Klinické hodnocení poruch acidobázické rovnováhy: Hendersonův-Hasselbalchův, nebo Stewartův-Fenclův přístup?

Overview

V klinické praxi jsou používány dva přístupy k hodnocení acidobazického stavu organismu: tradiční (bicarbonate-centered), jenž je založen na Hendersonově-Hasselbalchově disociační rovnici kyseliny uhličité doplněné výpočtem aniontové mezery, a novější kvantitativní dle Stewarta-Fencla, který definuje tři nezávisle proměnné veličiny, jejichž změny určují pH. Jsou to: rozdíl mezi součtem nábojů nesených silnými kationty a silnými anionty plazmy (SID – strong ion difference: sníží-li se, vznikne acidóza a naopak), celková koncentrace slabých neprchavých kyselin ([A_tot] – anorganický fosfát a albumin: sníží-li se, vznikne alkalóza a naopak) a pCO₂. Dle tohoto přístupu jsou pH i hydrogenkarbonát tzv. závisle proměnné, jejichž koncentrace se mění tehdy a jen tehdy, když se změní nezávisle proměnné veličiny.

Hlavní předností Stewartova-Fenclova přístupu je výpočet plazmatické koncentrace aniontů silných kyselin, které běžně nestanovujeme a na jejichž přítomnost usuzujeme při tradičním přístupu z aniontové mezery. Korekce hodnoty aniontové mezery na plazmatickou koncentraci albuminu zvyšuje její výpovědní hodnotu. Tato úprava přibližuje tradiční přístup k novějšímu Stewartovu-Fenclovu přístupu, který přesně vypočte množství silných aniontů tak, že aniontovou mezeru korigovanou na albumin dále upřesní podle plazmatické koncentrace fosfátů, kalcia a magnezia. To má význam zejména u kriticky nemocných v metabolickém rozvratu, kdy tradiční přístup vždy neodhalí přítomnost nestanovených aniontů silných kyselin. Posouzení rozdílu mezi sérovými koncentracemi natria a chloridů upozorní na poruchu acidobazické rovnováhy v důsledku odchylky SID.

Klíčová slova:
acidobazická rovnováha, Stewartova-Fenclova teorie, hydrogenkarbonátový ion, aniontová mezera, silné anionty

Úvod

Udržování stálé koncentrace protonů [H⁺] v tělesných tekutinách je nezbytným předpokladem optimálního průběhu většiny biochemických reakcí a optimálního biologického stavu organismu. Přestože základní důležitost má [H⁺] v buňce, jejíž nitro je z důvodu intenzivního metabolického dění kyselejší než extracelulární tekutina, vyšetření acidobazické rovnováhy (ABR) v krvi či v plazmě nám s dostatečnou přesností umožňuje posoudit ABR celého organismu.

Protože disociační konstanta H₂O je velmi nízká, je molární koncentrace [H⁺] v čisté vodě při 23 °C jen 10^-7, tedy 0,0000001 mol/l. Protože voda je neutrální roztok, je v ní stejná koncentrace [H⁺] i [OH^-].

Zavedení záporného dekadického logaritmu pro vyjádření [H⁺] zjednodušuje číselné vyjádření [H⁺], kdy jeho hodnota ve vodě činí 7 a značí se pH. Protože všechny biologické reakce probíhají ve vodném roztoku a i malé změny [H⁺] mají velký vliv na průběh biochemických pochodů, je třeba vyjadřovat změny pH na dvě (až tři) desetinná místa. Život je možný v rozmezí pH = 7,0−7,7. Fyziologické rozmezí pH je ovšem jen 7,36−7,44.

Tradiční přístup hodnocení ABR

Všeobecně používaný přístup hodnocení ABR (bicarbonate-centered) je založen na reakcích uvedených v rovnici {1}: 

H₂CO₃ = H⁺ + HCO₃^- = H₂O + CO₂ {1} 

a je definován Hendersonovou-Hasselbalchovou rovnicí vyjadřující hodnotu pH (1, 2):

pH = 6,1 + log [HCO₃^-] / 0,03.pCO₂ {2},

kde konstanta 0,03 platí při vyjádření pCO₂ v mmHg.

Hendersonova-Hasselbalchova rovnice obsahuje několik konstant, které nejsou pro rutinní úvahu klinika podstatné, a pro schematické nazírání na problém ABR si ji můžeme zjednodušit do tvaru:

pH → HCO₃/CO₂ {3}

Jestliže se pH sníží, mluvíme o acidemii, je-li tomu naopak, jedná se o alkalemii. Z rovnice {3} vyplývá, že ke změně pH může dojít jak změnou čitatele (metabolická složka), tak jmenovatele (respirační složka) uvedeného zlomku, případně obou najednou (buď stejnosměrně, nebo protichůdně). Proto tento konvenční přístup umožňuje klasifikovat poruchy ABR na respirační (reprezentované změnou CO₂) a nerespirační (metabolické, reprezentované změnou HCO₃^-) nebo kombinované. Je zřejmé, že geneze těchto dvou odchylek ABR je zcela odlišná. Změny CO₂ jsou dány odchylkami funkce plic, změny [HCO₃^-] mají velmi různorodou podstatu, kterou ale tento tradiční přístup odhalí jen rámcově a jen tehdy, je-li doplněn výpočtem aniontové mezery (AG – anion gap): 

AG = [Na⁺] + [K⁺] – [Cl^-] – [HCO₃^-] {4} 

Na podkladě hodnoty AG je metabolická acidóza klasifikována na acidózu s normálním AG (v klinické praxi nazývanou hyperchloremická) a na acidózu se zvětšeným AG tříděnou podle klinického obrazu (ketoacidóza, laktacidóza, přítomnost exogenních aniontů apod.).

Hodnota AG nám však vždy neumožní tuto klasifikaci metabolické acidózy, neboť může být zkreslena řadou odchylek iontového složení extracelulární tekutiny, z nichž klinicky nejdůležitější je náboj nesený albuminem (3–8). Proto vypočtenou hodnotu AG korigujeme podle sérové koncentrace albuminu na základě rovnice {5}. Tento AG_korig nám dává přesnější obraz o přítomnosti zvýšených patologických aniontů silných kyselin: 

AG_korig = AG + 0,25(Alb_norm – Alb_změřený) {5} 

Skutečná hodnota AG je tedy při hypalbuminemii vyšší než hodnota vypočtená z klasické rovnice {4}. Kromě nutné korekce na albumin však AG zahrnuje několik dalších nepřesností (5, 9–11), jak vyplyne z dalšího textu o kvantitativním Stewartově-Fenclově (S-F) hodnocení ABR. Jedním z hlavních přínosů S-F přístupu je tedy přesný výpočet běžně nestanovovaných aniontů silných kyselin ([UA^-] – unidentified anions), na jejichž přítomnost usuzujeme při tradičním přístupu z AG.

Pro hodnocení ABR tradiční metodou používáme parametry změřené ve vyšetření podle Astrupa (12), tedy pH a pCO₂, který pro snadnější stanovení zastupuje kyselinu uhličitou. Z těchto hodnot vypočteme podle Hendersonovy-Hasselbalchovy rovnice {1} aktuální hydrogenuhličitan (akt HCO₃^-), při jehož interpretaci musíme vzít v potaz aktuální pCO₂. Současně udávaný standardní hydrogenuhličitan (stand HCO₃^-) vypovídá přesněji o metabolické poruše ABR, neboť je korigován na normální pCO₂ (tedy 5,3 kPa), a tudíž jeho hodnota není ovlivněna respirační kompenzací metabolické poruchy. Na pCO₂ jsou jen minimálně závislé i další udávané veličiny, tj. buffer base a přebytek (či nedostatek) bází (BE – base excess či BD – base deficit), což je množství silné kyseliny nebo silné zásady, které musí být přidáno do krve in vitro, aby její pH dosáhlo fyziologické hodnoty 7,40 a zároveň pCO₂ bylo 5,3 kPa (norma pro BE je 0 ± 2) (13–16).

Stewartova-Fenclova teorie ABR

S-F přístup (17–32) vychází z principu elektroneutrality, tedy z poznatku, že v roztoku musí být součet nábojů nesených kationty roven součtu nábojů nesených anionty. Pro plazmu je tento princip znázorněn na obr. 1. Na tomto obrázku by teoreticky mohly být znázorněny ještě [H⁺] a [OH^-]. Jejich nanomolární koncentrace jsou však z hlediska elektroneutrality bezvýznamné. Rovněž koncentrace karbonátu [CO₃^2-] je nízká, a proto ji rovněž zanedbáme. 

Plazma obsahuje ionty silné, které jsou plně disociovány a chemicky nereagují, a proto se jejich koncentrace při změnách pH nemění, a ionty, které jsou disociovány jen částečně, mají tedy pufrační schopnost. Všechny kationty plazmy (tedy Na⁺, K⁺, Ca²⁺ a Mg²⁺) jsou ionty silné. Z aniontů jsou silné jen Cl^- a skupina aniontů silných kyselin, které běžně nestanovujeme − UA^- (unidentified anions – např. ketokyseliny, aminokyseliny, laktát, uremické anionty nebo anionty uvolňující se při otravách ethylenglykolem, methylalkoholem apod.). Zbylé anionty plazmy (viz obr. 1), tedy HCO₃^-, náboj nesený albuminem (Alb^-) a anorganickým fosfátem (P_i^-), jsou ionty slabé, mající pufrační schopnost. Kvantitativně i funkčně je nejvýznamnějším pufrem plazmy (při S-F přístupu se neuvažuje o hemoglobinu) HCO₃^-, který je podle rovnice {1} v neustálé rovnováze s H₂CO₃ (reprezentované v klinické praxi CO₂), a tudíž obsahuje prchavou (respirační) i neprchavou (metabolickou) složku. Z toho plyne jeho fyziologický význam a schopnost udržovat elektroneutralitu plazmy změnou koncentrace [HCO₃^-]. Z toho vyplývá i schopnost tohoto pufru korigovat primární (respirační nebo metabolickou) odchylku ABR změnou druhé složky tak, aby se hodnota zlomku HCO₃/CO₂ blížila normálu (např. zvýšení HCO₃ má za následek zvýšení CO₂). CO₂ volně proniká všemi buněčnými membránami, a proto změny jeho koncentrace jsou otázkou vteřin.

S-F teorie ABR vychází z hypotézy, že [H⁺], pH i [HCO₃^-] jsou sekundární veličiny, které se nemohou změnit samy o sobě (závislé proměnné), ale mění se tehdy a jen tehdy, když se změní některá z nezávisle proměnných veličin. S-F princip definuje tři nezávisle proměnné veličiny, které rozhodují o pH.

• a) Rozdíl součtu nábojů mezi silnými kationty a anionty (SID – strong ion difference) (viz obr. 1).

SID = [Na⁺] + [K⁺] + [Ca²⁺] + [Mg²⁺] − [Cl^-] − [UA^-] {6} 

Z obr. 1 je zřejmé, že SID lze dle Fencla a spol. vypočítat i snadněji jako součet slabých aniontů (20): 

SID = [HCO₃^-] + [Alb] + [P_i^-] {7} 

Jestliže se SID sníží, stoupá [H⁺] (klesá pH) a rozvíjí se acidóza; zvýší-li se, vzniká alkalóza. Hodnotu SID určují především ionty s nejvyšší plazmatickou koncentrací, tedy [Na⁺] a [Cl^-], a zejména rozdíl jejich koncentrací (30, 33, 34). Z praktického hlediska je proto možné rovnici {6} zjednodušit tak, že vynecháme ionty o nízké koncentraci, jejichž odchylky od normy jsou velmi malé, a tudíž jejich kvantitativní vliv na ABR lze z hlediska klinického pohledu zanedbat (28): 

SID = [Na⁺] − [Cl^-] − [UA^-] {8}

K tomuto vztahu se ještě vrátíme v souvislosti s dosazením do této rovnice běžně užívaného AG místo [UA^-].

• b) Další nezávisle proměnná veličina určující [H⁺] jsou celkové koncentrace neionizovaného albuminu [Alb] a anorganického fosfátu [P_i], tedy slabých neprchavých kyselin [A_tot]. 

[A_tot] = [Alb] + [P_i] {9} 

Náboj nesený albuminem [Alb^-] a anorganickým fosfátem [P_i^-] lze vypočítat (21) z jejich celkové koncentrace v séru, tedy [Alb] (v g/l) a [P_i] (v mmol/l): 

[Alb^-] = [Alb] × (0,123 × pH – 0,831) {10} 

a 

[P_i^-] = [P_i] × (0,309 × pH – 0,469) {11} 

Norma [A_tot^-] je kolem 14 a závisí na použitých laboratorních metodách. Pokles [A_tot] alkalizuje, zvýšení acidifikuje.

• c) Třetí nezávisle proměnnou veličinou je pCO₂, která stejně jako u tradičního přístupu charakterizuje respirační komponentu. Vzestup pCO₂ acidifikuje, pokles alkalizuje.

Přednosti, nevýhody a sjednocení tradičního a S-F hodnocení ABR

• a) S-F přístup s větší přesností prokáže přítomnost silných nestanovovaných aniontů (35, 36), neboť přesně vypočte [UA^-], tedy veličinu, na niž s nepřesnostmi usuzujeme z hodnoty AG a s menší nepřesností z AG korigovaného na koncentraci albuminu. [UA^-] tedy není nic jiného než AG_korig dále korigovaný na ionty, které se při jeho výpočtu zanedbávají, tedy [P_i^-], [Ca²⁺] a [Mg²⁺] (viz obr. 1). Milimolární odchylky těchto opomíjených iontů jsou poměrně malé, a proto se lze v klinické praxi spokojit s AG_korig.
• b) Převodnění organismu vyvolá tzv. diluční acidózu tradičního nazírání (10, 37). Z pohledu S-F přístupu je to důsledek snížení SID, neboť sloupec okupovaný silnými kationty (všechny kationty plazmy) je větší než sloupec okupovaný silnými anionty (jen Cl^- a UA^-) (viz obr. 1), a proto při naředění poklesne celková plazmatická koncentrace silných kationtů relativně více než koncentrace silných aniontů, a SID (jejíž hodnota je dána rozdílem mezi silnými kationty a silnými anionty) se tudíž sníží (i v této situaci mají největší význam koncentrace natria a chloridů, jak uvedeme dále). Aby zůstala zachována elektroneutralita, musí se [HCO₃^-] snížit, což dle tradičního přístupu signalizuje acidózu s normálním AG způsobenou hyponatremií. Při dehydrataci je tomu naopak a v důsledku zvýšení SID vzniká hypochloremická alkalóza (10).
• c) Dalším pojmem tradičního přístupu je hyperchloremická acidóza, kdy je [HCO₃^-] snížena v důsledku zvýšené [Cl^-] při normální [Na⁺]. Z pohledu S-F přístupu jde opět o snížení SID.
• d) S-F teorie ABR tyto vztahy významně rozšiřuje. Je zřejmé, že z pohledu elektroneutrality mají změny [Na⁺] opačný vliv na metabolickou složku ABR než [Cl^-]. Zvýší-li se např. suma nábojů na straně kationtů v důsledku zvýšené [Na⁺] při nezměněné [Cl^-] (např. po podání NaHCO₃), musí se zvýšit celkový náboj nesený anionty. Tuto změnu detekujeme dle tradičního přístupu podle zvýšení [HCO₃^-]. Hypernatremie, která není provázena hyperchloremií, tedy s sebou přináší metabolickou alkalózu, hyponatremie naopak acidózu. Korekce metabolické acidózy NaHCO₃ podle S-F přístupu tedy není důsledkem nálože hydrogenkarbonátu (jenž je v rovnováze s CO₂), ale důsledkem přísunu natria. Hydrogenkarbonát se naopak podle této teorie zvyšuje v důsledku přísunu natria.
• e) Z teoretického hlediska mají stejný, i když kvantitativně podstatně méně významný vliv na [HCO₃^-] i změny kteréhokoliv jiného kationtu plazmy než [Na⁺], tedy [K⁺], [Ca²⁺] i [Mg²⁺] za předpokladu, že tyto změny nejsou doprovázeny změnou doprovázejícího silného aniontu.
• f) Natrio-chloridová diference: Oproti izolovanému hodnocení Na⁺ a Cl^- je výhodnější hodnotit rozdíl jejich koncentrací − Diff(NaCl). Tento parametr pochopitelně výborně koreluje se SID, ale z praktického hlediska a z pohledu tradičního přístupu je důležité, že koreluje také s [HCO₃^-] (31, 38). Pokles Diff(NaCl) může kromě dilučního efektu poukazovat i na účast či spoluúčast poruchy natrio-chloridového metabolismu v případech, ve kterých bychom tuto možnost neočekávali (31, 39, 40). Taková situace může nastat např. při zvýšené koncentraci UA^-, kdy jsou koncentrace Na⁺ a Cl^-ještě v referenčním rozmezí, ale Diff(NaCl) je již snížená. Ionty Na⁺ a Cl^- mají velmi široké referenční rozmezí, cca 10 mmol/l. To znamená, že i při normonatremii a normochloremii může být Diff(NaCl) snížena. Dle tradiční analýzy bychom takovou poruchu mohli posuzovat jako metabolickou acidózu se zvýšeným AG. Z pohledu Stewartovy-Fenclovy teorie však dojde v důsledku poklesu SID − v rámci zachování elektroneutrality − k poklesu [HCO₃^-], a tedy k metabolické acidóze.

Vztah mezi [HCO₃^-], [Na⁺− Cl^-] a AG můžeme vyjádřit z nejjednoduššího výpočtu pro AG:

AG = Na⁺ – (Cl^- + HCO₃^-), který můžeme upravit do tvaru

HCO₃^- = (Na⁺ – Cl^-) – AG {12} 

Jde v podstatě o rovnici {8}, v níž [UA^-] je nahrazen AG tradičního přístupu. Z tohoto vztahu jasně plyne, že pokud se AG významněji nemění, musí existovat lineární vztah mezi sérovou koncentrací HCO₃^- a [Na⁺ − Cl^-]. V případě, že hodnota [Na⁺ − Cl^-] zůstává konstantní, bude existovat nepřímý lineární vztah mezi HCO₃^- a AG.

Domníváme se, že Diff(NaCl) je klinicky velmi přínosný a snadno dostupný parametr, jehož hodnocení by mělo přejít do běžné praxe, stejně jako jsme zvyklí hodnotit oba ionty izolovaně. Odchylky jednotlivých iontů Na⁺ a Cl^- jsou zcela běžné, jejich rozdíl však, dle naší zkušenosti, zůstává bez současné poruchy ABR zachován. Proto nás samotný pokles Diff(NaCl), bez znalosti acidobazických parametrů, může upozornit na metabolickou acidózu s normálním AG. Mohou tak být odkryty poruchy ABR spojené se ztrátou HCO₃^-, které bychom vůbec neočekávali, např. při renální tubulární acidóze a jiných tubulárních poruchách (41) ještě bez poklesu ledvinové funkce. V případě gastrointestinálních ztrát HCO₃^- můžeme dle poklesu Diff(NaCl) odhadnout stupeň metabolické acidózy. Oproti tomu zvýšená Diff(NaCl) nás může upozornit na všechny typy metabolické alkalózy, které bývají spojeny s hypochloremií, eventuálně hypernatremií. Tato hypotéza je založena na teoretické úvaze a potvrzena několikaletým pozorováním Diff(NaCl) ve spojitosti s různými poruchami ABR v klinické praxi (32).

• g) Natrio-chloridový poměr: Parametr Na⁺/Cl^-, poměr koncentrací dvou kvantitativně nejvýznamnějších plazmatických iontů Na⁺ a Cl^-, zde uvádíme jako veličinu, která by teoreticky mohla pomoci při posouzení hodnocení přítomnosti diluce či kontrakce (30). Poměr Na/Cl v případě čisté diluce/kontrakce zůstává in vitro nezměněn, na rozdíl od Diff(NaCl), která při diluci klesá, zatímco při kontrakci stoupá. Přidáme-li do 1 litru roztoku s koncentrací Na⁺ 140 mmol/l a Cl^- 100 mmol/l jeden litr vody, dojde k poklesu Na⁺ na 70 mmol/l a Cl^- na 50 mmol/l, čímž klesne Diff(NaCl) ze 40 na 20 mmol/l. Hodnota Na/Cl 1,4 však zůstává nezměněna. Je-li však při metabolické poruše ABR přítomná dysbalance jednoho z iontů z jiného důvodu, mění se i poměr Na/Cl. Parametr Na/Cl by mohl odlišit změnu Diff(NaCl) způsobenou pouze dilucí/kontrakcí od primární dysbalance natria či chloridů. Teoretické využití Na/Cl poměru v této situaci jsme vůbec jako první popsali v roce 2012 (31). Jeho praktické využití bylo publikováno na skupině pacientů s poraněním míchy k odlišení často přítomných syndromů SIADH a CSWS (42). Abnormality způsobené změnou obsahu vody v organismu lze také odhalit přepočtem zjištěných koncentrací chloridů na normální koncentraci natria (140 mmol/l) (20).

Závěr

Tradiční přístup hodnocení ABR je sice popisný, ale pro klinickou praxi vyhovující. Domníváme se však, že kromě parametrů tradičního přístupu by měl klinik vzít v úvahu i Diff(NaCl), která ho může upozornit na metabolickou odchylku ABR, jež není způsobena [UA^-].

Kvantitativní S-F přístup může upřesnit podstatu odchylky ABR, zejména u kriticky nemocných s metabolickým rozvratem (43, 44). Každá porucha ABR je totiž spojena s iontovou dysbalancí. Naopak ne každá iontová dysbalance způsobí odchylku ABR, protože výchylky v koncentraci iontů se ve svém vlivu na ABR mohou vzájemně zrušit. V tomto ohledu nám S-F přístup poskytuje nový vhled do problematiky a významně přispívá k pochopení patofyziologických dějů, které ovládají metabolickou složku ABR.

Tradiční a S-F přístup hodnocení ABR jsou dvěma stranami téže mince, jak vyplývá z modifikované Hendersonovy-Hasselbalchovy rovnice (45−48), v níž jsme hydrogenkarbonát nahradili nezávisle proměnnými veličinami S-F přístupu, jež [HCO₃^-] vymezují (jak vyplývá z obr. 1). V této rovnici jsme vyjádřili hodnotu [HCO₃^-] rozdílem mezi molárním součtem všech kationtů, od něhož jsme odečetli sumu všech aniontů kromě [HCO₃^-].

pH = 6,1 + log ([Na⁺] + [K⁺] + [Ca²⁺] + [Mg²⁺] − [Cl^-] − [UA^-] − [Alb^-] − [P_i^-]) / 0,03.pCO₂ {13}

Práce vznikla za podpory grantu 15-33686A.

Seznam použitých zkratek

ABR       acidobázická rovnováha

AG         aniontová mezera (anion gap)

AG_korig  aniontová mezera korigovaná na plazmatickou koncentraci albuminu

S-F         Stewartův-Fenclův přístup k hodnocení ABR

SID         rozdíl mezi náboji nesenými všemi silnými kationty a všemi silnými anionty plazmy (strong ion difference)

[A_tot]      součet koncentrací plazmatického albuminu (g/l) a anorganického fosfátu (mmol/l)

[A_tot^-]     součet koncentrací ionizovaného plazmatického albuminu (mmol/l) a ionizovaného anorganického fosfátu (mmol/l)

[Alb^-]     koncentrace ionizovaného albuminu (mmol/l)

[H⁺], [OH^-], [HCO₃^-], [Na⁺], [K⁺], [Ca²⁺], [Mg²⁺], [Cl^-]          koncentrace příslušných iontů v mmol/l

[P_i^-]        koncentrace ionizovaného anorganického fosfátu (mmol/l)

[UA^-]      koncentrace běžně nestanovovaných iontů (mmol/l)

Diff(NaCl)           rozdíl v plazmatických koncentracích mezi natriem a chlorem

ADRESA PRO KORESPONDENCI:

prof. MUDr. Karel Matoušovic, DrSc.

Interní klinika 2. LF UK a FN Motol

V Úvalu 84

150 06  Praha 5

Tel.: 224 433 050

e-mail: karel.matousovic@lfmotol.cuni.cz