční rozmezí) ph (7,36 7,44) pco 2 (4,9 5,7 kpa) HCO 3 - aktuální (22 26 mmol/l) Base excess extracelulární tekutiny (-2,5 +2,5 mmol/l) (Korigovaný anion gap) (13 17 mmol/l) Neměřené aniony (6 10 mmol/l) Efektivní diference silných iontů (38 40 mmol/l) Korigovaný chlorid ( mmol/l)

14 Literatura Fencl, V., Leith, D.E.: Stewart s quantitative acid-base chemistry: Applications in biology and medicine. Respir. Physiol., 91, 1993, s Figge, J., Mydosh, T., Fencl, V.: Serum proteins and acid-base equilibria: a follow up. J. Lab. Clin. Med., 120, 1992, s Figge, J., Jabor, A., Kazda, A., Fencl, V.: Anion gap and hypoalbuminemia. Crit. Care Med., 26, 1998, č. 11, s Hooper, J., Marshall, W.J., Miller, A.L.: Long-jam in acid-base education and investigation: why make it so difficult? Ann. Clin. Biochem., 35, 1998, s Jabor, A.: Voda, ionty a modelování poruch vnitřního prostředí. STAPRO, s.r.o., Pardubice, 1999, ISBN , 162 stran. Kazda, A.: Monitorování vnitřního prostředí v intenzívní a resuscitační péči. Avicenum, Praha, 1984.