Klinische Biochemie und Physiologie III - 04 Säure-Basen-Haushalt II (Schermuly)

酸鹼平衡紊亂與診斷

緩衝系統的重要性

• 緩衝系統對於維持血液中自由質子濃度和生理pH值至關重要。
• 血液中約有48毫摩爾/升的緩衝鹼。
• 非碳酸氫鹽緩衝鹼（如蛋白質和磷酸鹽）佔一半，約24毫摩爾/升。
• 剩餘的24毫摩爾/升由碳酸氫鹽系統組成。

緩衝系統如何協同工作

• CO_2 與水反應生成碳酸，進而分解為碳酸氫鹽和質子。
• 如果生理碳酸氫鹽濃度為24毫摩爾/升，則應有24毫摩爾/升的質子。
• 但實際自由質子濃度非常低，約為 10^{-7.4} 毫摩爾/升。
• 其餘質子與非碳酸氫鹽緩衝鹼（如白蛋白或血紅蛋白）結合。

非碳酸氫鹽緩衝系統

• 約24毫摩爾/升的質子與非蛋白質緩衝鹼結合。
• 為了使緩衝系統有效運作，需要有未質子化的緩衝鹼。
• 總緩衝鹼（BB）由碳酸氫鹽濃度和其他自由緩衝鹼組成，總量為48毫摩爾/升。
• 碳酸氫鹽濃度與其他未質子化的緩衝鹼（A-）的量相等。
• 碳酸氫鹽濃度也必須與質子化的緩衝鹼濃度相等，因為 CO_2 與水的反應產生等量的碳酸氫鹽和質子。

生理條件下的緩衝系統

• 在動脈血 CO_2 分壓為5.3千帕時，身體中有24毫摩爾/升的碳酸氫鹽和24毫摩爾/升的質子。
• 質子由非碳酸氫鹽系統的緩衝物質緩衝。
• 在這些條件下，有24毫摩爾/升的質子化和24毫摩爾/升的非質子化其他緩衝鹼（如血紅蛋白或白蛋白）。

呼吸功能障礙的影響

• 呼氣性呼吸困難（如哮喘或慢性阻塞性肺病）：
  • 呼氣困難導致 CO_2 分壓升高。
  • CO_2 分壓升高會增加碳酸氫鹽和質子的生成。
  • 如果額外產生2毫摩爾/升的碳酸氫鹽，則也會額外產生2毫摩爾/升的質子，這些質子必須由非碳酸氫鹽緩衝物質緩衝。
  • 未質子化的其他緩衝鹼的儲備會減少2毫摩爾/升。
• 過度通氣：
  • 動脈血 CO_2 分壓降低，導致碳酸氫鹽和質子的生成減少。
  • 碳酸氫鹽總濃度降低約2毫摩爾/升，並且未質子化的緩衝鹼濃度相應增加2毫摩爾/升。

強離子差（Strong Ion Difference, SID）

• 電解質平衡對血液中緩衝鹼的量有顯著影響。
• SID基於Stewart模型，強調電中性原則對酸鹼平衡的影響。
• 強離子（如Na^+, K^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}, Cl^-, 磷酸鹽）和弱離子（如蛋白質和碳酸氫鹽）之間有所區分。
• 只有弱離子可以緩衝質子，強離子不參與緩衝，因為它們在生理pH值下完全解離。
• 通過測量血液中主要強離子的濃度來確定SID。
• 從強陽離子總和中減去強陰離子總和，可以估計存在的弱陰離子（即緩衝鹼）的數量。
• SID主要由碳酸氫鹽和蛋白質組成。

影響pH值的因素

• pH值受多種機制影響，包括通過呼吸調節的CO_2分壓和SID的變化。

呼吸性酸中毒（Respiratory Acidosis）

• 由於呼出CO_2不足導致，需要緩衝更多的質子。
• 原因：
  • 哮喘、支氣管疾病等阻塞性肺病，阻礙CO_2排出。
  • 中樞神經系統疾病（如中風、鴉片類藥物濫用）導致呼吸驅動減弱。
  • 神經元疾病，如Guillain-Barré綜合徵、破傷風或肌萎縮側索硬化症（ALS）。
  • 阻塞性腫瘤疾病。
• 身體的反應：
  • 腎臟遠曲小管中的A型間插細胞被激活，增加碳酸氫鹽的重吸收並將更多質子分泌到小管腔中。
  • 肝臟中的谷氨酰胺酶受到抑制，減少尿素的產生，從而減少質子的產生，以便將更多的質子排入尿液中。
  • 骨骼物質被分解，釋放磷酸鹽以結合質子。

呼吸性鹼中毒（Respiratory Alkalosis）

• 由於缺氧或CO_2過度排出引起。
• 原因：
  • 肺部氧氣擴散受阻的疾病。
  • 高海拔地區氧氣含量較低，導致呼吸加速以增加氧氣攝入。
  • 情緒激動或疼痛引起過度換氣。
  • 呼吸中樞受刺激（如甲狀腺功能亢進或某些藥物，如乙酰唑胺）。
• 身體的反應：
  • 白蛋白釋放質子，並且遊離結合位點將被鈣填充。
  • 急性換氣過度導致細胞外鈣濃度降低，增加細胞膜對鈉的通透性，導致細胞去極化。
  • 低血鈣會增加肌肉的興奮性並導致痙攣。
  • 激活腎臟中的B型間插細胞，從而將更多的碳酸氫鹽通過氯/碳酸氫鹽交換器釋放到小管腔中，並通過ATP酶將質子重吸收到血液中。
  • 刺激肝臟中的谷氨酰胺酶，從銨離子中產生更多的尿素，所產生的質子抵消了鹼中毒。
  • 鹼中毒刺激了骨骼物質的構建，從而結合了磷酸鹽，這也結合了鈣，如前所述，這增加了癲癇發作的傾向。

非呼吸性酸中毒（Non-Respiratory Acidosis）

• 以前稱為代謝性酸中毒，更準確的術語是非呼吸性酸中毒。
• 原因：
  • 質子排泄增加或緩衝鹼流失。
    • 腹瀉疾病阻礙了小腸中碳酸氫鹽的重吸收，導致碳酸氫鹽通過糞便流失。
    • 食肉飲食（大量食用肉類）導致酸性代謝產物（如硫酸鹽）的積累，從而引發酸中毒。
    • 腎臟疾病可能損害負責碳酸氫鹽重吸收和質子分泌的轉運過程。
    • 高鉀血症導致碳酸氫鹽的流失/腎臟減少質子的排泄。
    • 無氧糖酵解會產生酸性乳酸（組織中氧氣不足時會發生），例如在大量失血、心力衰竭或血管阻塞時。
    • 糖尿病可能導致代謝性酸中毒。由於缺乏胰島素，葡萄糖攝取不足，導致過度分解脂肪並產生酮體，從而導致糖尿病酮症酸中毒。
• 代償：
  • 通過呼吸排出更多CO_2來代償，這在臨床上稱為科斯莫爾呼吸（Kussmaul breathing），表現為深而有規律的呼吸，即正常呼吸頻率下的過度換氣。
  • 呼吸可能也會因頻率加快而調整，例如在腹瀉的小牛中。

非呼吸性鹼中毒（Non-Respiratory Alkalosis）

• 當身體失去過多的酸時會發生。
• 原因：
  • 嘔吐酸性胃內容物。
  • 腎臟的酸會流失，例如在患有高醛固酮症的情況下。醛固酮會增加鈉的重吸收，並刺激頂端NHE轉運蛋白，從而導致質子流失到小管腔中。
  • 當存在血容量不足並且必須提高血壓時，鈉的重吸收會增加，並且會排出更多的質子。
  • 低鉀血症也可能導致質子流失，因為質子作為淨效應來代替鉀以糾正低鉀血症。
• 身體反應：
  • 身體很少能減少CO_2的呼出，因為這會導致缺氧。

酸鹼紊亂的影響

• 酸中毒：
  • 抑制糖酵解並刺激糖異生，從而導致高血糖症。
  • 酸血癥本身沒有引起高鉀血，可以通過細胞釋放碳酸氫鹽和去極化作用以及抑制鈉/鉀ATP酶引起繼發性高鉀血。
  • 高鉀血會觸發心律不齊。
  • 酸中毒導致心臟血管的收縮，從而進一步阻礙傳導。
  • 周圍血管舒張，引起血壓下降。
  • 腦部血管舒張，引起顱內壓升高。
• 鹼中毒：
  • 通過刺激糖酵解和抑制糖異生作用來觸發低血糖症。
  • 更多鉀吸收到細胞中，可能導致低鉀血造成的，這反過來觸發心律不齊。
  • 鹼中毒降低了呼吸驅動，並增加了睡眠呼吸暫停的風險。
  • 緩衝蛋白釋放更多的質子，和結合代替鈣，引起手足搐搦。
  • 腦血管收縮，減少了腦血流量。

酸鹼紊亂的診斷

• 診斷的第一步是確定是否存在酸血癥或鹼血癥，這需要測量pH。
• pH大於7.4表示鹼血癥，小於7.4表示酸血癥。
• 第二步是確定pH值的變化是呼吸系統還是代謝系統引起的。
• 通過檢查血液中CO_2的分壓來做到這一點。
• 如果存在呼吸性酸血癥，預計CO_2分壓將高於正常值。
• 如果存在呼吸性鹼血癥，則CO_2分壓可能會降低。

血氣分析（Blood Gas Analysis）

• 用於研究酸鹼狀態。
• 通常使用動脈全血，因為它可以評估血液的氧合情況。
• 也可以使用毛細血管血。

測量pH和CO_2

• \pH值：\pH計確定，使用能斯特方程，可由離子濃度推斷出pH值。
• CO2分壓：由浸入在碳酸氫鹽溶液一種pH電極確定。CO2從樣品擴散到碳酸氫鹽溶液中，溶液會更改質子濃度，可以測量電勢。

阿斯特魯普方法（ASTRUP Method）

• 首先測量血液樣本的pH。
• 然後將血液樣本與CO_2分壓已知的兩種氣體混合物平衡（標記為樣品A和B）。
• 測量每次的pH。這將產生兩對CO_2分壓和pH值，可以在ASTROUP圖中繪製。
• 連接A和B，產生一條直線。然後可以繪製在實驗開始時測得的電流pH值。
• 可以從該點讀取樣品中的當前分壓。

標準碳酸氫鹽（Standard Bicarbonate）

• 將血液樣本用具有固定CO_2壓力的氣體混合物平衡至5.3千帕，然後測量pH。
• 由這個pH計算出標準碳酸氫鹽。
• 標準碳酸氫鹽可以排除呼吸效應對HCO_3^-值的影響，更準確地反映代謝變化。
• 該方法僅評估的是碳酸氫鹽的緩衝能力，而不評估其他緩衝材料例如血紅蛋白和白蛋白的影響。

鹼剩餘（Base Excess, BE）

• 要使一升血液在恆定的CO_2分壓40mmHg下恢復至pH \ 為7.4, 需要加入酸或鹼的量, 即碱基过剩。
• 正值表示代謝性鹼血癥，負值表示代謝性酸血癥。
• 標準值在正負2毫摩爾之間。

標準鹼剩餘（Standard Base Excess）

• 約有2/3的碳酸氫鹽會進入組織液裡，因此血紅蛋白相當於緩衝了原本血量三倍的質子量。
• 計算標準鹼剩餘，只使用了1/3的血紅蛋白濃度。
• 在臨床上，一般認爲血紅蛋白的臨床影響較小。

FUNCLINOST圖

• X軸為pH值，Y軸為CO_2分壓。
• 中間綠色區域為正常狀態，pH約為7.4，CO_2約為5.3kPa或40mmHg。
• 如果是一種慢性的呼吸紊亂，腎臟會開始代償，使pH在正常值中，CO_2仍然偏高和偏低。
• 針對呼吸紊亂進行的代償需要兩至三天。

混合障礙

• 人可能同時間患有呼吸和代謝系統疾病，需要同時治療。

診斷流程

1. 完整的臨床評估和詳細的病史。
2. 血氣分析：
   • 評估pH值（酸血癥或鹼血癥）。
   • 根據CO_2分壓確定是呼吸性還是非呼吸性疾病。
   • 評估代償機制。

案例分析

• 牛，食慾不振、腹脹，觸診瘤胃有聲。

  • 血氣檢查顯示動物患有鹼血癥。CO_2分壓在正常範圍上限，過量鹼顯著偏高，表明是沒有呼吸系統代償的急性代謝性鹼血癥。
  • 可能是瓣胃移位所導致。

• 馬，焦躁不安、啃咬腹部並呼吸困難。

  • pH值7.24表示酸血癥。 鹼基過剩非常負值，表明代謝紊亂。 CO_2的分壓也降低。代謝性哮喘病的呼吸代償

• 狗，發燒到41度。

  • pH非常低。 鹼基過剩在正常值內則CO_2也顯著升高證明了這支狗收縮呼吸性哮喘病。 但鹼超標如今是鹼性的，因為狗如今正在開始代謝性代償。 高傳染發燒將是肺炎支氣管喘息病的原因

• 牛乳牛。

  • 全部三名小牛如今都有酸中毒但小牛號碼15如今現有的呼吸代償但其他小牛如今完全沒有或可能已經共同擁有了混合性的呼吸代謝性哮喘病

陰離子間隙（AG）

• AG = ([Na^+] + [K^+]) - ([Cl^-] + [HCO_3^-])