Falck, VO_SBH.ppt, Folie 1, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Säure-Basen-Haushalt, Blutgase• Grundlagen• Allgemeine Pathobiochemie
– Kohlendioxid CO2, Kohlensäure H2CO3– nichtflüchtige Säuren– Puffersysteme– renale Mechanismen– Störungen und Kompensation
• Spezielle Pathobiochemie– Respiratorische Azidose– Respiratorische Alkalose– Metabolische Azidose– Metabolische Alkalose
• Labor-Diagnostik des Säure-Basen-Haushaltes– Präanalytik– Diagnostische Fragestellungen und Messgrößen– Bewertung
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 2, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Grundlagen: Säuren und Basen• Säuren / Basen: Brönsted-Konzept
– Säure: Substanz, die H+ abgeben kann > Protonendonatorz. B. H2CO3 H+ + HCO3
-
– Base: Substanz, die H+ aufnehmen kann > Protonenakzeptorz. B. HCO3
- + H+ H2CO3 H2O + CO2
• pH = - log aH+
• Puffer: System, welches den pH einer Lösung trotz Zugabe von Säure oder Base innerhalb bestimmter Grenzen kaum ändert– schwache Säure + dissoziiertes Salz– CH3-COO- + Na+ + H+ Na+ + CH3-COOH
dissoziiertes Salz undissoziierte schwache SäureCH3-COOH + OH- CH3-COO- + H2O
– HCO3- + Na+ + H+ Na+ + H2CO3 CO2 + H2O
Bicarbonat-Ion KohlensäureH2CO3 + OH- HCO3
- + H2O
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 3, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Grundlagen: Blutgase• Partialdruck
Dalton Gesetz: Der Anteil, den ein Gas in einem Gasgemisch am Gesamtdruck ausübt, entspricht seinem molaren Anteil am Gemisch.
• Löslichkeit von Gasen in FlüssigkeitenHenry-Gesetz: Jedes Gas löst sich in einer Flüssigkeit entsprechend seinem Partialdruck in der Gasphase (Äquilibrierung).
Alveolarluft
Blut
ausgeübter Druck
Partialdruckin Lösung
Äquilibrierung
10
5
2
1
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 4, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Kohlendioxid: CO2
• Bildung im Zellstoffwechsel> Diffusion in Gewebskapillare> Aufnahme in Erythrozyten– 10% physikalisch gelöst
20% lagert sich an Deoxy-Hämoglobin an 70% Hydratisierung,
CO2 + H2O > Carboanhydratase > H+ + HCO3-
– Deoxy-Hämoglobin puffert H+
– HCO3- > Plasma
• Transport in Lungenkapillaren: Äquilibrierung mit Alveolarluftdurch Oxygenierung löst sich CO2 und H+ vom Hämoglobin (Oxy-Hämoglobin ist stärkere Säure als Deoxy-Hämoglobin)H+ + HCO3
- H2O + CO2hierzu strömt Bicarbonat wieder in Erythrozyten
Ausscheidung über die Lunge: CO2 wird abgeatmet• Erwachsene, bei mäßiger körperlicher Belastung:
350 ml CO2/min > 17 mmol/min
Pathobiochemie des Säure-Basen-Stoffwechsels
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 5, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Nichtflüchtige Säuren• Mischkost:
– Säureüberschuss beiFisch, Fleisch, Eiern, Getreideprodukten
– Basenüberschuss beiMilchprodukten, Obst, Gemüse
> Überschuss an nichtflüchtigen Säuren: 40-80 mmol/d• v. a. S-haltige Aminosäuren tierischer Proteine (Methionin, Cystein, Cystin)
> Oxidation zu H2SO4sowie H2PO4
- aus organischen Phosphorverbindungen
• Intermediärstoffwechsel: kein Säureüberschuss• Ausscheidung über Niere:
– 40-80 mmol/d Säure im Urin: pH ca. 6 - 6,6– möglich bis zu 500 mmol/d Säure pH 4,5– möglich auch Bicarbonat pH 7,5> daher Variation der H+-Konz. im Harn über 3 Zehnerpotenzen möglich
Pathobiochemie des Säure-Basen-Stoffwechsels
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 6, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Puffersysteme des ExtrazellulärraumsBicarbonat-Kohlensäure-Puffer• hohe Gesamtkonzentration von 25,4 mmol/l • Wirkungsschwerpunkt im Plasma• kurzfristig variierbar:
überschüssige Säure-Komponente als CO2 über Alveolarluft eliminierbar• 80% der Pufferkapazität des Blutes• Henderson und Hasselbalch:
– pH = pKa + log[c(HCO3-)/c(H2CO3)]
• mit pKa = neg. log der Diss.-Konstante von H2CO3 = 6,105• und c(H2CO3) = p(CO2) x 0,03
– Gesunde: 6,105 + log [24,0/(40 x 0,03)] = 7,40– bei Säurebelastung HCO3
- > pH – vermehrte Basen HCO3
- > pH • Bicarbonat: metabolische Komponente• Kohlendioxid: respiratorische Komponente
Pathobiochemie des Säure-Basen-Stoffwechsels
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 7, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Puffersysteme des ExtrazellulärraumsNichtbicarbonat-Puffer• Zusammenfassung von
– Hämoglobin– anorganischen Phosphaten– Proteinenin EZR und Blutzellen
• Gesamtkonzentration nicht kurzfristig variierbar• 20% des Gesamtpuffersystems• Wirkungsschwerpunkt: Erythrozyten
(Hämoglobin hat die größte Bedeutung)
Interaktion der Puffer• Zunahme von CO2 (durch resp. Störung)
hat auch Einfluss auf (metabolische) Bicarbonat-Konzentration
Pathobiochemie des Säure-Basen-Stoffwechsels
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 8, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Tubulus-lumen Harn
• Reabsorption des filtrierten Bicarbonats– c(HCO3
-) im Glomerulusfiltrat: 25 mmol/l– bei ca. 180 l/d > 4,5 mol Bicarbonat täglich zu reabsorbieren– Reabsorption von 80 % in proximalen Tubuli
unter Beteiligung der Carboanhydratase• Regeneration oder Ausscheidung von Bicarbonat
und Ausscheidung von Protonen– distales Nephron und Sammelrohr– Carboanhydratase in Tubuluszellen
> CO2 + H2O H+ + HCO3-
HCO3- EZR
H+ Tubuluslumen– H+-transportierende ATPase:
aktive Sezernierung von H+ aus EZR in Tubuluslumen gegen Konzentrationsgradienten
– Kapazität relativ gering (70-100 mmol/d)– Steigerung durch Aldosteron
EZRBlut
Renale Säure-Basen-Regulation 1Pathobiochemie des Säure-Basen-Stoffwechsels
Tubulus-zellen
HCO3-
H+
NH4+
EZR Blut
Tubulus-zellen
HCO3-
H+
NH4+
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 10, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Renale Säure-Basen-Regulation 2 • Ausscheidung von Ammonium
– größter Teil der Säureausscheidung– NH3-Bildung in proximalen Tubuluszellen:
• Glutamin Glutamat + NH3• Glutamat GLDH > -Ketoglutarat + NH3• -Ketoglutarat 2 HCO3
- EZR NH3 + H+ > NH4
+
Tubuluslumen Ausscheidung Abfangen der Protonen
HCO3- > EZR
– bei Azidose:• Leber: Harnstoff-Bildung
Glutamin-Synthese • Niere: Ammonium-Exkretion
• Pufferung des Urins– Ausscheidung von bis zu 100 mmol H+/d > pH 1! (0,1 mol)– Pufferung durch 2 Systeme
• Sezernierung von Ammoniak • Hydrogenphosphat: H+ + HPO4
2- H2PO4-
Pathobiochemie des Säure-Basen-Stoffwechsels
Tubulus-lumen Harn
EZR Blut
Tubulus-zellen
HCO3-
H+
NH4+
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 11, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Säure-Basen-Störungen und ihre Kompensation • Azidose: pH < 7,35
Klinischer Zustand, gekennzeichnet durch– Säurezunahme oder– Basenverlust
• Alkalose: pH > 7,45Klinischer Zustand, gekennzeichnet durch– Basenzunahme oder– Säureverlust
• verursacht durch Störungen des pulmonalen Gasaustausches: respiratorische Azidose oder Alkalose
• hervorgerufen durch nichtrespiratorische Prozesse:metabolische Azidose oder Alkalose
• Kombination: gemischte Störungen
Pathobiochemie des Säure-Basen-Stoffwechsels
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 12, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Säure-Basen-Störungen und ihre Kompensation • Kompensation:
– Abschwächung der Säure-Basen-Störung durch Organleistungen (aktive Vorgänge, nicht passive Pufferung)
– pH-Änderung möglichst gering halten– Ziel: Konstanz von cHCO3
-/cH2CO3 = 20/1• respiratorische Kompensation metabolischer Störungen
– pH-sensible Strukturen im Atemzentrum: Anpassung der Atemaktivität– nach 12-24 h Kompensation voll ausgeprägt– Grenzen:
Verminderung der Ventilation durch O2-Bedarf eingeschränkt• metabolische Kompensation respiratorischer Störungen
– bei Änderung von pCO2> sofort einsetzende Pufferung > metabolische Kompensation durch Niere (Bicarbonatbildung, Anstieg des Basenüberschuss BE) innerhalb von Tagen
Pathobiochemie des Säure-Basen-Stoffwechsels
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 13, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Respiratorische Azidose: pCO2• Anreize für das Atemzentrum:
– pCO2– pO2– pH-Wert im Intestitium
• Anstieg des pCO2 (Hyperkapnie)– durch Unterbelüftung der Alveolen– Leitsymptom der respiratorischen Azidose
• akute respiratorische Azidose:– immer ein lebensbedrohlicher Zustand– erfordert Freihalten der Luftwege,
künstliche Beatmung• chronische respiratorische Azidose
– durch Anpassungsvorgänge besser toleriert:– veränderte Reizschwelle für Atemzentrum nimmt Gefühl der Atemnot– Kompensation durch Niere im Laufe einiger Tage wirksam
• Auswirkung auf Elektrolytstoffwechsel:– Hyperkaliämie besonders bei akuter Respiratorischer Azidose– Hypochlorämie bei chronischer Azidose
Spezielle Pathobiochemie
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 14, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Respiratorische Alkalose : pCO2
• Hyperventilation• Verminderung des pCO2 (Hypokapnie)• kompensatorische Verminderung des Bicarbonats und der
Basenabweichung (BE)• Gefährdung durch
– Verminderung des ionisierten Ca++ (H+-Mangel!)– Abnahme der Hirndurchblutung– Zunahme der O2-Affinität des Hämoglobins erschwerte O2-Abgabe ins Gewebe
– alkalosebedingte Steigerung der Glykolyse > Lactat Vorsicht bei Interpretation: Abgrenzung von respiratorischer Kompensation einer Lactat-Azidose
Spezielle Pathobiochemie
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 15, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Metabolische Azidose: HCO3- und BE
• Ursachen: Vermehrung nichtflüchtiger Säuren,Abnahme von Bicarbonat und Basen
• Additionsazidose– vermehrte Bildung saurer Valenzen– z. B. Ketoazidose (D. mellitus)
Lactatazidose durch Hypoxie
– erhöhte Anionenlücke [(Na+ + K+) – (Cl- + HCO3-) > 7 – 16 mmol/l]
– oft mit Hyperkaliämie (H+ verdrängt K+ aus den Zellen)
• Subtraktionsazidosen– Verlust bicarbonatreicher Sekrete: anhaltende Durchfälle
(Galle, Pankreas)– oft mit Hypokaliämie
Spezielle Pathobiochemie
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 16, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Metabolische Azidose: HCO3- und BE
• Verteilungsazidose– durch Hyperkaliämie: Verdrängung von H+ aus den Zellen intrazelluläre Alkalose "paradoxe Alkalurie" bei Acidose!
• Retentionsazidose (renale Azidosen)– alle Azidosen durch Verminderung renaler
• H+-Eliminierung oder• Bicarbonat-Rückresorption
• starke Azidose (pH < 7,25) meist mit Beeinflussung des Elektrolyt- und Wasserhaushalts
• chronische Azidosen wirken sich durch Ca-Verluste negativ auf Skelettsystem aus (H+ > Ca++ > Ca-Ausscheidung )
Spezielle Pathobiochemie
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 17, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Metabolische Alkalose : HCO3- und BE
• Subtraktionsalkalose– schwerste metabolische Alkalose– durch Verlust sauren Magensaftes infolge anhaltenden Erbrechens
(Tage/Wochen)• Additionsalkalose
– selten, z. B. posthyperkapnisch: wenn anhaltende Hypoventilation z. B. durch Intubation plötzlich korrigiert wird > kompensatorisch erhöhtes cHCO3
- kann erst langsam abgebaut werden
• Verteilungsalkalose durch Kaliummangel– für 3 aus IZR austretende K+ treten 2 Na+ und 1 H+ ein IZR Azidose, auch in Tubuluszellen > "Paradoxe Azidurie"
• Kompensation durch Hypoventilation, soweit seitens Sauerstoffversorgung zulässig
Spezielle Pathobiochemie
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 18, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Präanalytik• Patientenvorbereitung
– in dringenden Fällen keine– nach Möglichkeit "steady state": körperliche Ruhe,
bei künstl. Beatmung 30 min nach letzter Einstellung• Untersuchungsgut
– anaerob gewonnenes heparinisiertes Vollblut– arteriell oder
kapillär nach Arterialisierung (z.B. Erwärmen mit feuchtem Tuch bei 39-42°C)• Probennahme
– Vermeidung von Luftkontakt (Verschließen)Gerinnung (Heparin)Sedimentieren (Mischen)Stoffwechselprozessen (Kühlen)
– heparinisierte Spritzen, elektrolytbalanciert• nach Füllen und Austreiben von Luftblasen sofort verschließen
– heparinisierte Glas- oder Kunststoffkapillaren• 40-130 µl Fassungsvermögen• Arterialisierung, ersten Blutstropfen verwerfen• nach Füllen Verschließen, Mischen mit Draht und Magnet
Labordiagnostik
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 19, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Präanalytik• Probentransport und -aufbewahrung
– Proben in Kunststoff-Gefäßen• innerhalb 15 min analysieren
> Kunststoff für Gase durchlässig (v. a. pO2, Anreicherung durch Außenluft)
• Kühlung verstärkt diesen Effekt durch bessere O2-Löslichkeit und Aufnahme durch Hämoglobin
– Proben in Glas-Behältnissen• innerhalb 15 – 30 min analysieren
notfalls ca. 2 h in Eiswasser haltbar(?)• Glas gasdicht
Kühlung vermindert Stoffwechselprozesse und damit Abnahme von O2 und Zunahme von Lactat (Milchsäure: pH )
– unmittelbar vor Messung: Zellen resuspendieren!Ersten Tropfen aus Spritzen verwerfen.Stempel zurückziehen für Volumenbedarf der Ansaugnadel.
– bei der Messung Luftblasen und Gerinnsel vermeiden!
Labordiagnostik
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 20, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Diagnostische Fragestellungen und Messgrößen1. Welchen pH-Wert hat das arterielle Blut?
aktueller pH-Wert– direkte Messung mit Elektroden-Messkette: Kapillar-Glaselektrode– kalibriert mit 2 Pufferlösungen (z. B. pH 7,400 und 6,800)– Messbedingungen: temperierbar (37°C)
wenig µl Probenvolumenanaerob
Respiratorische Komponente:2. Wie hoch ist der aktuelle CO2-Partialdruck?
pCO2– direkte Messung mit Membran-überzogener Glaselektrode nach
SeveringhausMetabolische Komponente:3. Welche HCO3
--Konzentration herrscht im Plasma, bei 37°C und einem pCO2 40 mm Hg?Standard-Bicarbonat-Konzentration cHCO3
-
– Berechnung aus pCO2 und pH nach Henderson-Hasselbalch
Labordiagnostik
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 21, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Diagnostische Fragestellungen und Messgrößen4. Wie groß ist die Konzentration der Puffer-Anionen bei aktuellem pH und
pCO2 in der Probe?aktuelle Proben-Pufferbasen: – Berechnung aus pH, pCO2, cHCO3
-, Hämoglobin-KonzentrationAblesen im Nomogramm
5. Welche Basenkonzentration würde unter Normalbedingungen herrschen?Normal-Pufferbasen-Konzentration– bei pH 7,40, pCO2 40 mm Hg und Hämoglobin-Konzentration– berechnet: 41,7 + 0,42 x Hämoglobin-Konzentration
6. Wie groß ist die Differenz zwischen Proben-Pufferbasen-Konzentration und Normal-Pufferbasen-Konzentration?Basen-Abweichung (BE) = Proben-Pufferbasen - Normal-Pufferbasen– positive Werte: Überschuss an Basen– negative Werte: Überschuss an Säuren
Labordiagnostik
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 22, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Diagnostische Fragestellungen und Messgrößen7. Ist die Sauerstoff-Versorgung ausreichend?
Wie hoch ist der O2-Partialdruck?pO2– direkte Messung mit Clark-Elektrode
Kathode reduziert O2O2 + 2 H2O + 4 e- > 4 OH-
Messung der Stromstärke
Labordiagnostik
Ionenselektive Elektrode-Messkette
Clark-Elektrode
Elektrode nach Severinghaus
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 23, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Bewertung der Ergebnisse• Normalbereiche
– aktueller pH-Wert 7,36 - 7,44– pCO2 35 - 45 mm Hg– Std.-Bicarbonat-
Konz. (cHCO3-) 22 - 26 mmol/l Plasma
– Basenüberschuss (BE) -2 - +2 mmol/l Vollblut– pO2: 75 - 100 mm Hg
• Vorgehen bei der Befundinterpretation– Welcher Wert erklärt die pH-Abweichung?
• respiratorisch: pCO2
• metabolisch: HCO3-, BE
– Liegt eine Kompensation vor?• gegenläufig zur pH-Veränderung
Laborbefunde
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 24, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Veränderung der Messgrößen:Laborbefunde
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 25, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Beispiel für Befundausdruck
Laborbefunde
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 27, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Beispiel für Befundausdruck
Laborbefunde
pHpCO2
Standard-BicarbonatBasenüberschuss
pO2
HämoglobinO2-Sättigung
Interpretation?-pH normal-pCO2 -cHCO3
-, BE
Respiratorische Alkalose, metabolisch kompensiertoderMetabolische Azidose, respiratorisch kompensiert
Falck, VO_SBH.ppt, Folie 28, 22, 22.Apr.13Dr. Falck
Zentralinstitut für Klinische Chemie und Laboratoriumsdiagnostik
Blutgas-Analysen
Beispiel für Befundausdruck
Laborbefunde
ionisiertes Calcium
Anionen.Lücke
Glucose (Plasma)Lactat