Respiratorische Anpassungen in Gesundheit und Krankheit: Berechnung des alveolären Sauerstoffs & des A-a O2-Gradienten

Vorhin habe ich Ihnen eine sehr schön aussehende Gleichung vorgestellt, die leider eine „unlösbare“ Gleichung ist:

Alveolärer O2 (PAO2) = Inspirierter Sauerstoff – verbrauchter Sauerstoff

Diese Gleichung macht Sinn – die Menge an Sauerstoff, die sich in den Alveolen befindet, wird dadurch bestimmt, wie viel Sauerstoff ich aufnehme minus der Menge an Sauerstoff, die von meinem Gewebe verbraucht wird. Diese Gleichung macht sogar so viel Sinn, dass man in der Klinik manchmal die Gleichung lösen muss, um herauszufinden, was in der Lunge passiert. Röntgenbilder und CAT-Scans sagen zwar viel über die Struktur der Lunge aus, aber wir können nur ableiten, was funktionell passiert. Ausgehend von dieser Gleichung (und unter Verwendung leicht verfügbarer Zahlen, die sogar von einem sehr kranken Patienten relativ einfach zu erhalten sind), können Sie beginnen, einige Rückschlüsse auf die Lungenfunktion zu ziehen. Die folgende Animation arbeitet dasselbe Material durch wie der Text.

Zunächst muss ich etwas tun, um die Gleichung lösbar zu machen – schließlich habe ich den Absatz damit begonnen, Ihnen zu sagen, dass sie unlösbar ist!

Alveolengängiger O2 (PAO2) = Eingeatmeter Sauerstoff – verbrauchter Sauerstoff

Fangen wir mit dem eingeatmeten Sauerstoff an – das erste, was ich Ihnen sage, ist, dass der „richtige“ Begriff für diese Variable der „eingeatmete Sauerstoffpartialdruck“ ist und wir das als PiO2 abkürzen:

PAO2 = PIO2 – verbrauchter Sauerstoff

Nun – wie berechnen wir den PiO2? Da wir die Luft aus der Atmosphäre beziehen, müssen wir die atmosphärische Zahl verwenden – wir beginnen also mit dem atmosphärischen Druck (der auf Meereshöhe 760 mm Hg beträgt). Wenn wir jedoch die Luft einatmen, wird der Luft Wasser hinzugefügt, bevor sie die Alveolen erreicht – wir müssen also den Wasserdampf berücksichtigen, der durch die Atemwege hinzugefügt wurde. Wir berücksichtigen dies, indem wir den Wasserdampfdruck (den Partialdruck des hinzugefügten Wassers) vom gesamten atmosphärischen Druck subtrahieren. Glücklicherweise brauchen Sie dafür nur eine Zahl zu kennen: Bei Körpertemperatur beträgt der Wasserdampfdruck 47 mm Hg, so dass unsere Berechnung (die noch nicht vollständig ist) folgendermaßen aussieht:

P(atm) – PH20

(760 mm Hg – 47 mmHg)

713 mm Hg

Nun – Sauerstoff macht, abgesehen vom Wasserdampfdruck, nicht die ganze Luft aus – er macht nur 21% der Luft aus, die wir einatmen, also müssen wir an dieser Stelle einen weiteren Schritt machen – wir müssen herausfinden, wie viel Sauerstoff vorhanden ist:

PiO2= (Patm – 47 mm Hg)x FiO2
(Übersetzung: FiO2 ist der Anteil des eingeatmeten Sauerstoffs (der 21% oder 0,21 beträgt, wenn wir Raumluft atmen)
PiO2= (Patm – 47 mm Hg)0,21
= 713 x 0,21
= 149,7 mm Hg

So haben wir herausgefunden, wie viel Sauerstoff eingeatmet wird – die zweite Hälfte der Gleichung fordert uns auf, herauszufinden, wie viel Sauerstoff entzogen wird, aber das tut sie auf indirekte Weise. In der Tat ist es so indirekt, dass wir das leicht gemessene CO2 (das ist kein Tippfehler) verwenden, um den Sauerstoffverbrauch zu schätzen. Wenn Sie sich an die Vorlesung über den Gasaustausch erinnern, habe ich Ihnen gesagt, dass der Sauerstoff- und der Kohlendioxidaustausch in der Lunge unabhängig voneinander sind. Nun, es gibt einen Ort, an dem sie miteinander verbunden sind – und das ist im Gewebe, wo Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid durch den Stoffwechsel produziert wird. In der Tat sind sie im Gewebe so miteinander verbunden, dass es eine sehr schöne mathematische Beziehung zwischen Sauerstoff und Kohlendioxid gibt. Diese mathematische Beziehung wird als respiratorischer Quotient (RQ) bezeichnet und ist definiert als die Menge des produzierten CO2 geteilt durch den Sauerstoffverbrauch:

RQ = V(Punkt)CO2/V(Punkt)O2

Das Schöne an dieser mathematischen Beziehung ist, dass man eigentlich gar nicht rechnen muss, um sie zu lösen (die beste Art von Mathe-Gleichung!). Das liegt daran, dass es für uns Menschen nur drei Antwortmöglichkeiten gibt, weil es nur ein paar verschiedene Brennstoffquellen gibt, die wir verwenden (und daher nur drei mögliche Antworten, die Sie sich leicht merken können). Unsere beiden Optionen für den Brennstoff sind Glukose und Fettsäuren. Wenn unsere Zellen ausschließlich Glukose zur Energiegewinnung nutzen, entsteht für jeden verbrannten Sauerstoff 1 Molekül Kohlendioxid, der RQ ist also 1. Effizienter sind wir, wenn wir freie Fettsäuren zur Energiegewinnung nutzen – für je 10 verbrauchte Sauerstoffmoleküle entstehen nur 7 Kohlendioxide, was zu einem RQ von 0,7 führt.

Die ganz Schnellen unter Ihnen bemerken jetzt, dass ich Ihnen nur zwei mögliche Antworten gegeben habe. Die dritte mögliche Antwort ergibt sich aus der Tatsache, dass unsere Zellen, abgesehen von ganz bestimmten Umständen (über die ich Ihnen etwas erzählen müsste), zu diesem Zeitpunkt eine Mischung aus Gluose und freien Fettsäuren verwenden. Wenn wir das tun, wurde der RQ mit 0,8 bestimmt (8 produziertes Kohlendioxid für jeden verbrauchten Sauerstoff).

Um die letzten beiden Absätze zusammenzufassen:

Wenn wir hauptsächlich Glukose verbrennen würden, wäre der RQ 1,0
wenn wir Fette verbrennen würden, wäre der RQ 0,7
Da wir normalerweise eine Mischung von Brennstoffen verbrennen, liegt der gemessene RQ normalerweise nahe 0.8

Für diejenigen unter Ihnen, die sich fragen, wie ich Ihnen anzeigen würde, welchen RQ Sie verwenden sollen, kann ich es leicht zusammenfassen:

Zurück zu unserer Gleichung: Wir können zwar den O2-Verbrauch (den V(dot)O2) messen, aber bei einem schwerkranken Patienten ist das nicht erwünscht. Stattdessen werden wir den respiratorischen Quotienten, einige einfache Berechnungen und ein wichtiges Detail über Kohlendioxid verwenden, um dies herauszufinden. Das wichtigste Detail über Kohlendioxid, das für uns hier wichtig ist, ist die Tatsache, dass das gesamte in unserem Blut gelöste CO2 das Ergebnis des zellulären Stoffwechsels ist – wir atmen nichts ein (oder genug, um uns in dieser Situation Sorgen zu machen). Daher können wir das PaCO2 (die arterielle Konzentration von Kohlendioxid) messen und es in die Gleichung für RQ als Schätzung der Kohlendioxidproduktion einsetzen. Wir stellen dann die Gleichung um, um herauszufinden, wie hoch unser Sauerstoffverbrauch sein muss, um so viel Kohlendioxid zu produzieren:

RQ = /

Schritt 1: Wir setzen das PaCO2 für V(Punkt)CO2 ein:
RQ = PaCO2/

Schritt 2: Wir stellen die Gleichung um, um V(Punkt)O2 dort zu erhalten, wo wir es haben wollen:
V(Punkt)O2 (verbrauchter Sauerstoff) = PaCO2/RQ

Schritt 3: Wir setzen dies in die Alveolargasgleichung ein:
PAO2 = PIO2 – verbrauchter Sauerstoff
PAO2 = PIO2 –

Bei Verwendung der folgenden Werte:
PaCO2 = 40 mm Hg (der Normalwert)
RQ = 0,8 (basierend auf der Annahme, dass wir eine Mischung von Stoffwechselbrennstoffen verwenden)

Das wird:

PAO2 = PIO2 –

= PIO2 –

Wir hatten zuvor herausgefunden, dass der PIO2 149,7 mm Hg beträgt, also wird die Gleichung nun:

PAO2 = 149,7-

PAO2 = 99,7 mm Hg

Der alveolär-arterielle O2-Gradient (A-a O2-Gradient)

Nun, wenn Sie vernünftig sind, fragen Sie sich, warum ich Sie durch diese große, lange Berechnung geschleppt habe… denn obwohl es schön ist, zu wissen, wie hoch der alveoläre Sauerstoffpartialdruck ist, erscheint es wahrscheinlich im Moment nicht sehr nützlich. Das liegt daran, dass wir noch einen weiteren (glücklicherweise einfachen) Schritt durchlaufen müssen.

Wie wir in der Gasaustausch-Vorlesung besprochen haben, besteht der ganze Sinn der Alveole darin, das Blut und die Luft so zusammenzubringen, dass der alveoläre Sauerstoff und der arterielle Sauerstoff miteinander ins Gleichgewicht kommen. Mit anderen Worten: In einer idealen Welt sollte der PAO2 gleich dem PaO2 sein. Wenn es einen großen Unterschied zwischen dem PAO2 und dem PaO2 gibt, gibt es ein Problem mit dem Gasaustausch.

So, nun zu ein paar einfachen Rechenaufgaben:

A-a O2-Gradient = PAO2 – PaO2

Schritt 1: Ermitteln Sie den PAO2 aus der Alveolargasgleichung:
A-a O2-Gradient = 99.7 mm Hg – PaO2

Schritt 2: Ermitteln Sie das PaO2 aus den arteriellen Blutgasen:
A-a O2-Gradient = 99,7 mm Hg- 96 mmHg
= 3,7 mm Hg

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, einen normalen Wert für den A-a O2-Gradienten zu erhalten. Für einen Physiologen ist ein normaler A-a-Wert von 0 mm Hg schön, aber wir müssen Dinge tun, die WIRKLICH invasiv sind, um diesen Wert zu erhalten, also ist das klinisch NICHT der normale Wert. Ein üblicher Normalbereich ist 8 + (20% des Alters des Patienten). Andere Kliniker halten <12 mm Hg für normal. In jedem Fall zeigt die eben errechnete Zahl an, dass der Gasaustausch normal verläuft.

Wäre die Zahl hoch, würde dies darauf hinweisen, dass der Gasaustausch durch einen Krankheitsprozess beeinträchtigt ist. Diese Berechnungen sind sehr nützlich, um zwischen einer Hypoxie aufgrund eines alveolären Prozesses und einer Hypoxie, die durch Hypoventilation (unzureichende Atmungsanstrengungen) entsteht, zu unterscheiden – im letzteren Fall liegt der Gradient im normalen Bereich. Da der normale physiologische Wert 0 ist, gibt es keine klinische Entität, die mit einem NIEDRIGEN A-a O2-Wert verbunden ist.