Klinische Chemie Theorie Wasserhaushalt, Elektrolyte

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1 Wissen Phase 1b: Grundlagen aus Physik und Chemie werden vorausgesetzt. Sie kennen die Kompartimente des Wassergehalts im menschlichen Organismus und die Ionenzusammensetzung des IZR /EZR Sie können Osmolalität beschreiben und kennen deren Messverfahren. Sie kennen detailliert die hormonelle Regulation des Wasserhaushaltes. Sie können die Elektrolyte Natrium und Kalium näher beschreiben (Erhöhung und Verminderung, Alarmwerte) und wissen, wie man sie messen kann. Sie kennen die Regulation des Calciumhaushalts und wissen, welche Form des Calciums biologisch wirksam ist. Sie wissen ausserdem, was präanalytisch die Calciumbestimmung stören kann. Sie kennen die Atomabsorptionsfotometrie, sowie die Flammenemissionsfotometrie aus der Physik. Sie kennen grob das Prinzip der ISE und die Bestandteile deren Messkette. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 1 P. Hirschi

2 Inhaltsverzeichnis: 1. Flüssigkeitsräume, Kompartimente Osmotischer und kolloidosmotischer Druck Osmotischer Druck Kolloidosmotischer Druck Osmoregulation Osmolalitätsmessung Der Wasserhaushalt Die Herkunft des Wassers Störungen im Wasserhaushalt Hormonelle Regulation des Wasserhaushalts Elektrolyte Natrium Kalium Bedeutung und Regulation des Calciums Verfahren zur Messung von Elektrolyten Flammenfotometrie FFM Atomabsorptionsfotometrie Potentiometrie mit ISE medi, Bildungsgang medizinisches Labor 2 P. Hirschi

3 1. FLÜSSIGKEITSRÄUME, KOMPARTIMENTE Der Wassergehalt des menschlichen Organismus beträgt je nach Menge des Körperfettes 50 70% des Körpergewichtes. Das Gesamtkörperwasser lässt sich in einzelne Kompartimente ( Räume ) unterteilen und zwar zunächst in einen intra- (IZR) und extrazellulären (EZR) Flüssigkeitsraum. DER EXTRAZELLULÄRRAUM (EZR): Der EZR umfasst das Blutplasma (=intravasaler Raum); den interstitiellen Raum, der dem zwischen den Zellen liegenden Flüssigkeitsvolumen entspricht; sowie die transzelluläre Flüssigkeit (engl. third space), die den Liquor cerebrospinalis, die Flüssigkeit in den Körperhöhlen und das Wasser der Augenkammer umfasst. Beispiel: Bei einem Mann mit einem Körpergewicht von 70 kg und einem Wasseranteil von 60% verteilt sich das Wasser im Organismus wie folgt: 2/3 im IZR = 28 L Wasser 70 kg Körpergewicht, davon 60% Wasser = 42 L Wasser 1/3 im EZR = 14 L Wasser 10.5 L interstitiell 3 L intravasal 0.5 L transzellulär Neben dem Wasser sind die Elektrolyte von entscheidender Bedeutung für die Zusammensetzung der Flüssigkeitskompartimente. Allgemein chemisch sind Elektrolyte Salze, Säuren und Basen, die in wässriger Lösung den elektrischen Strom leiten können. Unter Elektrolyte im Organismus werden in der Medizin in der Regel verstanden: Kationen Natrium (Na + ) Kalium (K +) Calcium (Ca 2 + ) Magnesium (Mg 2 + ) und die Anionen Chlorid (Cl - ) Anorganisches Phosphat (HPO 4 2- ) Bicarbonat (HCO 3 - ) Die Konzentration der einzelnen Elektrolyte ist in den Flüssigkeitsräumen sehr unterschiedlich und weist ein charakteristisches Muster auf. Proteine liegen bei physiologischem ph ( ) grösstenteils als Anionen vor. Die Konzentration der Proteine ist in den Zellen weitaus höher als im EZR Die Ungleichverteilung von Natrium und Kalium ist Voraussetzung für die Erregbarkeit von Membranen, wie sie z. B. bei Nerven und Muskelzellen benötigt medi, Bildungsgang medizinisches Labor 3 P. Hirschi

4 wird. Die Verteilung wird durch einen aktiven Transport hergestellt und aufrechterhalten. Im EZR überwiegen Na + - und Cl -_ Ionen, im IZR dagegen herrschen K + und Phosphationen vor. Dieser Unterschied wird durch eine Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten, die unter Energieverbrauch (ATP) Natrium im Austausch gegen Kalium aus der Zelle transportiert. 2. OSMOTISCHER UND KOLLOIDOSMOTISCHER DRUCK 2.1. Osmotischer Druck Definition: Unter Osmolalität bzw. Osmolarität versteht man in der Medizin die Konzentration osmotisch wirksamer Teilchen, unabhängig von deren Art, Zusammensetzung, oder elektrischer Ladung. Osmose ist die passive Diffusion von Lösungsmittel (meist Wasser) durch eine semipermeable Membran in Richtung der Lösung mit der grösseren Teilchenkonzentration. Triebkraft hierfür ist ein Konzentrationsunterschied osmotisch wirksamer Teilchen zwischen zwei Kompartimenten. Osmotisch wirksam ist ein Teilchen dann, wenn es Wasser anzieht". Physiologischerweise ist die Osmolalität des IZR gleich der des EZR, beide Kompartimente enthalten also isotonische Lösungen. Der Unterschied zwischen Osmolalität und Osmolarität besteht in der Bezugsgrösse: Osmolalität = osmol/kg Wasser Die Osmolalität bezieht sich auf die Masse des Lösungsmittels, d.h. auf 1 kg reines Wasser. Die in der klinischen Routine eingesetzten Osmometer messen die Osmolalität. Beispiel: Werden 1 mmol Glukose (180 mg) in einem kg Wasser gelöst, so beträgt die Osmolalität 1 mosmol/kg Wasser. Osmolarität = osmol/l Lösung Die Osmolarität weist als Bezugsgrösse das Volumen einer Lösung auf. Beispiel: Befinden sich in einem Liter Glukoselösung 1 mmol Glukose so beträgt die Osmolarität 1 mosmol/l. Bei Substanzen die in wässrigen Lösungen dissoziieren, tragen alle Teilchen zur Osmolalität bei: Beispiel: 1 mmol NaCl in 1 kg Wasser gelöst führt zu einer Osmolalität von 1.75 mosmol/kg Wasser, da NaCl fast vollständig in Na + und Cl - dissoziiert (0.75 Na +, 0.75 Cl - und 0.25 NaCl. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 4 P. Hirschi

5 Blutplasma weist eine Osmolalität von ungefähr 290 mosmol/kg auf, davon werden etwa 50% durch Natriumsalze aufgebracht. Der IZR und der EZR stehen im osmotischen Gleichgewicht, d. h. Veränderungen im osmotischen Druck in IZR oder EZR werden durch Wasserverschiebungen zwischen diesen Kompartimenten ausgeglichen. Die messbare Serumosmolalität ist daher repräsentativ für beide Räume. - EZR: Bestimmend für den osmotischen Druck sind hier wegen ihrer hohen Konzentration vor allem Natrium, Harnstoff, Glucose, Proteine, usw. - IZR: Für den osmotischen Druck im Zellinneren ist dagegen die Konzentration des Kaliums entscheidend Kolloidosmotischer Druck Der Anteil des osmotischen Drucks, der durch Proteine (auch Kolloide genannt) hervorgerufen wird, bezeichnet man als kolloidosmotischen oder onkotischen Druck. Er ist mitverantwortlich dafür, dass Flüssigkeit aus dem Interstitium wieder in die Kapillaren aufgenommen wird. Obwohl er gegenüber der osmotischen Wirkung von Natrium vernachlässigbar klein ist, spielt er für die Flüssigkeitsverteilung im Organismus eine Rolle, da die Proteine nicht einfach durch die Gefässwand diffundieren können, im Gegensatz zu Natrium. In den Blutgefässen ist der Proteingehalt grösser (v. a. Albumin) als in der interstitiellen Flüssigkeit. Sinkt die Proteinkonzentration im Plasma, so tritt vermehrt Wasser aus dem Gefässystem in den interstitiellen Raum. Beispiel: Bei Nierenerkrankungen kann es zu einem renalen Verlust von Albumin kommen, dies führt zu einem Austritt von Wasser in das Gewebe, was als Ödeme bezeichnet wird Osmoregulation Wir unterscheiden 2 Arten von Messsensoren : Mechanorezeptoren registrieren Druck- und Dehnungsreize, die wiederum volumenabhängig sind. Das effektive intraarterielle Blutvolumen (EABV). welches durch Rezeptoren, lokalisiert an Karotissinus, Aortenbogen, juxtaglomerulärem Apparat, gemessen wird, ist eine besonders empfindliche Messgrösse (körperintern) des EZV. Bei Abfall des EABV werden entsprechende gegenregulatorische Massnahmen getroffen. Die Osmoregulatoren sind im Hypothalalmus lokalisiert, diese spezialisierten Zellen vergleichen intra- mit extrazellulärer Osmolalität und passen dementsprechend die Sekretion des Hormons ADH (siehe weiter unten) im Hypothalamushinterlappen an, welches die Wasserrückresorption in den Nieren reguliert. Eine erhöhte Osmolalität fördert, eine erniedrigte Osmolalität hemmt die ADH-Ausschüttung. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 5 P. Hirschi

6 2.4. Die Osmolalitätsmessung Klinische Chemie Theorie Zur Messung der Osmolalität eignet sich besonders die Messung der Gefrierpunktserniedrigung mit dem Gefrierpunktsosmometer (Kryoskop). Prinzip der Gefrierpunktsmessung Durch die gelösten Bestandteile wird der Gefrierpunkt einer wässrigen Lösung, verglichen mit reinem Wasser, herabgesetzt. Diese Gefrierpunktserniedrigung ist proportional der Zahl der gelösten Teilchen (nicht nur Ionen, sondern alle osmotisch wirksamen Teilchen), hauptsächlich Glucose, Natrium, Harnstoff, oder auch körperfremde Substanzen wie Alkohole). Eine Lösung mit 1 mol/l gelöster Substanz gefriert bei C. Umgekehrt kann man aus der genauen Messung des Gefrierpunktes auf die Konzentration schliessen. Die Messung des Gefrierpunktes einer Lösung ermöglicht daher eine Aussage über die Konzentration an gelösten Teilchen. Osmometer sind allerdings bereits in Osmolalitätseinheiten geeicht. Abb. 1: Messung mit dem Osmometer. die Gefrierpunktserniedrigung fällt umso grösser aus, je mehr gelöste Teilchen in der Lösung sind. Durchführung der Messung: Die Probe wird thermoelektrisch auf ca. -6 C abgekühlt = Unterkühlung ohne zu gefrieren da die Probe nicht in Bewegung ist. Auslösen des Gefriervorganges, z.b. durch einen vibrierenden Metalldraht. Durch die Bildung von Eis wird Wärme frei, die zu einem Temperaturanstieg in der Probe führt. Die Temperatur bleibt einige Zeit auf einem Plateau stehen, dies entspricht dem Gefrierpunkt der Lösung. Die Differenz zwischen dieser Temperatur und 0 C, dem Gefrierpunkt von reinem Wasser, wird vom Gerät erfasst und in mosmol/kg umgerechnet. Wenn die ganze Probe durchgefroren ist sinkt die Temperatur weiter ab. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 6 P. Hirschi

7 Die Gefrierpunktserniedrigung in obigem Beispiel beträgt 0.56 C (Differenz zu reinem Wasser, das bei 0 C gefriert), entsprechend einer Osmolalität von 290 mosmol/kg. Folgende Berechnung kann zur Kontrolle der gemessenen Werte (nur der Plasma- Osmolalität) eingesetzt werden. Eine Diskrepanz zwischen Messung und Berechnung weist nicht immer auf einen Messfehler hin. Für erhöhte Osmolalitätswerte können auch andere, körperfremde, osmotisch wirksame Substanzen verantwortlich sein, (z.b. Alkohol 0,8 = 18 mosmol/kg). Formel: (Einheiten in mmol/l) Serumosmolalität mosmol/kg = 2x Na + + Glucose + Harnstoff Da mit der Formel nicht alle Teilchen, die zur gesamten Osmolalität beitragen, erfasst werden, ist die berechnete Osmolalität immer kleiner als die gemessene. Normalerweise beträgt die Differenz ca. 10 mmol/l. Ist der Unterschied grösser, so liegt eine signifikante Lücke vor, dies z.b. bei einem hohen Blutalkoholspiegel. Referenzwerte: Serum: mosmol/kg Urin: mosmol/kg Erhöhung der Osmolalität durch: Urämie Hyperglykämie Alkoholintoxikation Austrocknung (z.b. Durchfälle) Therapie mit konzentrierten Infusionen von Proteinen 3. DER WASSERHAUSHALT Innerhalb der Flüssigkeitsräume, aber auch zwischen dem Organismus und der Umwelt findet ständig ein Wasseraustausch statt. Abb. 2: Mittlere Zufuhr 2 Liter pro Tag 3.1. Die Herkunft des Wassers Wasser wird durch flüssige und feste Nahrung aufgenommen, entsteht jedoch auch im Stoffwechsel (Oxidationswasser). medi, Bildungsgang medizinisches Labor 7 P. Hirschi

8 Beispiel: Der Abbau von einem Molekül Glukose liefert 6 Wassermoleküle (und 6 Kohlendioxid) C 6 H C H 2 O Beim Abbau von 100 g Neutralfett werden 100 g Wasser produziert; 100 g Kohlenhydrate ergeben 60 g und 100 g Proteine 44 g Wasser Störungen im Wasserhaushalt Die Wasserabgabe erfolgt durch Ausscheidung in Urin und Faeces, sowie über Haut und Lungen. Störungen in diesem Gleichgewicht von Aufnahme und Abgabe manifestieren sich klinisch mit: - Negativer Wasserbilanz "Wassermangel" DEHYDRATATION - Positive Wasserbilanz "Wasserüberschuss" HYPERHYDRATION Verluste in den Wasserkompartimenten machen sich folgendermassen bemerkbar: o Intrazelluläre Flüssigkeitsverluste beeinträchtigen die zelluläre Funktion und führen zu zentralnervösen Symptomen wie Lethargie, Konfusion und Koma. o Bei Verlusten aus dem EZR, z. B. bei Blutungen, kommt es zu Kreislaufkollaps, Nierenversagen und Schock. Die gute Permeabilität von Wasser, die mit einer gleichmässigen Verteilung auf die Kompartimente verbunden ist, kann dazu führen, dass klinische Zeichen des Flüssigkeitsmangels nicht gleich erkennbar werden. Der Wasserbestand des Organismus kann im fortgeschrittenen Stadium anhand folgender klinischer Parameter beurteilt werden: Hauptsymptome bei Volumenverminderung sind: Verminderter Hauttugor (Elastizität der Haut) Trockene Mundschleimhaut Verminderte Schweiss-Sekretion Blutdruckabfall bei stärkerem Volumenverlust. Abb. 3: Verminderter Hauttugor Ein verändertes EZV (intravasal) kann bei der optische Beurteilung von Serum- Hämatokrit-Anteilen bei einem zentrifugierten Probenröhrchen erkannt werden. Durch Veränderung des EZV ist der Plasmaanteil gegenüber dem Hämatokrit verschoben und es kommt zu einem falschen Ergebnis bei den Serumparametern sowie dem HK wenn dieser nicht berechnet sondern gemessen wurde. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 8 P. Hirschi

9 3.3. Hormonelle Regulation des Wasserhaushalts: Die Steuerung der Wasserausscheidung und damit die Feinregulation der Wasserbilanz erfolgt vorwiegend über hormonelle Signale an die Nieren. Dabei steuern drei Hormone, bzw. Hormongruppen den Wasserhaushalt und gleichzeitig auch den Salzhaushalt (v.a. Natrium): ADH: ANTIDIURETISCHES HORMON, Synonyme: Adiuretin, Vasopressin; synthetisiert im Hypothalamus; fördert die Rückresorption von Wasser im distalen Tubulus und den Sammelrohren, wodurch die Urinkonzentration erhöht und das Urinvolumen erniedrigt wird. ADH erhöht zudem den Blutdruck ("Vasopressin") durch Erhöhung des Plasmavolumens. Die Steuerung der ADH-Ausschüttung erfolgt durch verschiedene Messsensoren, über das extrazelluläre Volumen und der Serumosmolalität, d. h. nicht nur über den Wassergehalt allein, sondern über das Verhältnis Salze zu Wasser. ADH wird nicht routinemässig gemessen, als Ersatz wird die Serumosmolalität bestimmt. RENIN-ANGIOTENSIN-ALDOSTERON-SYSTEM, Abb 4: RAAS Bei Blutdruckabfall, Abnahme des Blutvolumens (durch Wasserverlust) und Natriummangel wird von den juxtaglomerulären Zellen der Nieren vermehrt Renin abgegeben. In der Blutbahn spaltet Renin das von der Leber gebildete Angiotensinogen zu Angiotensin I, dieses wird durch weitere Abspaltung (durch das Angiotensin-Converting-Enzym ACE) zu Angiotensin II umgewandelt. Angiotensin II wirkt gefässverengend und damit blutdruckerhöhend, es fördert die Produktion von Aldosteron in den medi, Bildungsgang medizinisches Labor 9 P. Hirschi

10 Nebennieren, bewirkt eine ADH-Ausschüttung und erhöht den Durst. Aldosteron, ein Mineralkortikoid, steigert die Rückresorption von Natrium und damit osmotisch bedingt die Wasserrückresorption in den Nierentubuli. Gleichzeitig fördert es die Ausscheidung von Kalium und Wasserstoffionen. ATRIALE NATRIURETISCHE PEPTIDE (ANP, BNP): Kleine Gruppe von Peptiden mit Hormonwirkung, deren Hauptfunktion die Reduktion des Plasmavolumens und des Blutdrucks ist. Dies bewirken sie über die Hemmung der ADH- und Reninfreisetzung - dadurch hemmen sie die Wasserrückresorption und die Aldosteronproduktion - sowie über eine Erhöhung der glomerulären Filtrationsrate. Damit wird weniger Natrium (und Wasser) rückresorbiert, das Plasmavolumen sinkt und somit auch der BD. ANP und BNP werden in den Vorhöfen des Herzens aufgrund erhöhter Wandspannung im Herz gebildet 4. ELEKTROLYTE: Natrium und Kalium Elektrolyte dienen der Beurteilung des Gesundheitszustandes oder des Krankheitsgeschehens helfen bei der Diagnosestellung erlauben in vielen Fällen eine Therapiekontrolle. Für uns in der klinischen Chemie sind folgende Elektrolyte wichtig: Die Kationen Die Anionen - Natrium (Na + ) - Chlorid (Cl - ) - Kalium (K + ) - Anorg. Phosphat (HPO 2-4 ) - Calcium (Ca 2+ ) - Bicarbonat (HCO - 3 ) (s. Säure/Basen) - Magnesium (Mg 2+ ) 4.1. Natrium Vorkommen und Wirkung: Natrium ist das häufigste extrazelluläre Kation im Organismus. Es macht einen grossen Anteil der osmotisch wirksamen Teilchen im Plasma aus und spielt eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts und der normalen Wasserverteilung des EZR. Natriumionen spielen zudem eine wichtige Rolle für die Erregungsfortleitung in Nerven- und Muskelzellen. Die Aufnahme von Natrium mit der Nahrung liegt ungefähr zwischen 100 und 200 mmol/tag. Natrium wird zwar aktiv im Dünndarm resorbiert, die eigentliche Regulation des Natriumgehaltes erfolgt aber durch die Nieren. Natrium wird glomerulär filtriert, jedoch im Tubulussystem unter Einwirkung von Aldosteron bis zu 99% wieder rückresorbiert, oder unter ANP-Wirkung ausgeschieden. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 10 P. Hirschi

11 Natrium in Verbindung mit dem Wasserhaushalt: Wasser- und Natriumbestand sind eng miteinander verknüpft. Änderungen des Wasserbestandes verteilen sich gleichmässig auf IZV und EZV zur Aufrechterhaltung der Isotonie. Hypo- und Hypernatriämie sind daher meistens Ausdruck eines veränderten Wasserbestandes. Störungen des Natriumbestandes werden in der Regel durch Wasserverschiebungen ausgeglichen, was mit Änderungen des EZV einhergeht. Hyponatriämie = Plasmanatrium < 135 mmol/l Natriummenge und Wasservolumen bestimmen die Serumkonzentration, so dass sich ein Natriumverlust, veränderte Wasserretention (renale Rückresorption) oder Einstrom von Wasser in den intravasalen Raum bei erhöhter Osmolalität als mögliche Abnahme der Natriumkonzentration ergeben. URSACHEN: - Natriumverlust: Gastrointestinal (Durchfall, Erbrechen); renal (Aldosteronmangel); Diuretika welche die Natriumrückresorption blockieren. - Zufuhr Mengen an elektrolytfreiem Wasser, z. B. Glucoseinfusion. - Inadequate ADH-Sekretion (SIADH) zuviel ADH wird freigesetzt, die Wasserrückresorption steigt Verdünnungseffekt. Dies kommt z. B. bei Infektionen, Tumore oder Verletzungen vor, oder wird durch Medikamente verursacht. - Hyponatriämie als Folge von Hyperglykämie: Anstieg des osmotischen Drucks in den Gefässen führt zum Einstrom von Wasser aus dem Gewebe Verdünnungseffekt. - Volumenverdränkungseffekt bei der Messung von lipid- und proteinreichen Proben fehlendes Lösungsvolumen für Natrium. Falsch tiefe Konzentration, da nur Ionen gemessen werden. FOLGEN EINER HYPONATRIÄMIE: Bedingt durch den osmotischen Gradienten kommt es bei Hypoosmolalität im Plasma zum Einstrom von Wasser in die Zellen. Die Folgen davon sind: Störungen des ZNS mit Übelkeit, Erbrechen und Krampfanfällen bis zum Koma oder sogar Tod. Hypernatriämie = Plasmanatrium > 145 mmol/l URSACHEN: - Zunahme des Natriumbestandes: Natriumbicarbonat-Infusionen; primärer Hyperaldosterinismus (Morbus-Conn-Syndrom): mehr Aldosteron Natriumreabsorption steigt. - Wasserverlust: Verminderte Wasseraufnahme; Diabetes insipidus: Verminderte ADH-Sekretion (zentraler D. i.), oder Rezeptordefekt für ADH in den Sammelrohren der Niere (peripherer D. i.) FOLGEN EINER HYPERNATRIÄMIE: Ein erhöhter Natriumgehalt des Organismus führt zu Entzug von Wasser aus den Zellen. Die Folgen davon sind Durst, Verwirrtheit und Koma medi, Bildungsgang medizinisches Labor 11 P. Hirschi

12 ANALYTIK Die Messung des Natriums kann durchgeführt werden mit: Ionenselektiven Elektroden (ISE): Direkte und indirekte Potentiometrie Flammenemissionsphotometrie FFM Atomabsorptionsphotometrie (eher selten, da zu aufwändig für die Routine) Die FFM ist heute weitgehend durch die ISE ersetzt worden. Die ISE wird in diesem Skript noch besprochen. Bestimmungsindikationen Störungen im Wasser- und Elektrolythaushalt Störungen im Säure-Basen-Haushalt Nierenerkrankungen, gastroenterale Erkrankungen Referenzwerte: Im Serum/Plasma mmol/l Alarmwerte: < 120 mmol/l und > 155 mmol/l 4.2. Kalium Vorkommen und Wirkung: Vorkommen: Kalium ist das dominierende intrazelluläre Kation. Der Konzentrationsgradient zwischen dem IZR (160 mmol/l) und dem EZR (4 mmol/l intravasal) ist gewaltig, so dass schon geringe Kaliumverluste aus den Zellen die Konzentration im EZR stark ansteigen lassen. Nur gerade 2% des Gesamtkörperkaliums zirkulieren im Plasma. Dieser Gradient wird durch die Na-K- ATPase-Pumpe (siehe oben) aufrechterhalten. Wirkung: Kalium beeinflusst: Die Regulation der neuromuskulären Erregbarkeit Die Kontraktion der Herzmuskulatur Das intrazelluläre Volumen Die Bildung und Wirkung von camp (intrazellulärer Signalübermittler). Kalium wird ausserdem vom Säure-Basen-Haushalt beeinflusst Die wichtigste Wirkung von Kalium ist die Beeinflussung der Herztätigkeit, die Erregbarkeit der Herzmuskelzellen ist auf einen Gradienten der Kaliumkonzentration von intra- zu extrazellulär angewiesen.. Bei hohen Kaliumkonzentrationen im Plasma verlangsamt sich die Herzfrequenz (Bradykardie). Erniedrigte Kaliumkonzentrationen erhöhen die Erregbarkeit der Herzmuskulatur (Tachykardie), was zu Herzrhythmusstörungen führen kann. Bei einer Azidose, d. h. einem Überschuss von H + -Ionen im Blut, treten vermehrt H + - Ionen in die Zelle ein. Im Austausch (zur Wahrung der Elektroneutralität) verlässt dafür Kalium die Zelle, so dass es zu einer Hyperkaliämie kommt. Bei einer medi, Bildungsgang medizinisches Labor 12 P. Hirschi

13 Alkalose (Verminderung der H+-Ionen im Blut) ist entsprechend mit einer Hypokaliämie zu rechnen. Regulation des Kaliumbestandes: Das glomerulär filtrierte Kalium wird im proximalen Tubulussystem praktisch vollständig rückresorbiert. Im distalen Tubulus und in den Sammelrohren wird unter dem Einfluss von Aldosteron, im Austausch mit Natrium, Kalium sezerniert. Verschieden Faktoren beeinflussen die Verteilung von Kalium zwischen IZR und EZR: Bei einer Hemmung der Na-K-ATPase Pumpe kann es zu Kaliumverlust aus dem IZR kommen, z. B. bei Hypoxämie Insulin fördert den raschen Übertritt von Kalium aus dem EZR in die Zellen. Katecholamine (Adreanalin, Noradrenalin) fördern den Eintritt von Kalium in die Zellen, Betablocker (Herzmedikamente) hemmen ihn. Medikamente die die Wasserauscheidung über die Nieren fördern (Diuretika) können auch die Kaliumausscheidung erhöhen. Kalium sparende Präparate führen dagegen zu einem Anstieg der Plasmakonzentration von Kalium. Hypokaliämie = Plasmakalium < 3.5 mmol/l URSACHEN: - Diuretika: Eine Überdosierung von Diuretika, die NICHT kaliumsparend sind, führt zu einer gesteigerten Kaliumausscheidung. - Aldosteronerhöhung: Beim Hyperaldosteronismus (Conn-Syndrom) ist die renale Kaliumrückresorption vermindert, da vermehrt Natrium rückresorbiert und Kalium dafür ausgeschieden wird. - Durchfall: Durchfall, Erbrechen führen zu enteralem Kaliumverlust. - Alkalose: Kaliumionen werden im Austausch gegen Protonen (H + ) in die Zellen aufgenommen. - Zuviel Insulin: Insulin bewirkt eine rasche Aufnahme von Glucose und Kalium in den IZR. - Verdünnungseffekte durch Infusionen (ohne Kalium!) usw. - Hohe Leukozytenzahl: Leukozyten nehmen in vitro Kalium aus dem Plasma auf. - Volumenverdränkungseffekt bei der Messung von lipid- und proteinreichen Proben fehlendes Lösungsvolumen für Kalium. Falsch tiefe Konzentration, da nur Ionen gemessen werden. FOLGEN EINER HYPOKALIÄMIE: Muskelschwäche und Lähmungen, in sehr schweren Fällen mit Versagen der Atmung Tachykardie (Beschleunigung der Herzfrequenz), Extrasystolen Gefahr eines systolischen Herzstillstands (in der Auswurfphase) Hyperkaliämie = Plasmakalium > 5 mmol/l URSACHEN: Hämolyse: In vivo (z. B. bei Verbrennungen oder künstlichen Herzklappen) Gabe von Blutkonserven: Das Plasma von Blutkonserven ist durch andauernde langsame Hämolyse der Blutzellen kaliumreich. Kaliumsubstitution: Übermässige Zufuhr von kaliumreicher Infusion. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 13 P. Hirschi

14 Verletzungen/postoperativer Zustand: Freisetzung von Kalium aus traumatisiertem (verletztem) Gewebe. Azidose: Bei Säuerung des Blutes verdrängen die einströmenden Protonen (H + -Ionen) zelluläres Kalium, z. B. bei Ketoazidose nach Hyperglykämien. Gabe von kaliumsparenden Diuretika: Fördern die Ausscheidungsfunktion der Nieren. Wenn kaliumsparende Diuretika in zu hohen Dosen eingesetzt werden, führt dies zur vermehrten Wasserausscheidung ohne entsprechende Kaliumausscheidung. Niereninsuffizienz: Abnahme der Kaliumausscheidung als Folge. Aldosteronmangel: Bei NNR-Insuffizienz (Addison Syndrom) kommt es zum Natriumverlust und darum zu einer erhöhten Kaliumretention (zur Erinnerung: Kalium wird im Austausch gegen Natrium rückresorbiert). Fehler bei der Blutentnahme: Pumpen mit der Faust, lange Stauung falsch Kaliumkonzentration. Thrombozyten: TC sind sehr zerstörungsempfindlich und reich an Kalium, dieses wird bei der Gerinnung (Serum höhere Kaliumkonzentration als Plasma) und beim Auflösen der TC in vitro frei. Hohe (lysierende) Leukozytenzahl: Kalium kann bei der Lyse aus den Zellen in vitro freigesetzt werden FOLGEN DER HYPERKALIÄMIE Über 5.5 mmol/l - Bradykardie (Verlangsamung des Herzschlages), Veränderung des EKGs, Asystolie Über 8 mmol/l herabgesetzte kardiale Erregbarkeit Über 9 mmol/l Kammerflimmern, Gefahr eines diastolischen Herzstillstands (Füllphase der Herztätigkeit). ANALYTIK Blutentnahme: - Keine langen Stauungen, kein Pumpen Kaliumkonzentration. - Wird anstelle Plasma Serum verwendet, so ist daran zu denken, dass bei der Gerinnung Kalium aus dem TC freigesetzt wird. Dieser Effekt ist bei einer Thrombozytose besonders ausgeprägt. - Bei starkem Abkühlen von Vollblut kann Kalium aus den BZ freigesetzt werden daher rasche Abtrennung des Plasma/Serum und Aufbewahrung bei RT. - Hämolyse bei der BE führt zur Erhöhung der Kaliumkonzentration. Messung: Kalium sollte aus obigen Gründen innerhalb ½ - 1 Stunde bestimmt werden mittels: Ionensensitive Elektroden (ISE): Direkte und indirekte Potentiometrie Flammenemissionsphotometrie Bestimmungsindikation: Infusionstherapie Schock und Herz-Kreislaufinsuffizienz Diuretikatherapie und/oder Niereninsuffizienz Durchfälle und/oder Missbrauch von Abführmitteln Störungen im Säure-Basenstatus medi, Bildungsgang medizinisches Labor 14 P. Hirschi

15 Referenzwerte: Im Plasma: mmol/l Alarmwerte: < 3 und > 5 mmol/l Klinische Chemie Theorie 5. BEDEUTUNG UND REGULATION DES CALCIUMS Bedeutung: Calcium ist ein Kation und zählt chemisch zu den Erdalkalimetallen. Es ist wichtig für: Den Knochenstoffwechsel, die Zähne Neuromuskuläre Erregungsvorgänge: Steuerung von Nerven und Muskeln Kontraktion der Muskeln Den Herzrhythmus Stoffwechselvorgänge in den Zellen, z. B. Enzymaktivitäten Die Blutgerinnung. Stoffwechsel und Verteilung Die tägliche Calciumaufnahme beträgt mmol ( g), vorwiegend aus Milch und Milchprodukten, Getreideprodukten und Leitungswasser. Täglich sollten wir etwa 800 mg aufnehmen, dies entspricht etwa ¾ L Milch oder 70 Gramm Emmentaler. Ein Drittel davon wird im Jejunum (Dünndarm) absorbiert, der Rest mit den Faeces ausgeschieden. Im Urin werden täglich etwa 5 mmol ausgeschieden. Calcium wird glomerulär filtriert und ein Grossteil davon wieder tubulär rückresorbiert. Bei 70 kg Körpergewicht beträgt der Calcium-Bestand etwa 25 mol (1 kg), davon sind 100 mmol rasch austauschbar. Verteilung: 99% in den Knochen (extrazellulär als kristalliner Hydroxylapatit) und Zähnen 1 % in EZR und IZR Die Calciumfraktion im Plasma von ca. 2.5 mmol/l verteilt sich folgendermassen: - 40% an Proteine gebunden (vorwiegend an Albumin), dieses Calcium wird z. B. zu den Knochen und Zähnen transportiert - 10 % komplexgebunden, d.h. an andere Substanzen gebunden (Phosphat, Citrat, Lactat, Bicarbonat) - 50% ionisiertes (Ca 2+ ) Calcium nur dieses wird als biologisch aktiv betrachtet, ist also beteiligt an der Aktivierung von Enzymen, der Gerinnung, der neuromuskulären Erregbarkeit und anderen Stoffwechseltätigkeiten. Die Ca 2+ -Konzentration unterliegt der Kontrolle durch die Calciumhormone Calcitriol, Parathormon und Cacitonin. Die Bindung von Calcium an Proteine ist ph-abhängig. Alkalose begünstigt die Bindung, da durch den alkalischen ph-wert mehr negative Bindungsstellen für Calcium frei werden, dies führt zur Abnahme des ionisierten Calciums (Ca 2+ ). Azidose hemmt die Proteinbindung und führt zur Zunahme von Ca 2+. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 15 P. Hirschi

16 REGULATION DES PLASMACALCIUMSPIEGELS Der Plasmaspiegel wird durch 3 Hormone beeinflusst: Calcitriol: Plasmacalcium Parathormon: Plasmacalcium Calcitonin: Plasmacalcium CALCITRIOL (Vitamin-D-Hormon) Erhöht den Calciumspiegel im Plasma durch: Förderung der Calciumaufnahme aus der Nahrung im Darm Verminderung der Calciumausscheidung im Urin. Es ist notwendig um starke Knochen zu bilden. Calcitriol entsteht aus Cholecalciferol aus der Nahrung (Fisch, Pilze, Spinat) oder aus endogenem Cholesterin das zuerst in der Haut umgewandelt werden muss (photochemisch durch Sonnenlicht katalysiert). Cholecalciferol wird in der Leber und anschliessend in der Niere in das aktive Vitamin-D- Hormon Calcitriol überführt. Ein Mangel kann durch fehlende Sonnenbestrahlung, Leber- und Niereninsuffizienz entstehen und führt im Kindesalter zu Rachitis und bei Erwachsenen zu Osteomalazie. Dem kann man durch Vitamin-D- Tabletten vorbeugen. Abb. 5: Das Vitamin-D-Hormons Calcitriol PARATHORMON PTH: Erhöht den Calciumspiegel im Plasma durch: Steigerung der Reabsorption von Ca 2+ im distalen Tubulus Mobilisierung von Calcium aus den Knochen Stimulierung der renalen Calcitriolbildung (siehe oben) Die PTH-Sekretion aus den Zellen der Nebenschilddrüsen wird vermittelt über einen calciumsensitiven Rezeptor, der auf die extrazelluläre Konzentration des ionisierten Calciums anspricht. Das Parathormon senkt ausserdem den Phosphatspiegel im Plasma, durch Reabsorption von Calcium in der Niere wird im Gegenzug Phosphat ausgeschieden. Abb. 6: Hinter der Schilddrüse befinden sich die 4 kleinen Nebenschilddrüsen (Epithelkörperchen) medi, Bildungsgang medizinisches Labor 16 P. Hirschi

17 CALCITONIN: Senkt den Calciumspiegel im Plasma durch: Hemmung der Osteoklastentätigkeit (Hemmung des Knochenabbaus und damit der Calciumfreisetzung) Hemmung der tubulären Reabsorption von Calcium. Die Wirkung des Calcitonins liegt in der vermehrten Ablagerung von Calcium in den Knochen. Calcitonin wird in den C-Zellen der Schilddrüse gebildet, seine physiologische Relevanz ist weitaus geringer als die der beiden oben genannten Hormone. Abb. 7: C-Zellen der Schilddrüse Hypocalcämie = Plasmacalcium < 2.2 mmol/l URSACHEN: Längerdauernde Verdauungsstörungen, z. B. bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (Morbus Crohn, Colitis ulcerosa), Zoeliakie.. Hier ist die Aufnahme von Vorstufen des Vitamin D gestört oder die Ca-Aufnahme selbst. Vitamin-D-Mangel / bzw. ein Vit-D-Hormonmangel: Zuwenig Vitamin D- Hormon-Vorstufen in der Nahrung; Sonnenlichtmangel; Leber und Nierenschaden (hier werden Vit-D-Vorstufen nicht in Calcitriol umgewandelt). Parathormonwirkung vermindert / Unterfunktion der N-Schilddrüse = Hypoparathyreodismus: Kommt vor, wenn die Nebenschilddrüsen entfernt wurden (unabsichtlich bei einer Schilddrüsen-OP), bei PTH-Rezeptordefekt (Parathormon wirkt nicht) und bei Autoimmunerkrankungen mit AK gegen die Nebenschilddrüse. Nierenerkrankungen: Bei bestimmten Nierenschäden wird zuviel Calcium ausgeschieden. Knochenbildende Tumore: Gewisse Tumore bauen Knochensubstanz auf und verbrauchen somit Calcium. Erniedrigung des Gesamt-Calciums kommt bei Hypoproteinämien vor. Der Anteil des an Albumin gebundenen Calciums nimmt ab, das biologisch wirksame ionisierte Calcium (Ca 2+ ) ist aber normal, es wird weniger Ca. resorbiert und mobilisiert bei fehlendem Albumin als Transporter. FOLGEN EINER HYPOCALCÄMIE: Neurologisch: Tetanische Krämpfe, Übererregbarkeit Nerven u. Muskeln Kardial: EKG-Veränderungen (QT-Verlängerung) Störungen der Knochenmineralisation Trübung der Augenlinse = Cataract (grauer Star) Hypercalcämie = Plasmacalcium >2.6 mmol/l URSACHEN: Tumorerkrankungen: Bei Knochen-zersetzendem Tumorwachstum Überfunktion der Nebenschilddrüse = primärer Hyperparathyreodismus Bettlägrigkeit oder mangelnde Bewegung: führt zu Knochenabbau Calcium wird frei medi, Bildungsgang medizinisches Labor 17 P. Hirschi

18 Vitamin D-Überdosierung FOLGEN EINER HYPERCALCÄMIE: Calcium > 4 mmol/l führt zu Herzrythmusstörungen und Koma Werte sofort weitergeben. Neurologisch: Psychosen, Somnolenz (Schläfrigkeit), Koma Kardiovaskulär: Hypertonie, EKG-Veränderung (QT-Verkürzung) Gastrointestinal: Übelkeit, Erbrechen, Pankreatitis Renal: Polyurie, Urolithiasis (Harnsteine), Verkalkung der Niere durch Ca-Ablagerungen Niereninsuffizienz. Allgemeine Calcifikationen an den inneren Organen, Gefässwänden und der Hornhaut. ANALYTIK Probenmaterial: Gesamtcalcium: Heparinplasma kein EDTA-Plasma (komplexiert Ca-Ionen)!! Ionisiertes Calcium (Ca 2+ ): Anaerob behandeltes Heparinblut, z. B. Blutgasspritzen Messung: Gesamtcalcium: Atomabsorption (heute eher selten, da aufwändig) Flammenphotometrie (selten) Photometrische Farbtests (häufigste Methode) Ionisiertes Calcium: Calciumelektrode Bestimmungsindikationen: Störungen der PTH-Synthese in der Nebenschilddrüse Vitamin-D-Mangel oder Überdosierung Nierensteinerkrankungen Entfernung (unabsichtliche) der Epithelkörperchen (Nebenschilddrüsen) Krampfleiden Tumorerkrankungen Referenzwerte: Gesamtcalcium Serum/Plasma: mmol/l Ionisiertes Calcium: mmol/l medi, Bildungsgang medizinisches Labor 18 P. Hirschi

19 6. VERFAHREN ZUR MESSUNG VON ELEKTROLYTEN 6.1. Flammenemissionsfotometrie (s. auch Physik) Alkali- und Erdalkalimetalle (Natrium, Kalium, Calcium, Lithium). Prinzip: Metallionen im Probenmaterial werden in einer Flamme verdampft und dadurch zurückverwandelt in Atome. Anschliessend werden sie durch thermische Energie (Propan/Acetylen-Pressluftflamme C) in einen angeregten Zustand versetzt. Dabei emittieren diese Atome beim Übergang in den Grundzustand Licht einer bestimmter WL. Diese Emissionsstrahlung wird je nach WL einem Element zugeordnet und zur Konzentrationsbestimmung beim Patienten verwendet. Die FFM wird künftig mehr und mehr durch Ionenselektive Elektroden ISE ersetzt Abb. 8: Angeregtes Atom 6.2. Atomabsorptionsfotometrie (s. auch Physik) Elektrolyte, Spurenelemente, Schwermetalle Prinzip: Metallionen werden in einer Flamme verdampft und so in Atome umgewandelt. Die Einstrahlung von Emissionsstrahlung des zu bestimmenden Elements (zur Messung von Kupfer, z.b. Licht einer Kupferhohlkathoden-Lampe) wird von den Atomen absorbiert. Die Messung des abgeschwächten, axialen Lichtstrahls (Transmission) und Umrechnung in Extinktion dient zur Ermittlung der Konzentration. 6.3.Potentiometrie, Ionenselekive Elektrode ISE Potentiometrie = analytische Verfahren, die auf der Messung von Elektrodenpotentialen basieren. Ionenselektive-Elektroden-Einheiten (ISE) bestehen aus einer Messkette, diese ist wie folgt aufgebaut: Referenzelektrode Voltmeter Messelektrode medi, Bildungsgang medizinisches Labor 19 P. Hirschi

20 Das Voltmeter misst ein elektrisches Potential (Spannungsdifferenz) zwischen Referenz und Messelektrode, welches proportional der Ionenaktivität in der Messlösung ist. Die ionenselektive Membran der Messelektrode ermöglicht die potentiometrische Messung der Aktivität eines bestimmten Ions. Komplexgebundene (proteingebundene) Ionen werden nicht erfasst. Wichtig: Ionenselektive Elektroden messen nicht die Ionenkonzentration, sondern die Aktivität des betreffenden Ions. DAS ELEKTRODENPOTENTIAL Wenn ein Metallstreifen in eine Lösung seines Salzes getaucht wird, so gelangen einige Metallionen in die Flüssigkeit, wobei sie Elektronen auf dem Metallstreifen zurücklassen. Dies führt zu einer kleinen, negativen Ladung des Metallstreifens und gleichzeitig zu einer entsprechenden positiven Ladung der Salzlösung. Abb. 9: Das elektrische Potential das sich zwischen Metallstreifen und Flüssigkeit ausbildet, wird als Elektrodenpotential bezeichnet. Es ist abhängig von der Art des Metalls und der Konzentration der Salzlösung. Je mehr Zinkionen in der Salzlösung sind desto mehr werden auch auf den Zinkstreifen gelangen in obigem Beispiel. Der Metallstreifen und die Salzlösung bilden eine so genannte halbe Zelle. Verbindet man zwei halbe Zellen, die eine unterschiedliche Konzentration der Salzlösung enthalten (Plasma ist auch eine Salzlösung), über einen elektrischen Leiter (z.b. eine Salzbrücke) miteinander, so kann die Potentialdifferenz (= Potential der Halbzelle 1 verglichen mit dem Potential der Zelle 2) mit einem empfindlichen Voltmeter gemessen werden. Abb.10: Halbzelle 1 Halbzelle 2 Elektroden funktionieren nach diesem Prinzip. medi, Bildungsgang medizinisches Labor 20 P. Hirschi