Parametre som reflekterer karbondioksidinnholdet i blod

Alle vevsceller er avhengige av aerob metabolisme for generering av energien (i form av adenosin tri-fosfat, ATP) som kreves for overlevelse og funksjon. Denne fundamentalt viktige mitokondrielle prosessen er preget av oksygenforbruk og produksjon av karbondioksid, som kan variere fra rundt 200 mL/minutt i hvilestatus til over fem ganger denne hastigheten under trening.

den endelige skjebnen til dette karbondioksidet er eliminering fra kroppen i utløpt luft, og en viktig funksjon av blod er transport av karbondioksid fra vevsceller til lungene.

en forståelse av denne transportprosessen avhenger av en forståelse av hva som menes med partialtrykk av en gass, samt noen grunnleggende fysiske lover som styrer løselighet og bevegelse (diffusjon) av gasser.

HVA ER PARTIALTRYKK AV EN GASS?

mengden gass i et system, inkludert biologiske systemer, er definert av trykket det utøver, tradisjonelt målt som høyden på en kvikksølvkolonne (mmHg). Dermed sier at atmosfærisk trykk er 760 mmHg mener vi at gassene (oksygen, nitrogen og karbondioksid) i luften vi puster har et kombinert trykk tilstrekkelig til å støtte en standard kolonne av kvikksølv 760 mm høy.

dette totale trykket er ganske enkelt summen av partialtrykket til hver bestanddel av gassen. Dermed siden luft består av ca 20 % oksygen, 79% nitrogen og 0.03 % karbondioksid, partialtrykket av oksygen (pO2) i inspirert luft er omtrent (20 x 760) / 100 = 152 mmHg og partialtrykket av karbondioksid (pCO2) er (0,03 x 760) / 100 = 0,2 mmHg.

systeme internationale (SI) trykkenhet, brukt i kliniske laboratorier utenfor Nord-Amerika, er kilopascal (kPa). Konverteringsfaktoren 0.133 kan brukes til å konvertere mmHg til kPa.

LØSELIGHET og DIFFUSJON AV GASSER

Henrys lov sier at ved likevekt er mengden gass oppløst i en væske proporsjonal med partialtrykket til denne gassen, så lenge temperaturen er konstant:

Oppløst gass = partialtrykk (p) x løselighetskoeffisient (er)

Hvor S er en temperaturavhengig konstant for den aktuelle gassen. Løselighetskoeffisienten (e) for karbondioksid ved kroppstemperatur er 0,23 mmol / L / kPa (eller 0,03 mmol/mmHg) . Dermed siden arteriell pCO2 er omtrent 5.3 kPa (40 mmHg), MENGDEN CO2 oppløst i arterielt blod (dCO2) er (5,3 x 0,23) eller 40 x 0,03) = 1,2 mmol/L.

bevegelsen (diffusjon) av gasser bestemmes i stor grad av konsentrasjonsgradienter. Gass diffunderer fra høyt partialtrykk til lavt partialtrykk .

TRANSPORT AV KARBONDIOKSID fra VEVSCELLER til LUNGE

karbondioksidreisen (FIGUR 1A) begynner i mitokondrionen av vevsceller hvor den produseres. På grunn av den rådende konsentrasjonsgradienten diffunderer karbondioksid fra mitokondrier (hvor pCO2 er høyest) over cytoplasma, ut av cellen og inn i kapillærnettverket.

FIGUR 1A: CO2 i vev

Klikk for å forstørre

litt AV CO2 som kommer inn i blod fra vevsceller forblir fysisk oppløst i blodplasma (se ovenfor) og en enda mindre andel binder SEG TIL NH2 (amino) terminale grupper av plasmaproteiner, som danner såkalte karbaminoforbindelser. De fleste diffunderer imidlertid ned en konsentrasjonsgradient i røde celler.

Litt av dette forblir oppløst i cytoplasma i den røde cellen, og noen er løst bundet til aminoterminale grupper av redusert hemoglobin som danner karbamino-Hb. Men det meste av karbondioksidet som kommer inn i røde blodlegemer, blir raskt hydrert til karbonsyre av den røde celleisoformen av enzymet karbonsyreanhydrase. Ved fysiologisk pH dissosierer nesten alle (≈96 %) av denne karbonsyren til bikarbonat-og hydrogenioner:

Ligning 1:

hydrogenioner er bufret av redusert hemoglobin og de fleste bikarbonationer passerer fra røde blodlegemer til plasma i bytte for kloridioner (dette såkalte kloridskiftet opprettholder elektrokjemisk nøytralitet). Det er klart fra ovenstående at mest karbondioksid transporteres som bikarbonat( hovedsakelig i blodplasma), men det er totalt fire former FOR CO2-transport :

• 90 % transporteres som bikarbonat i plasma (65 %) og røde blodceller (25 %)
• 5 % transporteres fysisk oppløst i plasma og røde cellecytoplasma
• 5% transporteres løst bundet til hemoglobin i røde blodceller og

Totalt karbondioksidinnhold i blodet er summen av disse fire komponentene.

innenfor lungens mikrovaskulatur (FIGUR 1B) bestemmer partialtrykkgradienten over alveolarmembranen at oppløst CO2 passerer fra blod til alveoler. Dette tapet av karbondioksid fra blod favoriserer reversering av de røde cellereaksjonene beskrevet ovenfor.

således passerer bikarbonat fra plasma til røde blodlegemer, buffrer hydrogenioner frigjort fra hemoglobin, da det er oksygenert. Reversering av karbonsyreanhydrasereaksjonen resulterer i produksjon AV CO2 som diffunderer fra røde blodlegemer til plasma og videre til alveoler.

blandet venøst blod som ankommer lungene har et TOTALT CO2-INNHOLD på ca. 23,5 mmol/L (eller 52 mL / dl), mens arterielt blod som forlater lungene har et TOTALT CO2-innhold på 21,5 mmol / L (48 mL/dL).

denne arteriovenøse forskjellen (2 mmol / L eller 4 mL / dL) representerer MENGDEN CO2 tilsatt blod fra vevsceller og tapt fra blod når det passerer gjennom lungemikrovaskulaturen, for til slutt å bli utskilt fra kroppen i utløpt luft.

FIGUR 1B: CO2 i lungene

Klikk for å forstørre

KARBONDIOKSID OG BLOD PH

det sure potensialet FOR CO2, på grunn av sin hydreringsreaksjon på karbonsyre (se ligning 1 ovenfor), sikrer at konsentrasjonen i blodet er en viktig determinant av blodets pH. NÅR konsentrasjonen AV CO2 øker, øker også konsentrasjonen av hydrogenion (H+). Regulering av BLOD CO2, som samsvarer med frekvensen AV co2 eliminering i utløpt luft til produksjonshastigheten i mitokondrion av vevsceller, avgjørende for å opprettholde normal blod pH, er virksomheten i luftveiene.

Respirasjonshastighet (kontrollert av pco2 sensitive kjemoreceptorer lokalisert i hjernestammen og halspulsåren) økes hvis pCO2 stiger og reduseres hvis pCO2 faller. Økt respirasjonsfrekvens (pust/min) resulterer i økt CO2-eliminasjon og redusert respirasjonsfrekvens fremmer co2-retensjon.

forholdet mellom pH og karbondioksid er beskrevet ved En form Av Henderson-Hasselbach-ligningen (ligning 2). Dette er avledet fra anvendelse av loven om masseaksjon til hydrering og dissosiasjonsreaksjoner beskrevet i ligning 1 .

Ligning 2:

hvor

pK/1	=	’tilsynelatende’ dissosiasjonskonstant av karbonsyre = 6.1
	=	konsentrasjon av plasmabikarbonat (mmol / L)
S	=	løselighetskoeffisient FOR CO2 ved 37 oC (0,23 hvis pCO2 måles i kPa eller 0,03 hvis pCO2 måles i mmHg)
pCO2	=	partialtrykk av pCO2 (kPa eller mmHg)

som tidligere forklart er nevneren i denne ligningen (s x pCO2) mengden oppløst karbondioksid (dCO2) mmol / L.
ved å fjerne alle konstanter, kan ligning 2 forenkles til:

Ligning 3:

pH ∞ / pCO2

blodets ph er derfor avhengig av forholdet mellom plasmakarbonatkonsentrasjon (metabolsk komponent) og pCO2 (respiratorisk komponent). Dermed hvis pCO2 øker uten en tilsvarende økning i bikarbonat, faller pH. Omvendt hvis pCO2 faller uten et tilsvarende fall i bikarbonat, stiger pH.

det omvendte forholdet holder for bikarbonatkonsentrasjon, nemlig økt HCO3 – = økt pH; redusert bikarbonat = redusert pH.

Bikarbonat er prinsippet blodbuffer og konsentrasjonen til enhver tid reflekterer balansen mellom det som produseres FRA CO2 og det som forbrukes i buffering av hydrogenioner (H+) (se ligning 1).

I LABORATORIET-DEFINISJON AV CO2-PARAMETERE

CO2-parametrene generert av blodgassanalysatoren er:

• Partialtrykk av karbondioksid (pCO2) (kPa/mmHg)
• plasmakonsentrasjon av Bikarbonat (HCO3 -) (mmol/L)
• Total plasmakonsentrasjon av karbondioksid (ctCO2) (mmol / L)

den siste av disse, ctCO2, kan også måles i plasma eller serum ved kjemiske metoder uavhengig av blodgassanalysatoren.

PARTIALTRYKK AV KARBONDIOKSID pCO2

denne parameteren er et mål på trykket som utøves av den lille delen (≈5 %) av totalt karbondioksid i blod som forblir i gassform, ‘oppløst i’ den vandige fasen av plasma og blodcellecytoplasma. Målingen gjøres ved hjelp AV EN CO2 – spesifikk ph-elektrode innlemmet i blodgassanalysatorer.

i helse holdes pco2 av arterielt blod innenfor området 4,7-6,0 kPa (35-45 mmHg); pco2 av venøst blod er litt høyere 5,6-6,8 kPa (41-51 mmHg).

BIKARBONATKONSENTRASJON (HCO3-)

dette er mengden bikarbonat i volumenhet av plasma. Som tidligere nevnt er dette skjemaet der mest karbondioksid (90 %) transporteres i blod. Denne parameteren kan ikke måles, men genereres ved beregning under blodgassanalyse. Beregningen som brukes er en omplassering av ligning 2:

Ligning 4:

logg = pH + logg (s x pCO2) – pK/1

og avhenger av å ha verdier for pH og pCO2, som begge måles under blodgassanalyse.

Teoretisk er plasmabikarbonat forskjellen mellom total CO2 (ctCO2) og summen av alle andre former FOR CO2 i plasma, dvs.oppløst CO2 (dCO2), CO2 bundet til plasmaproteiner (carbamino CO2) og karbonsyre (H2CO3).

Slik:

plasmabikarbonat (mmol / L) =

ctCO2 – (dco2 + carbamino-CO2 + H2CO3)

i praksis fordi carbamino-CO2 OG H2CO3 er kvantitativt ubetydelige, antas det at total CO2 er summen av bare bikarbonat og oppløst CO2 . Således er plasmabikarbonat effektivt forskjellen mellom plasma total CO2 (ctCO2) og plasma oppløst CO2 (dCO2).

i helse arterielt plasmabikarbonat (beregnet ved blodgassanalyse) opprettholdes innenfor det omtrentlige referanseområdet: 22-28 mmol/L. Venøst bikarbonat er litt høyere: 24-30 mmol / L.

i noen laboratorier skilles det mellom ‘faktisk’ bikarbonat (parameteren beskrevet ovenfor) og ‘standard’ bikarbonat. Standard bikarbonat er en andre beregnet parameter og er plasma bikarbonatkonsentrasjonen av blod som har blitt ekvilibrert med gass med normal pco2 (40 mmHg, 5.3 kPa) spenning .

i helse er faktisk bikarbonatkonsentrasjon den samme som standard bikarbonatkonsentrasjon fordi i begge tilfeller er pCO2 normal. Ved å normalisere pco2, den respiratoriske komponenten i syrebasebalansen, er standard bikarbonat et mål utelukkende for den metabolske komponenten og anses derfor som nyttig for å belyse årsaken til komplekse forstyrrelser i syrebasebalansen.

TOTAL KARBONDIOKSIDKONSENTRASJON I PLASMA (ctCO2)

dette er teoretisk summen av alle former for karbondioksid i plasma. Det måles ikke under blodgassanalyse, men – som bikarbonat-beregnet, forutsatt at det totale karbondioksidet er summen av bikarbonat og oppløst CO2:

siden plasma dCO2 mmol / L = (s x pCO2), beregnes ctCO2 således :

plasma ctCO2 (mmol / L) =

plasmabikarbonat (mmol/L) + (s x pCO2) (mmol / L)

Oppløst CO2 (s x pCO2) bidrar omtrent 1.2 mmol / L til total CO2 i plasma av arterielt blod (se ovenfor), slik at ctCO2 er rundt 1,2 mmol høyere enn plasmabikarbonat. CtCO2 – referanseområdet er således omtrent 23-29 mmol / L for arterielt blod.

det vil bemerkes at akkurat som den beregnede bikarbonatverdien generert under blodgassanalyse avhenger av forholdet beskrevet i ligning 2, så gjør også den beregnede verdien for ctCO2 generert under blodgassanalyse.

selv om ctCO2 og bikarbonat gir tilsvarende klinisk informasjon, er det i klinisk praksis alltid bikarbonat i stedet for ctCO2 som brukes sammen med pH og pCO2 for å evaluere syrebasestatus. Den kliniske verdien av beregnet ctCO2 generert under blodgassanalyse er derfor begrenset.

KJEMISKE METODER for MÅLING av ctCO2

i Motsetning til bikarbonat, som ikke kan måles, kan ctCO2 og analysen vanligvis være en komponent i urea-og elektrolyttprofilen (U& E) for venøst plasma / serum. Siden U & E bestilles mye oftere enn arterielle blodgasser, kan målt ctCO2 være den første indikasjonen på forstyrrelse i karbondioksid (og dermed syrebase) homeostase.

det er vanlig praksis for noen kliniske laboratorier å referere til denne målte komponenten Av u &e-profilen som ‘plasmabikarbonat’. Dette er feil fordi kjemiske metoder måler ALL CO2 frigjort fra plasma (eller serum) ved tilsetning av sterk syre eller alternativt alt bikarbonat produsert som følge av tilsetning av sterk alkali til plasma .

det omfatter således ikke bare bikarbonat, men også oppløst CO2 og karbonsyre. Hvis plasma eller serum brukt i disse analysene ble avledet fra arterielt blod, ville målt ctCO2 teoretisk tilnærmet den beregnede ctCO2-verdien generert under arteriell blodgassanalyse.

Faktisk Utføres U & e-profiler utelukkende på plasma eller serum gjenvunnet fra venøst blod, slik at det er en uunngåelig liten teoretisk forskjell på 1-2 mmol / L (målt ctCO2 > beregnet ctCO2) på grunn av arterio-venøs forskjell.

den teoretiske forskjellen mellom målt ctCO2 og beregnet plasmabikarbonat er litt høyere (målt ctCO2 > beregnet plasmabikarbonat) fordi i tillegg til den arteriovenøse forskjellen på 1-2 mmol / L er det ytterligere 1,5 mmol/L forskjell på grunn av inkludering av oppløst CO2 og karbonsyre i målt ctCO2.

denne forskjellen forutsetter imidlertid at ingen oppløst karbondioksid går tapt til atmosfæren før analysen. Dette kan ikke være tilfelle fordi U & e prøver ikke håndteres anaerobt.

noen har hevdet at begrepet ‘serum / plasma bikarbonat’ for målt ctCO2 er berettiget med den begrunnelse at normal laboratoriepraksis er forbundet med et uunngåelig tap av oppløst CO2 fra u&e prøven før analyse, i hvilket tilfelle målt ctCO2 ville, teoretisk minst, tilnærmet beregnet bikarbonat.

UOVERENSSTEMMELSE mellom MÅLT ctCO2 og BEREGNET BIKARBONAT

Til tross for de små teoretiske forskjellene mellom målte og beregnede verdier som er skissert ovenfor, er det generelt akseptert at den målte ctCO2 generert som en del Av En u&e-profil for alle praktiske kliniske formål er den samme som plasmabikarbonatkonsentrasjon beregnet under blodgassanalyse.

dette gjenspeiles i bruken av begrepet ‘plasmabikarbonat’ for å beskrive målt ctCO2.

det beste beviset til dags dato at målte og beregnede bikarbonatresultater i praksis kan være klinisk utskiftbare, kommer i en nylig rapport fra Mayo Clinic . Forfatterne av denne rapporten gjenvunnet 17 621 registreringer av målt og beregnet bikarbonatkonsentrasjon for prøver samlet samtidig fra de samme pasientene i løpet av 2006/7. Bikarbonatkonsentrasjonen i denne enorme databasen varierte fra 5 til 49 mmol/ L.

gjennomsnittlig forskjell (SD) mellom målte og beregnede verdier var -0,36 (1,23 mmol/L) og for 98.5 % av parede prøveresultater var innenfor 3 mmol / L av hverandre. Selv Om, som Mayo-rapporten antyder, er det vanligvis akseptabel avtale mellom de to parametrene, er det på ingen måte sjelden at resultatene er helt uharmoniske, med målt ctCO2 forskjellig fra beregnet bikarbonat med så mye som 15 mmol / L .

Tallrike studier i løpet av de siste førti årene har søkt å etablere frekvens, størrelse og årsak til avvik mellom beregnet bikarbonat og målt ctCO2.

et tidlig fokus på dette arbeidet spurte påliteligheten av bikarbonatberegningen, som avhenger avgjørende av konstansen av pK / 1 (se ligning 4). Faktisk er dette ikke en ekte termodynamisk konstant, men en ’tilsynelatende’ dissosiasjonskonstant bestemmes eksperimentelt fra måling av pH, pCO2 OG oppløst CO2 ved hjelp av følgende forhold avledet Fra Henderson-Hasselbach ligningen:

pK / 1 = pH + log dCO2-log

Flere studier viste tilstrekkelig variasjon i pK / 1, særlig blant kritisk syke, for klinisk signifikant feil i beregnet bikarbonat. For eksempel i en studie ble pK/1 funnet å variere fra 5,84 til 6,29.

forfatterne regner med at avvik fra pK / 1 6,1 av denne størrelsen vil resultere i feil i beregnet bikarbonat av ordren ± 60 %. En annen beskriver tilfellet av et diabetisk barn i ketoacidose hvis pK / 1 varierte fra 5,49 til 6,02 over en syv timers periode.

i en studie av 79 spedbarn som ble tatt vare på i en pediatrisk intensivavdeling , ble 25% funnet å ha pK/1 utenfor det normale området 6,055-6,195 definert av studien, og i tre tilfeller var pK / 1 > 6,3, med en forbløffende verdi på 7,11. Disse og andre rapporter om klinisk signifikant variasjon i pK / 1 har vært omstridt, og påliteligheten eller på annen måte av beregnet bikarbonat forblir et uløst, omstridt problem.

Det teoretiske grunnlaget for oppfatningen om at beregnet bikarbonat er upålitelig ved kritisk sykdom er fastsatt av Flear . En like teoretisk tilnærming ledsaget av et vell av eksperimentelle bevis har blitt utplassert Av Mass et al å gjøre det motsatte tilfelle i forsvaret av beregnet bikarbonat.

Forfattere av studier som ikke har vist klinisk signifikant variasjon i pK / 1 antyder at den store uoverensstemmelsen mellom beregnet bikarbonat og målt ctCO2, som noen ganger ses i klinisk praksis, er mest sannsynlig resultatet av en kombinasjon av preanalytiske variabler, analytisk forskjell og tilfeldig analytisk feil .

Måling av ctCO2 er spesielt utsatt for pre-analytisk variasjon fordi blod For U & E profilering er universelt innsamlet og behandlet aerobt. Prøver kan stå uncapped i timer før analyse. Siden omgivende luft inneholder mindre CO2 enn blod, er det en tendens til at oppløst CO2 går tapt fra prøven. DETTE er anslått å redusere målt CO2 med en HASTIGHET på 6 mmol / time.

beregnet bikarbonat er derimot ikke forbundet med samme risiko for preanalytisk variasjon fordi blod for blodgassanalyser rutinemessig samples anaerobt, og det er minimal forsinkelse (nesten alltid

En annen medvirkende årsak til uoverensstemmelse mellom målte og beregnede verdier kan være prøveforskjell, siden arterielt blod brukes til å beregne en verdi og serum – eller plasmaprøver brukes til å måle en verdi.

uansett årsak, fortsetter studier å demonstrere moderat, men klinisk signifikant uenighet mellom de to parametrene blant de kritisk syke . Men som for å bekrefte debattens omstridte natur, gir den siste studien av kritisk syke pasienter bevis på akseptabel avtale mellom beregnet bikarbonat og målt ctCO2 .

Til Tross for denne siste studien er det en oppfatning at for kritisk syke pasienter i det minste kan det være klokt å forlate beregnet bikarbonat til fordel for målt ctCO2 , selv om det må understrekes at denne oppfatningen er omstridt, og det kan være at den kliniske effekten av forskjeller er begrenset.

beviset på akseptabel avtale gitt av den store mayo Clinic-studien kan dessverre ikke brukes i den spesielle debatten som senterer på kritisk syke, fordi pasientpopulasjonen ikke var definert.

av de to parametrene har beregnet bikarbonat den klare fordelen av bekvemmelighet over målt ctCO2 fordi det tillater at alle tre parametrene (pH pCO2 og bikarbonat) som brukes i vurdering av syrebase, er tilgjengelige samtidig fra en enkelt prøve.

det er fortsatt ingen konsensus i litteraturen om mange av problemene som er diskutert ovenfor. Dermed er det enda uklart om det er eller ikke er uoverensstemmelse mellom målt OG beregnet CO2, selv om bevisbalansen nylig har skiftet til fordel for ingen uenighet ved den store Mayo Clinic-studien .

For de som tror at balansen av bevis tyder på at det er uenighet, er det to ytterligere uløste problemer.

dette er: den kliniske betydningen av denne uoverensstemmelsen og årsaken til den uoverensstemmelsen. Debatten om årsaken til uoverensstemmelse har i hovedsak fokusert på om pKl1 varierer vesentlig mellom pasientene og i hvilken grad preanalytiske forskjeller, analytiske forskjeller og tilfeldige feil bidrar til uoverensstemmelse.

endelig har minst en kommentator stilt spørsmål ved det kliniske behovet for enten beregnet bikarbonat eller målt ctCO2, noe som tyder på at pH og pCO2 alene tillater full vurdering av syrebaseforstyrrelser.

SAMMENDRAG

Karbondioksid er et produkt av aerob cellemetabolisme som transporteres i blod til lungene for utskillelse i utgått luft. En liten transporteres uendret oppløst i blod, men de fleste transporteres som bikarbonat.

Regulering av mengden karbondioksid i blodet, eller mer nøyaktig regulering av forholdet mellom bikarbonat og oppløst karbondioksidkonsentrasjon, er avgjørende for vedlikehold av blodets pH (normal syre-base-balanse).

Klinisk undersøkelse av syrebaseforstyrrelse inkluderer arteriell blodgassanalyse, en test som genererer tre parametere av karbondioksidstatus. Av disse er bare en, pCO2, faktisk målt; de andre to-plasmabikarbonat og total karbondioksidkonsentrasjon-er avledet ved beregninger fra målt pH og pCO2.

gyldigheten av disse beregningene er blitt stilt spørsmål ved, og det er motstridende bevis for at det i enkelte pasientgrupper kan være mer klinisk pålitelig å måle totalt karbondioksid ved kjemiske metoder enn å stole på beregnede verdier.

dette siste er fortsatt et svært omstridt problem som bare kan løses endelig ved videre studier.