Parametrar som återspeglar koldioxidhalten i blod

alla vävnadsceller beror på aerob metabolism för generering av den energi (i form av adenosintrifosfat, ATP) som krävs för överlevnad och funktion. Denna grundläggande vitala mitokondriella process kännetecknas av konsumtion av syre och produktion av koldioxid, som kan variera från cirka 200 mL/minut i vilotillstånd till över fem gånger denna hastighet under träning.

det ultimata ödet för denna koldioxid är eliminering från kroppen i utandad luft, och en viktig funktion av blod är transporten av koldioxid från vävnadsceller till lungor.

en förståelse för denna transportprocess beror på en uppskattning av vad som menas med partiellt tryck av en gas samt några grundläggande fysiska lagar som styr löslighet och rörelse (diffusion) av gaser.

VAD ÄR PARTIELLT TRYCK AV EN GAS?

mängden gas i ett system, inklusive biologiska system, definieras av det tryck det utövar, traditionellt mätt som höjden på en kolonn av kvicksilver (mmHg). Med att säga att atmosfärstrycket är 760 mmHg menar vi att gaserna (syre, kväve och koldioxid) i luften vi andas har ett kombinerat tryck som är tillräckligt för att stödja en standardkolonn av kvicksilver 760 mm hög.

detta totala tryck är helt enkelt summan av partiella tryck för varje beståndsdel. Således eftersom luft innefattar cirka 20% syre, 79% kväve och 0.03% koldioxid, partialtrycket av syre (pO2) i inspirerad luft är ungefär (20 x 760) / 100 = 152 mmHg och partialtrycket av koldioxid (pCO2) är (0,03 x 760) / 100 = 0,2 mmHg.

systeme internationale (SI) tryckenhet, som används i kliniska laboratorier utanför Nordamerika, är kilopascal (kPa). Omvandlingsfaktorn 0.133 kan användas för att konvertera mmHg till kPa.

löslighet och DIFFUSION av gaser

Henrys lag säger att vid jämvikt är mängden gas upplöst i en vätska proportionell mot partialtrycket för den gasen, så länge temperaturen är konstant:

upplöst gas = partiellt tryck (p) x löslighetskoefficient (er)

där S är en temperaturberoende konstant för den specifika gasen. Löslighetskoefficienten (S) för koldioxid vid kroppstemperatur är 0, 23 mmol/L/kPa (eller 0, 03 mmol/mmHg). Således eftersom arteriell pCO2 är ungefär 5.3 kPa (40 mmHg), mängden CO2 upplöst i arteriellt blod (dCO2) är (5,3 x 0,23) eller 40 x 0,03) = 1,2 mmol/L.

rörelsen (diffusion) av gaser bestäms till stor del av koncentrationsgradienter. Gas diffunderar från högt partiellt tryck till lågt partiellt tryck .

TRANSPORT av koldioxid från vävnadsceller till lunga

koldioxidresan (Figur 1a) börjar i mitokondrion av vävnadsceller där den produceras. På grund av den rådande koncentrationsgradienten diffunderar koldioxid från mitokondrier (där pCO2 är högst) över cytoplasman, ut ur cellen och in i kapillärnätet.

Figur 1a: CO2 i vävnader

klicka för förstoring

en liten del av CO2 som kommer in i blod från vävnadsceller förblir fysiskt upplöst i blodplasma (se ovan) och en ännu mindre andel binder till NH2 (amino) terminala grupper av plasmaproteiner, som bildar så kallade karbaminoföreningar. De flesta diffunderar dock ner en koncentrationsgradient i röda blodkroppar.

lite av detta förblir upplöst i cytoplasman i den röda cellen och vissa är löst bundna till amino-terminala grupper av reducerat hemoglobin som bildar karbamino-Hb. Men det mesta av koldioxiden som anländer till röda blodkroppar hydratiseras snabbt till kolsyra av den röda cellisoformen av enzymet kolsyraanhydras. Vid fysiologiskt pH dissocierar nästan alla (96% av denna kolsyra till bikarbonat och vätejoner:

ekvation 1:

vätejonerna buffras av reducerat hemoglobin och de flesta av bikarbonatjonerna passerar från röda blodkroppar till plasma i utbyte mot kloridjoner (detta så kallade ’kloridskifte’ upprätthåller elektrokemisk neutralitet). Det framgår av ovanstående att de flesta koldioxid transporteras som bikarbonat( främst i blodplasma), men det finns totalt fyra sätt att transportera CO2 :

• 90 % transporteras som bikarbonat i plasma (65 %) och röda blodkroppar (25 %)
• 5 % transporteras fysiskt upplöst i plasma och röda cellcytoplasma
• 5 % transporteras löst bundet till hemoglobin i röda blodkroppar och

totalt koldioxidblodinnehåll är summan av dessa fyra komponenter.

inom lungens mikrovaskulatur (Figur 1b) bestämmer partialtrycksgradienten över det alveolära membranet att upplöst CO2 passerar från blod till alveoler. Denna förlust av koldioxid från blod gynnar reversering av de röda cellreaktionerna som beskrivs ovan.

således passerar bikarbonat från plasma till röda blodkroppar, buffrande vätejoner som frigörs från hemoglobin, eftersom det syresätts. Reversering av kolanhydrasreaktionen resulterar i produktion av CO2 som diffunderar från röda blodkroppar till plasma och framåt till alveoler.

Blandat venöst blod som kommer till lungorna har en total CO2-halt på cirka 23, 5 mmol/L (eller 52 mL/dL) medan arteriellt blod som lämnar lungorna har en total CO2-halt på 21, 5 mmol/l (48 mL/dL).

denna arterio-venösa skillnad (2 mmol/l eller 4 mL/dL) representerar mängden CO2 tillsatt till blod från vävnadsceller och förlorat från blod när det passerar genom lungmikrovaskulaturen, för att så småningom utsöndras från kroppen i utgått luft.

Figur 1b: CO2 i lungorna

klicka för förstoring

koldioxid och blod PH

den sura potentialen för CO2, på grund av dess hydratiseringsreaktion mot kolsyra (se ekvation 1 ovan), säkerställer att dess koncentration i blod är en viktig determinant för blodets pH. När CO2-koncentrationen stiger, så gör också vätejon (H+) koncentration. Reglering av blod CO2, som matchar graden av CO2-eliminering i utgått luft till produktionshastigheten i mitokondrion av vävnadsceller, som är avgörande för att upprätthålla normalt blod pH, är andningsorganets verksamhet.

andningsfrekvens (kontrollerad av pCO2-känsliga kemoreceptorer i hjärnstammen och halspulsådern) ökas om pCO2 stiger och minskar om pCO2 sjunker. Ökad andningsfrekvens (andetag/min) resulterar i ökad CO2-eliminationshastighet och minskad andningsfrekvens främjar CO2-retention.

förhållandet mellan pH och koldioxid beskrivs av en form av Henderson-Hasselbach ekvation (ekvation 2). Detta härrör från tillämpningen av lagen om massverkan på hydratiserings-och dissociationsreaktionerna som beskrivs i ekvation 1 .

ekvation 2:

där

pK/1	=	’skenbar dissociationskonstant för kolsyra = 6.1
	=	koncentration av plasmabikarbonat (mmol / L)
S	=	löslighetskoefficient för CO2 vid 37 oC (0,23 om pCO2 mäts i kPa eller 0,03 om pCO2 mäts i mmHg)
pCO2	=	partiellt tryck av pCO2 (kPa eller mmHg)

som tidigare förklarats är nämnaren i denna ekvation (S x pCO2) mängden upplöst koldioxid (dCO2) mmol / L.
genom att ta bort alla konstanter kan ekvation 2 förenklas till:

ekvation 3:

pH-värde 2

således är blodets pH beroende av förhållandet mellan plasmabikarbonatkoncentration (den metaboliska komponenten) och pCO2 (andningskomponenten). Således om pCO2 ökar utan en ekvivalent ökning av bikarbonat, sjunker pH. Omvänt om pCO2 faller utan motsvarande fall i bikarbonat, stiger pH.

det omvända förhållandet gäller för bikarbonatkoncentration, nämligen ökad HCO3 – = ökat pH; minskat bikarbonat = minskat pH.

bikarbonat är principen blodbuffert och dess koncentration vid en viss tidpunkt återspeglar balansen mellan den som produceras från CO2 och den som konsumeras i buffrande vätejoner (H+) (SE ekvation 1).

i LABORATORIEDEFINITIONEN av CO2-parametrar

är CO2-parametrarna som genereras av blodgasanalysatorn:

• partiellt tryck av koldioxid (pCO2) (kPa/mmHg)
• plasmakoncentration av bikarbonat (HCO3 -) (mmol/L)
• plasmakoncentration av koldioxid (ctCO2) (mmol / L)

den sista av dessa, ctCO2, kan också mätas i plasma eller serum med kemiska metoder oberoende av blodgasanalysatorn.

partiellt tryck av koldioxid pCO2

denna parameter är ett mått på det tryck som utövas av den lilla delen (5% av den totala koldioxiden i blod som förblir i gasform, ’upplöst i’ den vattenhaltiga fasen av plasma-och blodcellscytoplasma. Mätningen görs med hjälp av en CO2-specifik pH-elektrod införlivad i blodgasanalysatorer.

i hälsa hålls pCO2 av arteriellt blod inom intervallet 4,7-6,0 kPa (35-45 mmHg); pCO2 av venöst blod är lite högre 5,6-6,8 kPa (41-51 mmHg).

BIKARBONATKONCENTRATION (HCO3-)

detta är mängden bikarbonat i enhetsvolym av plasma. Som tidigare noterat är detta den form i vilken mest koldioxid (90 %) transporteras i blod. Denna parameter kan inte mätas utan genereras genom beräkning under blodgasanalys. Beräkningen som används är en omläggning av ekvation 2:

ekvation 4:

log = pH + log (S x pCO2) – pK/1

och beror på att ha värden för pH och pCO2, vilka båda mäts under blodgasanalys.

teoretiskt är plasmabikarbonat skillnaden mellan total CO2 (ctCO2) och summan av alla andra former av CO2 i plasma, dvs upplöst CO2 (dCO2), CO2 bundet till plasmaproteiner (carbamino CO2) och kolsyra (H2CO3).

således:

Plasmabikarbonat (mmol / L) =

ctCO2 – (dCO2 + carbamino-CO2 + H2CO3)

i praktiken eftersom karbamino-CO2 och H2CO3 är kvantitativt obetydliga antas det att total CO2 är summan av bara bikarbonat och upplöst CO2 . Således är plasmabikarbonat effektivt skillnaden mellan plasma total CO2 (ctCO2) och plasma upplöst CO2 (dCO2).

i hälsa arteriell plasma bikarbonat (beräknat under blodgasanalys) bibehålls inom det ungefärliga referensområdet: 22-28 mmol/L. venöst bikarbonat är lite högre: 24-30 mmol/L.

i vissa laboratorier görs en åtskillnad mellan ’faktiskt’ bikarbonat (parametern som beskrivs ovan) och ’standard’ bikarbonat. Standardbikarbonat är en andra beräknad parameter och är plasmabikarbonatkoncentrationen av blod som har jämvikts med gas med normal pCO2 (40 mmHg, 5,3 kPa) spänning .

i hälsa är den faktiska bikarbonatkoncentrationen densamma som standardbikarbonatkoncentrationen eftersom pCO2 i båda fallen är normalt. Genom att normalisera pCO2, andningskomponenten i syra-basbalansen, är standardbikarbonat ett mått enbart på den metaboliska komponenten och anses därför vara till hjälp för att belysa orsaken till komplexa störningar i syra-basbalansen.

Total KOLDIOXIDKONCENTRATION i PLASMA (ctCO2)

detta är teoretiskt summan av alla former av koldioxid i plasma. Det mäts inte under blodgasanalys, men – som bikarbonat-beräknas, förutsatt som ovan att den totala koldioxiden är summan av bikarbonat och upplöst CO2:

eftersom plasma dCO2 mmol / L = (S x pCO2) beräknas ctCO2 sålunda :

plasma ctCO2 (mmol / L) =

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

upplöst CO2 (S x pCO2) bidrar ungefär 1.2 mmol / L till den totala CO2 i plasma av arteriellt blod (se ovan), så att ctCO2 är cirka 1, 2 mmol högre än plasmabikarbonat. Ctco2-referensområdet är således cirka 23-29 mmol/L för arteriellt blod.

det kommer att noteras att precis som det beräknade bikarbonatvärdet som genereras under blodgasanalys beror på förhållandet som beskrivs i ekvation 2, Så gör också det beräknade värdet för ctCO2 genererat under blodgasanalys.

även om ctCO2 och bikarbonat ger likvärdig klinisk information, är det i klinisk praxis alltid bikarbonat snarare än ctCO2 som används tillsammans med pH och pCO2 för att utvärdera syrabasstatus. Det kliniska värdet av beräknad ctCO2 genererad under blodgasanalys är således begränsat.

kemiska metoder för mätning av ctco2

till skillnad från bikarbonat, som inte kan mätas, kan ctCO2 och analysen är vanligtvis en komponent i urea och elektrolyt (U&E) profil av venös plasma/serum. Eftersom U& E beställs mycket oftare än arteriella blodgaser, kan uppmätt ctCO2 vara den första indikationen på störning i koldioxid (och därmed syrabas) homeostas.

det är vanligt att vissa kliniska laboratorier hänvisar till denna uppmätta komponent i U&e-profilen som ’plasmabikarbonat’. Detta är felaktigt eftersom kemiska metoder mäter all CO2 som frigörs från plasma (eller serum) genom tillsats av stark syra eller alternativt allt bikarbonat som produceras som ett resultat av tillsats av en stark alkali till plasma .

det innehåller således inte bara bikarbonat utan också upplöst CO2 och kolsyra. Om plasma eller serum som användes i dessa analyser härleddes från arteriellt blod skulle uppmätt ctCO2 teoretiskt approximera det beräknade ctco2-värdet som genererades under arteriell blodgasanalys.

i själva verket utförs u&e-profiler uteslutande på plasma eller serum som återvinns från venöst blod så att det finns en oundviklig liten teoretisk skillnad på 1-2 mmol/L (uppmätt ctCO2 > beräknad ctCO2) på grund av arterio-venös skillnad.

den teoretiska skillnaden mellan uppmätt ctCO2 och beräknat plasmabikarbonat är lite högre (uppmätt ctCO2 > beräknat plasmabikarbonat) eftersom förutom den arterio-venösa skillnaden på 1-2 mmol/L finns ytterligare 1, 5 mmol/L skillnad på grund av införandet av upplöst CO2 och kolsyra i uppmätt ctCO2.

denna skillnad förutsätter dock att ingen upplöst koldioxid går förlorad i atmosfären före analys. Detta kanske inte är fallet eftersom u&e-prover inte hanteras anaerobt.

vissa har hävdat att termen’ serum/plasma bikarbonat ’ för uppmätt ctCO2 är motiverad med motiveringen att normal laboratoriepraxis är förknippad med en oundviklig förlust av upplöst CO2 från U&e-provet före analys, i vilket fall uppmätt ctCO2 skulle teoretiskt åtminstone approximera till beräknat bikarbonat.

DISKORDANS mellan uppmätt ctCO2 och beräknat bikarbonat

trots de små teoretiska skillnaderna mellan uppmätta och beräknade värden som beskrivs ovan finns det allmän acceptans av uppfattningen att den uppmätta ctCO2 som genereras som en del av en u& e-profil är för alla praktiska kliniska ändamål samma som plasmabikarbonatkoncentration beräknad under blodgasanalys.

detta återspeglas i användningen av termen ’plasmabikarbonat’ för att beskriva uppmätt ctCO2.

det bästa beviset hittills att uppmätta och beräknade bikarbonatresultat i praktiken kan vara kliniskt utbytbara kommer i en mycket Ny rapport från Mayo Clinic . Författarna till denna rapport återhämtade 17 621 register över uppmätt och beräknad bikarbonatkoncentration för prover som samlats in samtidigt från samma patienter under 2006/7. Bikarbonatkoncentrationen i denna enorma databas varierade från 5 till 49 mmol/L.

medelskillnaden (SD) mellan uppmätta och beräknade värden var -0,36 (1,23 mmol/L) och för 98.5% av parade provresultat var inom 3 mmol / L från varandra. Även om, som Mayo-rapporten antyder, det vanligtvis är acceptabelt överenskommelse mellan de två parametrarna, är det inte sällsynt att resultaten är helt disharmoniska, med uppmätt ctCO2 som skiljer sig från beräknat bikarbonat med så mycket som 15 mmol/L .

många studier under de senaste fyrtio åren har försökt fastställa frekvensen, storleken och orsaken till skillnaden mellan beräknat bikarbonat och uppmätt ctCO2.

ett tidigt fokus för detta arbete ifrågasatte tillförlitligheten av bikarbonatberäkningen, vilket beror väsentligt på konstansen hos pK/1 (Se ekvation 4). I själva verket är detta inte en sann termodynamisk konstant men en ’skenbar’ dissociationskonstant bestäms experimentellt från mätning av pH, pCO2 och upplöst CO2 med användning av följande förhållande som härrör från Henderson-Hasselbach ekvationen:

pK/1 = pH + log dCO2 – log

flera studier visade tillräcklig variation i pK / 1, särskilt bland de kritiskt sjuka, för kliniskt signifikant fel i beräknat bikarbonat. Till exempel i en studie visade sig pK/1 sträcka sig från 5,84 till 6,29.

författarna beräknar att avvikelser från pK / 1 6.1 av denna storlek skulle resultera i fel i beräknat bikarbonat av ordern 60 %. En annan beskriver fallet med ett diabetiskt barn i ketoacidos vars pK / 1 varierade från 5, 49 till 6, 02 under en sju timmarsperiod.

i en studie av 79 spädbarn som vårdades på en pediatrisk intensivvårdsavdelning befanns 25% ha pK/1 utanför det ’normala’ intervallet 6.055-6.195 definierat av studien, och i tre fall var pK/1 > 6.3, med ett ’häpnadsväckande’ värde på 7.11. Dessa och andra rapporter om kliniskt signifikant variation i pK/1 har ifrågasatts och tillförlitligheten eller på annat sätt av beräknat bikarbonat förblir ett olöst, omtvistat problem.

den teoretiska grunden för uppfattningen att beräknat bikarbonat är opålitligt vid kritisk sjukdom har fastställts av Flear . Ett lika teoretiskt tillvägagångssätt åtföljt av en mängd experimentella bevis har använts av Mass et al för att göra det motsatta fallet till försvar för beräknat bikarbonat.

författare av studier som inte har visat kliniskt signifikant variabilitet i pK / 1 tyder på att den stora skillnaden mellan beräknat bikarbonat och uppmätt ctCO2, som ibland ses i klinisk praxis, sannolikt är resultatet av en kombination av preanalytiska variabler, analytisk skillnad och slumpmässigt analytiskt fel .

mätning av ctCO2 är särskilt benägen för preanalytisk variabilitet eftersom blod för U&e-profilering samlas universellt och bearbetas aerobt. Prover kan lämnas obehandlade i timmar före analys. Eftersom omgivande luft innehåller mindre CO2 än blod finns det en tendens att upplöst CO2 går förlorat från provet. Detta har uppskattats minska uppmätt CO2 med en hastighet av 6 mmol / timme.

däremot är beräknat bikarbonat inte förknippat med samma risk för preanalytisk variation eftersom blod för blodgasanalyser rutinmässigt samplas anaerobt och det finns minimal fördröjning (nästan alltid

en annan bidragande orsak till diskordance mellan uppmätta och beräknade värden kan vara provskillnad, eftersom arteriellt blod används för att beräkna ett värde och serum-eller plasmaprover används för att mäta ett värde.

oavsett orsak fortsätter studier att visa måttlig men kliniskt signifikant diskordance mellan de två parametrarna bland de kritiskt sjuka . Men som för att bekräfta debattens omtvistade karaktär ger den senaste studien av kritiskt sjuka patienter bevis på acceptabel överenskommelse mellan beräknat bikarbonat och uppmätt ctCO2 .

trots denna senaste studie finns det en uppfattning att för kritiskt sjuka patienter åtminstone kan det vara klokt att överge beräknat bikarbonat till förmån för uppmätt ctCO2, även om det måste betonas att denna uppfattning är omtvistad och det kan vara att den kliniska effekten av skillnader är begränsad.

beviset på acceptabelt avtal som tillhandahålls av den mycket stora Mayo Clinic-studien kan tyvärr inte användas i den särskilda debatten som centrerar på kritiskt sjuka, eftersom patientpopulationen inte definierades.

av de två parametrarna har beräknat bikarbonat den tydliga fördelen av bekvämlighet över uppmätt ctCO2 eftersom det tillåter alla tre parametrar (pH pCO2 och bikarbonat) som används vid bedömning av syrabas att vara tillgängliga samtidigt från ett enda prov.

det finns inget samförstånd i litteraturen om många av de frågor som diskuterats ovan. Således är det till och med oklart om det finns eller inte är diskordans mellan uppmätt och beräknad CO2, även om bevisbalansen nyligen har skiftats till förmån för ingen diskordans av den stora Mayo Clinic-studien .

för dem som tror att bevisbalansen tyder på att det finns diskordans finns det ytterligare två olösta problem.

dessa är: den kliniska betydelsen av den diskordansen och orsaken till den diskordansen. Debatten om orsaken till diskordansen har huvudsakligen fokuserat på huruvida pKl1 varierar signifikant mellan patienter och i vilken utsträckning preanalytiska skillnader, analytiska skillnader och slumpmässiga fel bidrar till diskordansen.

Slutligen har minst en kommentator ifrågasatt det kliniska behovet av antingen beräknat bikarbonat eller uppmätt ctCO2, vilket tyder på att pH och pCO2 ensam tillåter fullständig bedömning av syrabasstörningar.

sammanfattning

koldioxid är en produkt av aerob cellmetabolism som transporteras i blod till lungorna för utsöndring i utandad luft. Lite transporteras oförändrat upplöst i blod, men de flesta transporteras som bikarbonat.

reglering av mängden koldioxid i blod, eller mer exakt reglering av förhållandet mellan bikarbonat och upplöst koldioxidkoncentration, är avgörande för att upprätthålla blodets pH (normal syra-basbalans).

klinisk undersökning av syrabasstörning inkluderar arteriell blodgasanalys, ett test som genererar tre parametrar för koldioxidstatus. Av dessa bara en, pCO2, faktiskt mäts; de andra två-plasma bikarbonat och total koldioxidkoncentration – härleds genom beräkningar från uppmätt pH och pCO2.

giltigheten av dessa beräkningar har ifrågasatts och det finns motstridiga bevis för att det i vissa patientgrupper kan vara mer kliniskt tillförlitligt att mäta total koldioxid med kemiska metoder än att förlita sig på beräknade värden.

denna sista förblir en mycket omtvistad fråga som bara kan lösas slutligen genom ytterligare studier.