Lezioni di Patologia Clinica per Medici in Formazione Specialistica docente: Davide Treré ( tel : 051-636.4201) email :

1. Facoltà di Medicina e Chirurgia Lezioni di Patologia Clinica per Medici in Formazione Specialistica docente: Davide Treré (tel: 051-636.4201) email: davide.trere@unibo.it L’emogasanalisi nella valutazione dei disturbi dell’equilibrio acido-base http://davidetrere.interfree.it/patologiaclinica/index.htm

2. ioni H+ La quantità di ioni H+ presenti all’interno delle cellule enella maggior parte dei liquidi exatracellulari(con l’eccezione di alcuni distretti quali urina e succo gastrico) è estremamente bassa (solitamente tra 35 e 45 nmol/L) e di gran lunga inferiore rispetto a quella degli altri principali ioni presenti nell’organismo. Ciononostante, data la sua elevata reattività, la concentrazione dello ione H+è sottoposta ad un rigoroso controllo da parte di complessi meccanismi omeostatici, che consentono di mantenerne i valori entro limiti rigidamente ristretti

3. concentrazione fisiologica nel plasma dello ione H+ in confronto a quella degli altri più importanti ioni presenti nell’organismo ione concentrazione nmol (1 x 10-9 mol) / L sodio (Na+) 145.000.000 cloro (Cl-) 95.000.000 bicarbonato (HCO3-) 24.000.000 potassio (K+) 4.500.000 calcio (Ca++) 2.500.000 magnesio (Mg++) 1.000.000 idrogeno (H+) 40 La concentrazione degli ioni idrogeno è circa tre milioni di volte più basa di quella degli ionio sodio e centomila volte più bassa di quella degli ioni potassio

4. espressione decimale ed espressione logaritmica della concentrazione dello ione H+ Proprio per la sua concentrazione estremamente bassa, la quantità di ione H+presente nei fluidi biologici viene solitamente espressa con la formula del pH: pH = –log10 [H+] moli/L La formula del pH è stata introdotta, ed è comunemente utilizzato nella pratica clinica, per semplicità e praticitàdi calcolo, in quanto è in grado di esprimere i valori molto bassi dello ione H+ con numeri semplici e adimensionali La concentrazione fisiologica di ioni H+, corrispondente nella notazione decimale a 0,00000004 moli/L, viene pertanto espressa nella notazione logaritmica con un valore di pH di 7.4, mentre le due concentrazioni di ioni H+ considerate le più estreme tra quelle compatibili con la sopravvivenza, corrispondenti a 0,00000016 moli/L e 0,000000016 moli/L, sono espresse con valori di pH, rispettivamente, di 6.8 e 7.8

5. logaritmi e pH Si dice logaritmo in base a di un numero b l'esponente da dare ad a per ottenere b (b viene chiamato argomento del logaritmo):ad esempio, il logaritmo in base 3 di 81 è 4, in quanto 4 è l’esponente da dare a 3 per ottenere 81 log3 81 = 4, in quanto 34 = 81 Allo stesso modo, il logaritmo in base 10 di 0,00000004 (corrispondente alla concentrazione fisiologica degli ioni H+) è -7,4, in quanto -7,4 è l’esponente da dare a 10 per ottenere 0,00000004 log10 0,00000004 = -7,4 in quanto 10-7,4 = 0,00000004 Pertanto, in condizioni fisiologiche, il pH (cioè il logaritmo negativo della concentrazione degli ioni H+), corrisponde a 7,4 pH = - log100,00000004 = 7,4

6. relazione tra pH arterioso e concentrazione dello ione H+ pH [H+] nmol/L 8,00 10 7,90 13 7,80 16 7,70 20 7,60 26 7,50 32 7,40 40 7,30 50 7,20 63 7,10 80 7,00 100 6,90 125 6,80 160 [H+] pH la [H+] raddoppia per ogni riduzione dei valori di pH di 0,3

7. variazioni del pH Esistono almeno tre motivi per i quali l’organismo deve mantenere il pH entro limiti ristretti: - la maggior parte degli enzimi necessari ai processi vitali ha una cinetica di attivazione con massima attività a pH 7,4, che diminuisce progressivamente con il variare del pH verso l’alto o verso il basso, fino ad azzerarsi ai limitiestremi di 6,8 e 7,8; - molte molecole hanno gruppi tampone che legano gli H+: modificazioni del pHcambiano il grado di protonazione di tali gruppi, producendo quindi variazioni della loro funzione; - il pH influenza i flussi transmembranadel potassio e della quota ionizzata del calcio, intervenendo quindi nella regolazione dell’attività cardiaca e neuromuscolare.

8. regolazione del pH In condizioni normali il pH del sangue arterioso varia tra 7,36 e 7,44 Nel tentativo di impedire o limitare al massimo le variazioni del pH, l’organismo dispone di una serie di meccanismi protettivi che entrano in funzione in modi ed in tempi differenti ogni qualvolta si determini una variazione della concentrazione idrogenionica; tali meccanismi sono schematicamente suddivisi in ematici, respiratori e renali: in pratica, peraltro, le loro azioni sono strettamente coordinate ed interdipendenti

9. tempi di azione dei sistemi deputati al controllo del pH ematico • sistema tempi di attivazione massima efficacia • tamponi ematici secondi minuti • - respiratorio minuti 12 – 24 ore • renale ore 3 – 4 giorni

10. meccanismi ematici I meccanismi ematicisono iprimi ad intervenire e sono costituiti dai sistemi tampone Si definiscono sistemi tampone quelle sostanze che, in risposta ad un cambiamento dell’acidità dei liquidi causato dall’aggiunta di un acido o di una base possono, in modo istantaneo, accettare o donare protoni (ioni H+) limitando in questo modo le variazioni della concentrazione idrogenionica Le soluzioni tampone più efficaci presenti nel nostro organismo sono costituite da un acido debole e dal suo sale con una base forte; meno frequentemente le soluzione tampone del nostro organismo sono costituite da una base debole e dal suo sale con un acido forte

11. sistemi tampone • Sistemi tampone a componente prevalentemente “chiusa” (esauribili) • a) processi di tamponamento cellulare • sistema H-proteina / Na-proteina • sistema emoglobina ridotta / ossigenata • b) processi di tamponamento extracellulare • sistema fosfato bisodico / monosodico • sistema fosfato monopotassico / bipotassico • Sistemi tampone a componente prevalentemente “aperta” (rigenerabili) • sistema bicarbonato / acido carbonico

12. sistema bicarbonato/acido carbonico [H2O] + [CO2]  [H2CO3]  [H+] + [HCO3-] Sul piano funzionale il sistema “aperto” bicarbonato / acido carbonico sovrasta i sistemi chiusi in quanto: • è presente in quantità maggiore rispetto agli altri • è il più ubiquitario • è il solo che può rigenerarsi scambiando le sue componenti con l’esterno

13. 1) distribuzione quantitativa dei sistemi tampone

14. 2) localizzazione dei sistemi tampone

15. 3) capacità di “scambio” con l’esterno del sistema bicarbonato/acido carbonico POLMONI [CO2] + [H2O]  [H2CO3]  [H+] + [HCO3-] RENI

16. equazione di Henderson-Hasselbalch I rapporti tra le diverse componenti che costituiscono un sistema tampone sono regolati dalla equazione di Henderson-Hasselbalch; secondo tale equazione, quando il sistema tampone è costituito da un acido debole e dalla sua base coniugata forte, il pH della soluzione dipende dalla costante di dissociazione dell’acido in essa disciolta (pK) e dal rapporto tra le concentrazioni della specie dissociata (cioè della base, [A-], che accetta protoni) e di quella indissociata (cioè dell’acido, [AH], che cede protoni) pH = pK + log [A-] [AH]

17. equazione di Henderson-Hasselbalch pH = pK + log [A-] [AH] riferita al sistema tampone bicarbonato / acido carbonico: [CO2] + [H2O]  [H2CO3]  [H+] + [HCO3-] pH = pK + log [HCO3-] [H2CO3]

18. pH = pK + log [HCO3-] [H2CO3] pH = pK + log [HCO3-] [CO2] + [H2O] pH = pK’ + log [HCO3-] [CO2] secondo la legge di Henry, la quantità di un gas fisicamente disciolto in una soluzione è direttamente proporzionale alla sua pressione parziale; pertanto: pH = pK’ + log [HCO3-]  PaCO2 pH = 6,1 + log 24 mEq/L 0,031 x 40 mmHg pH = 6,1 + log 20 = 6,1 + 1,3 = 7,4 K’ = costante di dissociazione dell’acido carbonico in H2O: (a 37°C = 0,0000008 mol/L)  = costante di solubilità della CO2 in H2O (a 37°C = 0,031)

19. rapporto bicarbonato/acido carbonico Ponendo il pH uguale a 7,4 e considerando il pK’ uguale a 6,1 è possibile determinare le condizioni necessarie affinché il pH del sangue venga mantenuto costante: 7,4 = 6,1 + log[HCO3-] = 6,1 + log 20 [H2CO3] 1 Pertanto, ogni rapporto di 20:1 tra bicarbonato e acido carbonico produrrà un pH di 7,4

20. compenso polmonare Il polmone, variando la ventilazione alveolare, è in grado di variare l’eliminazione della CO2; l’acidosi stimolala ventilazione mentrel’alcalosi la deprime La capacità di compenso polmonare è rapida ed efficace, ma non può comunque superare i limiti costituiti dalla capacità di lavoro dell’apparato respiratorio

21. compenso renale Il rene, pur intervenendo più lentamente, ha minori limiti funzionali e risulta essere particolarmenteefficace nel compensare variazioni del pH ematico; la funzione renale nell’equilibrio acido base si attua attraverso tre diversi meccanismi: • riassorbimento di bicarbonato • generazione di bicarbonato ex novo • escrezione di acidi

22. riassorbimento di bicarbonato sangue cellula tubulare lume tubulare HCO3- anidrasi carbonica CO2 + H2O H2CO3 HCO3- HCO3- + H+ H+ + HCO3- Na+ Na+ Na+ H2CO3 H2O + CO2

23. generazione di bicarbonato ex novo sangue cellula tubulare lume tubulare HPO4-- anidrasi carbonica CO2 + H2O H2CO3 HCO3- HCO3- + H+ H+ + HPO4-- Na+ Na+ Na+ H2PO4- escrezione di fosfati: acidità titolabile (*) (*) acidità titolabile: quantità di basi che servono a portare il pH delle urine al pH del sangue

24. escrezione di acidi sangue cellula tubulare lume tubulare anidrasi carbonica CO2 + H2O H2CO3 HCO3- HCO3- + H+ H+ Na+ Na+ Na+ NH4+ ac.a-cheto glutarico glutamina + NH3 NH3 escrezione di cloruro di ammonio

25. acidosi e alcalosi metaboliche e respiratorie Si definisce “acidosi” quel disturbo che tende ad aggiungere acidi o rimuovere alcali dall’organismo, “alcalosi” invece quello che rimuove acidi o aggiunge alcali; quando queste alterazioni comportano un variazione del pH nel sangue si avrà uno stato di “acidemia” (pH<7,36) o di “alcalemia” (pH>7,44) La definizione “metabolica”indica quel tipo di alterazione caratterizzata da una primitiva variazione nella concentrazione di bicarbonati, mentre “respiratoria” indica una variazioneprimitiva a carico dell’anidride carbonica

26. acidosi respiratoria L’acidosi respiratoria è provocata da un aumento di anidride carbonica nel sangue arterioso (ipercapnia) conseguente ad una riduzione della ventilazione alveolare pH = pK’ + log[HCO3-] () pCO2 meccanismo di compenso: pH = pK’ + log[HCO3-] () pCO2

27. cause di acidosi respiratoria acuta • Alterazioni della ventilazione • BPCO riacutizzata • edema polmonare • polmonite • dispnea acuta post-traumatica • emotorace, pneumotorace, versamenti pleurici • ostruzione delle vie aeree • crisi d’asma, stato di male asmatico • Alterazioni della perfusione • embolia polmonare • arresto cardiaco • stati di shock • cardiopatie congenite cianogene • Alterazioni dell’automatismo respiratorio • centrale: anestesia, farmaci (barbiturici, benzodiazepine), traumi • midollo spinale e/o nervi periferici: lesioni midollari cervicali, sindrome di Guillain Barré, farmaci (curaro, succinilcolina, altri) • neurotossine (tetano, botulismo) • insufficienza acuta da ventilazione meccanica inadeguata

28. cause di acidosi respiratoria cronica • Alterazioni della ventilazione • broncopneumopatia cronica ostruttica (BPCO) • fibrosi interstiziale • cifoscoliosi • fibrotorace • idrotorace • distrofia muscolare • poliomielite • sclerosi laterale amiotrofica • Alterazioni dell’automatismo respiratorio • centrale:sovradosaggio di sedativi e tranquillanti, obesità, mixedema, neoplasie cerebrali, infarti o emorragie del tronco cerebrale, poliomielite • midollo spinale e/o nervi periferici: poliomielite, sclerosi multipla, sclerosi laterale amiotrofica, paralisi diaframmatica

29. acidosi respiratoria: clinica Nella forma acuta, così come nelle riacutizzazioni delle forme croniche, si ha aumento dello sforzo respiratorio con dispnea intensa, tachipnea, tachicardia e cianosi; possono seguire sonnolenza, confusione ed alterazione del sensorio conseguenti all’ipercapnia Nella forma cronica questi sintomi sono più attenuati per l’adattamento dell’organismo all’ipossiemia e all’ipercapnia

30. acidosi respiratoria: laboratorio • Nel sangue arterioso: • pH diminuito (< 7,36) o normale • PaCO2 aumentata (> 42 mmHg) • bicarbonati aumentati (> 25 mEq/L): ad ogni aumento di 10 mmHg della PaCO2 l’aumento di bicarbonati è in acuto un di 1 mEq/L e in cronico di 3-4 mEq/L • frequente iperkaliemia • Nelle urine: • pH acido, bicarbonati diminuiti, acidità titolabile aumentata, eliminazione di NH4Cl aumentata

31. alcalosi respiratoria L’alcalosi respiratoria è provocata da una diminuzione di anidride carbonica nel sangue arterioso (ipocapnia) conseguente ad un aumento della ventilazione alveolare pH = pK’ + log[HCO3-] () pCO2 meccanismo di compenso: pH = pK’ + log[HCO3-] () pCO2

32. cause di alcalosi respiratoria • influenze corticali: ansia, dolore, febbre, volontaria, alterazioni SNC (lesioni, infiammazioni, diminuito apporto ematico, neoplasie) • ipossia: alterazioni ambientali di O2, alterazione del rapporto ventilazione / perfusione polmonare, difetti di diffusione polmonare • fisiche: alterazioni irritative delle vie aeree quali infiammazioni, neoplasie, edema polmonare, fibrosi

33. alcalosi respiratoria: clinica • iperventilazione • manifestazioni dell’ipocalcemia: aumento dell’eccitabilità neuromuscolare che si rende dapprima evidente con formicolii alle dita delle mani e dei piedi e nella regione periorale, poi con spasmi muscolari fino alla tetania • manifestazioni dell’ipocapnia: ottundimento, debolezza e perdita della coscienza che si risolve spontaneamente non appena la depressione centrale rallenta la respirazione e permette alla CO2 di accumularsi nuovamente nel sangue

34. alcalosi respiratoria: laboratorio • Nel sangue arterioso: • pH aumentato (> 7,44) o normale • PaCO2 diminuita (< 38 mmHg) • bicarbonati ridotti (< 23 mEq/L) a seconda del compenso: ad ogni riduzionedi 10 mmHg della PaCO2 la riduzione di bicarbonati è in acuto di 2 mEq/L e in cronico di 5 mEq/L • frequente ipokaliemia • Nelle urine: • pH alcalino, bicarbonati aumentati, acidità titolabile diminuita, eliminazione di NH4Cl diminuita

35. acidosi metabolica L’acidosi metabolica è caratterizzata da una riduzione del pH conseguente aduna riduzione della concentrazione ematica di bicarbonati pH = pK’ + log[HCO3-] () pCO2 meccanismi di compenso: pH = pK’ + log[HCO3-] () pCO2 r P

36. cause di acidosi metabolica • aumentata produzione di acidi: chetoacidosi (diabetica, alcolica, da digiuno), acidosi lattica, assunzione di tossici esogeni (etanolo) • ridotto catabolismo di acidi: insufficienza epatica • ridotta escrezione renale di acidi: insufficienza renale, acidosi tubulare distale, ipoaldosteronismo • perdita renale di bicarbonati: • acidosi tubulare prossimale • perdita enterica di bicarbonati: • diarrea, fistole enteriche

37. acidosi metabolica: clinica La sintomatologia è dominata dalla malattia di base; si hanno inoltre sintomi specifici del compenso polmonare, quali polipnea e spesso dispnea che affatica visibilmente il paziente e, nelle fasi più avanzate, sintomi legati all’acidosi quali torpore, sonnolenza e ipoeccitabilità, riduzione della forza contrattile miocardica, ridotta perfusione degli organi splancnici

38. acidosi metabolica: laboratorio • Nel sangue arterioso: • pH diminuito (< 7,36) o normale • PaCO2 diminuita (< 38 mmHg) a seconda del compenso: ad ogni riduzione dei bicarbonati di 1 mEq corrisponde una riduzione della PaCO2 di 1,2 mmHg • bicarbonati diminuiti (< 23 mEq/L) • frequente iperkaliemia • Nelle urine: • pH acido, bicarbonati diminuiti, acidità titolabile aumentata, eliminazione di NH4Cl aumentata

39. alcalosi metabolica L’alcalosi metabolica è caratterizzata da un aumento del pH conseguente adun aumento della concentrazione ematica dei bicarbonati pH = pK’ + log[HCO3-] () pCO2 meccanismi di compenso: pH = pK’ + log[HCO3-] () pCO2 r P

40. cause di alcalosi metabolica • perdita gastrointestinale di acidi: vomito, aspirazione naso gastrica, gastrostomia • somministrazione esogena di basi: bicarbonati (terapia acidosi), carbonati (antiacidi), acetati (iperalimentazione, dialisi), citrati (trasfusioni) • aumentata attività mineralcorticoide: • aumento di renina: contrazione del volume extracellulare, stenosi dell’arteria renale • aumento primario di mineralcorticoidi: iperaldosteronismo primario, sindrome di Cushing, sindrome adrenogenitale, ingestione di liquirizia

41. alcalosi metabolica: clinica Le manifestazioni cliniche dell’alcalosi metabolica comprendono: • diminuzione della frequenza respiratoria fino all’ottundimento del sensorio che, in casi gravi, può giungere al coma • secondariamente alla diminuzione del calcio ionizzato vi è accentuazione dei riflessi tendinei profondi, spasmi muscolari e, nelle condizioni più gravi, tetania • secondariamente alla ipokaliemia posso verificarsi aritmie cardiache

42. alcalosi metabolica: laboratorio • Nel sangue arterioso: • pH aumentato (> 7,44) o normale • PaCO2 normale o aumentata (> 42 mmHg) a seconda del compenso: ad ogni aumento dei bicarbonati di 1 mEq corrisponde un aumento della PaCO2 di 0,5 – 0,7 mmHg • bicarbonati aumentati (> 25 mEq/L) • frequente ipokaliemia • Nelle urine: • pH alcalino, bicarbonati aumentati, acidità titolabile diminuita, eliminazione di NH4Cl diminuita

43. emogasanalisi (EGA) L’indagine di laboratorio utilizzata per l’approccio diagnostico ai disturbi all’equilibrio acido-base è l’emogasanalisi (EGA) L’ EGA si esegue su un prelievo di sangue arterioso eseguito sull’arteria radiale con inclinazione dell’ago a 30°tenendo la mano del paziente in lieve dorsiflessione; in alternativa si utilizzano l’arteria femorale o l’arteria brachiale Il campione deve essere analizzato immediatamente per evitare gli effetti del metabolismo cellulare; se il campione viene raffreddato in ghiaccio il risultato è comunque ritenuto attendibile anche dopo 30 - 60 minuti dal momento del prelievo

44. - POCT: point-of-caretesting - nearpatienttesting - bed site testing - physician’s office testing - extra-laboratorytesting - off-site, ancillary and alternative site testing - decentralizedtesting

45. ClinicalDecision-Making question answer decision TAT (test turnaroundtime) action / intervention Test result patientoutcome: mortality - morbility

46. i principali dati “calcolati” dell’emogasanalisi • - HCO3att = bicarbonati attuali • sonoderivati dall’equazione di Henderson-Hasselbalch dopo avere introdotto i valori misurati di pH e di pCO2. • - HCO3std = bicarbonati standard • corrispondono alla concentrazione dei bicarbonati dopo che il campione di sangue è stato completamente ossigenato ed equilibrato con una pCO2 di 40 mmHg; in questo modo si correggono le alterazioni della concentrazione di bicarbonato di origine respiratoria, evidenziando quelle di origine metabolica. Un bicarbonato standard inferiore ai valori di riferimento (23 – 25 mmol/L) è indice di acidosi metabolica, mentre un valore superiore è indice di alcalosi metabolica. In realtà, questa approssimazione non può essere applicata in maniera così rigida in quanto la titolazione con CO2 che si ottiene in vitro non può essere assimilata a quella che si determina in vivo; inoltre, i bicarbonati standard non tengono conto del contribuito degli altri sistemi tampone e tendono quindi a sottostimare la componente non-respiratoria delle alterazione dell’equilibrio acido-base. • - BE(B) = eccesso di basi • corrisponde alla quantità di acido forte necessario a portare a pH 7,4 il campione di sangue equilibrato con una pCO2 di 40 mmHg. Un eccesso di basi inferiore ai valori di riferimento (da – 4 a + 3 mmol/L) è indice di acidosi metabolica, mentre un valore superiore è indice di alcalosi metabolica. Conoscere il BE è utile per programmare un eventuale intervento terapeutico. • BE(ecf) = eccesso di basi del liquido extracellulare • Si riferisce appunto all’eccesso di basi presente nel liquido extracellulare. Per tale determinazione il campione vene ottenuto con 1/3 di sangue e 2/3 di plasma (il cui potere tampone si avvicina a quello del liquido extra-cellulare).

47. gap anionico La legge di elettroneutralità stabilisce che, in qualunque soluzione, il numero delle cariche positive deve bilanciare quello delle cariche negative; pertanto la somma dei cationi deve corrispondere alla somma degli anioni. Applicata al sangue, la legge di elettroneutralitàprevede che: [Na+] + [K+] + [altri cationi] = [Cl-] + [HCO3-] + [altri anioni] Gli “altri cationi”, cioè i cationi non misurati, sono costituiti da Mg2+ e Ca2+, per un totale di circa 7 mEq/L. Gli “altrianioni”, cioè gli anioni che non vengono misurati, comprendono le cariche negative fornite dalle proteine plasmatiche nonché quelle dei fosfati, dei solfati e di altri metaboliti, per un totale di circa 24 mEq/L. Tra gli ioni non misurati vi sono quindi più anioni che cationi e questa differenza, detta apunto“gap anionico”, in condizioni normali varia da 12 a 18 mEq/L.

48. cationi anioni Na+ Cl- HCO3- gap anionico K+

49. calcolo del gap anionico La quota di anioni non misurati in eccesso presenti nell’organismo (appunto il gap anionico) può essere determinata in maniera indiretta sottraendo dalla concentrazione di sodio la concentrazione di cloro e di bicarbonati; infatti: [Na+] + [K+] + [altri cationi] = [Cl-] + [HCO3-] + [altri anioni] [altri anioni] - [altri cationi] = ([Na+]+[K+]) - ([Cl-]+[HCO3-]) dato che la concentrazione di K+ nel compartimento extra-cellulare è estremamente bassa, la si può approssimare a 0; pertanto: gap anionico = [Na+] - ([Cl-] + [HCO3-])

50. indicazioni del gap anionico nelle acidosi metaboliche Le acidosi metaboliche possono essere causate da due condizioni: (1) un aumento di sostanze acide o (2) una diminuzione di bicarbonati. Il gap anionico può essere utile per discriminare queste due condizioni. Nel caso in cui si accumulino nel sangue acido forti, questi si dissoceranno in H+ e anione; lo ione H+ viene neutralizzato dal bicarbonato, il quale diminuisce, determinando un aumento del gap anionico. Nel caso in cui si abbia, invece, una acidosi metabolica per perdita di bicarbonati, per mantenere l’elettroneutralità è necessario che il rene risparmicloro: pertanto si avrà una riduzione del bicarbonato ed un aumento del cloro, senza che il gap anionico subisca variazioni.