Κώστας Μαυροματίδης
Διευθυντής Νεφρολογικού Τμήματος Κομοτινής
1. Εισαγωγή
Η οξεοβασική ισορροπία αποτελεί το σύνολο των διαδικασιών που ευθύνονται για τη διατήρηση της οξύτητας των υγρών του σώματος σε σταθερά επίπεδα, παρά το πολύ μεγάλο φορτίο οξέων αλλά και βάσεων που παράγονται κατά τον μεταβολισμό των κυττάρων ή που προσλαμβάνονται καθημερινά με τις τροφές. Η εντυπωσιακή σταθερότητα της οξύτητας του αίματος είναι αποτέλεσμα λειτουργίας τριών διαφορετικών προστατευτικών μηχανισμών : α) Των ρυθμιστικών διαλυμάτων ή συστημάτων του οργανισμού (ενδο- και εξωκυττάριων), β) της αναπνευστικής ρύθμισης της μερικής πίεσης του CO2, που πετυχαίνεται με την απομάκρυνση του CO2 διαμέσου των πνευμόνων και γ) της νεφρικής επαναρρόφησης ή απέκκρισης της διττανθρακικής ρίζας (HCO3-) και της νεφρικής απέκκρισης οξέων (τιτλοποιήσιμη οξύτητα) και αμμωνίου.
Τα οξέα του οργανισμού διακρίνονται σε πτητικά (ανθρακικό οξύ), που παράγονται κατά την οξείδωση του άνθρακα των υδατανθράκων (γλυκόζης) σύμφωνα με την αντίδραση : C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O και των λιπών και σε μη πτητικά, που παράγονται κυρίως κατά την οξείδωση αμινοξέων, την υδρόλυση νουκλεϊνικών οξέων και λιπών, κατά τον αερόβιο μεταβολισμό των υδατανθράκων, των νουκλεοπρωτεϊνών και κατά τη β-οξείδωση των λιπών. Γεγονός λοιπόν είναι ότι οι σημαντικότερες ποσότητες πτητικών οξέων παράγονται από το μεταβολισμό των τροφών (εξωγενής προέλευση).
Το σύμβολο Η+ αναφέρεται στην πυκνότητα των ιόντων υδρογόνου σε Moles/L ή ισοδύναμα/L (Eq/L). Η ποσότητα των ιόντων αυτών στο αίμα, σε φυσιολογικές καταστάσεις είναι απειροελάχιστη και κυμαίνεται από 0,000016-0,00016 mEq/L ή 16-160 nEq/L. Επειδή όμως οι αριθμοί αυτοί ήταν πολύ δύσκολο να χρησιμοποιηθούν στην κλινική πράξη και επειδή δεν ήταν δυνατό να μετρηθεί η συγκέντρωση των Η+ στο αίμα, χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Sorensen ο όρος του pH, που προέρχεται από το Γαλλικό όρο puissance hydrogen, ο οποίος σημαίνει "ισχύς υδρογόνου". Αυτό παριστάνει τον αρνητικό δεκαδικό λογάριθμο της πυκνότητας των Η+, η οποία έχει εκφραστεί σε γραμμομόρια ανά λίτρο (mMol/L ή mEq/L) και δίδεται από την εξίσωση Henderson-Hasselbalch : pH=pk+log HCO3-/0,03xPaCO2.
Για συγκεντρώσεις Η+ στο αίμα που είναι συμβατές με τη ζωή (0,000016-0,000160 ή 16-160 nEq/L), το αντίστοιχο pH κυμαίνεται από 6,80-7,80. Τα φυσιολογικά επίπεδα των Η+ κυμαίνονται από 36-44 nEq/L (διακύμανση pH από 7,36-7,44).
Η σημασία του pH είναι πολύ σημαντική αφού η δραστηριότητα των χιλιάδων ενδοκυττάριων ενζύμων και άλλες φυσιολογικές λειτουργίες του οργανισμού εξαρτώνται σε κάποιο βαθμό από τα επίπεδά του. Επίσης η συσταλτικότητα του μυοκαρδίου ποικίλλει και εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τις μεταβολές του εξωκυττάριου pH. Στο πλάσμα η πυκνότητα των Η+ επιδρά στην κατανομή και κατάσταση ιονισμού των ηλεκτρολυτών, όπως του Κ+ και του Ca++, η δε μεταβολή της συγκέντρωσής τους, μπορεί να προκαλέσει σοβαρές ηλεκτρολυτικές διαταραχές.
2. Αέρια αίματος και οξεοβασικές παράμετροι
Αίμα από οποιοδήποτε μέρος του σώματος (αρτηριακό ή φλεβικό) περιέχει κάποια ποσότητα Ο2. Το ποσοστό σύνδεσης της αιμοσφαιρίνης με το Ο2 ονομάζεται κορεσμός οξυγόνου. Στους πνεύμονες με μερική πίεση O2 (PaO2)=100 mmHg, μερική πίεση CO2 (PaCO2)=40 mmHg, pH=7,40 και θ=37 οC, περίπου 19,5 ml O2 μπορούν να μεταφερθούν από την Ηb/100 ml αίματος, οπότε στην περίπτωση αυτή ο κορεσμός της αιμοσφαιρίνης είναι ίσος με 97,5% (διότι κορεσμός 100% σημαίνει μεταφορά 20,1 ml/100 ml).
Το ολικό CO2 παριστάνει το CO2 του αίματος κάθε μορφής (διαλελυμένο στο πλάσμα, αυτό που προέρχεται από τις ρίζες των HCO3-και αυτό που προέρχεται από το ανθρακικό οξύ), δηλαδή : Ολικό CO2=HCO3- + διαλελυμένοCO2 + H2CO3. Φυσιολογικά τα 19/20 του ολικού CO2 του πλάσματος προέρχονται από τα HCO3-, γι' αυτό και ο προσδιορισμός του ολικού CO2 του πλάσματος παρέχει κατά προσέγγιση την τιμή των HCO2-. Η φυσιολογική τιμή της μερικής πίεσης του CO2 ισούται με : PaCO2=40 mmHg.
Ρυθμιστική βάση είναι το σύνολο των ανιόντων του αίματος, τα οποία προσφέρονται για εξουδετέρωση των οξέων. Αυτά είναι κυρίως τα διττανθρακικά (~50% του συνόλου της ρυθμιστικής βάσης) και η αιμοσφαιρίνη (~30% του συνόλου της ρυθμιστικής βάσης και συνιστά τα 3/4 του ρυθμιστικού συστήματος που δεν στηρίζεται στη διττανθρακική ρίζα). Το υπόλοιπο ποσοστό της ρυθμιστικής βάσης καλύπτεται από τα φωσφορικά και τις πρωτεΐνες του ορού. Όλα τα ανιόντα εκτός από τα HCO3-, χαρακτηρίζονται με το σύμβολο Buf-. Άρα ρυθμιστική βάση = [HCO3-] + [Buf-].
Ο όρος περίσσεια βάσης (base excess) υποδηλώνει την περίσσεια των ανιόντων που υπάρχουν στο αίμα και τα οποία μπορούν να εξουδετερώσουν τα οξέα του. Φυσιολογικά η περίσσεια βάσης κυμαίνεται από -2,5 έως +2,5. Αν η περίσσεια βάσης έχει θετική τιμή σημαίνει ότι στο διάλυμα υπάρχουν περισσότερες βάσεις απ' αυτές που θα έπρεπε φυσιολογικά.
Μια μεταβολική παράμετρος που προτάθηκε από παλιά για την εκτίμηση των οξεοβασικών διαταραχών ήταν και η τυποποιημένη συγκέντρωση διττανθρακικών ή standard bicarbonate. Το μέγεθος αυτό είναι θεωρητικό και αντιστοιχεί στην τιμή της συγκέντρωσης των HCO3- στο δεδομένο pH του αίματος, όταν η PaCO2=40 mmHg και το αίμα είναι πλήρως οξυγονωμένο. Αύξηση των τυποποιημένων διττανθρακικών σημαίνει μεταβολική αλκάλωση και μείωση μεταβολική οξέωση. Η διαφορά μεταξύ των τυποποιημένων διττανθρακικών και της συγκέντρωσης διττανθρακικών του αίματος σημαίνει αναπνευστική αλκάλωση ή οξέωση.
Τελικά η οξεοβασική ισορροπία του αίματος καθορίζεται από το pH, το οποίο παριστάνει τη σχέση που υπάρχει μεταξύ της συγκέντρωσης των Η+, της PaCO2 (σε mmHg) και της συγκέντρωσης των HCO3- (σε mEq/L) στο αίμα. Δηλαδή η φυσιολογική πυκνότητα των HCO3- ή της PaCO2 δε σημαίνει απαραίτητα ότι είναι φυσιολογική και η τιμή του pH και αντίθετα, η φυσιολογική τιμή του pH δεν είναι ενδεικτική φυσιολογικής πυκνότητας HCO3- ή PaCO2. Με άλλα λόγια το pH δεν εξαρτάται από την απόλυτη συγκέντρωση του H2CO3, αλλά αποκλειστικά και μόνο από τη διατήρηση σταθερής της αναλογίας HCO3-/H2CO3.
3. Καταλληλότητα δειγμάτων αίματος για εκτίμηση παραμέτρων της οξεοβασικής ισορροπίας
Για να εκτιμηθεί μία διαταραχή της οξεοβασικής ισορροπίας πρέπει να προσδιοριστεί το pH, η PaCO2 ή η συγκέντρωση των HCO3- του αίματος. Για μία πλήρη εκτίμηση είναι απαραίτητες δύο από τις παραπάνω παραμέτρους, οπότε από την εξίσωση των Henderson-Hasselbalch μπορεί να προσδιοριστεί και η τρίτη. Παράγοντες που παίζουν ρόλο στη σωστή εκτίμηση των οξεοβασικών παραμέτρων είναι το είδος του αντιπηκτικού που χρησιμοποιείται για τη λήψη του δείγματος (κατάλληλα είναι τα άλατα ηπαρίνης με νάτριο ή λίθιο), η ποσότητα ηπαρίνης που περιέχει η σύριγγα αιμοληψίας (είναι αρκετή η διαβροχή των τοιχωμάτων της με ηπαρίνη), η ποσότητα του αίματος που λαμβάνεται σαν δείγμα (όχι μεγαλύτερη από 1 ml), η συντήρηση του δείγματος όταν ο προσδιορισμός των παραμέτρων δε μπορεί να γίνει άμεσα (δεν απαιτείται συντήρηση όταν αυτός γίνει μέσα σε 15 min, ενώ η συντήρηση στους 2-4 oC επιτρέπει τον προσδιορισμό τους και μετά από 3,5-4 ώρες). Επίσης δεν επιτρέπεται η παραμονή φυσαλίδων αέρα μέσα στο προς εκτίμηση δείγμα αίματος, ούτε και η δυνατότητα επικοινωνίας του με τον ατμοσφαιρικό αέρα, ενώ η παρουσία μικροπηγμάτων δημιουργεί συνθήκες λαθεμένης εκτίμησης κατά τον προσδιορισμό των οξεοβασικών παραμέτρων.
4. Ρυθμιστικά συστήματα
Η άμεση εξουδετέρωση ποσότητας οξέος ή βάσεως που προστίθεται στον οργανισμό γίνεται με τα ρυθμιστικά διαλύματα ή συστήματα, τα οποία αρχίζουν τη δράση τους μέσα σε κλάσματα του δευτερολέπτου, με σκοπό να εμποδίσουν την εμφάνιση σημαντικών μεταβολών στη συγκέντρωση των Η+. Τελικά τα ρυθμιστικά συστήματα έχουν σα στόχο τους να περιορίσουν τις μεταβολές του pH, οι οποίες προκαλούνται από την προσθήκη οξέος ή βάσεως στο χώρο που βρίσκονται. Είναι διαλύματα, που αποτελούνται από δύο ή περισσότερες χημικές ενώσεις. Συνήθως είναι ασθενή οξέα με τα άλατά τους με μία ισχυρή βάση σε ιονισμένη μορφή. Τα ανιόντα των ασθενών αυτών οξέων συνδέονται ελεύθερα με Η+, τα οποία κατά τον τρόπο αυτό εξουδετερώνονται από την κυκλοφορία. Τα ισχυρά οξέα, όπως το HCI δεν είναι δυνατό να λειτουργήσουν σα ρυθμιστικά διαλύματα, αφού στο pH των υγρών του σώματος, βρίσκονται σχεδόν πλήρως στην ιονισμένη τους μορφή και δεν μπορούν να συνδεθούν με Η+. Η πολύ μεγάλη αποτελεσματικότητα των ρυθμιστικών συστημάτων φαίνεται από το γεγονός ότι η διαφορά του pH μεταξύ φλεβικού αίματος, που πηγαίνει προς τους πνεύμονες και αρτηριακού αίματος που εγκαταλείπει τους πνεύμονες, σπάνια ξεπερνά τα 0,04 της μονάδας.
Τα ρυθμιστικά συστήματα του οργανισμού μας είναι : α) Του ανθρακικού οξέος (NaHCO3/H2CO3), το οποίο αποτελεί την κύρια μορφή εφεδρείας βάσης του εξωκυττάριου χώρου που διατίθεται σε πολύ μεγάλες ποσότητες στον οργανισμό και το τελικό του προϊόν αποτελεί το διοξείδιο του άνθρακα, που απομακρύνεται εύκολα από τον οργανισμό δια των πνευμόνων, β) των φωσφορικών (NaH2PO4/Na2HPO4) που απαντά ενδοκυττάρια, αλλά και στα νεφρικά σωληνάρια (είναι υπεύθυνο για την απομάκρυνση της τιτλοποιήσιμης οξύτητας), γ) των ερυθροκυττάρων (απαντά μέσα στα ερυθρά αιμοσφαίρια και αποτελεί πολύ σημαντικό ρυθμιστικό σύστημα αφού εκτός από την εξουδετέρωση του πλεονάζοντος ιόντος το μεταφέρει στους πνεύμονες για την τελική του απομάκρυνση), δ) των οστών (που υπάρχει σε πολύ μεγάλες ποσότητες) και ε) των πρωτεϊνών.
5. Απομάκρυνση οξέων από τον οργανισμό
Η αναπνευστική ρύθμιση οξεοβασικής ισορροπίας περιλαμβάνει την απομάκρυνση του CO2 δια των πνευμόνων, το οποίο αποτελεί το κύριο τελικό προϊόν του οξειδωτικού μεταβολισμού. Η ρύθμιση αυτής της αποβολής αποτελεί ένα αποτελεσματικό και γρήγορο μέσο διατήρησης της οξεοβασικής ισορροπίας, άσχετα από τη συνολική ποσότητα H+ που υπάρχει.
Ο κύριος φυσιολογικός διεγέρτης της αναπνοής είναι η αύξηση της PaCO2, διαμέσου κεντρικών και περιφερειακών χημειοϋποδοχέων του αναπνευστικού κέντρου και η μείωση της PaO2 (υποξαιμία), διαμέσου περιφερικών χημειοϋποδοχέων, που είναι τα καρωτιδικά σωμάτια. Ο κυψελιδικός αερισμός επίσης επηρεάζεται από μεταβολικές διαταραχές της οξεοβασικής ισορροπίας, διαμέσου περιφερειακών και κεντρικών χημειοϋποδοχέων.
Δια των πνευμόνων αποβάλλονται καθημερινά 16000-22000 mmol CO2 από τη συνολική ποσότητα που παράγεται καθημερινά, έτσι ώστε να διατηρούνται τα επίπεδα της PaCO2 γύρω στα 40 mmHg. Το αναπνευστικό κέντρο και τα καρωτιδικά σωμάτια εποπτεύουν την αναπνοή, διότι αυτά όντας ευαίσθητα στις μεταβολές του pH και της μερικής πίεση του CO2 του εξωκυττάριου χώρου, μπορούν και τροποποιούν τις λειτουργίες της αναπνοής, σύμφωνα με τις εκάστοτε ανάγκες του οργανισμού.
Η νεφρική ρύθμιση της οξεοβασικής ισορροπίας περιλαμβάνει την επαναρρόφηση των HCO3- [αυτών που διηθούνται (περίπου 4500 mEq/24ωρο) και αυτών που παράγονται τοπικά (~70 mEq/ημέρα)] και την έκκριση οξέων υπό τη μορφή αμμωνίας ή τιτλοποιήσιμης οξύτητας. Ποικίλοι παράγοντες επιδρούν στα εγγύς σωληνάρια και επηρεάζουν την επαναρρόφηση των HCO3-, όπως : α) Η ποσότητά τους που διηθείται, β) το ενδοκυττάριο pH, γ) ο εξωκυττάριος όγκος υγρών, δ) η PaCO2, ε) η συγκέντρωση των CI- στο πλάσμα και στ) διάφορες ορμόνες.
Τιτλοποιήσιμη οξύτητα αποτελεί την ποσότητα των Η+ που υπάρχει στα ούρα σε συνδυασμό με βασικά ρυθμιστικά διαλύματα που διηθούνται σ' αυτά, εκτός από την αμμωνία. Τα φωσφορικά αποτελούν σε φυσιολογικές καταστάσεις το κύριο ρυθμιστικό διάλυμα δια του οποίου αποβάλλεται τιτλοποιήσιμη οξύτητα. Στο φυσιολογικό pH του πρόουρου, η ποσότητα των φωσφορικών που διηθείται, βρίσκεται υπό την μορφή του Na2HPO4, όσο δε τα ούρα γίνονται πιο όξινα (από την έκκριση των Η+ στον αυλό των σωληναρίων), το μονόξινο αυτό άλας μετατρέπεται σε δισόξινο (NaH2PO4), που αποτελεί το κυρίως μόριο της τιτλοποιήσιμης οξύτητας. Όταν επιτευχθεί το κατώτερο pH των ούρων (περίπου 4,4), όλα τα μόρια του Na2HPO4 μετατρέπονται σε NaH2PO4, οπότε η επιπλέον προσθήκη ακόμη και μικρής ποσότητας ιόντων υδρογόνου, οδηγεί σε γρήγορη μείωση του pH.
Η αμμωνία συντίθεται από όλα τα τμήματα των σωληναρίων, κυρίως όμως από τα επιθηλιακά κύτταρα των εγγύς εσπειραμένων, όπου το ένζυμο γλουταμινάση Ι βρίσκεται σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις, αν και αυτή βρέθηκε επίσης σε αυξημένες συγκεντρώσεις και στα άπω εσπειραμένα σωληνάρια. Φυσιολογικά εκκρίνονται στα ούρα 30-50 mEq αμμωνίας/24ωρο. Όμως σε σημαντικού βαθμού οξέωση, η ποσότητα αυτή δεκαπλασιάζεται (περίπου 500 mEq/ημέρα), χωρίς να μεταβάλλεται το pH των ούρων. Παρατηρήθηκε δηλαδή ότι σε οξέωση εκτός από την αύξηση της τιτλοποιήσιμης οξύτητας, υπάρχει και αύξηση της αποβολής αμμωνίου (ΝΗ4+), γεγονός που δείχνει ότι η ΝΗ3 πρέπει να αποτελεί τον αποδέκτη της πρόσθετης ποσότητας Η+.
Το pH των ούρων, η ποσότητα της γλουταμίνης που είναι διαθέσιμη για μεταβολισμό, η χρονιότητα της οξέωσης, η σχέση μεταξύ περισωληναριακής ροής αίματος και σωληναριακού υγρού (πρόουρου), η μάζα των σωληναριακών κυττάρων που ευθύνονται για την παραγωγή NH3 και η ποσότητα του Na+ που προσφέρεται για επαναρρόφηση στα σωληνάρια, επηρεάζουν την έκκριση της αμμωνίας, η οποία παράγεται μέσα στα σωληναριακά κύτταρα. Σε φυσιολογικές καταστάσεις αλλά και σε μεταβολική οξέωση, υπάρχει αντίστροφη σχέση μεταξύ pH ούρων και συνολικής ποσότητας αμμωνίου και αμμωνίας που εκκρίνονται στα ούρα. Όσο πιο όξινα είναι τα ούρα, τόσο πιο μεγάλη ποσότητα αμμωνίας υπάρχει σε ιονισμένη μορφή.
Η νεφρική παραγωγή αμμωνίας δεν ρυθμίζεται μόνο από τις μεταβολές των παραμέτρων της οξεοβασικής ισορροπίας, αλλά και από τις οξείες ή χρόνιες αιτίες αύξησης των επιπέδων του K+ του οργανισμού. Έτσι η υπερκαλιαιμία αναστέλλει τη νεφρική παραγωγή αμμωνίας από την γλουταμίνη, ενώ αντίθετα υποκαλιαιμία δεν επηρεάζει την παραγωγή αμμωνίας από τους νεφρούς.
