DER SÄURE-BASEN-HAUSHALT

Dr. Petra Hobisch-Hagen, Abt. für Anästhesie, LKH Feldkirch
Martin Dünser, Klin. Abt. für Allgemeine und Chirurgische Intensivmedizin, Innsbruck
A.Univ.-Prof. Dr. Walter Hasibeder, Klin. Abt. für Allgemeine und Chirurgische Intensivmedizin, Innsbruck

GRUNDLAGEN

Allgemeines

Der pH-Wert ist definiert als der negativ dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration. In einer pH-neutralen Flüssigkeit, z.B. Wasser, beträgt der pH-Wert 7, die Wasserstoffionenkonzentration als 10^-7 mol/l.

Die Henderson-Hasselbalchgleichung wird zur Berechnung des Blut pH-Wertes herangezogen:

pH = pk + log(HCO₃^-/CO₂)

Aus der Henderson-Hasselbalchgleichung kann abgeleitet werden, dass der pH-Wert des Blutes maßgeblich vom Verhältnis HCO₃^- und CO₂ bestimmt wird. Der Bikarbonat/CO₂-Puffer ist der wichtigste extrazelluläre Puffer und macht 80% der extrazellulären Pufferkapazität aus.

Der intrazelluläre pH-Wert

Der intrazelluläre pH-Wert liegt zwischen 6,9 und 7,2. Er ist schwer direkt zu messen, steht aber physiologischerweise in konstantem Verhältnis zum extrazellulären pH-Wert. Die Zellen haben eigene intrazelluläre Puffersysteme, die Veränderungen des intrazellulären pH-Wertes bis zu einem bestimmten Grad ausgleichen können. Fallen vermehrt intrazellulär Säuren an, z.B. intrazelluläre Belastung mit CO₂, werden andere saure Stoffwechselprodukte (z.B. Pyruvat, Laktat, Zitrat, alpha-keto-Glutarat, Maleat, Glutamat, Aspartat) vermehrt nach extrazellulä oder in die Zellorganellen transportiert, um den pH-Wert des Zytosols konstant zu halten. Weiters hemmt die Anreicherung von Zellen mit nicht-volatilen Säuren die Glykolyse, erhöht somit u.a. die Konzentration von Glucose-6-Phosphat, welches intrazellulär als Puffersubstanz wirkt.
Im Gegensatz führt eine intrazelluläre Alkalose, kompensatorisch zur vermehrten Produktion nicht-volatiler saurer Metaboliten wie Pyruvat, Laktat und bestimmten Proteinen mit vorwiegend sauren Ladungen.

Säureproduktion, Transport und Exkretion im Organismus

Das Konzentrationsgleichgewicht saurer und basischer Metabolite ist durch die ständig im Stoffwechsel entstehenden nicht-volatilen oder metabolischen Säuren (40-80 mmol/24 h) und dem aus der oxidativen Verbrennung von Kohlehydraten und Fetten hervorgehende CO₂ (ca. 280-450 l/Tag) gefährdet. Wesentliche Abweichungen des extrazellulären und in weiterer Folge des intrazellulären pH-Wertes beeinträchtigen die Zellfunktion. Darum sorgen extrazelluläre Regulationssysteme, dass sich der pH-Wert im Körper nur wenig verändert.

Die drei wichtigsten Organe in der Regulation des extrazellulären pH-Wertes sind die Lunge, die Niere und die Leber.

Lunge

Die Hauptfunktion der Lunge besteht in der Abatmung der volatilen Säure CO₂. Fallen vermehrt Protonen im Zellstoffwechsel an, so werden diese durch HCO₃ neutralisiert. Dabei entsteht Kohlensäure (H₂CO₃). Die Kohlensäure bildet schließlich Wasser und CO₂. Letzteres wird über die Lunge abgeatmet. Die Atmung reagiert innerhalb weniger Minuten auf Veränderungen der extrazellulären Protonenkonzentration, da ein Abfall des pH-Wertes (über Chemorezeptoren im Bereich des Glomus Caroticum und des ZNS) die Atmung steigert und umgekehrt.

Niere

Die Niere reguliert die extrazelluläre Protonenkonzentration, indem sie Protonen direkt ausscheiden und HCO₃^- rückresorbieren kann.
Renal-tubuläre Mechanismen zur Protonenexkretion in den Urin umfassen:

* Exkretion mit Ammoniak (ca. 50 mval pro Tag)
* Exkretion mit Phosphat (ca. 20 mval pro Tag)
* direkte Exkretion von Protonen (ca. 0.1 mval pro Tag)

Bei metabolischen Azidosen kann die Nierenexkretion von Säuren um das 4-6fache gesteigert werden.

Leber

In der Leber wird aus HCO₃^- und NH₄⁺ Harnstoff synthetisiert, der mit dem Urin ausgeschieden wird. Eine Abnahme der Harnstoffsynthese führt folglich zu einer Einsparung von HCO₃^-. So wird bei Azidosen die Harnstoffsynthese gehemmt und bei Alkalosen gesteigert. Die Leber verstoffwechselt außerdem Protonen bei der Bildung von Glukose aus Laktat. Bei der Verstoffwechslung von 2 Laktationen werden unter Verbrauch von
2 H⁺ Ionen ein Molekül Glukose gebildet.

Puffersysteme

Die wichtigsten extrazellulären Puffersysteme sind das CO₂/HCO₃-System, Hämoglobin und die Plasmaproteine. Die wichtigsten intrazellulären Puffer sind Phosphatverbindungen und Proteine. Patienten mit Anämie, niedrigem Plasmaproteingehalt oder verminderter Muskelmasse haben eine reduzierte Pufferkapazität. Deshalb führen Säure-Basen-Störungen bei diesen Patienten oft zu ausgeprägten Veränderungen der Homöostase.
Jede Veränderung der Plasmaproteine (hauptsächlich Albumin) kann daher zu Veränderungen im Säure-Basen-Haushalt führen. Hypoproteinämie reduziert die Anzahl negativer Ladungen im Extrazellulärraum. Kompensatorisch, zur Erhaltung der Elektroneutralität, kommt es zur Erhöhung der Bikarbonatkonzentration im Plasma. Es kann daraus eine metabolische Alkalose resultieren. Eine Hyperproteinämie führt im Gegensatz zu einer vergrößerten Anionenlücke und einer metabolischen Azidose. Die Plasmaproteinkonzentration sollte daher zur Evaluierung des Säure-Basen-Haushaltes bekannt sein.

PH-Wert und Elektrolyte

PH-Änderungen führen zu Elektrolytverschiebungen zwischen extra- und intrazellulärem Raum. Ein erniedrigter pH-Wert hemmt die Na⁺/K⁺-Pumpe, die normalerweise Natrium nach extrazellulär und Kalium nach intrazellulär pumpt und erhöht damit die extrazelluläre Kaliumkonzentration.
Sinkt der pH-Wert um 0,1 Einheiten, so steigt das Serumkalium um ca. 0,6 mmol/l an. Im Gegensatz dazu kann eine Steigerung des pH-Wertes die Na⁺/K⁺-Pumpe nicht so stark antreiben. So sinkt das Serumkalium nur um 0,1-0,3 mmol/l ab, wenn der pH-Wert um 0,1 Einheiten steigt.
Diese Beeinflussung der Na⁺/K⁺-Pumpe und damit der extra- und intrazellulären Kaliumkonzentrationen gilt nur für metabolische Störungen und nicht für respiratorische Veränderungen des Säure-Basen-Haushaltes.

Die Serumchlorid- (Cl^-) und Bikarbonatkonzentrationen (HCO₃^-) verändern sich im Sinne der Elektroneutralität entgegengesetzt. Patienten mit metabolischer Alkalose haben oft abnorm erniedrigte Plasmachloridkonzentrationen und umgekehrt (hypochlorämische Alkalose; hyperchlorämische Azidose).
Bei der metabolischen Azidose kann das Chlorid normal oder erhöht sein. Findet man vermehrt ungemessene Anionen (negativ geladene Teilchen), z.B. Laktat, im Blut (erhöhter Anionengap), ist das Plasma Bikarbonat erniedrigt, das Plasmachlorid meist normal (es besteht durch die negativ geladenen Anionen bereits Elektroneutralität).
Ist der Anionengap allerdings normal, so wird die Reduktion des negativ geladenen Bikarbonats nicht durch saure Valenzen, wie Laktat, zur Erhaltung der Elektroneutralität ausgeglichen, sondern durch Erhöhung der Chloridkonzentration (hyperchlorämische Azidose).

STÖRUNGEN DES SÄURE-BASEN-HAUSHALTS

Respiratorische Störungen

Respiratorische Azidosen

Akut respiratorische Azidose

Chronische respiratorische Azidose

Ursachen

Respiratorische Azidosen beruhen prinzipiell auf einer verminderten Abatmung von CO₂, also einem ventilatorischen Versagen. Hierbei wird zwischen pulmonalen (Erkrankungen der Lunge oder der Lungengefäße) und extrapulmonalen Ursachen (Erkrankungen der Atemmuskulatur oder des zentralen Atemantriebs) unterschieden.

Kompensation

Akut führt ein Anstieg des CO₂ zu einer Erhöhung der Bikarbonatkonzentration. Das ist dadurch bedingt, dass CO₂ mit H₂O Kohlensäure bildet, welche schließlich zu HCO₃ und H⁺ dissoziert. Dieser Vorgang wird durch das Enzym Carboanhydrase in Erythrozyten um ein vielfaches beschleunigt. Ohne jede renale Kompensation muss also eine Erhöhung des CO₂ zu einer Erhöhung des HCO₃ führen. Bei akuten respiratorischen Azidosen kann ein HCO₃-Anstieg bis maximal 30-32 mmol/l beobachtet werden.
Chronisch führt ein Anstieg des CO₂ zu einer vermehrten Rückresorption von HCO₃ in der Niere. Das Limit der renalen Kompensation einer respiratorischen Azidose liegt bei ca. 45 mmol/l HCO₃.

Klinische Auswirkungen eines erhöhten CO₂

1. ZNS: Somnolenz, Ängstlichkeit, Verwirrtheit, Psychose, Tremor, Kopfschmerzen
2. Kardiovaskuläres System: Tachykardie, systemische Vasodilatation, pulmonale Vasokonstriktion (besonders bei Kindern), Rhythmusstörungen

Respiratorische Alkalosen

Akute respiratorische Alkalose

Chronische respiratorische Alkalose

Ursachen

Zu den wichtigsten Ursachen einer respiratorischen Alkalose zählen:

* Reaktion auf Hypoxämie (kompensatorische Hyperventilation)
* Fehleinstellung des Beatmungsgeräts

Hyperventilation im Rahmen von
* Stress, z.B. Schmerz
* Erkrankungen des Zentralnervensystems

* psychische Ursachen
* Pulmonalembolie und andere Lungenerkrankungen
* Leberzirrhose
* Schwere Anämie
* Schwangerschaft
* Sepsis

Kompensation

Akut führt ein Abfall des pCO₂ zu einer Erniedrigung der Bikarbonat-Konzentration. Das ist dadurch bedingt, dass sich HCO₃^- und H⁺ zu Kohlensäure verbinden. Kohlensäure wiederum zerfällt zu CO₂ und H₂O. Damit wird der Abfall des pCO₂ durch eine Reduktion des CO₂-Speichers Bikarbonat kompensiert.
Chronisch führt ein Abfall des pCO₂ zu einer verminderten renalen Protonenausscheidung, die weiters die Bikarbonatrückresorption aus dem Tubulus vermindert.

Klinische Auswirkungen eines erniedrigten CO₂:

1. ZNS: Konfusion, Schwindel, Krämpfe, Parästhesien
2. Herzkreislaufsystem: Tachykardie, Vasonkonstriktion (koronar, zerebral), Rhythmusstörungen
3. Muskulatur: Krämpfe, Karpopedalspasmen

Metabolische Störungen

Metabolische Azidosen

Metabolische Azidosen liegt eine erhöhte Säureproduktion (Additionsazidose) oder verminderte Bikarbonat-Konzentration (Subtraktionsazidose) zugrunde.

Das Konzept des Anionengaps

In allen Körperflüssigkeiten herrscht Elektroneutralität, d.h. die Anzahl positiver und negativer Ladungen muss immer gleich groß sein. Der Anionengap zeigt die Konzentration normalerweise nicht laborchemisch gemessener negativ geladener Teilchen im Blut an.

Bei exzessiver Produktion nicht-volatiler Säuren steigt der Anionengap. Bei Azidosen durch Bikarbonatverluste bleibt der Anionengap unverändert.

Einschränkungen des Anionengaps

Der AG hat zahlreiche Einschränkungen, die bei klinischen Interpretationen berücksichtigt werden müssen. Zum Beispiel fand sich in einer Untersuchung nur bei 40% aller Patienten mit z.T. schwerer Laktatazidose ein erhöhter AG (niedrige Sensitivität des AG). Hingegen war bei den Patienten mit erhöhtem AG in ca. 90% der Fälle eine Laktatazidose zu finden (gute Spezifität des AG).
Luftbläschen in Blutproben führen zu einer Verflüchtigung und damit Abnahme des Plasma-HCO₃. Nach ca. 2 Stunden steigt der Anionengap signifikant an. Eine Hyperchloridämie kann, technisch bedingt, durch eine Hypertriglycerinämie vorgetäuscht werden. Eine Hypertriglycerinämie > 1000 mg% verfälscht die Serumchloridbestimmung bis zu 90 mmol/l! In dieser Situation findet sich ebenfalls ein falsch erniedrigter AG. Überheparinisierung von Blutabnahmespritzen und Röhrchen führt zu einem falsch erhöhten AG.
Aufgrund der Beeinflussbarkeit des AG und seiner niedrigen Sensitivität, darf der Kliniker bei fehlendem AG das Vorhandensein einer AG-Azidose nicht von vornherein ausschließen.

Anionengap-Azidosen

Laktatazidosen

Laktatazidosen können in Typ A und Typ B Azidosen unterteilt werden.
Die Laktatazidose Typ A beruht häufig auf einer Sauerstoffmangelversorgung der Gewebe. Die Azidose bzw. der pH-Anfall im Blut entsteht eigentlich durch gesteigerte Hydrolyse von Adenosintriphosphat. Dabei entstehen Adenosindiphosphat und Protonen. Laktatanionen per se führen zu keiner Azidose. Laktatsalze werden Infusions- oder Hämofiltrationslösungen als physiologische Puffersubstanzen zugesetzt.
Milde Azidose mit zum Teil beträchtlichen Plasmalaktatanstiegen können als Nebenwirkung einer Therapie mit Adrenalin oder anderer ß2-stimulierender Katecholamine beobachtet werden. Es wird angenommen, dass ß2-Agonisten ab bestimmten Plasmakonzentrationen massiv die Glykolyse im Skelettmuskel antreiben. Das dabei im Übermaß gebildete Pyruvat kann nur teilweise aerob verstoffwechselt werden. Ein Teil wird in Laktat umgewandelt, verlässt die Muskelzelle und kann im Plasma bestimmt werden.
Laktatazidosen vom Typ B gehen ohne eindeutige klinische Zeichen der Gewebehypoperfusion einher. Sie beruhen oft auf schweren Leberfunktionsstörungen mit vermindertem Laktatabbau oder können medikamentös ausgelöst werden.

Für den Kliniker wesentlich ist die Tatsache, dass die Blutlaktatkonzentration offensichtlich unabhängig vom Vorhandensein einer Azidose gut mit der Mortalität der Patienten korreliert. In einer frühen Untersuchung konnte Iberti bei 56 Intensivpatienten zeigen, dass die Höhe der Blutlaktatkonzentration direkt mit der Mortalität korreliert. Patienten mit Laktatkonzentrationen von 2.5 - 4.9 mmol/l zeigten eine Mortalität von 36%. Laktatwerte von 5 - 9.9 mmol/l waren mit einer Mortalität von 75% und Laktatkonzentrationen über 10 mmol/l mit 100% Mortalität assoziiert. Obwohl diese Absolutwerte heute bestimmt nicht mehr dieselbe Gewichtung haben, bleibt die Tatsache bestehen, dass hohe Laktatkonzentrationen unabhängig vom Grad der begleitenden Azidose mit einem schlechten Outcome verbunden sind.

Ketoazidosen

Ketoazidosen entstehen bei vermehrtem Anfall von Ketonkörper im Blut. Eine stark erhöhte Lipolyse und ein vermehrter Anfall freier Fettsäuren und Ketonkörper findet man bei absolutem Insulinmangel (diabetische Ketoazidose, Insulin hemmt normalerweise die Lipolyse) oder bei großem Stress (hohe Katecholamin-Spiegel). Eine hohe exogene Fettzufuhr kann ebenso zu unvollständiger Fettverbrennung und Bildung von Ketonkörpern führen.
Die am häufigsten entstehenden Ketonkörper sind ß-Hydroxybuttersäure, Acetoacetat und Azetobuttersäure.

Diabetische Ketoazidose

Auftreten vor allem bei insulinpflichtigen Diabetikern.
Symptome: Polydypsie, Polyurie, Polyphagie, Hyperventilation, Azetongeruch der Ausatemluft, Vigilanzstörungen
Labor: Leukozytose, erhöhte Serumosmolarität und osmolaler Gap. Serumkalium häufig erhöht bei gleichzeitig vermindertem Gesamtkörperkaliumbestand (Auswirkungen der Azidose s.o.). Blutglukosekonzentration meist
> 300 mg%, erhöhte Serum- und Urinketonkörperkonzentrationen, pH des Blutes < 7,3.
Bei den nachweisbaren Ketonkörpern handelt es sich meist um ß-Hydroxybuttersäure und Azetoacetat in einem Verhältnis von 3:1 bis 4:1.

Alkoholische Ketoazidose

Der typische Patient ist mangelernährt und chronischer Alkoholiker. Meistens geht der Entstehung der alkoholischen Ketoazidose eine Nahrungskarenz von 24-36 Stunden voraus. Oft findet sich vor der Nahrungskarenz eine übermäßige Alkoholeinnahme.
Symptome: Bauchschmerzen, Dehydratation, veränderter zerebraler Status
Labor: AG-Azidose aufgrund erhöhter ß-Hydroxybuttersäure, normale oder erniedrigte Serumglukose, selten Serumglukosewerte > 250 mg%.

Ketoazidose nach langem Fasten

Durch verminderte Kohlehydratzufuhr kann bei langem Fasten eine Ketoazidose entstehen. Da das Gehirn, die Erythrozyten und das Nierenmark nur Kohlehydrate und Ketonkörper zur Energiegewinnung verwenden können, kommt es bei langem Fasten zur übermäßigen Bildung von Ketonkörper durch gesteigerte Lipolyse.

Pseudoketose

Vergiftungen mit Essigsäure und Chloressigsäure können den Ketontest positiv machen und so fälschlicherweise eine Ketoazidose vortäuschen.

Urämische Azidose

Nach Abfall des Glomerulumfiltrats < 40 ml/min entwickeln Patienten häufig eine zunehmende metabolische Azidose durch Retention von nicht-volatilen metabolischen Säuren.

Methanolvergiftung

Allgemeines: Letale Dosis ca. 30 ml Methanol. Spitzenblutspiegel nach 30 bis 60 Minuten. Latenzzeit bis zum Beginn der Symptomatik: ca. 12 - 24 Stunden.
Die Azidose bei Methanolvergiftung entsteht durch Umwandlung von Methanol in Ameisensäure.
Symptome: Sehstörungen ("Wolken, Nebel, helle Punkte") bis hin zu Blindheit; Übelkeit, Erbrechen, Schwäche, Bauchkrämpfe, Kopfschmerzen, Schwindel, Bewußtseinstrübung bis tiefes Koma.
Augenhintergrund: Hyperämie der Papilla N. optici, verminderte Lichtreaktion der Pupillen.
Labor: AG-Azidose, erhöhter osmolaler Gap

Äthylenglykolvergiftung

Allgemeines: Vorkommen in Antigefriermitteln, Bremsflüssigkeit, Lösungsmitteln, Farbverdünnungsmitteln.
Letale Dosis: 1 bis 1.5 mg/kg KG, Spitzenblutspiegel 1 - 4 Stunden nach Einnahme. Latenzzeit bis zum Beginn der Symptomatik: ca. 4 - 12 Stunden.
Die toxischen Effekte beruhen auf Glykolaldehyden, Glykolsäure und Oxa