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2021 | Medizin allgemein | Buch

Kurzer historischer Abriss zur Entwicklung der Säuren-Basen-Theorien Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

Säuren-Basen-Haushalt

Azidosen und Alkalosen verstehen, erkennen und behandeln

verfasst von: Dr. med. Frank Walther

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Dieses Buch beinhaltet Grundlagen, Diagnostik und Therapie von Störungen des Säuren-Basen-Haushalts.

Wer sich dafür interessiert, wie eine diabetische Ketoazidose entsteht, wie man sie behandelt, welchen Stellenwert die Therapie mit Puffersubstanzen bei Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes hat, wie sich eine Hypothermie auf den Säuren-Basen-Haushalt auswirkt, was eine posthyperkapnische Alkalose ist, oder wer wissen möchte, wodurch sich BE- und Standardbikarbonat-Wert im Säuren-Basen-Status unterscheiden, findet die Erklärungen und Grundlagen dafür und noch etliches mehr in diesem Buch. Neben Kapiteln, die sich mit den weitgehend unveränderlichen Grundlagen und Grundsätzen der therapeutischen Möglichkeiten beschäftigen bzw. für Bereiche mit noch unzureichender Evidenzgrundlage die aktuell führenden Expertenmeinungen wiedergeben, werden zur Veranschaulichung 12 klinische Fälle präsentiert, an deren Beispiel die diagnostische Vorgehensweise bei unterschiedlichen Säuren-Basen-Störungen und die klinischen bzw. therapeutischen Schlussfolgerungen erläutert werden.

Ziel des Buches ist die Vermittlung von fundiertem und doch praxisrelevanten, am Krankenbett einsetzbaren Wissen auf der Grundlage des Wissens aus der Biochemie und Physiologie-Ausbildung des Physikums. Es wendet sich an Ärztinnen und Ärzte verschiedener Facharztausbildungen sowie Medizinstudentinnen und -studenten.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Kurzer historischer Abriss zur Entwicklung der Säuren-Basen-Theorien
Zusammenfassung
Die geschichtliche Entwicklung der Säuren-Basen-Theorien beginnt mit einer ersten begrifflichen Festlegung durch Robert Boyle im 17. Jahrhundert und erhält dann durch Wissenschaftler, wie Lavoisier, Liebig, Arrhenius und schließlich Brønsted und Lowry eine zunehmende Differenzierung und Konkretisierung des Säuren-Basen-Verständnisses. Sørensen führte 1909 den pH-Wert als Maß der H+-Ionen-Konzentration in Säuren-Basen-Gemischen ein. Henderson und Hasselbalch wandten das Massenwirkungsgesetz und die Brønsted-Lowry-Theorie, wonach Säuren Donatoren und Basen Akzeptoren von Wasserstoffionen sind, auf das Kohlensäure-Bikarbonat-System des Blutes an. Astrup und Siggaard-Andersen entwickelten bis 1960 das noch heute klinisch genutzte Laborkonzept, das auf dem Henderson-Hasselbalch-Modell beruht. Die jüngste Entwicklung ist das „physikochemische Konzept“ von Peter A. Stewart, das die Komplexität physiologischer Elektrolyt-Protein-Gemische berücksichtigt.
Frank Walther
Kapitel 2. Das Massenwirkungsgesetz und die Henderson-Hasselbalch-Gleichung
Zusammenfassung
Das Massenwirkungsgesetz führt zu einer mathematischen Formulierung des Reaktionsgleichgewichtes zwischen einer Säure und ihrer korrespondierenden Base. Unter Einbezug des pH-Konzepts von Sörensen lässt sich daraus die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ableiten. Sie bildet die Grundlage des klinisch gebräuchlichen Laborkonzepts zur Erfassung von Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes. Kapitel 2 stellt Entwicklung und Einzelheiten dieses Konzepts dar.
Frank Walther
Kapitel 3. Bedeutung von Wasserstoffionen für den menschlichen Stoffwechsel
Zusammenfassung
In Körperflüssigkeiten liegt die Wasserstoffionen-Konzentration nur im Nanomol-pro-Liter-Bereich. Der pH-Wert als Ausdruck der Wasserstoffionen-Konzentration unterliegt einer engen Regulation. Auf Störungen des Wasserstoffionen-Haushaltes reagieren Proteine mit Veränderungen ihrer räumlichen Konfiguration und Funktion. Eine entscheidende Rolle für die Bindung von Wasserstoffionen spielen die α-Imidazolringe der Histidinreste in Proteinen. Verschiebungen des pH-Wertes haben Einfluss auf viele physiologische Funktionen, wie Ionentransport, Kontraktilität der Muskulatur, den Blutkreislauf und auf den Intermediärstoffwechsel. Zelluläre Sensoren in Form der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren oder der Adenylyl-Zyklasen registrieren pH-Wert-Veränderungen und lösen entsprechende zelluläre Reaktionen aus. Zusammenhänge mit der Zellproliferation, mit Entzündungsreaktionen und mit der Metastasierungsneigung von Tumorzellen sind bekannt.
Frank Walther
Kapitel 4. Pufferung als wichtiges Prinzip der passiven Regulation des Säuren-Basen-Haushaltes
Zusammenfassung
Die Pufferung von Veränderungen der Wasserstoffionen-Konzentration in Körperflüssigkeiten ist ein wichtiges passives Regulationsprinzip des Säuren-Basen-Haushaltes. In Kapitel 4 wird am Beispiel der Titration der chemische Mechanismus der Pufferung verdeutlicht, der für die Abbremsung von pH-Wert-Schwankungen sorgt. Für das Verständnis von pH-Wert-Veränderungen sind die Kenntnis der Spontanprotolyse des Wassers und des Protolyse-Gleichgewichtes des Wassers hilfreich. Das Puffersystem des Blutplasmas besteht aus dem Kohlensäure-Bikarbonat-System, Albumin und einem kleinen Anteil von Phosphaten. Ein erheblicher Teil der Pufferkapazität des Blutes entfällt auf die Erythrozyten, die von Hämoglobin, Bikarbonat, Phosphaten und anderen Proteinen bereitgestellt wird. Die Effizienz der intraerythrozytären Pufferung wird durch das Zusammenwirken von Hämoglobin und dem Enzym Carboanhydrase erheblich gesteigert.
Frank Walther
Kapitel 5. Aktive Regulation des Säuren-Basen-Haushaltes durch den Stoffwechsel in Lunge, Leber und Nieren
Zusammenfassung
Die aktive Regulation des Säuren-Basen-Haushaltes erfolgt durch Lunge, Leber und Nieren. Dabei ist das respiratorische System das leistungsfähigste Regulationssystem zur schnellen Kompensation akuter Veränderungen des pH-Wertes. Es nutzt die Möglichkeit, dass Kohlensäure nach Umwandlung in CO2 in großen Mengen respiratorisch ausgeschieden oder zurückgehalten werden kann. Die Leber sorgt durch ihre pH-gesteuerte Harnstoffsynthese für eine angepasste Eliminierung der im Stoffwechsel im Überschuss anfallenden Substanzen Bikarbonat und Ammoniak. Die Nieren sorgen dafür, dass der notwendige Bestand an Bikarbonat-Ionen erhalten bleibt. Weiterhin wird je nach Bedarf die renale Ausscheidung von Säuren als sogenannte titrierbare Azidität des Harns gesteigert oder vermindert. Als nicht-titrierbare Azidität wird die Ausscheidung von Ammonium-Ionen bezeichnet. Sie steigt infolge einer hepatischen Bikarbonat-Einsparung bei Azidose an und ist damit indirekter Ausdruck eines Azidose-Antagonismus.
Frank Walther
Kapitel 6. Grundlagen und Kategorien für die Beschreibung von Störungen des Säuren-Basen-Gleichgewichtes
Zusammenfassung
Aus der Anwendung der Henderson-Hasselbalch-Gleichung auf das Kohlensäure-Bikarbonat-System ergibt sich der mathematische Zusammenhang zwischen den Variablen pH-Wert, Bikarbonat-Konzentration [HCO3−] und Kohlensäure-Konzentration. Ersetzt man den Parameter Kohlensäure-Konzentration durch den direkt proportional korrelierenden Parameter Kohlendioxid-Partialdruck pCO2 erhält man die klassische Henderson-Hasselbalch-Gleichung des Kohlensäure-Bikarbonat-Systems, die seit den 1960er Jahren Basis der Labormethodik ist. Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes werden in respiratorische und nicht respiratorische bzw. metabolische Formen unterschieden. Anhand des von Davenport entwickelten Diagramms können diese Störungsformen anschaulich dargestellt werden. Der durch die drei Parameter pH, [HCO3−] und pCO2 definierte Zustandspunkt bewegt sich im Diagramm bei respiratorischen Störungen entlang einer sogenannten Pufferlinie und bei metabolischen Störungen auf einer pCO2-Isobaren.
Frank Walther
Kapitel 7. Körpereigene Kompensationsmechanismen bei Störungen des Säuren-Basen-Haushalts
Zusammenfassung
Gegen metabolische Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes gibt es respiratorische und gegen respiratorische Störungen gibt es metabolische Kompensationsmöglichkeiten, die in Kap. 5 bereits dargestellt wurden. Das dafür jeweils typische Veränderungsmuster der Parameter pH, Bikarbonat-Konzentration und pCO2 wird mithilfe des Davenport-Diagramms veranschaulicht. Die maximal mögliche respiratorische Kompensation akuter metabolischer Azidosen oder Alkalosen erfolgt innerhalb weniger Stunden bis maximal 24 h, ist in der Regel aber nicht komplett. Bei chronischen metabolischen Azidosen oder Alkalosen wird zumeist ein pH-Wert aufrechterhalten, der etwa auf halber Strecke zwischen dem pH-Wert ohne jegliche Kompensation und dem Normwert von 7,4 liegt. Bei dauerhaften respiratorischen Störungen etabliert sich innerhalb von mehreren Tagen eine wirksame hepatorenale Kompensationsreaktion. Eine komplette Kompensation tritt am häufigsten bei der chronischen respiratorischen Alkalose ein.
Frank Walther
Kapitel 8. Wechselwirkung zwischen Säuren-Basen-Haushalt und Elektrolyt-Haushalt
Zusammenfassung
In Kapitel. 8 wird das Konstrukt der Anionenlücke bzw. der albumin-korrigierten Anionenlücke zur Unterscheidung einer Additions- von einer Subtraktionsazidose vorgestellt. Weiterhin wird die therapeutisch wichtige Unterscheidung zwischen chloridsensitiven und chloridresistenten Alkaloseformen erläutert. Eine andere Einteilung erfolgt anhand der Ursache bzw. Pathogenese in Additions- und Subtraktionsalkalosen. Störungen des Elektrolyt- und Wasserhaushaltes gehen mit Veränderungen des Säuren-Basen-Haushaltes (SBH) einher. Dilutionsazidosen respektive Kontraktionsalkalosen entstehen durch Volumenschwankungen oder Veränderungen des Kochsalzbestandes. Hypokaliämien sind mit einer Alkalose und Hyperkaliämien mit Azidose verbunden. Auch die Homöostase im Kalzium-Phosphat-Haushalt ist mit dem SBH verknüpft. Zuletzt werden die Anionenlücke im Urin als Differenzierungsmöglichkeit eines Bikarbonat-Verlustes und die diagnostische Bedeutung der osmotischen Lücken in Serum bzw. im Urin besprochen.
Frank Walther
Kapitel 9. Diagnostik von Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes
Zusammenfassung
In Kap. 9 wird die Entwicklung des Kopenhagener Konzepts der Säuren-Basen-Diagnostik beschrieben. Neben den direkt messbaren Parametern pH und pCO2 nutzt das Konzept die mathematisch-physikalisch abgeleiteten Parameter Standardbikarbonat und vor allem den sogenannten base excess (BE). Im konkurrierenden Bostoner Konzept wird außer den messbaren Parametern nur der aktuelle Bikarbonat-Wert genutzt. Die vor allem in den 1960er Jahren ausgetragene wissenschaftliche Kontroverse zwischen den Vertretern der beiden Konzepte ist als „Große transatlantische Säuren-Basen-Debatte“ bekannt. Nach Beseitigung einer Schwachstelle im ursprünglichen Konzept der BE-Bestimmung, die von den Bostoner Vertretern aufgedeckt wurde, können beide Konzepte als gleichwertig angesehen werden. Das im Kapitel dargestellte Siggaard-Andersen-Nomogramm wurde ursprünglich in der Laborpraxis zur Analyse des Säuren-Basenhaushalts mittels Äquilibrierungsmethode genutzt, hat aktuell jedoch nur noch historische Bedeutung.
Frank Walther
Kapitel 10. Laboruntersuchungen: Präanalytik, Normwerte
Zusammenfassung
In Kapitel. 10 werden präanalytische Vorgehensweisen und Erfordernisse für eine möglichst fehlerfreie Laboranalyse des Säuren-Basen-Haushaltes (SBH) erläutert. Das betrifft u. a. die korrekte Durchführung der Probengewinnung und die Wahl des Probenmaterials bzw. der Probenentnahmestellen. Es werden Übersichten über die altersabhängigen Normwertebereiche der einzelnen Parameter des SBH (mit Ausnahme der Oxygenierungsparameter) präsentiert. Der letzte Abschnitt stellt einige Besonderheiten des SBH im Neugeborenen- und Säuglingsalter dar.
Frank Walther
Kapitel 11. Die strukturierte Beurteilung des Säuren-Basen-Haushaltes nach dem Kopenhagener Konzept
Zusammenfassung
Kapitel. 11 beschreibt die strukturierte Vorgehensweise bei der Beurteilung des Befundmusters eines Säuren-Basen-Status nach dem Kopenhagener Konzept. Die richtige Deutung der Laborwerte hängt entscheidend von der Kenntnis der anamnestischen und klinischen Daten eines Patienten ab. Deshalb werden Deutungsvarianten anhand von klinischen Beispielen illustriert. Im diagnostischen Prozess werden weitere Laboranalysen benötigt, die ebenfalls aufgelistet werden. Im letzten Abschnitt werden die an das Bostoner Konzept der Laboranalytik angelehnten mathematischen Bettseitregeln von Schlichtig, Grogono und Severinghaus erläutert. Dabei werden in Abhängigkeit von der Art der primär klinisch anzunehmenden Störung des Säuren-Basen-Haushaltes Erwartungswerte für pCO2 respektive Standard-base-excess berechnet und mit den Laborwerten verglichen.
Frank Walther
Kapitel 12. Die strukturierte Beurteilung von Säuren-Basen-Befunden nach dem Bostoner Konzept
Zusammenfassung
In Kap. 12 wird die strukturierte Vorgehensweise bei der Beurteilung des Säuren-Basen-Status nach dem Bostoner Konzept beschrieben. Ausgangspunkt ist stets die auf anamnestischen und klinischen Daten basierende Zuordnung zu einer der Störungskategorien des Säuren-Basen-Haushaltes. Das Vorgehen bei der Auswertung von Befundmustern wird anhand von klinischen Beispielen illustriert. Mit Hilfe von sechs mathematischen Bettseitregeln werden Erwartungswerte für den Wert des aktuellen Bikarbonats bei respiratorischen bzw. für den pCO2 bei metabolischen Störungen berechnet und mit den tatsächlichen Messwerten verglichen. Anschließend werden die Vor- und Nachteile der Boston-Methode erläutert. Der aktuelle Bikarbonat-Wert wird auch zur Differenzierung von Azidosen in einfache bzw. unkomplizierte und gemischte Formen mit Hilfe des Delta-Quotienten bzw. der Delta-Lücke verwendet.
Frank Walther
Kapitel 13. Klinische Symptome und klinische Ursachen von Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes
Zusammenfassung
Kapitel. 13 listet die klinischen Symptome und die Palette der Ursachen aller vier Störungskategorien des Säuren-Basen-Haushalts auf (metabolische Azidose und Alkalose sowie respiratorische Azidose und Alkalose). Die klinische Beurteilung der Hyperventilation eines Patienten muss differenziert nach primären und sekundären Ursachen erfolgen. Bei einer primär psychogenen Hyperventilation geben die Patienten Atemnot an, im Gegensatz zu Patienten mit einer schweren metabolischen Azidose mit sekundärer Hyperventilation in Form der Kußmaulschen Atmung. Eine eventuell vorliegende Ketoazidose kann dabei von vielen (nicht allen) Klinikern durch den aromatisch-blumigen Geruch der Patienten erkannt werden. Im Zweifelsfall sollte an die Analyse der Ketonausscheidung im Harn bzw. eine Blutglukosebestimmung zum Ausschluß einer diabetischen Ketoazidose gedacht werden. Am Schluss des Kapitels werden die unterschiedlichen Kategorien der Laktatazidose präsentiert.
Frank Walther
Kapitel 14. Therapie der Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes
Zusammenfassung
Die Therapie metabolischer oder respiratorischer Azidosen mit Puffersubstanzen ist keine kausale und in nicht in allen Fällen eine hilfreiche Behandlungsmaßnahme. Kapitel. 14 beschreibt die Vorzüge und Nachteile therapeutischer Puffersubstanzen. Für die beiden verfügbaren Puffersubstanzen Natrium-Bikarbonat und Trometamol werden die Ergebnisse von Laboruntersuchungen, Tierexperimenten und klinischen Studien, Nebenwirkungen, Indikationen und Kontraindikationen sowie Dosierungsempfehlungen dargestellt. Weiterhin werden Informationen zu alternativen Puffersubstanzen und Metaboliten gegeben, die entweder nur in klinischen Studien bzw. außerhalb der Zulassung angewendet wurden, wie Carbicarb, Tribunat und Dichlorazetat, oder kurz vor der Zulassung stehen, wie Veverimer. Als Notfallbehandlung werden auch Hämodialyse und Hämofiltration aufgeführt. Zuletzt werden für jede der vier Störungskategorien des Säuren-Basen-Haushalts alle in Frage kommenden Behandlungsmaßnahmen zusammengefasst.
Frank Walther
Kapitel 15. Behandlung ausgewählter Krankheitsbilder mit Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes und Erläuterungen zur therapeutischen Hypothermie
Zusammenfassung
In Kapitel. 15 wird zunächst die diabetische Ketoazidose behandelt. Es werden Pathogenese, klinische Ursachen und die Therapie eingehend besprochen. Ein weiterer Abschnitt beschäftigt sich mit dem noch nicht ausreichend evidenzbasierten Thema der Puffertherapie bei gemischten Azidosen, die aus einer respiratorischen und einer metabolischen Komponente bestehen. Es werden auch Informationen zur permissiven Hyperkapnie gegeben. Der letzte Teil des Kapitels gilt der therapeutischen Hypothermie. Die theoretischen Grundlagen dazu wurden durch Untersuchung wechselwarmer und warmblütiger Tiere gewonnen. Dabei wurden zwei konkurrierende Konzepte für die Aufrechterhaltung der Stoffwechselhomöostase unter Hypothermie entwickelt – die α-stat-Hypothese und die pH–stat-Hypothese. Aus diesen Hypothesen ergeben sich unterschiedliche Konzepte für die Narkoseführung bei therapeutischer Hypothermie. Welches Konzept für welche Patienten optimal ist muss durch weitere Studien geklärt und entschieden werden.
Frank Walther
Kapitel 16. Auswertung pathologischer Säuren-Basen-Verhältnisse in Fallbeispielen
Zusammenfassung
Kap. 16 enthält 12 klinische Fälle mit verschiedenen Diagnosen und entsprechend unterschiedlichen Störungen des Säuren-Basen-Haushaltes. Sieben der Fallbeispiele stammen aus der Pädiatrie, fünf Fälle sind der Inneren Medizin bzw. Anästhesiologie zuzuordnen. Anhand der Fälle werden die strukturierte Auswertung der Laborwerte und die pathogenetischen bzw. die klinischen Schlussfolgerungen demonstriert.
Frank Walther
Kapitel 17. Das physikochemische System von Stewart – ein Blick in die Zukunft?
Zusammenfassung
In den 1970-er Jahren entwickelte der Physiologe Peter A. Stewart eine Theorie, die die auf Kohlensäure-Chemie reduzierte Betrachtung des Säuren-Basen-Haushaltes durch ein komplexeres Modell ersetzte. Eine Grundlage dieses physikochemischen Modells ist die Unterscheidung starker (z. B. Na+, Cl−) und schwacher Ionen (z. B. H+, Bikarbonat). Die Beurteilung des Säuren-Basen-Status erfolgt anhand der „strong ion difference“ (SID, Differenz aus Kationen- und Anionen-Konzentrationen), der Summe der schwachen Ionen „ATot“ und dem pCO2, die als unabhängige Parameter gelten. pH und Bikarbonat werden als abhängige Parameter angesehen. Weiterentwicklungen sind das „strong ion gap“ (SIG) und eine Partitionierung des base excess in Untergruppen. Inwieweit dieses Konzept Vorteile für die klinische Praxis hat, ist strittig. Bei Weiterentwicklung durch Einbezug von Multikompartmentmodellen und digitale Verbesserungen der Anwenderfreundlichkeit könnte das Konzept zukünftig seine Überlegenheit beweisen.
Frank Walther
Backmatter
Metadaten
Titel
Säuren-Basen-Haushalt
verfasst von
Dr. med. Frank Walther
Copyright-Jahr
2021
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-63876-7
Print ISBN
978-3-662-63875-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-63876-7