Die Blutgasanalyse ein altes Thema neu betrachtet

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1 Die Blutgasanalyse ein altes Thema neu betrachtet W. BOEMKE, P. PICKERODT, U. KAISERS, R.C. FRANCIS Die meisten der heute gebräuchlichen Blutgasanalysegeräte bestimmen nicht mehr nur die Oxygenierungsparameter Sauerstoffpartialdruck (po2) und Sauerstoffsättigung (pso2) sowie die reinen uns aus der Henderson-Hasselbalch-Gleichung bekannten Parameter des Säure-Basenhaushalts ph und Kohlendioxidpartialdruck (pco2) sowie die daraus errechnete aktuelle Bikarbonationenkonzentration (HCO3 - ), sondern auch eine Reihe von Elektrolyten und nicht zu vergessen das Plasmalaktat. Die beiden letzten Parameter erlauben eine weitergehende Bestimmung der Ursache der sogenannten metabolischen Säure-Basen-Haushaltsstörungen, da sie sowohl für die Berechnung der Anionenlücke ( anion gap ), als auch für die Interpretation des Säure-Basen-Haushalts mit Hilfe des Stewart-Modells eine wesentliche Rolle spielen [13, 22, 23, 27, 29, 31,32]. Trotz des täglichen Umganges mit Blutgasanalysedaten, wie er für den Anästhesisten üblich ist, gibt es bezüglich der Bedeutung der Anionen Lücke, besonders aber bezüglich des Stewart-Modells vielfach nur vage Vorstellungen. Das Ziel dieses Beitrages soll es daher sein, die Entwicklung der Interpretation des Säure-Basen-Haushaltes in seinen wichtigsten Schritten Revue passieren zu lassen und dabei die Bedeutung ausgewählter Parameter noch einmal zu rekapitulieren [32-34]. Darüber hinaus sollen die physiko-chemischen Grundlagen erläutert werden, wie sie für die Interpretation des SBH mit Hilfe der Anionenlücke und des Stewart-Modells von Bedeutung sind [4, 5, 9, 37]. Dabei müssen wir uns natürlich auf einige ausgewählte Beispiele beschränken. Henderson-Hasselbalch ( ) Die Bikarbonatpuffergleichung Die Grundlage der Henderson-Hasselbalch-Gleichung ist das Massenwirkungsgesetz. Bezogen auf eine Säure besagt das Massenwirkungsgesetz, dass das Verhältnis des Produktes von dissoziierter [Proton (H + ) + Säurerest (A - )] zu nichtdissoziierter Säure (HA) konstant ist und durch die Dissoziationskonstante Ka beschrieben wird: (Gl. 1) Dies ist die sog. Henderson-Gleichung (1908). Da die Konzentration der Wasser stoff - ionen im nanomolaren Bereich liegt, hatte Sørensen die Darstellung der Wasser stoff - ionen konzentration als negativen dekadischen Logarithmus vorgeschlagen (aus 0, M ergibt sich so ein ph von 7,3). Hasselbalch wandte dies auf die Henderson Formel an, es resultierte die Henderson-Hasselbalch Gleichung (1916) [32,34,35]: oder für das Bikarbonatsystem: (Gl. 2) [HCO3 - ] [HCO3 - ] ph = pka + log = 6,1 + log (Gl. 3) [CO2] [αco 2 pco2] 127

2 Der physikalisch gelöste Anteil von CO2 ([CO2]) ist das Produkt aus dem Löslich keits - koeffizienten für CO2 im Plasma (αco 2 ) und dem CO2-Partialdruck (pco2). Der numerische Wert des Löslichkeitskoeffizienten richtet sich nach der gewählten Einheit für pco2. Wird der pco2 in mmhg angegeben, dann ist αco 2 = 0,03 mmol l -1 mmhg -1, wird die Einheit kpa gewählt, dann ist αco 2 = 0,225 mmol l -1 kpa -1 [1 mmhg = 1 Torr = 133,3 Pa (Pascal) = 0,133 kpa, Beispiel: 40 mmhg = 5,3 kpa]. Der normale ph-wert beträgt 7,4. Sinkt der ph-wert unter 7,35, sprechen wir von einer Azidose, steigt er über 7,45 von einer Alkalose. ph-werte unter 6,8 und über 7,8 sind mit dem Leben langfristig nicht vereinbar, insbesondere da die Aktivität der Enzyme und die Erregbarkeit von Nerven- und Muskelzellen ph-wert abhängig ist (ph-optimum). Der ph-wert und pco2 können im Gegensatz zur [CO2]- und [HCO3 - ]-Konzentration leicht gemessen werden und die [HCO3 - ] somit aus der Henderson-Hasselbalch- Gleichung berechnet werden. Bei einem normalen ph von 7,4 verhalten sich die für den ph-wert maßgeblichen Konzentrationen von [HCO3 - ] (24 mmol/l) und physikalisch gelöstem CO2 (1,2 mmol/l) wie 20:1 (Gl. 3). Bleibt dieses Verhältnis gewahrt, dann resultiert daraus immer ein ph-wert von 7,4! Beispiel: Fällt die [HCO3 - ] dann muss der pco2 in relativ gleichem Verhältnis fallen, damit der ph-wert unverändert bleibt. Geschieht dies nicht, dann würden es im vorliegenden Fall beispielsweise zu einer metabolischen (nicht-respiratorischen) Azidose kommen. Auf den Blutgasanalyseausdrucken findet man typischerweise immer zwei Angaben zur Bikarbonatkonzentration: die aktuelle und die Standardbikarbonatkonzentration, die jedoch etwas völlig Unterschiedliches bedeuten [35]! Wie aus Gl. 4 zu ersehen, führt eine Änderung des pco2 zu einer gleichsinnigen Änderung des Bikarbonationenkonzentration, vice versa, und zwar aufgrund von chemischen Prozessen, die nichts mit Kompensationsprozessen durch die Nieren, die Leber oder die Lungen zu tun haben. [H2O] + [CO2] [H2CO3] [H + ] + [HCO3 - ] (Gl. 4) Dabei führt beispielsweise eine Änderung des pco2 um 40 mmhg (5,3 kpa) zu einem Anstieg der Bikarbonatkonzentration um 7,5 mmol/l. Die aktuelle Bikarbonatkonzentration ist das Ergebnis von beidem, der aktuellen alveolären Ventilation und des aktuellen metabolischen Bikarbonatverbrauchs bzw. Bikarbonatbildung. Sie ist zu unterscheiden von der Standard -Bikarbonat konzen - tration, die nach Äquilibration der Blutprobe bei einem pco2 von 40 mmhg (5,3 kpa) bei 37 C und O2-Vollsättigung des Hämoglobins bestimmt wird. Durch die Normali - sierung der respiratorischen Komponente, ist diese nur noch Ausdruck der metabolischen (nicht-respiratorischen) Veränderungen der Bikarbonatkonzentration [23]. Die Basenabweichung - Das Siggaard-Andersen / Astrup Konzept (1960) Nicht-respiratorische Störungen können außer durch die Standardbikarbonationen - konzen tration auch durch die Basenabweichung ( base excess ) beschrieben werden. Diese kann durch Titration einer Blutprobe mit einer starken Base (bei negativer Basen - abweichung) oder Säure (bei positiver Basenabweichung) bis zum ph von 7,4 ermittelt werden (Randbedingungen: pco2 40 mmhg, Temperatur 37 C, aktuelle O2-Sättigung) oder aus dem Siggaard-Andersen-Nomogramm abgelesen werden. Heute wird sie meist vom Blutgasautomaten berechnet. Zu den für die Berechnung erforderlichen Mess - werten gehören der ph-wert, der aktuelle pco2 und, je nach Berechnungs methode, zusätzlich die Hämoglobinkonzentration (Hb) und die O2-Sättigung des Hämoglobins (so2). 128

3 Standard Basenabweichung Die wichtigsten Puffer-Basen im Blut sind Bikarbonat, Hämoglobin, Proteine und anorganisches Phosphat. Das heißt, nimmt die Hämoglobinkonzentration ab, resultiert eine verminderte Pufferbasenkapazität des Blutes. Das Hämoglobin erfüllt jedoch nicht nur für das intravasale Kompartiment Pufferfunktion. Es ist an der Pufferung des gesamten Extrazellulärraumes, also auch der proteinarmen interstitiellen Flüssigkeit beteiligt, obwohl es dort nicht vorkommt. Mechanismus: CO2 gelangt in die Erythrozyten, durch die Reaktion mit Wasser entsteht Kohlensäure, die in H + und HCO3 - zerfällt. Das H + wird vom Hämoglobin gebunden, das gebildete HCO3 - diffundiert zurück ins Plasma. Nur 1/3 des neu gebildeten HCO3 - bleibt im Plasma und 2/3 wandert in den interstitiellen Raum. Der Anstieg der Plasma-HCO3 - -Konzentration ist wegen der Äquilibrierung mit dem Interstitium somit um ca. den Faktor 3 geringer, als durch die tatsächliche Bikarbonat - bildung zu erwarten gewesen wäre. Nun kann die aktuelle Basenabweichung gemessen im Blutgasanalysator zwangsläufig nur die in-vitro Verhältnisse der Blutprobe, ohne Berücksichtigung des Interstitiums, erfassen [23, 33]. Um die in-vivo Verhältnisse der HCO3 - -Diffusion ins Interstitium zu berücksichtigen, bedient man sich eines rechnerischen Tricks, indem man sich die Pufferkapazität des Hämo globins verteilt auf den gesamten Extrazellulärraum vorstellt, und die Basen ab wei chung nicht für einen Hb von 15 g/dl, sondern für einen fiktiven Hb von 5 g/dl (3 mmol/l) berechnet (Radio meter; daneben gibt es auch noch andere Möglichkeiten, die Standardbasenabweichung (SBE oder BEecf) zu berechnen). Die Basenabweichung kann zur quantitativen Schätzung des Basendefizits oder Überschusses des Extrazellulärraumes herangezogen werden. Geht man davon aus, dass der Extrazellulärraum einschließlich Plasmavolumen hoch geschätzt etwa 25% des Körpergewichts (KG) ausmacht, dann lässt sich der gesamte Basen-Überschuss oder - Mangel dieses Kompartiments nach der üblichen Formel mit 0,3 BE kg KG schätzen [23]. Ohne hier auf die Therapie näher eingehen zu wollen, sei darauf hingewiesen, dass eine metabolische Azidose (z.b. Laktazidose) nicht mit Hilfe des so berechneten negativen BE bis zu einem ph von 7,4 korrigiert werden sollte (nur ein Drittel bis die Hälfte des errechneten Defizits ersetzen)! Sonst kann es bei der Verbesserung einer transient z.b. durch ein Schockereignis beeinträchtigten Leberfunktion zu einer u.u. erheblichen Alkalose kommen. Der Grund hierfür ist die bei Besserung der Leberfunktion wieder einsetzende Verstoffwechselung von Laktat, bei der Wasserstoffionen verbraucht werden: CH3-CHOH-COO - + H O2 3 CO2 + 3 H2O Laktat Laktatoxidation Die Anionenlücke (Oh & Carroll 1977 [27]) Die neueren Blutgasanalysatoren bieten mehr als die Messung der Determinanten der Henderson-Hasselbalch-Gleichung. Insbesondere ermöglichen sie die Messung der Natrium-, Kalium-, Chlorid- und Kalziumionenkonzentration. Damit wird u.a. die point of care Bestimmung der Anionenlücke ("anion gap") möglich und damit eine Diffe - renzie rung der Ursachen metabolischer Azidosen [23, 31]. Was ist das anion gap? Aus Gründen der Elektroneutralität muss die Anzahl negativer Ladungen in den Flüssigkeitsräumen des Körpers gleich der Anzahl der positiven Ladungen sein. Üblicherweise werden von den Kationen und Anionen nur die Konzentrationen der Hauptvertreter bestimmt: Für die Kationen sind dies die Natriumionen und für die Anionen die Chlorid- und Bikarbonationen: 129

4 [Na + ] + [nichtgemessene Kationen] = [Cl - ] + [HCO3 - ] + [nichtgemessene Anionen] [nichtgemessene Anionen] - [nichtgemessene Kationen] = [Na + ] - ([Cl - ] + [HCO3 - ] Anionenlücke = [Na+] - ([Cl-] +[ HCO3-]) [mmol/l] (Gl. 5) Beispiel: 140 mmol/l Na + - (100 mmol/l Cl mmol/l HCO3 - ) = 16 mmol/l (Tab.1) Kationen Anionen Elektrolyte Wert [meq/l] Elektrolyte Wert [meq/l] Alle Kationen und Anionen Kalzium 5 Proteine 15 Magnesium 1,5 Organische Säuren 5 Kalium 4,5 Phosphate 2 Natrium 140 Sulfate 1 Chlorid 104 Bikarbonat 24 Total Anionenlücke = Natrium 140 mmol/l - (Chlorid + Bikarbonat) 128 mmol/l Normalwert = 12 mmol/l (8-16 mmol/l) Tabelle 1: Die Anionenlücke: Verteilung von Anionen und Kationen. Die so berechnete Anionenlücke ("anion gap") ergibt sich also als Differenz der Konzen - trationen der nichtgemessenen Anionen (hauptsächlich polyanionisches Albumin und zu einem geringeren Teil Phosphat-, Sulfat-, Laktat- und β-hydroxybutyrationen) und der Konzentration der nichtgemessenen Kationen (z. B. K +, Mg 2+, Ca 2+ ). Es errechnet sich normalerweise ein Wert von 8-16 mmol/l, je nachdem, ob man K + mit in die Gl. 5 aufnimmt, oder nicht. Zur Vergrößerung der Anionenlücke kommt es, wenn dem Organismus Säuren exogen zugeführt werden oder im Stoffwechsel vermehrt anfallen, deren Anionen keine Chloridi onen sind (Tab. 2, Abb. 1). Anionenlücke normal (Bikarbonatverlust) Anionenlücke erhöht (ungemessenes Anion vorhanden) Diarrhoe Laktazidose (Laktat) Dünndarmsekretverlust Urämie (Sulfate, Phosphate) Azetazolamid Diabetische Ketoazidose (Ketone) Posthypokapnisch Alkoholische Ketoazidose (Ketone) Renal-tubuläre-Azidose Salizylatintoxikation (Azetoazetat, Laktat, Pyruvat) Methanolvergiftung (Formiat) Äthylenglykol (Äthylenoxalat) Tabelle 2: Ausgewählte Beispiele für Azidosen mit und ohne Anionenlücke. 130

5 Abb. 1: Graphische Darstellung der Anionenlücke Bei der Nicht-AG(anion gap)-azidose verändert sich das AG nicht, während die Bikarbonationenkonzentratin (HCO3 - ) ab- und die Chlorid (Cl - ) Konzentration zunimmt; bei der AG Azidose steigt das AG, aber nicht die Cl - -Konzentration. Die [HCO3 - ] nimmt ab wie bei der Nicht-AG-Azidose. Die Wasserstoffionen der nichtchloridhaltigen Säure werden wie üblich u.a. durch Bikarbonationen titriert. Es entsteht H2O und CO2 (s. Gl. 4). Das CO2 wird über die Lunge abgeatmet. Die Bikarbonationenkonzentration im Blut nimmt ab und es bildet sich das Natriumsalz des nichtgemessenen Säureanions. Da es sich bei dem Säureanion nicht um ein Chloridanion handelt, wird der Term (Cl - + HCO3 - ) in Gl. 5 kleiner (die Chloridionenkonzentration bleibt gleich, während die Bikarbonationenkonzentration durch die Pufferung abgenommen hat). Da auch die Natriumionenkonzentration unverändert bleibt, resultiert eine vergrößerte Anionenlücke (steigt z. B. der Laktatspiegel um 5 mmol/l, dann ist mit einem gleich großen Anstieg der Anionenlücke zu rechnen). Die Anionenlücke wird nicht größer, wenn HCl oder Hydrochloridverbindungen dem Körper zugeführt werden, oder wenn Bikarbonationen verloren gehen. In diesen Fällen bleibt der Term (Cl - + HCO3 - ) unverändert, weil die Abnahme der Bikarbonationen - konzentration mit einem gleichgroßen Anstieg der Chloridionenkonzentration einhergeht (hyperchlorämische metabolische Azidose). Eine unveränderte Anionenlücke findet sich daher entweder bei gastrointestinalen (z.b. Diarrhö) oder bei renalen Bikarbonationenverlusten (z.b. bei renal-tubulärer Azidose oder bei Gabe von Carboanhydrasehemmern) oder bei Zufuhr von HCl, NH4Cl und anderen Säuren, bei denen Cl - das Anion ist. Eine Verminderung der Albuminkonzentration (polyanionisches Makromolekül) führt zu einer Verkleinerung der Anionenlücke um ca. 2.5 mmol/l pro 1 g/dl Abfall der Plasma - albuminkonzentration [10-12]. Eine Hypalbuminämie vermindert die Anzahl negativer Ladungen im Extrazellulärraum. Zur Erhaltung der der Elektroneutralität kommt es zur Erhöhung der Bikarbonatkonzentration im Plasma. Es kann daraus ggf. eine Alkalose entstehen. Eine Hyperalbuminämie führt im Gegensatz dazu zu einer Zunahme negativer Ladungen und einer metabolischen Azidose durch Abfall des Plasmabikarbonats. Steigt die Konzentration der nichtgemessenen Kationen, wie dies z.b. beim multiplen Myelom (hoher Anteil polykationischer Globuline) der Fall ist, so verkleinert sich die Anionenlücke ebenfalls. In Einzelfällen kann dadurch sogar eine negative Anionenlücke resultieren. Das Stewart-Modell (1981) [37] Die Basenabweichung und die nicht albuminkorrigierte Anionenlücke berücksichtigen Veränderungen der Nicht-Bikarbonatpuffer im Plasma nicht. Diese Nicht-Bikarbonat - puffer sind vor allem das Albumin und das anorganische Phosphat [9, 20, 21]. Diese beiden Faktoren finden im Stewart-Modell des Säure-Basen-Haushalts spezielle Berück - sichtigung, insbesondere bei der Adaptation nach Figge und Fencl [9, 10]. 131

6 Das Stewart-Modell zur Beschreibung der Säure-Basenhaushaltsstörungen basiert im wesentlichen auf drei physiko-chemischen Grundprinzipien [3-5,13, 20, 21, 29, 36, 37]: 1) Der Elektroneutralität: Die Summe der Kationen ist gleich der Summe der Anionen 2) Dem Dissoziationsgleichgewicht schwacher (unvollständig dissoziierender) Sub - stanzen: Ka = [A - ] [H + ] / [HA] 3) Dem Erhalt der Masse: Die Gesamtmenge einer Substanz, d.h. die Summe aus dissoziierter und nicht-dissozierter Substanz ist konstant. Der ph-wert wird dabei von drei unabhängige Variablen bestimmt 1) pco2 2) Gesamtmenge aller schwachen Säureanionen ([ATOT] oder [A - ]) 3) Differenz der starken Ionen [SID]. Nur diese drei unabhängigen Variablen sind nach Stewart in der Lage, den Säure-Basen- Status zu verändern, weil sie den Dissoziationsgrad von Wasser in H + und OH - modulieren können. Der Einfluss dieser drei unabhängigen Variablen auf die abhängigen (!) Variablen - H + und HCO3 - - kann mit mehreren von Stewart formulierten Gleichungen beschrieben werden (siehe Appendix), wobei die Konzentrationen der abhängigen Variablen sich so ändern, dass die Elektroneutralität stets gewahrt bleibt [4]. Im Detail: (1) pco2 Für die respiratorischen Säure-Basen-Haushaltsstörungen (Hypo- oder Hyperkapnie) behält die Henderson-Hasselbalch-Gleichung, so wie oben beschrieben, ihre Gültigkeit. (2) Gesamtmenge aller schwachen Säure [A - ]-Anionen der nicht Bikarbonatpuffer Stewart nannte diesen Faktor ATOT. ATOT beschreibt die Summe der negativen Ladungen aller nicht vollständig dissoziierten Substanzen. Stewart setzte allerdings die Gesamt - eiweißkonzentration und nicht die Albuminkonzentration ein. Es ist aber nicht das Eiweiß sondern das Albumin, das den überwiegenden Teil der negativen Ladungen trägt, deshalb führte Fencl das Albumin neben der Phospatkonzentration zur Berechnung ein [A - ] [9]: [A - ] = [[Alb] x (0,123 x ph 0,631)] + [[Pi] x (0,309 x ph 0,469)] (Gl. 6) [Alb] = Albumin, [Pi] = ionisiertes Phosphat. Normalwerte: Albumin = 44 g/l; Phosphat = 1,2 mmol/l; ph 7,4; [A - ] mmol/l. Die Berücksichtigung des ph ist wegen des ph-wert abhängigen Dissoziationsgrades des Albumins und des Phosphats für die Berechnung der Gesamtladung notwendig. (3) Die Differenz der starken Ionen - Strong Ion Difference (SID) Unter der Strong Ion Difference (Abb. 2) versteht man die Differenz zwischen den starken (vollständig dissoziierten) Kationen (Natrium, Kalium, Calcium und Magnesi - um) und den starken Anionen (Chlorid, Laktat). Dabei wird unterschieden zwischen der messbaren (apparenten) [SIDa] = Differenz der starken Kationen und Anionen: [SIDa] = [[Na + ] + [K + ] + 2 x [Ca 2+ ] + 2 x [Mg 2+ ]] [[Cl - ] + [Laktat - ]] (Gl. 7) (Dimensionen: mmol/l) und der effektiven (tatsächlichen) Differenz (SIDe) [9]: [SIDe] = [HCO3 - ] + [A - ] (Gl. 8) (Dimensionen: mmol/l; pco2 mmhg; zu [A - ] siehe Gl. 6) Normalwerte: [SIDa] 45 meq/l, [SIDe] 39 meq/l 132

7 Lücke der starken Ionen = Strong Ion Gap (SIG) Die Lücke der starken Ionen (SIG) beschreibt die metabolische Säure-Basen-Haushaltsstörung quantitativ (Abb. 2). Nicht-gemessene-Anionen (Abkür - zung SIG oder [XA - ] ) sind z.b. Ketone, Format, Salicylat, Anionen von im Rahmen von Intoxikation zugeführten Säuren, Sulfate (z.b. bei Nierenversagen) usw. Laktat wird heutzutage meist mitgemessen und ist daher in der Abb. 2 innerhalb von [XA - ] extra aufgeführt. [SIG] = [XA - ] = [SIDa] [SIDe] (Gl. 9) Normalwert 6 ± 2 mmol/l Abb. 2: Ionogramm nach Stewart Elektroneutralität im Plasma: die Summe der positiven Ladungen (Kationen) ist gleich der Summe der negativen (Anionen), dargestellt durch die gleiche Höhe der Säulen. Nicht dargestellt sind die Ionen, die nur in micromolaren oder nanomolaren Konzentrationen im Plasma vorliegen (OH -, CO3 2-, H + ). Alb- und Pi- repräsentieren die negativen Ladungen des Albumins und anorganischen Phosphats. XA - = ungemessene starke Anionen, da Laktat heute meist gemessen wird, ist es innerhalb von XA - noch einmal abgegrenzt worden; SIDe = effektive Differenz der starken Ionen; SIDa = apparente (messbare) Differenz der starken Ionen (nach Fencl et al. 2000). Ein positiver SIG-Wert ist ein Indiz für die Anwesenheit ungemessene Anionen im Plasma. Wenn im Plasma keine ungemessenen starken Anionen vorhanden wären, wäre [SIDa] = [SIDe] und die [SIG] damit 0. Ungemessene Anionen finden sich aber zu einem geringen Teil natürlich auch beim Gesunden, daher ist die [SIG] auch beim Gesunden leicht positiv (5-8 mmol/l). Ein einheitlicher Referenzwert für die [SIG] existiert nicht, und muss mit den vor Ort üblichen Bestimmungsmethoden und deren Varianzen für die in die Gleichung eingehenden Parameter erhoben werden [13]. Da die Anionenlücke üblicherweise die Konzentrationen von Ca 2+, Mg 2+ und Laktat unberücksichtigt lässt, spiegelt die [SIG] die Konzentration der ungemessenen Anionen besser wieder, als die Anionenlücke. Um die Auswirkungen von Änderungen der Elektrolyte Natrium und Chlorid, des Albumins, Laktats und der nicht-gemessenen-anionen auf die aktuelle Basenabweichung (ABE) ab schätzen zu können, haben Gilfix et al. [16] folgende Gleichungen vorgeschlagen, die als BE subsets bezeichnet werden [13, 14, 16]: Die Effekte eines Wasserüberschusses oder -mangels werden geschätzt mit BENa = 0.3 x ([Na + ] 140) [mmol/l] (Gl. 10) die 140 stehen für die normale Plasma-Natrium-Konzentration von 140 mmol/l., wobei die Konstante 0,3 sich aus BENa = (42 x ([Na + ] 140)) / 140 ergibt, wobei 42 meq/l = SID. 133

8 Einfluss des Chloridplasmakonzentration (Überschuss assoziiert mit Azidose, Mangel mit Alkalose) auf den BE (BECl): zuerst muss eine Korrektur für freies Wasser erfolgen: [Cl - Na-korrigiert] = [Cl - ] x ([Na + ]normal / [Na + ]), dann BECl = 102 [Cl - ]Na korrigiert [mmol/l] (Gl. 11) die 102 stehen für die normale Cl - -Konzentration von 102 mmol/l, [Na + ]normal = 140 mmol/l. Einfluss der Albuminkonzentration auf den BE (BEAlb): Albumin ist eine nicht volatile schwache Säure (Hypoalbuminämie wirkt z.b. alkalotisch): BEAlb = (0,148 x ph 0,818) ([Alb]normal [Alb]aktuell) [mmol/l] (Gl. 12) wobei Albnormal = 42 g/l und die negativen Ladungsträger des Albumins ph-wert abhängig sind. Einfluss der Laktatkonzentration auf den BE (BELaktat) ist 1:1. Da die normale Plasma-Laktatkonzentation 1 mmol/l beträgt, ergibt sich: BELaktat = 1 [Laktat]gemessen [mmol/l] (Gl. 13) Alle verbleibenden Änderungen des BE, die nicht durch Änderungen des freien Wassers, Chlorids, Albumins oder Laktats verursacht wurden, sind somit Ausdruck ungemessener Anionen: BEungemessene Anionen = BE (BENa + BECl + BEAlb + BELaktat) [mmol/l] (Gl. 14) Story et al. [39] hat den Einfluss der Natrium und Chlorid, sowie der Albumin konzen - tration in zwei einfachen bedsite Formeln zusammengefasst. Lassen sich die Verände - rungen in der Basenabweichung durch die Summe der BE subsets (a + b) nicht hinreichend erklären, so müssen ungemessene Anionen vorliegen (näheres bei [13]): a) [Na + ] [Cl - ] 38 = Natrium- und Chlorideffekt auf den BE (mmol/l) b) (42 [Albumin (g/l)]) / 4 = Einfluss der Albuminkonzentration auf den BE (mmol/l) Interpretation der SBH-Störungen nach Stewart Da nach Stewart sowohl [HCO3 - ] als auch [H + ] Variablen sind, deren Wert durch die unabhängigen Variablen pco2, SID und [A - ] bestimmt wird, ergibt sich eine andere Sicht auf die Ursachen einer SBH-Störung als wir sie von der konventionellen SBH- Interpretation gewohnt sind [28, 29]: Die NaCl-induzierte Dilutionsazidose wäre durch den Anstieg der [Cl - ] bedingt, nicht durch den Abfall der [HCO3 - ]. Eine Hypalbuminämie wäre Grund für eine metabolische Alkalose, nicht der dadurch bedingte Anstieg der [HCO3 - ]. Der Anstieg der Natriumkonzentration und nicht das zugeführte Bikarbonation wäre die eigentliche Ursache der Alkalose bei einer Natriumbikarbonatinfusion. Störungen des SBH nach Stewart sind in Tab. 3 dargestellt. Eine Azidose entwickelt sich nach Stewart durch einen Anstieg des pco2, von [A - ] oder eine Erhöhung der Körper - temperatur, sowie durch einen Abfall der [SID] (apparent oder effektiv). Eine metabolische Azidose kann verursacht werden durch eine Überproduktion organischer Säuren 134

9 (z.b. Milchsäure, Ketosäuren, Ameisensäure, Salizylsäure, Schwefelsäure), den Verlust von Kationen (z.b. bei Diarrhoe) Dysregulation im Elektrolythaushalt (z.b. Renal Tubuläre Azidose), und die exogene Zufuhr von Anionen (z.b. im Rahmen von Vergif - tungen). Eine Alkalose ist die Folge eines Abfalls des pco2, von [A - ], oder der Körper - temperatur, oder resultiert aus einem Anstieg der [SID] [5]. Beispielsweise würde der übermäßige Verlust von Chloridionen beim Erbrechen zu einer metabolischen Alkalose führen. Tabelle 3: Die Störungen des Säure-Basen-Haushalts nach Stewart Abkürzungen: [Alb] = Konzentratin des Serum-Albumins; [Phosphat] = Konzentration des anorganischen Phosphats; SID = Strong Ion Difference; [XA - ] = Konzentration der nicht gemessenen Anionen, wobei Phosphat in [XA - ] nicht enthalten ist, da es als nicht volatile schwache Säure für sich allein dargestellt wird; [Na + ] = Serum-Natrium-Konzentration; [Cl - ] = Serum-Chlorid-Konzentration. An dieser Stelle kann nicht weiter auf Details eingegangen werden. Zur weiteren Vertiefung der Materie und für praktische Anwendungsbeispiele sind die Übersichtsartikel von Rehm et al. [29] und Funk et al. [13], sowie beispielsweise die englischsprachigen Reviews von Corey [4, 5] und Kellum [20, 21] sowie die Arbeit von Fencl et al. [9] sehr zu empfehlen. Darüber hinaus existiert ein sehr instruktives Computerprogramm mit numerischer und graphischer Darstellung (Ionogramm) der konventionellen und der im Stewart-Modell wesentlichen Parameter ( AcidBasicsII mit Gamblegram ) von Watson [41]. So kann man sich beispielsweise leicht die Auswirkungen der Änderung der Proteinkonzentration auf den ph vor Augen führen. Zum Herunterladen des Pro - gramms muss man sich unter anmelden. Das Stewart Model: Pro und Contra Beim Stewart-Model handelt es sich um ein komplexes chemisch-mathematisches Modell, das am besten unter Nutzung eines Computers angewandt wird. Es ist zu bedenken, dass sich - durch die Vielzahl der z.b. für die Berechnung der SID erforderlichen Parameter - Messfehler bei der Bestimmung von Einzelparametern unter Umständen addieren können, was letztlich zu falschen diagnostischen Schlüssen Anlass geben kann [24, 44]. Auf die Qualität der Einzelmessungen ist daher großer Wert zu legen [28]! Bisher gibt es keine Analysatoren, die eine point of care Diagnostik des SBH mit dem Stewart-Verfahren erlauben (Magnesium-, Albumin- und Phospatbestimmungen sind im Operationsbereich oder auf der Intensivstation üblicherweise nicht möglich). 135

10 Durch das wissenschaftliche Interesse am Stewart-Ansatz wird dieses diagnostische Tool jedoch zunehmend weiterentwickelt. So hat Wooten [42, 43] ein Mehrkompartimenten- Modell entwickelt, dass die Figge-Fencl-Gleichungen um die Hämoglobinkonzentration erweitert und so das Stewart-Modell von den Verhältnissen im Plasma auf die Verhält - nisse im Blut erweitert, vergleichbar mit der Basenabweichung [42]. Es gibt Hinweise dafür, dass durch die Anwendung des Stewart-Modells auch ein klinischer Nutzen resultieren kann, der den der üblichen Säure-Basen-Haushalts-Inter pre - tation ergänzt und erweitert [8, 13, 15, 17-19, 25, 26, 30, 38, 40]. So beschreiben die Änderungen der unabhängigen Variablen (pco2, [A - ], SID) die Störung des SBH nicht nur quantitativ sondern auch qualitativ, d.h. sie geben direkte Hinweise auf die Ursachen (Albuminkonzentration, Elektrolytveränderungen) und ermöglichen die Interpretation von SBH-Störungen über die Information, die aus der Bikarbonat konzen tration und die Basenabweichung gezogen werden können hinaus [1, 2, 8]. So eröffnen sie beispielsweise eine andere Denk- und Herangehensweise für Krankheiten, bei denen der Chlorid- Transport gestört sein könnte, z.b. die Renale Tubuläre Azidose (gesteigerte renale Cl - - Rückresorption) oder das Bartter Syndrom (Alkalose durch verstärkte Cl - -Ausschei - dung) [4, 6, 7]. Komplexe SBH-Störungen scheinen mit dem Stewart-Modell darüber hinaus leichter interpretierbar zu sein [9, 14]. Heute lautet daher die Antwort auf die Frage ob man die klassische SBH-Analyse oder die Analyse nach Stewart bevorzugen soll, nicht entweder die eine oder die andere, sondern sowohl die eine, als auch die andere, je nach Komplexität des Problems [21, 22, 28]! Appendix Die fundamentalen Gleichungen des Steward-Modells [nach 41]. (1) Wasser Dissoziation [H + ] x [OH - ] = K w wobei K w das sogenannte Ionenprodukt des Wassers ist (2) Dissoziation schwacher Säuren [H + ] x [A - ] = KA x [HA] (3) Erhaltung der Masse [HA] + [A - ] = [ATOT] Wobei [ATOT] die Gesamtkonzentratinn der schwachen Säuren ist. (4) HCO3 - -Bildung [H + ] x [HCO3 - ] = KC x pco2 wobei die kombinierte Gleichgewichts- und Löslichkeitskonstante KC den pco2 mit der [HCO3 - ] verbindet. (5) Carbonat (CO3 2- )-Bildung [H + ] x [CO3 2- ] = K3 x [HCO3 - ] wobei K3 die Konstante der Dissoziation von HCO3 - nach CO3 2- darstellt. (6) Elektrische Neutralität [SID] + [H + ] [HCO3 - ] [A - ] [CO3 2- ] [OH - ] = 0 wobei [SID] die Differenz der starken Ionen ist. 136

11 Literatur 1. Anstey CM. Comparison of three strong ion models used for quantifying the acid-base status of human plasma with special emphasis on the plasma weak acids. J Appl Physiol Jun;98(6): Epub 2005 Jan Balasubramanyan N, Havens PL, Hoffman GM. Unmeasured anions identified by the Fencl-Stewart method predict mortality better than base excess, anion gap, and lactate in patients in the pediatric inten - sive care unit. Crit Care Med Aug;27(8): Constable PD. Clinical assessment of acid-base status. Strong ion difference theory. Vet Clin North Am Food Anim Pract Nov;15(3): Review. 4. Corey HE. Bench-to-bedside review: Fundamental principles of acid-base physiology. Crit Care Apr;9(2): Epub 2004 Nov 29. Review. 5. Corey HE. Stewart and beyond: new models of acid-base balance. Kidney Int Sep;64(3): Review. 6. Corey HE. The anion gap (AG): studies in the nephrotic syndrome and diabetic ketoacidosis(dka). J Lab Clin Med Mar;147(3): Corey HE, Vallo A, Rodríguez-Soriano J. An analysis of renal tubular acidosis by the Stewart method. Pediatr Nephrol Feb;21(2): Epub 2005 Dec Derksen R, Scheffer GJ, van der Hoeven JG. Quantitative acid-base physiology using the Stewart model. Does it improve our understanding of what is really wrong? Eur J Intern Med Aug;17(5): Fencl V, Jabor A, Kazda A, Figge J. Diagnosis of metabolic acid-base disturbances in critically ill patients. Am J Respir Crit Care Med Dec;162(6): Figge J, Jabor A, Kazda A, Fencl V. Anion gap and hypoalbuminemia. Crit Care Med Nov;26(11): Figge J, Mydosh T, Fencl V. Serum proteins and acid-base equilibria: a follow-up. J Lab Clin Med Nov;120(5): Figge J, Rossing TH, Fencl V. The role of serum proteins in acid-base equilibria. J Lab Clin Med Jun;117(6): Funk GC. Das Säure-Basen-Modell nach Stewart. Wien Klin Wochenschr. 2007;119(13-14): Funk GC, Doberer D, Fuhrmann V, Holzinger U, Kitzberger R, Kneidinger N, Lindner G, Schneeweiss B. The acidifying effect of lactate is neutralized by the alkalinizing effect of hypoalbuminemia in non-paracetamol-induced acute liver failure. J Hepatol Sep;45(3): Epub 2006 Apr Gattinoni L, Taccone P, Carlesso E. Respiratory acidosis: is the correction with bicarbonate worth? Minerva Anestesiol Jun;72(6): Gilfix BM, Bique M, Magder S. A physical chemical approach to the analysis of acid-base balance in the clinical setting. J Crit Care Dec;8(4): Hatherill M, Waggie Z, Purves L, Reynolds L, Argent A. Correction of the anion gap for albumin in order to detect occult tissue anions in shock. Arch Dis Child Dec;87(6): Hayhoe M, Bellomo R, Liu G, McNicol L, Buxton B. The aetiology and pathogenesis of cardiopulmo nary bypass-associated metabolic acidosis using polygeline pump prime. Intensive Care Med Jul;25(7): Kaplan LJ, Kellum JA. Comparison of acid Base models for prediction of hospital mortality following trauma. Shock Dec 20; [Epub ahead of print] 20. Kellum JA. Disorders of acid-base balance. Crit Care Med Nov;35(11): Kellum JA. Clinical review: reunification of acid-base physiology. Crit Care Oct 5;9(5): Epub 2005 Aug 5. Review. 22. Lang W. Treffpunkt Stewart: Pufferbasen, base excess und starke Ionen. Anaesthesist Apr;56(4): Müller-Plathe O (1982) Säure-Basen-Haushalt und Blutgase. 2. Aufl., Thieme, Stuttgart. 24. Morimatsu H, Rocktäschel J, Bellomo R, Uchino S, Goldsmith D, Gutteridge G. Comparison of point-ofcare versus central laboratory measurement of electrolyte concentrations on calculations of the anion gap and the strong ion difference. Anesthesiology May;98(5): Moviat M, van Haren F, van der Hoeven H. Conventional or physicochemical approach in intensive care unit patients with metabolic acidosis. Crit Care Jun;7(3):R41-5. Epub 2003 May Moviat M, Terpstra AM, Ruitenbeek W, Kluijtmans LA, Pickkers P, van der Hoeven JG. Contribution of various metabolites to the "unmeasured" anions in critically ill patients with metabolic acidosis. Crit Care Med Jan 2; [Epub ahead of print] 27. Oh MS, Carroll HJ. The anion gap. N Engl J Med Oct 13;297(15): Rehm M, Chappell D, Hofmann-Kiefer K. Paradigmenwechsel durch das Stewart-Modell des Säure- Basen-Haushalts? Wir müssen nicht um, sondern weiterlernen? Wien Klin Wochenschr. 2007;119(13-14): Rehm M, Conzen PF, Peter K, Finsterer U. Das Stewart-Modell. Anaesthesist Apr;53(4): Review. German. 30. Rehm M, Orth V, Scheingraber S, Kreimeier U, Brechtelsbauer H, Finsterer U. Acid-base changes caused by 5% albumin versus 6% hydroxyethyl starch solution in patients undergoing acute normovolemic hemo- 137

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