Parametry, které odrážejí obsah oxidu uhličitého v krvi

všechny tkáňové buňky závisí na aerobním metabolismu pro generování energie (ve formě adenosin trifosfátu, ATP) potřebné pro přežití a funkci. Tento zásadně životně důležitý mitochondriální proces je charakterizován spotřebou kyslíku a produkcí oxidu uhličitého,který se může během cvičení pohybovat od přibližně 200 mL/min v klidovém stavu až po více než pětinásobek této rychlosti.

konečným osudem tohoto oxidu uhličitého je eliminace z těla ve vyčerpaném vzduchu a důležitou funkcí krve je transport oxidu uhličitého z tkáňových buněk do plic.

pochopení tohoto transportního procesu závisí na zhodnocení toho, co se rozumí parciálním tlakem plynu, jakož i na některých základních fyzikálních zákonech, kterými se řídí rozpustnost a pohyb (difúze) plynů.

CO JE PARCIÁLNÍ TLAK PLYNU?

množství plynu v systému, včetně biologických systémů, je definováno tlakem, který vyvíjí, tradičně měřeno jako výška sloupce rtuti (mmHg). Tím, že říkáme, že atmosférický tlak je 760 mmHg, máme na mysli, že plyny (kyslík, dusík a oxid uhličitý) ve vzduchu, který dýcháme, mají kombinovaný tlak dostatečný k podpoře standardního sloupce rtuti o výšce 760 mm.

tento celkový tlak je jednoduše součtem parciálních tlaků každého složeného plynu. Jelikož tedy vzduch obsahuje přibližně 20% kyslíku, 79% dusíku a 0.03 % oxid uhličitý, parciální tlak kyslíku (pO2) v inspirovaném vzduchu je přibližně (20 x 760) / 100 = 152 mmHg a parciální tlak oxidu uhličitého (pCO2) je (0,03 x 760) / 100 = 0,2 mmHg.

jednotkou tlaku systeme internationale (SI), která se používá v klinických laboratořích mimo Severní Ameriku, je kilopascal (kPa). Konverzní faktor 0.133 lze použít k převodu mmHg na kPa.

rozpustnost a difúze plynů

Henryho zákon říká, že v rovnováze je množství plynu rozpuštěného v kapalině úměrné parciálnímu tlaku tohoto plynu, pokud je teplota konstantní:

rozpuštěný plyn = parciální tlak (p) x koeficient rozpustnosti (s)

kde S je konstanta závislá na teplotě pro daný plyn. Koeficient rozpustnosti pro oxid uhličitý při tělesné teplotě je 0,23 mmol / L / kPa (nebo 0,03 mmol / mmHg). Protože arteriální pCO2 je přibližně 5.3 kPa (40 mmHg), množství CO2 rozpuštěného v arteriální krvi (dCO2) je (5, 3 x 0, 23) nebo 40 x 0, 03) = 1, 2 mmol/l.

pohyb (difúze) plynů je z velké části určen koncentračními gradienty. Plyn difunduje z vysokého parciálního tlaku na nízký parciální tlak .

TRANSPORT oxidu uhličitého z tkáňových buněk do plic

cesta oxidu uhličitého (obrázek 1a) začíná v mitochondriu tkáňových buněk, kde se produkuje. Vzhledem k převládajícímu koncentračnímu gradientu difunduje oxid uhličitý z mitochondrií (kde je pCO2 nejvyšší) přes cytoplazmu, ven z buňky a do kapilární sítě.

obrázek 1a: CO2 v tkáních

Klikněte pro zvětšení

trochu CO2 přicházejícího do krve z tkáňových buněk zůstává fyzicky rozpuštěno v krevní plazmě (viz výše) a ještě menší podíl se váže na NH2 (amino) koncové skupiny plazmatických proteinů, které tvoří tzv. karbaminové sloučeniny. Většina však difunduje koncentrační gradient do červených krvinek.

něco z toho zůstává rozpuštěno v cytoplazmě červených krvinek a některé jsou volně vázány na aminokončinové skupiny redukovaného hemoglobinu tvořící karbamino-Hb. Většina oxidu uhličitého přicházejícího do červených krvinek je však rychle hydratována na kyselinu uhličitou izoformou červených krvinek enzymu karboanhydrázy. Při fyziologickém pH se téměř všechny (96 96 %) této kyseliny uhličité disociují na hydrogenuhličitanové a vodíkové ionty:

rovnice 1:

vodíkové ionty jsou pufrovány redukovaným hemoglobinem a většina bikarbonátových iontů přechází z červených krvinek do plazmy výměnou za chloridové ionty (tento tzv. Z výše uvedeného je zřejmé, že většina oxidu uhličitého je transportována jako hydrogenuhličitan (převážně v krevní plazmě), ale celkem existují čtyři způsoby transportu CO2 :

• 90 % je transportován jako hydrogenuhličitan v plazmě (65 %) a červených krvinkách (25 %)
• 5 % je transportován fyzicky rozpuštěný v plazmě a cytoplazmě červených krvinek
• 5 % je transportováno volně vázáno na hemoglobin v červených krvinkách a

celkový obsah oxidu uhličitého v krvi je součtem těchto čtyř složek.

v rámci mikrovaskulatury plic (obrázek 1b) parciální tlakový gradient přes alveolární membránu určuje, že rozpuštěný CO2 přechází z krve do alveol. Tato ztráta oxidu uhličitého z krve podporuje zvrácení výše popsaných reakcí červených krvinek.

bikarbonát tak přechází z plazmy do červených krvinek a pufruje vodíkové ionty uvolněné z hemoglobinu, protože je okysličován. Obrácení karboanhydrázy reakce, má za následek produkci CO2, který difunduje z červených krvinek do plazmy a dále do alveol.

smíšená žilní krev přicházející do plic má celkový obsah CO2 přibližně 23,5 mmol / L (nebo 52 mL/dL), zatímco arteriální krev opouštějící plíce má celkový obsah CO2 21,5 mmol/L (48 mL / dL).

tento arterio-venózní rozdíl (2 mmol/L nebo 4 mL/dL) představuje množství CO2 přidaného do krve z tkáňových buněk a ztraceného z krve při průchodu plicní mikrovaskulaturou, které se nakonec vylučuje z těla vypršeným vzduchem.

obrázek 1b: CO2 v plicích

Klikněte pro zvětšení

oxid uhličitý a PH krve

kyselý potenciál CO2 díky své hydratační reakci na kyselinu uhličitou (viz výše uvedená rovnice 1) zajišťuje, že jeho koncentrace v krvi je hlavním determinantem pH krve. Jak koncentrace CO2 stoupá, tak i koncentrace vodíkových iontů (H+). Regulace krevního CO2, která odpovídá rychlosti eliminace CO2 v vypršeném vzduchu rychlosti produkce v mitochondriu tkáňových buněk, která je nezbytná pro udržení normálního pH krve, je záležitostí dýchacího systému.

rychlost dýchání (řízená chemoreceptory citlivými na pCO2 umístěnými v mozkovém kmeni a krční tepně) se zvyšuje, pokud pCO2 stoupá a klesá, pokud pCO2 klesá. Zvýšená respirační frekvence (dechy/min) vede ke zvýšené rychlosti eliminace CO2 a snížená respirační frekvence podporuje retenci CO2.

vztah mezi pH a oxidem uhličitým je popsán formou hendersonovy-Hasselbachovy rovnice (rovnice 2). To je odvozeno z aplikace zákona hromadného působení na hydratační a disociační reakce popsané v rovnici 1 .

rovnice 2:

kde

pK/1	=	‚zdánlivá‘ disociační konstanta kyseliny uhličité = 6.1
	=	koncentrace hydrogenuhličitanu plazmatického (mmol / L)
v	=	koeficient rozpustnosti CO2 při 37 oC (0,23, je-li pCO2 měřeno v kPa, nebo 0,03, je-li pCO2 měřeno v mmHg)
PCO 2	=	parciální tlak pCO2 (kPa nebo mmHg)

jak již bylo vysvětleno, jmenovatelem v této rovnici (S x pCO2) je množství rozpuštěného oxidu uhličitého (dCO2) mmol/l.
odstraněním všech konstant lze rovnici 2 zjednodušit na:

rovnice 3:

pH ∞ / pCO2

pH krve tedy závisí na poměru koncentrace hydrogenuhličitanu v plazmě (metabolická složka) k pCO2 (respirační složka). Pokud se tedy pCO2 zvyšuje bez ekvivalentního zvýšení hydrogenuhličitanu, PH klesá. Naopak pokud pCO2 klesá bez ekvivalentního poklesu hydrogenuhličitanu, pH stoupá.

reverzní vztah platí pro koncentraci hydrogenuhličitanu viz zvýšené HCO3 – = zvýšené pH; snížený hydrogenuhličitan = snížené pH.

bikarbonát je princip pufru v krvi a jeho koncentrace v určitém čase odráží rovnováhu mezi koncentrací produkovanou z CO2 a koncentrací spotřebovanou v pufru vodíkových iontů (H+) (viz rovnice 1).

v laboratoři-definice parametrů CO2

parametry CO2 generované analyzátorem krevních plynů jsou:

• parciální tlak oxidu uhličitého (pCO2) (kPa/mmHg)
• plazmatická koncentrace hydrogenuhličitanu (HCO3 -) (mmol/L)
• plazmatická celková koncentrace oxidu uhličitého (ctCO2) (mmol / L)

poslední z nich, ctCO2, lze také měřit v plazmě nebo séru chemickými metodami nezávislými na analyzátoru krevních plynů.

parciální tlak oxidu uhličitého pCO2

tento parametr je měřítkem tlaku vyvíjeného touto malou částí (≈5 %) celkového oxidu uhličitého v krvi, která zůstává v plynném stavu, “ rozpuštěná ve vodné fázi plazmy a cytoplazmy krevních buněk. Měření se provádí pomocí CO2 specifické pH elektrody zabudované do analyzátorů krevních plynů.

ve zdraví se pCO2 arteriální krve udržuje v rozmezí 4,7-6,0 kPa (35-45 mmHg); pCO2 žilní krve je o něco vyšší 5,6-6,8 kPa (41-51 mmHg).

koncentrace hydrogenuhličitanu (HCO3 -)

Toto je množství hydrogenuhličitanu v jednotkovém objemu plazmy. Jak již bylo uvedeno, jedná se o formu, ve které je většina oxidu uhličitého (90 %) transportována v krvi. Tento parametr nelze měřit, ale je generován výpočtem během analýzy krevních plynů. Použitým výpočtem je přeskupení rovnice 2:

rovnice 4:

log = pH + log (S x pCO2) – pK/1

a závisí na hodnotách pH a pCO2, které se měří během analýzy krevních plynů.

teoreticky je hydrogenuhličitan plazmatický rozdíl mezi celkovým CO2 (ctCO2)a součtem všech ostatních forem CO2 v plazmě, tj. rozpuštěného CO2 (dCO2), CO2 vázaného na plazmatické proteiny (karbamino CO2) a kyseliny uhličité (H2CO3).

tedy:

hydrogenuhličitan plazmatický (mmol / L) =

ctCO2 – (dCO2 + karbamino-CO2 + H2CO3)

v praxi, protože karbamino-CO2 a H2CO3 jsou kvantitativně nevýznamné, se předpokládá, že celkový CO2 je součtem pouze hydrogenuhličitanu a rozpuštěného CO2 . Plazmatický hydrogenuhličitan je tedy účinně rozdílem mezi plazmatickým celkovým CO2 (ctCO2) a plazmatickým rozpuštěným CO2 (dCO2).

ve zdraví je hydrogenuhličitan arteriální plazmy (vypočtený během analýzy krevních plynů) udržován v přibližném referenčním rozmezí: 22-28 mmol / l. žilní bikarbonát je o něco vyšší: 24-30 mmol / l.

v některých laboratořích se rozlišuje mezi „skutečným“ hydrogenuhličitanem (parametr popsaný výše) a „standardním“ bikarbonátem. Standardní bikarbonát je druhým vypočteným parametrem a je plazmatickou koncentrací hydrogenuhličitanu v krvi, která byla vyrovnána plynem normálního napětí pCO2 (40 mmHg, 5, 3 kPa).

ve zdraví je skutečná koncentrace hydrogenuhličitanu stejná jako standardní koncentrace hydrogenuhličitanu, protože v obou případech je pCO2 normální. Normalizací pCO2, respirační složky acidobazické rovnováhy, je standardní bikarbonát měřítkem pouze metabolické složky, a proto je považován za užitečný pro objasnění příčiny komplexních poruch acidobazické rovnováhy.

celková koncentrace oxidu uhličitého v plazmě (ctCO2)

toto je teoreticky součet všech forem oxidu uhličitého v plazmě. Neměří se během analýzy krevních plynů, ale – jako hydrogenuhličitan-se vypočítá za předpokladu, že celkový oxid uhličitý je součtem hydrogenuhličitanu a rozpuštěného CO2:

protože plazmatický dCO2 mmol / L = (S x pCO2), vypočítá se ctCO2 takto :

plazma ctCO2 (mmol / L) =

hydrogenuhličitan plazmatický (mmol/L) + (S x pCO2) (mmol / L)

rozpuštěný CO2 (S x pCO2) přispívá přibližně 1.2 mmol / L k celkovému CO2 v plazmě arteriální krve (viz výše), takže ctCO2 je přibližně o 1, 2 mmol vyšší než plazmatický hydrogenuhličitan. Referenční rozmezí ctCO2 je tedy přibližně 23-29 mmol / L pro arteriální krev.

je třeba poznamenat, že stejně jako vypočtená hodnota hydrogenuhličitanu generovaná během analýzy krevních plynů závisí na vztahu popsaném v rovnici 2, tak i vypočtená hodnota pro ctCO2 generovaná během analýzy krevních plynů.

ačkoli ctCO2 a hydrogenuhličitan poskytují ekvivalentní klinické informace, v klinické praxi je vždy hydrogenuhličitan spíše než ctCO2, který se používá ve spojení s pH a pCO2 k vyhodnocení acidobazického stavu. Klinická hodnota vypočteného ctCO2 generovaného během analýzy krevních plynů je tedy omezená.

chemické metody pro měření ctCO2

na rozdíl od hydrogenuhličitanu, který nelze měřit, může ctCO2 a test je obvykle jednou složkou profilu močoviny a elektrolytu (U&E) žilní plazmy / séra. Protože U&E je objednáno mnohem častěji než arteriální krevní plyny, měřené ctCO2 může být první známkou poruchy homeostázy oxidu uhličitého (a tedy acidobazické).

je běžnou praxí, že některé klinické laboratoře označují tuto naměřenou složku profilu u&E jako „hydrogenuhličitan v plazmě“. To je chybné, protože chemické metody měří veškerý CO2 uvolněný z plazmy (nebo séra) přidáním silné kyseliny nebo alternativně veškerého hydrogenuhličitanu produkovaného v důsledku přidání silné alkálie do plazmy .

obsahuje tedy nejen hydrogenuhličitan, ale také rozpuštěný CO2 a kyselinu uhličitou. Pokud by plazma nebo sérum použité v těchto testech byly odvozeny z arteriální krve, měřené ctCO2 by se teoreticky přiblížilo vypočtené hodnotě ctCO2 generované během analýzy arteriálních krevních plynů.

ve skutečnosti u&e profily jsou prováděny výhradně na plazmě nebo séru získaném z žilní krve, takže existuje nevyhnutelný malý teoretický rozdíl 1-2 mmol / L (měřeno ctCO2 > vypočteno ctCO2) v důsledku arterio-venózního rozdílu.

teoretický rozdíl mezi měřeným ctCO2 a vypočteným hydrogenuhličitanem plazmatickým je o něco vyšší (měřeno ctCO2 > vypočtený hydrogenuhličitan plazmatický), protože kromě arterio-venózního rozdílu 1-2 mmol / L existuje další rozdíl 1,5 mmol / L v důsledku zahrnutí rozpuštěného CO2 a kyseliny uhličité do měřeného ctCO2.

tento rozdíl však předpokládá, že před analýzou se do atmosféry neztratí žádný rozpuštěný oxid uhličitý. To nemusí být případ, protože vzorky u&E nejsou zpracovávány anaerobně.

někteří tvrdili, že termín „sérový / plazmatický hydrogenuhličitan“pro měřený ctCO2 je odůvodněný tím, že běžná laboratorní praxe je spojena s nevyhnutelnou ztrátou rozpuštěného CO2 ze vzorku U&E před analýzou, v takovém případě by měřený ctCO2 teoreticky alespoň přiblížil vypočtenému hydrogenuhličitanu.

nesoulad mezi naměřeným ctCO2 a vypočteným hydrogenuhličitanem

bez ohledu na mírné teoretické rozdíly mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami popsanými výše existuje obecná shoda s představou, že naměřená ctCO2 vytvořená jako součást profilu U&E je pro všechny praktické klinické účely stejná jako koncentrace hydrogenuhličitanu v plazmě vypočtená během analýzy krevních plynů.

to se odráží v použití termínu „hydrogenuhličitan plazmatický“ k popisu měřeného ctCO2.

dosud nejlepší důkaz, že měřené a vypočtené výsledky bikarbonátu mohou být v praxi klinicky zaměnitelné, přichází ve velmi nedávné zprávě Mayo Clinic . Autoři této zprávy získali 17 621 záznamů o naměřené a vypočtené koncentraci bikarbonátu pro vzorky odebrané současně od stejných pacientů během 2006/7. Koncentrace bikarbonátu této obrovské databáze se pohybovala od 5 do 49 mmol / L.

průměrný rozdíl (SD) mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami byl -0,36 (1,23 mmol/L) a pro 98.5 % výsledků spárovaných vzorků bylo v rozmezí 3 mmol / L od sebe. Ačkoli, jak naznačuje zpráva Mayo, mezi těmito dvěma parametry obvykle existuje přijatelná shoda, není v žádném případě vzácné, aby výsledky byly zcela nesouhlasné, přičemž měřené ctCO2 se liší od vypočteného hydrogenuhličitanu až o 15 mmol / l.

četné studie za posledních čtyřicet let usilovaly o stanovení frekvence, velikosti a příčiny rozporu mezi vypočteným bikarbonátem a měřeným ctCO2.

počáteční zaměření této práce zpochybnilo spolehlivost výpočtu hydrogenuhličitanu, který zásadně závisí na stálosti pK / 1 (viz rovnice 4). Ve skutečnosti se nejedná o skutečnou termodynamickou konstantu, ale o „zjevnou“ disociační konstantu stanovenou experimentálně z měření pH, pCO2 a rozpuštěného CO2 pomocí následujícího vztahu odvozeného z Henderson-Hasselbachovy rovnice:

pK / 1 = pH + log dCO2-log

několik studií odhalilo dostatečnou variabilitu pK / 1, zejména u kriticky nemocných, pro klinicky významnou chybu vypočteného hydrogenuhličitanu. Například v jedné studii bylo zjištěno, že pK / 1 se pohybuje v rozmezí od 5,84 do 6,29.

autoři vypočítají, že odchylky od pK/1 6.1 této velikosti by vedly k chybám ve vypočteném hydrogenuhličitanu řádově ± 60 %. Další popisuje případ diabetického dítěte v ketoacidóze, jehož pK / 1 se pohyboval od 5, 49 do 6, 02 po dobu sedmi hodin.

ve studii 79 kojenců, o které se pečuje na dětské jednotce intenzivní péče, bylo zjištěno, že 25 % má pK / 1 mimo „normální“ rozmezí 6, 055-6, 195 definované studií a ve třech případech byla pK / 1 > 6, 3, s jednou „ohromující“ hodnotou 7, 11. Tyto a další zprávy o klinicky významné variabilitě pK / 1 byly zpochybněny a spolehlivost nebo jinak vypočteného hydrogenuhličitanu zůstává nevyřešeným sporným problémem.

teoretický základ pro názor, že vypočítaný hydrogenuhličitan je nespolehlivý při kritickém onemocnění, byl stanoven Flearem . Mass et al nasadil stejně teoretický přístup doprovázený množstvím experimentálních důkazů, aby učinil protichůdný případ na obranu vypočteného hydrogenuhličitanu.

autoři studií, které neprokázaly klinicky významnou variabilitu pK / 1, naznačují, že hlavní nesoulad mezi vypočteným hydrogenuhličitanem a měřeným ctCO2, občas pozorovaný v klinické praxi, je s největší pravděpodobností výsledkem kombinace předanalytických proměnných, analytického rozdílu a náhodné analytické chyby .

měření ctCO2 je zvláště náchylné k předanalytické variabilitě, protože krev pro profilování u&E je všeobecně shromažďována a zpracovávána aerobně. Vzorky mohou být ponechány bez obalu několik hodin před analýzou. Protože okolní vzduch obsahuje méně CO2 než krev, existuje tendence ke ztrátě rozpuštěného CO2 ze vzorku. Odhaduje se, že se tím sníží naměřený CO2 rychlostí 6 mmol / hod.

naproti tomu vypočtený hydrogenuhličitan není spojen se stejným rizikem předanalytické variace, protože krev pro analýzy krevních plynů se běžně odebírá anaerobně a dochází k minimálnímu zpoždění (téměř vždy

další příčinou nesouladu mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami může být rozdíl ve vzorku, protože arteriální krev se používá k výpočtu hodnoty a vzorky séra nebo plazmy se používají k měření hodnoty.

bez ohledu na příčinu studie nadále prokazují mírný, ale klinicky významný nesoulad mezi těmito dvěma parametry u kriticky nemocných . Nicméně, jako by potvrdila spornou povahu debaty, nejnovější studie kriticky nemocných pacientů poskytuje důkaz přijatelné shody mezi vypočteným bikarbonátem a měřeným ctCO2 .

bez ohledu na tuto poslední studii existuje názor, že alespoň u kriticky nemocných pacientů by mohlo být rozumné opustit vypočtený bikarbonát ve prospěch měřeného ctCO2, i když je třeba zdůraznit , že tento názor je sporný a může se stát, že klinický dopad rozdílů je omezený.

důkaz přijatelné dohody poskytnutý velmi rozsáhlou studií Mayo Clinic nelze bohužel použít v konkrétní debatě, která se zaměřuje na kriticky nemocné, protože populace pacientů nebyla definována.

ze dvou parametrů má vypočtený hydrogenuhličitan zřetelnou výhodu pohodlí oproti měřenému ctCO2, protože umožňuje, aby všechny tři parametry (pH pCO2 a bikarbonát) použité při hodnocení acidobazické báze byly dostupné současně z jednoho vzorku.

v literatuře neexistuje shoda ohledně mnoha výše diskutovaných otázek. Zůstává tedy nejasné, zda existuje nebo není nesoulad mezi měřeným a vypočteným CO2, ačkoli rovnováha důkazů se nedávno posunula ve prospěch žádné neshody velké studie Mayo Clinic .

pro ty, kteří věří, že rovnováha důkazů naznačuje, že existuje nesoulad, existují další dvě nevyřešené otázky.

toto jsou: klinický význam této neshody a příčina této neshody. Debata o příčině neshody se zaměřila hlavně na to, zda se pKl1 významně liší mezi pacienty a do jaké míry preanalytické rozdíly, analytické rozdíly a náhodná chyba přispívají k neshodě.

konečně alespoň jeden komentátor zpochybnil klinickou potřebu buď vypočteného hydrogenuhličitanu, nebo měřeného ctCO2, což naznačuje, že pH a pCO2 samy o sobě umožňují úplné posouzení acidobazických poruch.

shrnutí

oxid uhličitý je produkt metabolismu aerobních buněk, který je transportován v krvi do plic za účelem vylučování vypršeným vzduchem. Trochu se transportuje nezměněný rozpuštěný v krvi, ale většina se transportuje jako hydrogenuhličitan.

regulace množství oxidu uhličitého v krvi, nebo přesněji regulace poměru koncentrace hydrogenuhličitanu k rozpuštěnému oxidu uhličitému, je nezbytná pro udržení pH krve (normální acidobazická rovnováha).

klinické vyšetření acidobazické poruchy zahrnuje analýzu arteriálních krevních plynů, test, který generuje tři parametry stavu oxidu uhličitého. Z nich se ve skutečnosti měří pouze jeden, pCO2; další dva-plazmatický hydrogenuhličitan a celková koncentrace oxidu uhličitého-jsou odvozeny výpočty z naměřeného pH a pCO2.

platnost těchto výpočtů byla zpochybněna a existují protichůdné důkazy, že u některých skupin pacientů může být klinicky spolehlivější měřit celkový oxid uhličitý chemickými metodami, než se spoléhat na vypočtené hodnoty.

tento poslední zůstává velmi spornou otázkou, kterou lze konečně vyřešit pouze dalším studiem.