Säure-Basen-Status und Blutgase: Einleitung

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1 Institut für MTA-Ausbildung am Klinikum Osnabrück Fachgebiet Klinische Chemie Dr. Uwe Krämer Säure-Basen-Status und Blutgase: Einleitung Durch die Blutgasanalytik erfasst man: die Versorgung des Organismus mit Sauerstoff den Abtransport des beim Stoffwechsels entstehenden Kohlendioxids Störungen des Säure-Basen-Haushaltes Blutgase Für das Verständnis sind Kenntnisse der Atmungsphysiologie und des Transportes der Atemgase im Blut erforderlich. Dazu wird auf den Physiologieunterricht verwiesen. Säuren und Basen - Puffersysteme Im Stoffwechsel werden Säuren gebildet (Lactat, Acetat u.v.a.m). Ferner werden mit der Nahrung gleichfalls Säuren aufgenommen. Die zugehörigen H+ Ionen müssen zellulär und in der Blutbahn abgepuffert werden. Folgende Puffersysteme halten den ph-wert des in einem Bereich von 7,35 bis 7,45 konstant: - das Bikarbonatpuffersystem - das Hämoglobinpufferssystem - das Plasmaproteinpuffersystem - das Phosphatpuffersystem Bitte merken Sie sich die Puffersysteme in der hier aufgeführten Reihenfolge ihrer Bedeutung. Löslichkeit von Gasen im Blut Gase lösen sich in Flüssigkeiten. Ein Beispiel dafür sind die Gasbläschen im Mineralwasser. Aber auch die Gase der Umgebungsluft lösen sich in Flüssigkeiten. So gelangt z.b. Luftsauerstoff zur Freude der Fische durch Diffusion in das Wasser eines Aquariums. Die Gasdiffusion erfolgt entsprechend einer Partialdruckdifferenz stets von Ort des höheren Partialdrucks zum Ort des niedrigeren Partialdrucks. Der Gasübertritt erfolgt so lange, bis keine Partialdruckdifferenz mehr besteht. Gaspartialdrucke werden in der Medizin z.zt. in mm Hg oder Torr angegeben. Gaspartialdrucke lassen sich berechnen. Am einfachsten geht das so:

2 Man messe mit einem Barometer den Gesamtluftdruck. Er betrage z.b. 760 mm Hg. Sauerstoff hat einen Volumenanteil von 21% an der Atmosphärenluft. 21% von 760 mm Gesamtluftdruck ergeben ca. 160 mm Hg. Damit beträgt der Gaspartialdruck für Sauerstoff po2 in diesem Fall 160 mm Hg. Wegen der oben beschriebenen Gasdiffusion wird aus der Zimmerluft so lange Sauerstoff in das Wasser eines Aquariums diffundieren, bis sich auch hier ein po2 von 160 mm Hg einstellt. Dieser Sauerstoff befindet sich in Form kleinster Bläschen im Aquariumwasser. Ein Fisch im Aquarium zieht das Wasser durch seine Kiemen und entnimmt den Sauerstoff. Dadurch nimmt der po2 im Wasser ab. Es entsteht eine Partialdruckdifferenz zwischen der Umgebungsluft und dem Wasser. Diese wird ausgeglichen, indem nun wieder O2 aus der Luft in das Wasser diffundiert. So wird der verbrauchte Sauerstoff im Wasser ständig ergänzt. Was passiert wohl mit dem Fisch, wenn man das Aquarium mit Klarsichtfolie gasdicht abdeckt? Gaspartialdrucke lassen sich mit Elektroden messen. Man kann also die Gaspartialdrucke für Sauerstoff (po2), für Kohlendioxid (pco2) und für viele andere Gase unmittelbar in allen möglichen Flüssigkeiten (so auch im Blut!) messen. Aufgabe: Finden Sie heraus, wie eine solche "Sauerstoffelektrode" funktioniert! Hinweis: Der po2 in den Lungenalveolen liegt nicht bei 160 mm Hg, sondern nur bei ca. 100 mm Hg, da sich die Einatmungsluft (po2 160 mm Hg) mit der Ausatmungsluft (sauersoffarm) und dem Wasserdampf (Atemfeuchtigkeit) mischt. Man misst bei Gesunden intraalveolär einen po2 von ungefähr 100 mm Hg. Dieser po2 findet sich dann auch im arterialisierten Blut, sofern keine Diffusionshindernisse bestehen. Merke: Der po2 in der Alveole und im Arterienblut liegt bei Gesunden bei 100 mm Hg Die Gasdiffusion für die wichtigen Atemgase O2 und CO2 zwischen Alveole und Blut erfolgt sehr schnell (innerhalb weniger hundert Millisekunden). Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt ab von der Molekülgröße des diffundierenden Gases (steht fest und ist konstant) sowie von der Diffusionsstrecke (Dicke der Alveolarmembran; bei manchen Krankheiten ist sie pathologisch verdickt.) Im Blut physikalisch gelöst sind alle Gase, die in der Einatemluft enthalten sind. Wichtig sind Sauerstoff und Kohlendioxid. Man kann deren Partialdrucke po2 und pco2 mit Hilfe einer Sauerstoffelektrode bzw. eine CO2-Elektrode direkt messen. Merke: Der pco2-wert im Arterienblut liegt zwischen 35 und 45 mm Hg. Für Physikinteressierte: Der Druck Definition des Druckes Der Druck (P) ist definiert, als die Kraft (F) dividiert durch die Fläche (A), auf welche diese Kraft senkrecht wirkt: Kraft Druck = Fläche

3 Die Einheit des Drucks beträgt: Newton = 1 Pascal = 1 Pa m 2 In der Medizin wird meist anstelle der S.I.-Einheit Pascal die alte Einheit mm Hg verwendet: 1 mmhg = Pa bzw. 1 Pascal = mm Hg Der Partialdruck (das Gesetz von Dalton) Liegen, wie beispielsweise bei der Luft, mehrere Gase als Gemisch vor, so leistet jedes Gas einen entsprechenden Anteil zum Gesamtdruck. Das Dalton sche Gesetz beschreibt die Aufteilung des Gesamtdruckes eines Gasgemisches auf die im Gemisch vorliegenden einzelnen Gase. Der auf das einzelne Gas entfallende Teil des Druckes wird als Partialdruck (p) dieses Gases bezeichnet. Er ist gegeben durch den Volumenanteil dieses Gases am Gesamtvolumen. Beispiel: Ein Gasgemisch aus 20.0% O 2, 5.6% CO 2 und 74.4% N 2 stehe unter einem Druck von 101 kpa (=757 mm Hg). Der Partialdruck der einzelnen Gase beträgt somit: po 2 = = 20.2 kpa = 151 mm Hg pco 2 = = 5.7 kpa = 42 mm Hg pn 2 = = 75.1 kpa = 546 mm Hg Temperatur Grundsätzlich gilt, dass bei gleichem Druck umso mehr Gas in einer Flüssigkeit gelöst werden kann, je niedriger die Temperatur ist. Ohne spezielle klinische Angaben wird bei der Messung der Blutgase von einer Temperatur von 37 C ausgegangen. Auf modernen Blutgasgeräten kann die dem Patienten entsprechende Temperatur eingestellt werden. Allgemein wird jedoch darauf verzichtet, bei Proben von Patienten mit Fieber oder Unterkühlung (Lawinenopfer oder künstliche Unterkühlung bei Operationen auf beispielsweise 26 C) entsprechende Korrekturen vorzunehmen. Dies gilt insbesondere für den ph-wert und den Partialdruck des Kohlendioxids, wo der Einfluss der Temperaturänderung nur gering ist. Falls bei einer anderen Temperatur als 37 C gemessen wird, sind zusätzlich immer auch die Messwerte für 37 C anzugeben.

4 Löslichkeitskoeffizient Der experimentell bestimmbare Löslichkeitskoeffizient wird auch als Bunsen scher- Absorptionskoeffizient bezeichnet und entspricht der Anzahl der Milliliter eines Gases, die sich in 1 ml Flüssigkeit bei einem Druck von 760 mm Hg lösen. Das Volumen eines Gases, das sich physikalisch im Plasma löst, ist vom Partialdruck, der Temperatur und dem Löslichkeitskoeffizienten (a) des betreffenden Gases abhängig und berechnet sich daher wie folgt: gelöstes Volumen (ml/l) = α Druck (mm Hg) / oder gelöstes Volumen (ml/l) = α Druck (kpa) / oder Für Blut und eine Temperatur von 37 C beträgt der Löslichkeitskoeffizient: für O 2 = 0,024 für CO 2 = 0,49 Beispiel: Blut wird mit einem Gasgemisch, das 14% Sauerstoff enthält, bei einem Luftdruck von 757 mm Hg äquilibriert. Da die Luft mit Blut im Gleichgewicht steht, ist sie mit Wasserdampf gesättigt. Zur Berechnung, des durch das trockene Gas bedingten Druckes, muss zuerst der Wasserdampfdruck vom Luftdruck subtrahiert werden. Druck des trockenen Gases = = 710 mm Hg Anschließend wird der Partialdruck des Sauerstoffs berechnet: po2 = = 99.4 mm Hg Der Löslichkeitskoeffizient für Sauerstoff beträgt 0,024 : Menge gelöstes O 2 = / = 3 ml O 2 /Liter Fazit: Sauerstoff ist im Blut schlecht löslich: Die Menge des im Blut physikalisch löslichen Sauerstoffs entspricht damit rund 1,5 % des arteriellen Sauerstoffs. Lungenfunktion: pulmonaler Gasaustausch Gasaustausch in der Lunge Der Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid zwischen der Atemluft und dem Blut geschieht über die Lungen und wird als Gasaustausch bezeichnet. Er kann in folgende Teilfunktionen unterteilt werden: Ventilation Diffusion und Perfusion.

5 Ventilation Die Ventilation sorgt für die Belüftung des Alveolarraumes, d.h. für den Zutransport von Sauerstoff und den Abtransport von CO 2. Dabei wird Luft durch die Atembewegungen zwischen Trachea, Bronchien und Alveolen hin und her bewegt. Die Alveolarluft wird durch molekulare Diffusion ständig durchmischt. Diffusion Unter Diffusion fasst man alle Vorgänge zusammen, durch die der Übertritt des Sauerstoffs von den Alveolen ins Blut und die Abgabe von CO 2 in umgekehrter Richtung möglich wird. CO 2 diffundiert ca mal leichter als O 2, d.h. es gibt keine isolierten CO 2 -Diffusionsstörungen. In den Bronchien findet kein Gasaustausch statt, zusammen mit Mund-, Nasen- und Rachenraum sowie der Trachea bilden sie den sogenannten Totraum. Perfusion Die Perfusion sorgt für die Durchblutung der Lungen. Durch verschiedene Regulationsmechanismen werden Belüftung und Durchblutung der Alveolen aufeinander abgestimmt, indem die funktionelle Durchblutung in minder belüfteten Lungenbezirken gedrosselt wird. Zusammensetzung der Luft Raumluft enthält rund 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff. Dazu kommen Spuren von CO 2 und weiteren Gasen, vor allem Edelgase. Beim Einatmen wird die Luft in den Atemwegen angefeuchtet, so dass in den Bronchien bei einer Körpertemperatur von 37 C der ph 2 O 47 mm Hg beträgt. Der Gasdruck für die trockenen Gase ist demnach = 713 mm Hg und entsprechend liegt der po 2 bei 149 mm Hg. Auf dem weiteren Weg in die Alveolen wird die Luft noch erheblichen Mengen an CO 2 ausgesetzt, so dass sich zusammenfassend bei einem Gesamtdruck von 760 mm Hg folgende durchschnittliche Werte ergeben (Abb. 1). Einatmungsluft po 2 = 160 pco 2 = 0.3 ph 2 O = 5.7 pn 2 = 594 Ausatmungsluft po 2 = 115 pco 2 = 33 ph 2 O = 47 pn 2 = 565 Alveolarluft po 2 = 100 pco 2 = 40 ph 2 O = 47 pn 2 = 573 Lungenarterie (venös) po 2 = 40 pco 2 = 46 ph 2 O = 47 pn 2 = 573 Lungenvene (arteriell) po 2 = 100 pco 2 = 40 ph 2 O = 47 pn 2 = 573 Abb. 1: Gasdrucke im Atmungssystem Durchschnittliche Werte in mm Hg der einzelnen Partialdrucke im Atmungssystem und in venösem bzw. arteriellen Blut. Die angegebenen Werte basieren auf dem normalen Luftdruck von 760 Torr

6 Atemregulation Die rhythmischen Bewegungen der Atemmuskulatur stehen vor allem unter der Kontrolle der Medulla oblongata (= verlängertes Mark). Wichtigster Reiz für eine Zunahme von Atemtiefe und Atemfrequenz ist ein Anstieg des pco 2 in Blut und Liquor cerebrospinalis. Die CO 2 -Konzentration wird von Chemorezeptoren der Medulla oblongata und peripher an der Verzweigung der Arteria carotis communis (Glomus caroticum) und am Aortenbogen (Glomera aortica) gemessen. Unter Normalbedingungen nimmt der Sauerstoffpartialdruck, der ebenfalls von peripheren Chemorezeptoren registriert wird, weit weniger Einfluss auf die Atmung als der pco 2. Sauerstofftransport im Blut In den Lungen diffundiert der Sauerstoff wegen der po 2 -Differenz aus den Alveolen in das noch nicht arterialisierte Blut. Sauerstoff wird im Blut auf zwei Arten transportiert, nämlich physikalisch im Plasma gelöst und chemisch an Hämoglobin gebunden. Transport des physikalisch gelösten Sauerstoffs im Blut Beim unbehinderten Gasaustausch in den Lungenalveolen gleicht sich der po 2 in den Lungenkapillaren demjenigen der Alveolarluft an. Der Partialdruck des Sauerstoffs, der im venösen Mischblut ca. 40 mm Hg beträgt, steigt in der kurzen Kontaktzeit von knapp 0,3 Sekunden auf einen Wert von mm Hg an. Bedingt durch physiologischerweise vorhandene arteriovenöse Kurzschlüsse und der nicht völlig gleichmäßigen Belüftung aller Lungenabschnitte, stellt sich ein arterieller po2 von mm Hg (10,7-13,3 kpa) ein. Sauerstoff ist im Blut schlecht löslich: Die Menge des im Blut physikalisch löslichen Sauerstoffs entspricht lediglich rund 1,5 % des arteriellen Sauerstoffs. Transport des chemisch im Hämoglobin gebundenen Sauerstoffs Der weitaus größte Teil des Sauerstoffs wird durch Hämoglobin von den Lungen zu den Zellen transportiert. Hämoglobin ist ein tetrameres Protein, dessen 4 Monomere aus einer Polypeptidkette und dem Häm-Komplex als sauerstoffbindende Gruppe bestehen. Normalerweise kommen 4 verschiedene Peptidketten vor: α-, β -, γ-, und δ-ketten. Die α-kette weist 141, die β-kette 146 Aminosäuren auf. In jedem Hämoglobinmolekül sind je zwei Ketten identisch. So besteht HbA, das bei gesunden Erwachsenen etwa % des Hämoglobins ausmacht, aus 2 α- und 2 β- Ketten (α2β2). HbA2 weist 2 α- und 2 δ-ketten (α2δ2), HbF 2 α- und 2 γ-ketten (α2γ2) auf. HbF kommt bei Erwachsenen nur in Spuren vor, macht aber bei Neugeborenen % des Hämoglobins aus.

7 Das Eisen im Häm kann sich chemisch mit Sauerstoff verbinden, wobei Desoxyhämoglobin (Hb) in Oxyhämoglobin (HbO 2 ) überführt wird: Hb + O 2 ---> HbO 2 Die Aufnahme von Sauerstoff durch das Hämoglobin wird als Oxygenierung, die Abgabe als Desoxygenierung bezeichnet. Es handelt sich bei diesen Reaktionen nicht um eine Oxydation bzw. Reduktion, da das Eisen immer in zweiwertiger Form (Fe 2+ ) vorliegt (Hämoglobin mit oxydiertem d.h. dreiwertigem Eisen wird als Methämoglobin bezeichnet und kann keinen Sauerstoff binden). Jede der 4 Untereinheiten des Hämoglobins kann 1 mol Sauerstoff binden, so dass die Formel korrekterweise folgendermaßen geschrieben werden müsste: Hb + 4 O 2 ---> Hb(O 2 ) 4 Es ist jedoch üblich, die Bindung des O 2 an Hämoglobin bezogen auf eine Untereinheit anzugeben. Von 1 g Hämoglobin können 1.34 ml O2 (= mmol) gebunden werden. Der Wert 1.34 wird als Hüfner sche Zahl bezeichnet und wurde empirisch ermittelt. Beispiel: Bei einem Hämoglobin von 15 g/dl können somit ca. 15 x 1.34 = 20,1 ml O 2 /dl Blut (= 9 mmol/liter) chemisch gebunden transportiert werden. Die Hämoglobinkonzentration Die gesamte Konzentration an Hämoglobin (cthb) setzt sich zusammen aus dem oxygenierten Hämoglobin (HbO 2 ), dem desoxygenierten Hämoglobin (Hb) und den Dyshämoglobinen (HbCO und MetHb). Die Messung erfolgt photometrisch. Die Sauerstoffsättigung Der prozentuale Anteil des oxygenierten Hämoglobins (HbO 2 ) bezogen auf das Hämoglobin, das Sauerstoff transportieren kann, wird als Sauerstoffsättigung bezeichnet. Sie ist vor allem vom Partialdruck des Sauerstoffs abhängig. Da die Sauerstoffsättigung jedoch keine lineare Funktion des po 2 ist, werden die jeweiligen Verhältnisse vorzugsweise in Form einer Kurve angegeben, die als ODK (Sauerstoff-Dissoziations-Kurve) bezeichnet wird.

8 Hier ist eine solche Sauerstoffdissoziationskurve abgebildet: Abb. 2: Die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins in Abhängigkeit vom po2. Der p50 entspricht dem po2 bei Halbsättigung (Norm: mm Hg bzw kpa). Eindrücklich zu sehen ist, dass die Sauerstoffsättigung bei einer Steigerung des po2 von 80 auf 100 mm Hg praktisch nicht mehr zunimmt. Aus dieser Kurve ist ersichtlich, dass erwartungsgemäß die prozentuale Sättigung des Hämoglobins mit steigendem po 2 zunimmt. Bereits bei 4 kpa (30 mm Hg) ist mehr als die Hälfte des Hämoglobins mit O 2 gesättigt. Im Hämoglobinmolekül wirkt immer ein α-β-dimer als Einheit. Befindet sich ein O 2 an einer α-kette, so erhöht sich die Affinität der zugehörigen β-kette. Daher wird das nächste O 2 von der β-kette dieses Dimers gebunden und nicht von einer der beiden Ketten des anderen Dimers. Allerdings erhöht sich die Affinität des zweiten Dimers, sobald das erste oxygeniert ist. Dieser Mechanismus beruht auf Elektronenverschiebungen innerhalb des Hämoglobinmoleküls (zunehmende Oxygenierung fördert auch die Tendenz des Hämoglobinmoleküls Protonen abzugeben). In der Dissoziationskurve resultiert daher eine sigmoide Kurve, wenn der Partialdruck des O 2 gegen die Sättigung aufgetragen wird. Die Bindung von Sauerstoff an Hämoglobin wird von mehreren Faktoren beeinflusst, in erster Linie durch: ph (akute Azidose und Alkalose) pco2 Körpertemperatur (Fieber und Unterkühlung) 2,3-Diphosphoglycerat 2,3-Diphosphoglycerat (2,3-DPG) wird bei der Glykolyse vor allem in Erythrozyten gebildet. Es vermindert durch allosterische Wirkung die Bindung von Sauerstoff an das Hämoglobin.

9 Abb. 3: Der Einfluss verschiedener Faktoren auf die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins. Die blaue und die rote Kurve sind beispielhaft dargestellt, d.h. sie können mehr oder weniger von der grünen Kurve abweichen. Bei erhöhter Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff wird der p50-wert kleiner, bei erniedrigter Affinität wird er größer. Zusammenfassend ergibt sich: Hoher ph-wert, niedriger pco 2, niedrige Temperatur und erniedrigte Werte an 2,3-DPG führen zu einer Linksverschiebung der Kurve. Die Folge ist eine hohe Sauerstoffsättigung bei relativ niedrigem po 2. Unter diesen Bedingungen ist die Beladung des Hämoglobins mit Sauerstoff erleichtert. Niedriger ph-wert, hoher pco 2, höhere Temperatur und hohe 2,3-DPG Werte verursachen eine Rechtsverschiebung der Kurve. Daraus resultiert eine niedrige Sauerstoffsättigung bei relativ hohem po 2 sowie eine erleichterte Abgabe des Sauerstoffs von Hämoglobin. p50: po2 bei Halbsättigung Ein Maß für die Lage der Sauerstoffdissoziationskurve und damit für die Hämoglobin-Sauerstoffsättigung ist der p50. Er ist definiert als Sauerstoff-Partialdruck (po 2 ) bei 50% Sauerstoffsättigung. Der Normbereich liegt zwischen 3.4 und 3.8 kpa (25-29 mmhg). Ein erhöhter p50 Wert bedeutet eine Verschiebung der ODK nach rechts und damit eine Erniedrigung der Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität. Umgekehrt heißt ein erniedrigter p50 Wert, dass wegen der erhöhten Hämoglobin-Sauerstoff-Affinität die Abgabe von Sauerstoff an das Gewebe erschwert ist. Der p50 wird nicht gemessen, sondern vom Blutgasanalysegerät berechnet.

10 Die Sauerstoff-Konzentration (cto 2 ) Die Sauerstoff-Konzentration, im deutschen Sprachgebrauch häufiger als Sauerstoff-Gehalt bezeichnet, umfasst den vom Hämoglobin gebundenen und den physikalisch gelösten Sauerstoff (siehe Säure- Basen-Status): (ct = Konzentration) cto 2 = (cthb HbO 2 ) + (po 2 Faktor) Dyshämoglobine Die Hämoglobin-Derivate Carboxyhämoglobin (HbCO), Methämoglobin (MetHb) und Sulfhämoglobin sind nicht in der Lage, Sauerstoff zu binden und werden daher als Dyshämoglobine bezeichnet. Falls diese beiden Derivate im Blut ansteigen, können sie die Transportkapazität des Hämoglobins bedeutend vermindern und damit zu einer Hypoxämie führen. Sowohl HbCO wie auch MetHb verschieben die Sauerstoffdissoziationskurve (ODK) nach links, so dass die Sauerstoffabgabe an das Gewebe erschwert ist. Eine leichte Erhöhung der Dyshämoglobine ist ohne klinische Bedeutung. CO-Hämoglobin Die Bindungsfähigkeit des Hämoglobins für Kohlenmonoxyd (CO) ist ungefähr 200 mal grösser als diejenige für Sauerstoff. Dies bedeutet eine nahezu irreversible Bindung des Kohlenmonoxyds an das Hämoglobin. Erst mit dem Abbau des betreffenden Erythrocyten wird das HbCO aus dem Blutkreislauf ausgeschieden. Met-Hämoglobin Erhöhte MetHb-Werte entstehen durch Methämoglobin bildende Medikamente sowie bei Vergiftungen durch Methämoglobinbildner, z.b. Nitrite, Nitroglycerin, Phenacetin und Phenol. Sulfhämoglobin Sulfhämoglobin entsteht durch eine nicht umkehrbare oxydative Aufspaltung des Häms bei Einwirkung von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff. Die häufig mit einer Methämoglobinämie kombinierte Sulfhämoglobinämie tritt nach Vergiftung mit Schwefelwasserstoff und als Folge langzeitiger Einnahme phenacetinhaltiger Schmerzmittel und Sulfonamiden auf. Es kann zur neben der Hypoxämie zu einer hämolytischen Anämie kommen. Säuren Säuren und Basen Säuren sind uns aus dem Alltag bekannt: die Zitronensäure verschiedener Früchte, die Essigsäure oder die Kohlensäure des Mineralwasserwassers. Säuren in der Chemie Chemisch sind Säuren definiert als Substanzen, welche Protonen [H + ] abgeben können. Allgemein formuliert:

11 wobei: HA = Säure; A - = Säureanhydrid Wasserstoffatome besitzen nur ein Elektron, das um den aus einem Proton bestehenden Kern kreist. Gibt das Wasserstoffatom sein Elektron ab, so verbleibt nur das positiv geladene Proton, auch als Wasserstoffion oder H + bezeichnet. Die Salzsäure (HCl), bestehend aus Wasserstoff (chem. Zeichen H) und Chlor (Cl), kann somit Protonen abgeben. Dabei entsteht aus HCl ---> H + und Cl -. Die negative Ladung des Chlorids kommt daher, dass das Elektron des Wasserstoffs beim Chloratom geblieben ist. Säuren im Stoffwechsel im Stoffwechsel aller Organismen werden fortlaufend Säuren gebildet. Speziell (und nicht zum eigentlichen Säure-Basen-Status zählend) ist die Bildung der Salzsäure (HCl) in den Zellen der Magenschleimhaut. Die Salzsäure hilft bei der Verdauung der Nahrung. Säuren im Säure-Basenstatus die wichtigste Säure, die im Säure-Basen-Status erfasst wird, ist die Kohlensäure. Sie wird allerdings nicht selber gemessen, sondern durch den pco2 erfasst. Die "nichtflüchtigen" Säuren (z.b. Schwefelsäure) werden, mit Ausnahme des Lactats, nicht gemessen. Ihr Ausmaß lässt sich aber über den "Anionen gap" schätzen. Basen in der Chemie werden Basen als Substanzen bezeichnet, welche in der Lage Protonen aufzunehmen. Die wichtigste Base im Stoffwechsel ist das Bicarbonat (HCO 3 - ). Herkunft der Säuren Säureproduktion Durch den normalen Stoffwechsel werden fortlaufend Säuren gebildet, so dass ständig Wasserstoffionen (H + -Ionen) frei werden. Für die Aufrechterhaltung geordneter biochemischer Reaktionsabläufe (enzymatische Reaktionen) haben sich deshalb zur Regulation der Wasserstoffionenkonzentration verschiedene Mechanismen ausgebildet. Für die fortlaufende Säurebildung sind folgende Stoffwechselvorgänge verantwortlich: Fett- und Kohlenhydratabbau Ketogenese Glykolyse Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren und von Phospholipiden Alle diese Protonen werden zunächst im Blut abgepuffert und dann vorwiegend über Lungen und Nieren eliminiert. Fett- und Kohlenhydratabbau Unter Grundumsatzbedingungen werden durch den Fett- und Kohlenhydratmetabolismus über 13 mol Kohlendioxid (CO 2 ) pro Tag gebildet, und bei einer Nahrungsaufnahme von 3000 kcal sind es sogar mehr als 23 mol CO 2 /d. Das CO 2 reagiert mit Wasser zu Kohlensäure (H 2 CO 3 ), aus der durch Dissoziation Wasserstoffionen und Bicarbonat (HCO 3 - ) entstehen.

12 Beispiel: beim vollständigen Abbau von Glukose (C 6 H 12 O 6 ) entstehen 6 Moleküle CO 2 pro Molekül Glucose. C 6 H 12 O O 2 ---> 6 CO H 2 O 6 CO H 2 O ---> 6 H 2 CO 3 ---> 6 H HCO 3 - Ketogenese aus der Beta-Oxidation vonfettsäuren entsteht Acetyl-CoA und aus dessen Überschüssen Acetessigsäure und 2-Hydroxybuttersäure, die bei physiologischem ph vollständig zu Acetoacetat - und 2-Hydroxybutyrat - dissoziieren. Dabei entstehen ca. 600 mmol H + pro Tag. Glykolyse Beim anaeroben Glukoseabbau werden täglich ca. 400 mmol Milchsäure gebildet, die bei physiologischem ph zu Lactat- und H + dissoziiert. Schwefelhaltige Aminosäuren und Phospholipide Beim Abbau schwefelhaltiger Aminosäuren (Methionin und Cystein) und von Phospholipiden entstehen mmol H + in Form sogenannter nicht-flüchtiger Säuren, d.h. Säuren, welche über die Nieren im Urin ausgeschieden werden müssen. Der ph-wert von Säuren Der ph-wert ist definiert als der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration. Berechnung des ph-wertes Von der Definition her ist also der ph-wert nichts anderes als die (für die Medizin unnötig) komplizierte Angabe einer Wasserstoffionenkonzentration. Bekanntlich werden Wasserstoffionen bei der Dissoziation von Säuren frei, also beispielsweise: HCl ---> H + + Cl -. Wasserstoffionen werden, wie beispielsweise Natrium oder Calciumionen auch, in Stoffmengenkonzentrationen (also mmol/l) gemessen. Anstatt dass man nun aber diesen Wert als Resultat angibt, berechnet man zuerst den Logarithmus dieses Wertes. Da die Konzentration der Wasserstoffionen im Blut kleiner ist als 1 wird der Logarithmus negativ. Damit man nicht mit negativen Werten arbeiten muss, wird der negative Wert (minus mal minus gibt plus) dieses Logarithmus als sogenannter ph-wert verwendet (das kleine "p" weist demnach auf den negativen Logarithmus hin, das groß geschriebene "H" auf die Wasserstoffionenkonzentration!).

13 Beispiel: eine Wasserstoffionenkonzentration von ergibt einen ph-wert von mol H + /L = 10 0 mol H + /L ; ph = mol H + /L = 10-3 mol H + /L ; ph = 3 Berechnung der Wasserstoffionenkonzentration aus dem ph-wert Da gemäß Definition gilt: so ist: ph = -log[h + ] [H + ] = 10 -ph Beispiel: ein ph-wert von 7.35 entspricht einer Wasserstoffionenkonzentration ph 7.4 ; [H+] = 10 -ph = = 39 nmol/l Puffersysteme des Blutes Die fortlaufend im Stoffwechsel entstehenden Säuren hätten eine verheerende Wirkung, wenn sie nicht unverzüglich abgepuffert und anschließend eliminiert würden. Puffersysteme Wird eine starke Säure, die praktisch vollständig in H + -Ionen und Säureanionen (A - ) dissoziiert ist, einer ungepufferten Lösung (oder Wasser) zugegeben, so nimmt erwartungsgemäß die H + - Ionenkonzentration dieser Lösung zu und damit der ph-wert ab. Wird dieselbe Säure jedoch einer gepufferten Lösung zugegeben, so werden die H + -Ionen größtenteils gebunden, so dass der ph- Wert unverändert bleibt oder nur gering ändert. Gleiches gilt sinngemäß natürlich auch für Laugen. Chemisch ist ein Puffer ein Gemisch aus einer schwachen Säure und einem Salz mit gleichem Anion oder ein Gemisch aus einer schwachen Base und einem Salz mit gleichem Kation. Wir wiederholen noch einmal: Im Blut werden vier Puffersysteme unterschieden: das Bicarbonatpuffersystem das Hämoglobinpuffersystem in den Erythrozyten das Plasmaproteinpuffersystem und das Phosphatpuffersystem

14 Die Henderson-Hasselbalch'sche Gleichung Der ph-wert einer Lösung wird durch das Konzentrationsverhältnis zwischen dissoziierter und undissoziierter Form einer Säure bestimmt und kann mit der Gleichung nach Henderson und Hasselbalch berechnet werden: [A - ] ph = pk + log [HA] wobei: HA = undissoziierte Säure und A - = dissoziierte Säure Der pk-wert entspricht dem negativen, dekadischen Logarithmus der Dissoziationskonstanten Ka einer Säure (d.h. pka = -log Ka). Ein Puffer ist am wirkungsvollsten, wenn der ph-wert der Lösung gleich dem pka des Puffers ist, d.h. wenn [HA] = [A - ]. Das Kohlensäure-Bicarbonatsystem Die Carboanhydrase Sie katalysiert formal die Bildung von Kohlensäure aus Kohlendioxid (CO 2 )und Wasser. Die Kohlensäure dissoziiert anschließend in Bicarbonat (HCO 3 - )und ein Wasserstoffion (H + ). Das Zusammenspiel von Kohlendioxid (CO 2 ), Kohlensäure (H 2 CO 3 ) und Bicarbonat (HCO 3 - ) kann mit der Gleichung nach Henderson und Hasselbalch beschrieben werden kann (pk = 6.1). [HCO 3 - ] ph = pk + log [H 2 CO 3 ] Das Verhältnis zwischen zwischen Bicarbonat und Kohlensäure beträgt normalerweise etwa 20:1. Chemisch gesehen ist dieses Puffersystem nur wenig wirksam. Die große physiologische Bedeutung dieses Puffers liegt darin, dass die Konzentration der beiden Pufferkomponenten weitgehend unabhängig voneinander verändert werden können, indem CO 2 durch die Lunge abgeatmet und Bicarbonat durch die Niere ausgeschieden wird. Der Anteil des Bicarbonatpuffers an der gesamten Pufferkapazität macht daher etwa 75 % aus. In der Praxis wird die Bicarbonatkonzentration nicht gemessen, sondern aus dem ph-wert und dem pco 2 berechnet. Dazu muss der Löslichkeitskoeffizient (S) für CO 2 bekannt sein. Beispiel: Die Bicarbonatkonzentration für einen pco 2 von 40 mm Hg und einen ph von 7.4 soll berechnet werden. Der molare Löslichkeitskoeffizient für CO 2 bei 37 C in Plasma beträgt (falls Angabe in mmhg). [HCO 3 - ] ph = pk + log [H 2 CO 3 ]

15 Die Kohlensäure [H 2 CO 3 ] wird durch S pco 2 ersetzt: [HCO 3 - ] ph = pk + log S pco 2 Umformung der Gleichung: [HCO 3 - ] log = ph - pk S pco 2 Entlogarithmieren der Gleichung: [HCO - 3 ] = 10 S pco 2 ph - pk in Zahlen: [HCO - 3 ] = = 24.2 mmol/l Anmerkung: wird der pco 2 in kpa angegeben, so beträgt der Löslichkeitskoeffizient 0,203. Hämoglobinpuffer Rund 88 % des anfallenden CO 2 werden vom Hämoglobin aufgenommen. Damit erfüllt das Hämoglobin neben dem O 2 - und CO 2 -Transport eine wichtige Funktion bei der Pufferung des Blutes. Hämoglobin ist ja bekanntlich ein Protein, und diese können Säuren und Basen abpuffern. Auf der nächsten Seite folgt eine Schemazeichnung (Abb. 4), welche die Vorgänge der äußeren Atmung darstellt. (Äußere Atmung = Gasaustausch zwischen Alveolen und Blut und zwischen Blu und Zelle. Die "innere Atmung" beschreibt die Vorgänge der ATP-Erzeugung auf mitochondrialer Ebene. Dabei entstehen als "Abfallprodukte" Kohlendioxid (wird ausgeatmet) und Wasser (wird über Niere, Haut und Atmung ausgeschieden).

16 Abb. 4: Abtransport von CO 2 aus den Zellen in die Lungen. CH 2 O steht für ein beliebiges Energiesubstrat. Die beiden Vierecke im Blut stellen Erythrozyten dar. Das in den Zellen bei der Oxidation von Energiesubstraten freiwerdende CO 2 diffundiert in das Plasma der Gewebskapillaren. Ein kleiner Teil dieses physikalisch gelösten CO 2 wird zu Kohlensäure hydratisiert, ein weiterer, ebenfalls geringer Teil bindet sich an Plasmaproteine (Carbaminoverbindungen), der größte Teil des CO 2 diffundiert in die Erythrozyten. Dort bleibt ein geringer Teil physikalisch gelöst, ein Teil geht mit dem Hämoglobin eine Carbaminoverbindung ein. Der überwiegende Teil wird jedoch unter der katalytischen Wirkung der Carboanhydrase über Kohlensäure in Bicarbonat und H + umgewandelt. Die Protonen werden vom Hämoglobin unter O 2 - Abgabe abgepuffert (Bohr-Effekt). Das Bicarbonat wird an das Plasma abgegeben, wobei zur Wahrung der Elektroneutralität Chlorid vom Erythrozyten aufgenommen wird. Von der gesamten Kohlensäure werden 95% als HCO 3 - und nur 5% als CO 2 transportiert. Rund 75% des Bicarbonats sind dabei im Plasma und 25% in den Erythrozyten. In der Lunge wird das Bicarbonat des Plasmas wiederum im Austausch mit Chlorid von den Erythrozyten aufgenommen. Bei der Aufnahme von Sauerstoff gibt das Hämoglobin die gepufferten Protonen wieder ab (Bohr-Effekt). Die H+-Ionen reagieren mit Bicarbonat unter der Wirkung von Carboanhydrase zu Kohlensäure, die in H 2 O und CO 2 dissoziiert. Das CO 2 diffundiert leicht von den Erythrozyten in das Plasma und von dort in den Alveolarraum.

17 Plasmaproteine Die Plasmaproteine wirken wegen ihres amphoteren Charakters als Puffer. Bei normalem Blut-pH liegen die meisten Proteine als Anionen vor. [Protein - ] ph = pk + log [HProtein] Phosphatpuffer Chemisch betrachtet handelt es sich um ein wirksames Puffersystem (pka= 6.7), physiologisch spielt es aber wegen der geringen Konzentration im Plasma nur eine untergeordnete Rolle, ist jedoch intrazellulär von grosser Bedeutung. H 2 PO > H + + HPO 4 2- wobei: H 2 PO 4 - = primäres Phosphat und HPO 4 2- = sekundäres Phosphat [HPO 4 2- ] ph = pk + log [H 2 PO 4- ] Zusammenhänge zwischen den Puffersystemen Das beim Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel freiwerdende CO 2 kann leicht über die Lungen eliminiert werden. Die vorwiegend aus dem Proteinabbau stammenden Schwefel- und Phosphorsäure werden primär durch Bicarbonat neutralisiert, wobei die entstehende Kohlensäure in Wasser und CO 2 dissoziiert, das ebenfalls abgeatmet wird. Dadurch kommt es jedoch zu einem laufenden Verlust an Bicarbonat, der vor allem durch die Nieren ergänzt werden muss. Abb. 5: Zusammenhänge zwischen den Puffersystemen. Die im Gewebe entstehenden CO 2 und H + sind über das Kohlensäure-Bicarbonat-System austauschbar.

18 Funktion der Nieren im Säure-Basen-Haushalt Die rasch funktionierende Regulierung des ph-wertes im Blut wird durch Variation des pco 2 über die Atmung erreicht, während die Nieren zwar langsamer, aber nachhaltiger reagieren. Die Nieren kontrollieren den Säure-Basen-Haushalt durch drei Mechanismen: Regulation der Bicarbonat-Ausscheidung Neubildung von Bicarbonat Ausscheidung von H + -Ionen und Ammoniak bzw. Ammoniumchlorid. Bezüglich Bicarbonat stellen sich den Nieren je nach Stoffwechsellage zwei verschiedene Aufgaben: bei Azidose (erniedrigter Blut-pH) ist das in das Tubuluslumen filtrierte Bicarbonat wieder zurück zu resorbieren. bei Alkalose (erhöhter Blut-pH) ist ein entsprechender Teil des filtrierten Bicarbonats im Urin auszuscheiden und dem Primärharn hinzuzufügen. Die Bicarbonatrückresorption Bicarbonat wird durch nicht-ionische Diffusion in Form von CO 2 in die proximale Tubuluszelle aufgenommen: Abb 6: Die Bicarbonatrückresorption: vom Natriumbicarbonat wird das Natrium im Austausch gegen ein Wasserstoffion aufgenommen. Die dabei entstehende Kohlensäure dissoziiert in Kohlendioxid und Wasser, das im Urin ausgeschieden wird. Das Kohlendioxid wird in die Tubuluszelle aufgenommen, in Bicarbonat umgewandelt, das zusammen in das Blut übertreten kann.

19 Die Neubildung von Bicarbonat in der Niere Die Niere kann nicht nur Bicarbonat rückresorbieren, sondern die Tubuluszellen sind zudem in der Lage, aus CO 2 und Wasser mit Hilfe der Carboanhydrase neues Bicarbonat zu generieren, um die Verluste zu ersetzen, die bei der Pufferung nicht-flüchtiger Säuren auftreten. Das Bicarbonat-Ion wird in das Blut abgegeben, das H + -Ion in das Tubuluslumen sezerniert. (Entsprechend der Reaktion in der Tubuluszelle unten links in Abbildung 1). Ausscheidung von Protonen und Ammoniak Die Ausscheidung von H+-Ionen durch die Nieren kann in 3 Formen erfolgen: freies H + -Ion titrierbare Säure Ammoniumion Freie H+-Ionen Die Ausscheidung von H + in Form von freien H + -Ionen im Urin ist mengenmäßig nicht von Bedeutung und würde niemals ausreichen, um ein physiologisches Blut-pH aufrechtzuerhalten. Selbst bei maximal saurem Urin finden sich weniger als 1 mmol H + /L. Beispiel: bei einem Urin-pH von 5 werden wieviel H + -Ionen ausgeschieden? H + = 10 -ph = 10-5 mol H + /L = mol H + /L = 10 µmol H + /L Titrierbare (fixe) Säuren Die beim Stoffwechsel anfallenden Protonen der Phosphor- bzw. Schwefelsäuren werden primär durch das Bicarbonatsystem abgepuffert. Pufferung : H 3 HPO NaHCO > H 2 SO NaHCO > Na 2 HPO CO H 2 O Na 2 SO CO H 2 O Die Ausscheidung der so entstandenen Natriumsalze Na 2 HPO 4 und Na 2 SO 4 würde zu einem großen Natriumverlust für den Organismus führen. Sie werden daher im Primärurin zu Säuren zurückverwandelt. Die Rückwandlung kann dabei nur bis zum NaH 2 PO 4 erfolgen, wobei ein geringer Natriumverlust in Kauf genommen wird, oder bis zu den reinen Säuren. Letztere werden im Urin durch zusätzliche NH 3 Ausscheidung abgepuffert und somit als (NH 4 )H 2 PO 4 bzw. (NH4) 2 SO 4 ausgeschieden.

20 Primärharn: Rückwandlung Na 2 HPO H + + NH > (NH 4 )H 2 PO Na + Na 2 SO H + + NH > (NH 4 ) 2 SO Na + Etwa ein Drittel bis die Hälfte der im normalen Stoffwechsel anfallenden H + -Ionen werden auf diesem Weg eliminiert. Die Kapazität dieser Ausscheidungsform ist begrenzt durch das glomeruläre Angebot, sie spielt daher keine wesentliche Rolle für die Ausscheidung abnormaler Säuremengen. Ammoniumionen Tubuluszellen produzieren beim Abbau von Aminosäuren (vor allem von Glutamin zu Glutamat) Ammoniak, der frei durch die Zellmembran in das Tubuluslumen diffundiert. Dort verbinden sich H + -Ionen mit dem Ammoniak zu NH 4 +, das nicht mehr durch die Membran diffundieren kann und demzufolge ausgeschieden wird. Unter normalen Stoffwechselbedingungen werden die Hälfte bis zwei Drittel der nicht-flüchtigen Säuren als Ammoniumsäuren sezerniert. Die Niere ist jedoch in der Lage, bei verstärktem Säureanfall die Produktion von Ammoniumionen beträchtlich zu steigern. Allerdings dauert es 2 bis 5 Tage, bis die maximale Produktion erreicht ist. Dieser Mechanismus ermöglicht es der Niere, große Mengen an Säuren auszuscheiden, ohne das Urin-pH auf einen Wert unter 4.5 abzusenken.

21 Die Entnahme der Probe Die Zuverlässigkeit einer Blutgasanalyse wird von der Blutentnahme wesentlich beeinflusst. Dazu gehören im weitesten Sinne die Vorbereitung des Patienten, die eigentliche Blutentnahme, die Aufbewahrung und die Übertragung der Probe in das Analysengerät. Die Blutentnahmen werden meistens von Ärzten bzw. Pflegepersonal durchgeführt, die Laborantin muss aber die möglichen Quellen von Fehlern kennen, um bei Unstimmigkeiten die Klinik darauf aufmerksam machen zu können. Die Vorbereitung des Patienten Der Patient soll, wie bei anderen Blutentnahmen auch, informiert werden über das, was man vorhat. Ängstliche Patienten neigen zur Hyperventilation, was die Werte der Blutgasanalyse wegen der Abatmung von CO 2 drastisch beeinflussen kann. Die Wahl der Punktionsstelle Zur arteriellen Blutentnahme wird die Punktion der Speichenarterie (A. radialis) empfohlen. Die Oberschenkelarterie ist zwar grösser und damit leichter abzutasten, kann aber bei der Blutstillung Schwierigkeiten machen. Geeignet ist auch arterialisiertes Kapillarblut, das dem Ohrläppchen oder bei Neugeborenen bis zu einem Alter von 2-3 Monaten der Ferse entnommen werden kann. Die Wahl des Entnahmematerials Um eine Gerinnung des Blutes zu vermeiden, muss ein Antikoagulans verwendet werden. Empfohlen werden heute Spritzen, die Na- oder Li-Heparin in lyophilisierter oder in kristalliner Form enthalten. Die Benutzung von flüssigem Heparin kann zu Verdünnungsfehlern führen und ist daher zu vermeiden. Heparin ist allerdings chemisch schlecht definiert. Es ist eine Mischung aus verschiedenen Makromolekülen, die an verschiedene Ionen gebunden sind. Heparin wird daher nicht durch das Gewicht, sondern durch seine antikoagulatorische Wirkung beurteilt und in I.E. (internationale Einheiten) oder USP-Einheiten angegeben. (USP=United States Pharmakopoe = US Arzneimittelbuch) Natrium-Heparin enthält 11% Natrium, so dass Natrium der Probe hinzugefügt wird. Auch Lithium- Heparin enthält kleine Mengen an Natrium und Kalium. Andererseits bindet Heparin Kationen (Ca 2+ > Mg 2+ > K + > Na + ). Die beiden Effekte, die Addition und die Bindung von Ionen, sind bei qualitativ guten Spritzen vernachlässigbar.

22 Entnahmetechnik Die Probe darf nicht zu schnell angesaugt werden, da sonst ein zu starkes Vakuum entsteht, das zu einer Entgasung des Blutes und damit zu falsch tiefen Blutgaswerten führt. Sehr kritisch sind Luftblasen. Jede Luftblase in der Probe muss sofort, d.h. noch vor dem Mischen, durch Ausspritzen entfernt werden. Da die Konzentration in der Luft von CO 2 geringer und von O 2 höher ist als im arteriellen Blut, führt der Kontakt mit einer Luftblase zu einer Erniedrigung des pco 2 und zu einer Erhöhung des po 2 im Analysenmaterial. Man kann davon ausgehen, dass eine Luftblase von nur 0,01 ml in einer Blutprobe von 1 ml zu einer Erhöhung des po 2 von fast 15% führt. Beispiel: Ein po 2 von 70 mm Hg kann bedingt durch eine Luftblase dieser Größe auf fast 80 mm Hg ansteigen. Zu beachten ist, dass niedrige Aufbewahrungstemperaturen den Übertritt von O 2 aus der Luftblase in die Probe verstärken, da die Löslichkeit von Gasen mit abnehmender Temperatur zunimmt. Der Austausch von Gasen wird auch durch heftige Bewegung der Probe verstärkt (Rohrpost). Aufbewahrung der Probe Proben für Blutgasanalysen sind umgehend, d.h. innerhalb von 10 Minuten bei Raumtemperatur zu analysieren. Der Stoffwechsel der Blutzellen verbraucht Sauerstoff und produziert Kohlendioxid. Dadurch sinkt nicht nur der po 2, sondern mit steigendem pco 2 nimmt auch das ph ab. Die Aufbewahrung in Eiswasser oder im Kühlschrank bei 4 C verlangsamt den Stoffwechsel der Zellen um mindestens das Zehnfache, erhöht aber die Löslichkeit der Blutgase, was bei der unvermeidbaren Gasdurchlässigkeit von Kunststoffspritzen eine Rolle spielt (Glasspritzen sind gasundurchlässig). Zu vermeiden ist eine Kühlung unter 0 C, z.b. durch direkten Kontakt mit Eis, da es dadurch zu einer Hämolyse kommen kann. Die Analyse Vor der Analyse ist die Probe noch einmal gut zu mischen. Die ersten Blut-Tropfen werden verworfen, z.b. durch Ausspritzen in einen Tupfer. Anschließend wird die Probe langsam und gleichmäßig in den Blutgasanalysator eingespritzt. Bei Verwendung von Kapillaren entfällt das. Säure-Basen-Status

23 Der Säure-Basen-Status soll Auskunft geben über den respiratorischen und metabolischen Zustand bei Patienten in Bezug auf den Sauerstoff, das CO2 und den ph-wert. In der Regel wird arterielles, seltener selten gemischt-venöses Blut untersucht. Arterielles Blut Arterielles Blut wird bevorzugt, da es eine Aussage über die Sauerstoffversorgung des Blutes durch die Lungen und eine Beurteilung der Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff erlaubt. Gemischt-venöses Blut Wird Blut einer Vene z.b. der Ellenbeuge entnommen, so sagt die Blutgasanalyse nur etwas aus über die Sauerstoff bzw. CO2 Verhältnisse in diesem Arm. Falls eine Aussage über den Sauerstoffverbrauch im gesamten Organismus verlangt wird, muss vollständig gemischtes, d.h. aus allen Körperregionen stammendes venöses Blut untersucht werden. Dieses gemischt-venöses Blut wird über einen Katheter der A.pulmonalis entnommen. Der Begriff gemischt-venös kommt daher, dass es sich um Blut handelt das aus der V.cava superior und der V.cava inferior im rechten Vorhof gemischt wird, bevor es über die rechte Herzkammer in die Pulmonalarterie gelangt. Die Untersuchung von gemischt-venösem Blut wird wegen der aufwendigen Blutentnahme selten durchgeführt. Messung und Berechnung Aus messtechnischen Gründen wird mit Geräten, die zur Bestimmung des Säure-Basen-Status verwendet werden, neben ph und pco2 gleichzeitig auch der Partialdruck des Sauerstoffs (po2) gemessen. Die Analytik der Blutgase und des Säure-Basen-Status basiert demnach auf ph, pco2, Bicarbonat sowie po2 und Sauerstoffsättigung. Säure-Basen-Status gemessen werden ph-wert pco 2 Maß für die H+- Ionenkonzentration Partialdruck des des Kohlendioxids daraus können berechnet werden HCO 3 - aktuell Basenabweichung HCO 3 - standard aktuelles Bicarbonat im Plasma Die Berechnung basiert auf der Gleichung von Henderson und Hasselbalch = Base excess. entspricht der Menge eine starken Säure oder Base, die erforderlich ist, um den ph-wert bei einer metabolisch bedingten Abweichung zu normalisieren Bicarbonatkonzentration im Plasma einer Blutprobe, die bei 37 C mit einem pco 2 von 40 mm Hg und mit Sauerstoff zur Vollsättigung äquilibriert wurde.

24 Gesamtpufferbasen Summe der Konzentrationen all der Pufferformen, die H+-Ionen aufnehmen können, wie HCO 3 -, Hb-, HBO2-, HPO4- Gesamt CO 2 Summe der Konzentrationen von CO2, H 2 CO 3 und HCO 3 - Die Basenabweichung (BE, base excess) der Extrazellulärflüssigkeit errechnet sich aus folgenden Größen: BE (mmol/l) = (chco3-24,2) + 16,2 (ph - 7,4). (c=konzentration) Sauerstoffversorgung gemessen werden po 2 so 2 Partialdruck des Sauerstoffs Sauerstoffsättigung Prozentsatz des oxygenierten Hämoglobins bezogen auf das Hämoglobin, das fähig ist Sauerstoff zu transportieren: co 2 Hb so 2 = co 2 Hb + chhb daraus können berechnet werden HbO 2 Fraktion des oxygenierten Hämoglobins Prozentsatz des oxygenierten Hämoglobins bezogen auf das gesamte Hämoglobin (inkl. Dyshämoglobine): co 2 Hb O 2 Hb = co 2 Hb + chhb + ccohb + cmethb p50 Maß für die Lage der Sauerstoff-Dissoziationskurve (ODK). Ist definiert als der po 2, der bei Halbsättigung des oxydierbaren Hämoglobins vorhanden ist.

25 Normwerte des Säure-Basen-Status Die folgenden Normwerte beziehen sich auf arterielles Blut. Analyt Neue Einheiten Alte Einheiten ph pco kpa mmhg Bicarbonat aktuell mmol/l mmol/l Bicarbonat standard mmol/l mmol/l Base excess -3 bis +2 mmol/l -2 bis + 3 mmol/l po kpa mmhg Sauerstoffsättigung (so 2 ) 95-99% 95-99% p kpa mmhg Hämoglobin Frauen g/l Hämoglobin Männer g/l CO-Hämoglobin < 2% Met-Hämoglobin < 5% Der bei normaler Körpertemperatur mit dem Leben vereinbare ph-bereich liegt zwischen ph 7.8 und ph 7.0 (entsprechend einer Wasserstoffionenkonzentration zwischen 16 nmol/l und 100 nmol/l). Anmerkung: der intrazelluläre ph-wert ist nicht genau messbar, dürfte aber im sauren Bereich liegen. Störungen der Sauerstoffversorgung Überblick Sauerstoff ist ein absolut lebensnotwendiges Element. Der Mensch besitzt jedoch nur kleine Reserven, so dass bereits ein Unterbruch von wenigen Minuten genügt, um schwere Schäden vor allem des Zentralnervensystems zu setzen oder sogar den Tod zu bewirken. Auf der anderen Seite wirkt ein Zuviel an Sauerstoff ebenfalls schädlich (Lungenschädigung, Erblindung von Frühgeborenen durch ein Überangebot an Sauerstoff im Brutkasten (retrolentale Fibroplasie). Die Versorgung der Gewebe mit Sauerstoff und die damit verbundenen Störungen lassen sich didaktisch in 3 Phasen unterteilen:

26 Sauerstoff-Aufnahme Die Aufnahme von Sauerstoff in das Blut wird durch die Lungen bestimmt. Ein gutes Maß für die Lungenfunktion ist der po2 im arteriellen [po2(ab)] oder gemischt venösen Blut [po2(vb)]. Sauerstoff-Transport Die Transport-Kapazität für Sauerstoff ist gegeben durch die Konzentration des Hämoglobins, die Sauerstoffsättigung, die wiederum vom po2 abhängig ist und die Affinität des Hämoglobins. Sauerstoffabgabe Die Abgabe von Sauerstoff an die Gewebe ist einerseits von der Hämoglobin-Sauerstoff- Affinität und andererseits vom po2-gradienten zwischen den Kapillaren und dem Gewebe abhängig. Ursache der Störungen Störungen der Sauerstoffaufnahme Eine Hypoxämie kann bedingt sein durch eine alveoläre Hypoventilation, eine Verteilungsstörung, vaskuläre Kurzschlüsse, Diffusionsstörungen oder eine Kombination dieser Faktoren. Zu tiefer Gehalt an Sauerstoff in der Einatmungsluft Kommt vor allem bei einem Aufenthalt in großer Höhe vor. Bei längerdauerndem Höhenaufenthalt reagiert der Organismus mit der Erhöhung des Hämoglobins durch eine Zunahme der Erythrozytenzahl. Alveoläre Hypoventilation Die verminderte Belüftung der Alveolen bewirkt, dass der po2 in den Lungenalveolen absinkt und der pco2 zunimmt. Für die Diagnostik ist der daraus resultierende Anstieg des arteriellen pco2 (arterielle Hyperkapnie) von besonderer Bedeutung, weil sie im Gegensatz zu den anderen Hypoxämieformen immer auftritt. Alveoläre Hypoventilationen können bei Asthma bronchiale und Lungenemphysem gesehen werden. Ventilations- / Perfusions-Verteilungsstörungen Unter Verteilungsstörungen versteht man eine Störung im Zusammenspiel zwischen Belüftung und Durchblutung in den einzelnen Lungenabschnitten. Verteilungsstörungen sind häufig und praktisch immer an der Entstehung der Hypoxämie bei chronischen Lungenerkrankungen beteiligt. Bei allgemein verstärkter Atmung kann es zur Hypoxämie ohne Hyperkapnie kommen. Vaskuläre Kurzschlüsse Als Rechts-Links-Shunts werden venoarterielle Kurzschlüsse bezeichnet, bei denen venöses Blut direkt unter Umgehung der Lungen bzw. der Alveolarkapillaren direkt, d.h. nicht arterialisiert, in die Lungenvene gelangt. Rechts-Links-Shunts kommen vor bei Missbildungen des Herzens und der großen Gefäße. Bei M.Osler und bei Atelektasen finden sich intrapulmonale Shunts. O2-Diffusionsstörungen Bekannte Ursachen für O2-Diffusionsstörungen sind das destruktive Lungenemphysem (Schwund von Lungenkapillaren), interstitiell fibrosierende Erkrankungen und Anämien. Störungen des Sauerstofftransportes Der Sauerstofftransport in die Gewebe ist vermindert bei erniedrigtem Hämoglobin und ungenügender Auswurfleistung des Herzens (kardiale Insuffizienz). Die Transportfähigkeiten können durch Bluttransfusionen oder durch Reduzierung eventuell

27 vorhandener Dyshämoglobine verbessert werden. Störungen der Sauerstoffabgabe Die Sauerstoffabgabe von den Erythrozyten an die Zellen ist erschwert bei erhöhter Hämoglobin- Sauerstoff-Affinität (Rechtsverschiebung der Sauerstoffdissoziationskurve). Bei verschiedenen Erkrankungen die mit Fieber einhergehen und vor allem bei Sepsis kann der Sauerstoffverbrauch ansteigen. po2 und Sauerstoffsättigung Der arterielle po 2 ermöglicht die bessere Beurteilung des Gasaustausches in der Lunge als die Sauerstoffsättigung. Bei der Beurteilung des po 2 sind auch Alter und Körperlage zu berücksichtigen. Die Sauerstoffsättigung ist bezüglich der Versorgung des Organismus mit O 2 aussagekräftiger als der po 2. Beispiel: Eine Verschlechterung der Lungenfunktion führt bei einem Patienten zur Abnahme des arteriellen po 2 von 90 auf 70 mm Hg. Diese deutliche Verminderung des Partialdruckes um 20 mm Hg dokumentiert zwar die Lungenerkrankung, hat jedoch nur eine Abnahme von 0,96 auf 0,93 (d.h. von 96% auf 93%) der Sauerstoffsättigung zur Folge. Störungen des Säure-Basen-Haushalts Prinzipien der Einteilung Ein besonderes Risiko, Störungen des Säure/Basen-Haushaltes zu entwickeln, haben Patienten mit insulinabhängigem Diabetes mellitus, chronischen Nierenerkrankungen, chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen, sowie Patienten, die unter Erbrechen und/oder Diarrhoe leiden und Patienten, die Diuretika einnehmen. Schwierig wird die Beurteilung, wenn gleichzeitig mehr als eine Störungsursache vorliegt. Beispiel: Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung, die an Erbrechen, Diarrhoe oder diabetischer Ketoazidose leiden. Störungen des Säure-Basen-Haushalts lassen sich entsprechend der ph-veränderung in Azidosen (ph erniedrigt) und Alkalosen (ph erhöht) unterteilen. Entsprechend der auslösenden Ursache spricht man von metabolisch oder respiratorisch bedingten Azidosen bzw. Alkalosen. Grundsätzlich sind die respiratorischen Störungen immer durch pathologische Veränderungen der Atmung bedingt, so dass primär die Lungenregulation des Kohlensäure-Bicarbonat-Puffersystems gestört ist. Bei metabolischen Störungen des Säure-Basen-Haushaltes gilt grundsätzlich, dass die Lungenfunktion intakt ist und die primäre Änderung das Bicarbonatsystem betrifft.

28 Metabolische Azidose Labor-Befunde ph pco 2 HCO 3 - nicht kompensiert sauer normal erniedrigt teilweise kompensiert sauer erniedrigt erniedrigt Ursachen 1. Mit vergrößerter Anionenlücke (Anionenlücke=[ Na+]-([Cl-]+[HCO 3 - ]) = 8-16 mmol/l) Erhöhte Produktion von Wasserstoffionen o Diabetische Ketoazidose o Lactatazidose o alkoholische Ketoazidose o Langdauernder Hungerszustand Verminderte Ausscheidung von metabolischen Säuren o Nierenversagen, Urämie Zufuhr von metabolischen Säuren o Salicylatintoxikation o Einnahme von Paraldehyd, Methanol, Ethylenglykol 2. Mit normaler Anionenlücke bzw. Hyperchlorämie Gastrointestinaler Bicarbonatverlust o Diarrhoe o Gastrointestinale Fisteln o Uretero-Sigmoidostomie: selten durchgeführte Operation, bei welcher der Harnleiter in das Colon sigmoideum eingepflanzt wird. Verabreichung von Ammoniumchlorid Renaler Bicarbonatverlust o Renale tubuläre Azidose o Hemmung der Carboanhydrase o Frühes Stadium des Nierenversagens o Verminderte Mineralcorticoide: M. Addison, Hypoaldosteronismus Primärstörung Der Verbrauch oder Verlust von Bicarbonat führt zu einem Mangel an Basen und damit zu einem Überwiegen der Säuren. Kompensation Der Abfall des ph führt zu einer Stimulation der Atmung, Hyperventilation, so dass der pco 2 abnimmt. Zur Kompensation der metabolischen Azidose sollte der pco 2 um ungefähr 1,2 mmhg (0.16 kpa) für jede Erniedrigung des Bicarbonats von 1,0 mmol/l abnehmen. Die Kompensationsmechanismen setzen innerhalb von Minuten ein, es kann jedoch bis zu 24 Stunden dauern, bis sie maximal wirken. Der pco 2 fällt dabei nicht unter einen Wert von 10 mmhg (1.3 kpa). Eine Überprüfung der Situation erfolgt am einfachsten mit dem Säure-Basen-Diagramm. Ist der gemessene pco 2 kleiner als für den vorliegenden Bicarbonatverlust zu erwarten wäre, so liegt neben der metabolischen Azidose zusätzlich eine respiratorische Alkalose vor, nach deren