Понимание механизма буферизации метаболического ацидоза при критических заболеваниях

UNDERSTANDING THE DISEASE
Lorenzo Giosa, Luigi Camporota and Thomas Langer
Understanding buffering of metabolic acidosis in critical illness
Intensive Care Med.2024 https://doi.org/10.1007/s00134-024-07656-5

Метаболический ацидоз можно определить как снижение избытка оснований во внеклеточной жидкости (ECF), или стандартного избытка оснований (SBE) [1]. Он часто встречается при критических состояниях, возникающих при сепсисе, остром почечном повреждении (AKI) и инфузионной терапии с использованием физраствора [2]. Поскольку для полной компенсации дыхательной и почечной функций требуется несколько часов/дней [3, 4], степень, в которой метаболический ацидоз первоначально приводит к ацидемии (снижению pH плазмы), зависит главным образом от внутренней способности организма буферизировать кислотную нагрузку. Это называется буферной способностью (β) [5], понятие, первоначально введенное Van Slyke [6], а затем развитое Siggaard-Andersen с использованием SBE в качестве косвенного показателя нелетучей кислотной нагрузки: β = ΔSBE/ΔpH [4]. Здесь мы сосредоточимся на изменчивости β при критических состояниях [7], показав, что для снижения pH у одних пациентов требуются значительные изменения SBE, в то время как у других незначительное снижение SBE может спровоцировать тяжелую ацидемию.

Теория

Буферизация острого метаболического ацидоза происходит в основном во внеклеточной жидкости (плазме, эритроцитах и интерстициальной жидкости [4]) с помощью карбоновых и некарбоновых буферов [8]. Первая группа представлена бикарбонатом (HCO3-), вторая - гемоглобином (Hb), альбумином (Alb) [9], неорганическим фосфатом (Pi) и 2,3-бисфосфоглицератом (2,3-DPG) [4]. Сила каждого буфера зависит от его концентрации и, для некарбоновых буферов, от его константы диссоциации (pK) по отношению к pH его сегмента (чем ближе pH к pK, тем сильнее буферная сила) [4].

В клинических условиях вклад Pi и 2,3-DPG, а также влияние pK и pH на буферную способность можно не учитывать как количественно ограниченный. Соответственно, ECF’s β можно оценить по HCO3-[10], Hb и Alb [4, 11] как:

Уравнение 1

Β _mMol/L= 2.3 · [HCO⁻₃] _mMol/L+ 1.43 ·[Hb] _g/dL: 3 + 0.17 ··[ALb] _g/dL

У нормальных людей (HCO3- = 24 ммоль/л, Hb = 15 г/дл, Alb = 45 г/л) β составляет ~ 70 ммоль/л (~ 80% от бикарбоната) [4, 11, 12], что означает, что для снижения pH на 1 единицу (например, с 7,8 до 6,8) в 1 л ECF необходимо добавить ~ 70 ммоль нелетучей кислоты при условии, что парциальное давление углекислого газа (PCO₂) остается неизменным. Пациенты с более низкими концентрациями HCO3-, Hb и/или Alb наоборот, менее защищены от острого метаболического ацидоза.

Значимость β при критических заболеваниях

Чтобы изучить клиническую значимость β, мы смоделировали трех пациентов с разным анамнезом, у которых развилось одно и то же острое состояние - пневмония с последующим метаболическим ацидозом (Fig. 1). Первый пациент страдает хронической обструктивной легочная болезнь (COPD) со стабильной гипоксемией и компенсированной гиперкапнией; у второго - хроническая болезнь почек (CKD) с компенсированным хроническим метаболическим ацидозом; у третьего пациента - острый миелоидный лейкоз (AML).

Влияние заболевания на буферную мощность

В стабильных условиях, вследствие хронической гиперкапнии и гипоксемии, у пациента с COPD наблюдается высокий уровень HCO3- (32,4 мМоль/л) и Hb (17 г/дл) при нормальном уровне Alb (45 г/л), что приводит к более высокому исходному уровню β: ~ 90 мМоль/л. И наоборот, у пациента с CKD низкий уровень HCO3- (18,9 мМоль/л), компенсируемый хронической гипервентиляцией. Кроме того, Hb и Alb ниже нормы (10 г/дл и 30 г/л, соответственно), что приводит к снижению исходного уровня β: ~ 53 мМоль/л. У пациента с AML нормальный уровень HCO3- (24,3 мМоль/л), но тяжелая анемия (Hb = 6 г/дл) и гипоальбуминемия (Alb = 20 г/л), что приводит к умеренно сниженному исходному уровню β: ~ 62 мМоль/л. У всех пациентов до развития острого заболевания рН находился в пределах нормы (Fig. 1).

Влияние пневмонии на буферную мощность

У всех пациентов развивается пневмония, и они поступают в отделение неотложной помощи (ED). У пациента с COPD ухудшается гиперкапния и респираторный ацидоз с резким повышением HCO3- (34,4 мМоль/л), увеличивающим β до ~ 95 мМоль/л. У пациента с CKD с нормальной функцией легких пневмония приводит к гипервентиляции с респираторным алкалозом: снижение HCO3- (18,2 мМоль/л) уменьшает β до ~ 51 мМоль/л, что почти вдвое меньше, чем у пациента с COPD. Пациент с AML отвечает аналогичной гипервентиляцией и респираторным алкалозом: снижение HCO3- (23,8 мЭкв/л) уменьшает β до ~ 60 мМоль/л. Примечательно, что SBE не изменяется по сравнению с исходным уровнем у всех пациентов, поскольку острое нарушение кислотно-основного состояния пока имеет респираторное происхождение [13] (Fig. 1).

Влияние метаболического ацидоза на ацидемию

Все пациенты поступают в ОРИТ после развития острого метаболического ацидоза со снижением SBE на ~ 12 ммоль/л [14]. Однако из-за различий в β одно и то же снижение SBE приводит к снижению рН в два раза больше у пациента с ЦП по сравнению с ХОБЛ (0,3 против 0,15 единиц рН). У пациента с АМЛ снижение рН является промежуточным (0,25 ед.), так как β несколько выше, чем у пациента с ЦП, но ниже, чем у пациента с ХОБЛ (рис. 1). Обратите внимание, что для оценки изолированного влияния метаболического ацидоза на рН предполагается, что PCO₂ остается постоянным во время этого острого события [3].

Клинические последствия

Защита от метаболического ацидоза зависит от буферной мощности, респираторной и почечной компенсации. Однако, поскольку вентиляционная реакция отстает от повышенной кислотной нагрузки на несколько часов [3], а почечная экскреция кислоты становится эффективной через несколько дней [4], острые изменения рН по-прежнему зависят в основном от буферности. Поэтому понимание факторов, определяющих β, может помочь предвидеть уровень поддержки, которая может потребоваться пациентам с метаболическим ацидозом, и, возможно, оптимизировать их ведение. Например, низкий β может стать основанием для выбора в пользу более сбалансированных растворов или для принятия решений о переливании эритроцитов или введении бикарбоната натрия. Интересно, что инфузия альбумина увеличивает некарбоновую буферную способность, но одновременно снижает бикарбонат за счет добавления фиксированных отрицательных зарядов в плазму, поэтому его чистое влияние на β, скорее всего, будет незначительным [15]. Наконец, длительная разрешающая гиперкапния, увеличивая HCO₃^-[13], может оказаться полезной в ОРИТ, где существует риск развития метаболического ацидоза и некарбоновый β часто снижен из-за анемии и гипоальбуминемии.

Выводы

Буферность метаболического ацидоза при критических заболеваниях чрезвычайно изменчива, так что одна и та же степень ацидоза (ΔSBE) может привести к удвоенной или вдвое меньшей ацидемии (ΔpH) в зависимости от буферной способности ECF. Понимание этой часто забываемой характеристики пациентов отделения интенсивной терапии может помочь предугадать траекторию их развития и, возможно, индивидуализировать ведение.

References

1. Berend K (2018) Diagnostic use of base excess in acid-base disorders. N

Engl J Med 378:1419–1428. https:// doi. org/ 10. 1056/ NEJMr a1711 860

2. Kraut JA, Madias NE (2010) Metabolic acidosis: pathophysiology, diagnosis

and management. Nat Rev Nephrol 6:274–285. https:// doi. org/ 10. 1038/ nrneph. 2010. 33

3. Langer T, Zanella A, Caironi P (2016) Understanding the role of the cerebrospinal fluid in acid–base disorders. Intensive Care Med 42:436–439.

https:// doi. org/ 10. 1007/ s00134- 015- 4059-8

4. Siggaard-Andersen O (1974) The acid-base status of the blood. Williams &

Wilkins Company, Baltimore

5. Giosa L, Zadek F, Langer T (2023) The buffer power of blood: a reappraisal

of its mathematical expressions with implications on the role of albumin as a buffer. J Appl Physiol. https:// doi. org/ 10. 1152/ jappl physi ol. 00083.2023

6. Van Slyke DD (1922) On the measurement of buffer values and on the

relationship of buffer value to the dissociation constant of the buffer and the concentration and reaction of the buffer solution. J Biol Chem 52:525–570. https:// doi. org/ 10. 1016/ S0021- 9258(18) 85845-8

7. Langer T, Brusatori S, Carlesso E et al (2021) Low noncarbonic buffer power amplifies acute respiratory acid-base disorders in patients with sepsis: an in vitro study. J Appl Physiol 131:464–473. https:// doi. org/ 10.1152/ jappl physi ol. 00787. 2020

8. Boning D, Rojas J, Serrato M et al (2008) Extracellular pH defense against

lactic acid in untrained and trained altitude residents. Eur J Appl Physiol

103:127–137. https:// doi. org/ 10. 1007/ s00421- 008- 0675-0

9. Giosa L, Zadek F, Busana M et al (2024) Quantifying pH-induced changes

in plasma strong ion difference during experimental acidosis: clinical

implications for base excess interpretation. J Appl Physiol 136:966–976.

https:// doi. org/ 10. 1152/ jappl physi ol. 00917. 2023

10. Burton RF (1973) The roles of buffers in body fluids: mathematical analysis. Respir Physiol 18:34–42. https:// doi. org/ 10. 1016/ 0034- 5687(73)90020-0

11. Wooten EW (2010) The standard strong ion difference, standard total

titratable base, and their relationship to the Boston compensation rules and the Van Slyke equation for extracellular fluid. J Clin Monit Comput 24:177–188. https:// doi. org/ 10. 1007/ s10877- 010- 9231-7

12. Brackett NC, Cohen JJ, Schwartz WB (1965) Carbon dioxide titration curve

of normal man. Effect of increasing degrees of acute hypercapnia on acid-base equilibrium. N Engl J Med 272:6–12. https:// doi. org/ 10. 1056/NEJM1 96501 07272 0102

13. Schlichtig R, Grogono AW, Severinghaus JW (1998) Human PaCO2 and

standard base excess compensation for acid-base imbalance. Crit Care

Med 26:1173–1179. https:// doi. org/ 10. 1097/ 00003 246- 19980 7000- 00015

14. Smith I, Kumar P, Molloy S et al (2001) Base excess and lactate as prognostic

indicators for patients admitted to intensive care. Intensive Care Med27:74–83. https:// doi. org/ 10. 1007/ s0013 40051 352

15. Bruegger D, Jacob M, Scheingraber S et al (2005) Changes in acidbase

balance following bolus infusion of 20% albumin solution in humans. Intensive Care Med 31:1123–1127. https:// doi. org/ 10. 1007/s00134- 005- 2683-4

Источник фотоиллюстрации - www.freepik.com