Co-Ox oder nicht Co-Ox

Geschichte

Die Untersuchung der Sauerstoffsättigung des Blutes hat ihre Wurzeln in den frühen Heißluft- und Wasserstoffballonfahrten, die in den 1800er Jahren in Frankreich durchgeführt wurden. Die Ballonbesatzungen bemerkten schlechte Auswirkungen, wenn ihre Ballons über 7.000 Meter aufstiegen.

Am 15. April 1875 stieg der Ballon Zenith mit einer dreiköpfigen Besatzung bis auf eine Höhe von 8.600 Metern auf. Ohne Vorwarnung wurden ihre Arme und Beine gelähmt und zwei von ihnen kamen ums Leben. Die Tragödie wurde als nationale Katastrophe angesehen, und man gedachte ihrer als „Märtyrer der Wissenschaft auf der Suche nach der Wahrheit“.

Die Ursache der Katastrophe wurde 1878 durch die Veröffentlichung von La Pression Barometrique des französischen Wissenschaftlers Paul Bert aufgedeckt. In diesem Buch wurden die physiologischen Symptome von Tieren und Menschen beschrieben, die einem niedrigen Luftdruck ausgesetzt waren.

Es war Bert, der erstmals einfache Kurven veröffentlichte, die das Verhältnis zwischen dem Sauerstoffpartialdruck in der Luft und dem Sauerstoffgehalt im Blut darstellen. Dies war die erste In-vivo-Dissoziationskurve. Bert war auch der erste, der nachwies, dass das Blut mehr Sauerstoff aufnimmt, wenn die Temperatur sinkt.

Im Jahr 1885 veröffentlichte Christian Bohr aus Kopenhagen eine verfeinerte Dissoziationskurve für eine Hämoglobinlösung (nicht Vollblut), die wie eine Hyperbel aussah. Im Jahr 1903 entdeckte Bohr die s-förmige Dissoziationskurve für Vollblut (Abb. 1).

Im folgenden Jahr wiesen Bohr und Kollegen nach, dass die Lage der Dissoziationskurve von der Menge an Kohlendioxid im Blut beeinflusst wird.

1910 machte Joseph Barcroft aus Cambridge die Entdeckung, dass die Dissoziation von Oxyhämoglobin durch den pH-Wert, die Ionenstärke und die Temperatur beeinflusst wird (Barcrofts Gruppe entdeckte auch die erhöhte Sauerstoffaffinität von fötalem Hämoglobin viel später, in den 1930er Jahren). Diese Entdeckungen wurden für die Untersuchung der Atmungsphysiologie von entscheidender Bedeutung.

Eine mathematische Beschreibung der Oxyhämoglobin-Dissoziationskurve wurde erstmals 1910 von Archibald Hill vorgeschlagen. Damals war jedoch das Molekulargewicht von Hämoglobin noch nicht bekannt, und es gab unterschiedliche Meinungen darüber, wie die Gleichung zu interpretieren sei. Erst 1979 schlug John Severinghaus eine modifizierte Gleichung vor, die besser zu den experimentellen Daten passte:

sO2 = ( +1)-1

Abb. 1. Sauerstoff-Hämoglobin-Dissoziationskurve und Faktoren, die die Kurve nach rechts oder links verschieben. 2,3-DPG ist 2,3-Diphosphoglycerat, eine organische Verbindung, die normalerweise in Erythrozyten vorkommt, sich an Hämoglobin bindet und dazu neigt, die Affinität von Hämoglobin für Sauerstoff zu verringern.

Wie man die Sauerstoffsättigung misst

Es gibt zwei grundlegende Methoden zur Messung der Sauerstoffsättigung von Hämoglobin im Blut: (1) gasometrisch und (2) spektrophotometrisch.

Gasometrische Methoden beruhen auf der Freisetzung, Reaktion und ausgewählten Reabsorption von Gasen in einem geschlossenen System. Die Standardgasgesetze werden verwendet, um die Gasdrücke mit dem Sauerstoffanteil in Beziehung zu setzen. Das klassische gasometrische Verfahren wird als Van-Slyke-Methode bezeichnet. Die Entwicklung spektralphotometrischer Methoden geht auf Isaac Newtons Studien über das Licht in den 1600er Jahren zurück.

Die Arbeiten von Lambert (1760) und Beer (1852) führten zum Beer-Lambert-Gesetz, das die Transmission/Absorption von Licht als logarithmische Funktion der Konzentration der absorbierenden Moleküle in Lösungen beschreibt.

Die ersten spektrophotometrischen Messungen von Blut wurden in den 1930er Jahren durchgeführt. In den 1950er Jahren wurde ein Spektralphotometer zur Messung von Hämoglobin und dessen Derivaten eingesetzt. Spezielle Geräte zur Messung der Sauerstoffsättigung wurden in den 1960er Jahren entwickelt. Die Verwendung von Ohr-Oximetern zur kontinuierlichen Bestimmung der arteriellen Sättigung geht auf Luftfahrtstudien in Deutschland und Amerika während des Zweiten Weltkriegs zurück. Der weit verbreitete Einsatz von Pulsoximetern entwickelte sich in den 1980er Jahren.

Ein Oximeter (häufig als CO-Oximeter bezeichnet, der Name des ersten kommerziell verbreiteten Geräts von Instrumentation Laboratories) besteht aus einer Hämolyzer-Einheit, einer Fotolampe, einem Linsensystem und Fotodioden zur Messung.

Durch Erhitzen der Blutprobe auf 37 °C und Hämolyse mit hochfrequenten Schwingungen entsteht eine durchsichtige Lösung. Unvollständig hämolysierte rote Blutkörperchen können Licht streuen und Messfehler verursachen (es gibt einige Hämoximeter auf dem Markt, die die Probe nicht hämolysieren).

Das Licht der Lampe wird gefiltert und fokussiert, um die Blutprobe zu durchdringen. Das durchgelassene Licht wird dann durch ein Beugungsgitter gebündelt, das das Licht in ein kontinuierliches Spektrum zerlegt.

Eine Maske wählt dann die spezifischen Wellenlängen für die Messung aus. Diese einzelnen Wellenlängen werden auf Fotodioden gerichtet, die elektrische Ströme proportional zu den Lichtintensitäten erzeugen.

Die Lichtintensitäten sind abhängig von der Lichtmenge, die von den verschiedenen Konzentrationen und Arten von Hämoglobin absorbiert wird. Sobald die Konzentrationen der verschiedenen Hämoglobinarten bekannt sind, kann die Sättigung mit Hilfe der nachstehenden Gleichungen berechnet werden.

Die Konzentration des Gesamthämoglobins

ctHb ist die Konzentration (c) des Gesamthämoglobins (tHb) im Blut. Das Gesamthämoglobin umfasst im Prinzip alle Arten von Hämoglobin:

• Hämoglobin (HbA) – normales erwachsenes Hämoglobin ist ein komplexes Protein, das Eisen enthält und in der Lage ist, Sauerstoff im Blut zu transportieren.
• Deoxyhämoglobin (HHb) – nicht sauerstoffhaltiges (früher als „reduziertes“) Hämoglobin.
• Oxyhämoglobin (O2Hb) – sauerstoffhaltiges Hämoglobin, das vier Sauerstoffmoleküle pro Hämoglobinmolekül enthält.
• Carboxyhämoglobin (COHb) – Hämoglobin, das an Kohlenmonoxid gebunden ist, eine Bindung, die etwa 210-mal stärker ist als die Affinität zwischen Sauerstoff und Hämoglobin; verhindert den normalen Transfer von Sauerstoff und Kohlendioxid im Blut.
• Metahämoglobin (MetHb) – Hämoglobinmolekül, dessen Eisen im oxidierten, eisenhaltigen Zustand vorliegt; unbrauchbar für die Atmung; wird im Blut nach Vergiftungen mit Acetanilid, Kaliumchlorat und anderen Substanzen gefunden.
• Schwefelhämoglobin – Hämoglobin in Verbindung mit Schwefel. Das sehr seltene und nicht sauerstofftragende Sulfhämoglobin ist nicht im angegebenen ctHb enthalten.
• Fetales Hämoglobin (HbF) – der Haupttyp des Hämoglobins im sich entwickelnden Fötus. Die Sauerstoffdissoziationskurve für fetales Hämoglobin ist im Vergleich zu erwachsenem Hämoglobin nach links verschoben.

Die Konzentration des gesamten Hämoglobins kann wie folgt ausgedrückt werden:

ctHb = cO2Hb + cHHb + cCOHb + cMetHb

Das systematische Symbol für arterielles Blut ist ctHb(a). Das Analysesymbol kann tHb oder ctHb sein.

Referenzbereiche

ctHb(a) Referenzbereich (Erwachsene):

• Männlich: 8,4-10,9 mmol/L (13,5-17,5 g/dL)
• Weiblich: 7,4-9,9 mmol/L (12,0-16.0 g/dL)

Sauerstoffsättigung

Definition
sO2 ist die Sauerstoffsättigung (manchmal auch funktionelle Sättigung genannt) und ist definiert als das Verhältnis zwischen den Konzentrationen von O2Hb und HHb + O2Hb:

sO2, wie oben definiert, zeigt sofort, ob mehr Sauerstoff durch Hämoglobin transportiert werden kann – oder ob eine Erhöhung von pO2 nur den physikalisch gelösten Sauerstoff erhöht.

Das systematische Symbol für arterielles Blut ist sO2(a). Das Analysesymbol kann sO2 sein.

Referenzbereiche
sO2(a) Normalbereich (Erwachsener): 95-99 %

Hämoglobinanteil am Gesamthämoglobin (fraktioniertes Oxyhämoglobin)

Definition
FO2Hb ist definiert als das Verhältnis zwischen den Konzentrationen von O2Hb und tHb (cO2Hb/ctHb). Es wird wie folgt berechnet:

Das systematische Symbol für arterielles Blut ist FO2Hb(a).
Das Analysesymbol kann O2Hb oder FO2Hb sein.

Referenzbereiche
FO2Hb(a) Referenzbereich (Erwachsener): 94-98 %

Sauerstoffspannung bei 50 % Sättigung des Blutes

Definition
p50 ist die Sauerstoffspannung bei halber Sättigung (50 %) des Blutes und wird aus der gemessenen Sauerstoffspannung und Sauerstoffsättigung durch Extrapolation entlang der Sauerstoffdissoziationskurve auf 50 % Sättigung berechnet. Das systematische Symbol für den aus arteriellem Blut bestimmten p50 ist p50(a). Das Symbol des Analysegerätes kann p50(act) oder p50 sein.
Referenzbereiche
p50(a) Referenzbereich (Erwachsener): 24-28 mmHg (3,2-3,8 kPa)

Gemessene Sättigung

Ein Oximeter ist ein Spektralphotometer zur Messung der Sauerstoffsättigung im Blut. Jede Art von Hämoglobinmolekülen (d.h. HHb, O2Hb, COHb und MetHb) hat ihr eigenes Lichtabsorptionsspektrum.

Oximeter enthalten Lichtquellen mit ausgewählten Wellenlängen, die den Absorptionsspektren der zu messenden Hämoglobinmoleküle entsprechen. So muss ein einfaches Oximeter, das sO2 messen kann, die Absorption bei nur zwei Wellenlängen bestimmen, eine für HHb und eine für O2Hb.

Impulsoximeter verwenden zwei Wellenlängen, die durch die Haut übertragen werden können (z. B., Finger oder Zeh) übertragen werden können, was eine nicht-invasive Überwachung der Sättigung ermöglicht.

Oximeter mit zwei Wellenlängen können jedoch irreführende Schätzungen des Sauerstoffgehalts des Blutes bei Vorhandensein von erhöhten COHb- und MetHb-Werten liefern.

Um FO2Hb zu erhalten, muss ein Oximeter mindestens vier Wellenlängen verwenden (jeweils eine für HHb, O2Hb, COHb und MetHb). Derzeit erfordern solche Oximeter (die zur Unterscheidung von Pulsoximetern manchmal Hämoximeter genannt werden) Blutproben des Patienten.

Die Beziehung zwischen FO2Hb und sO2 ist:

FO2Hb = sO2 × (1 – FCOHb – FMetHb)

Es ist wichtig zu wissen, dass die „Sauerstoffsättigung“, wie sie von Pulsoximetern gemessen wird, nicht FO2Hb, sondern sO2 ist. Die oben angegebene Gleichung drückt die Beziehung zwischen FO2Hb und sO2 aus.

Wenn also keine abnormen Hämoglobine (Dyshämoglobine) vorhanden sind, entspricht der Anteil des sauerstoffhaltigen Hämoglobins der Sauerstoffsättigung, ausgedrückt als Bruchteil. Der Unterschied zwischen den beiden Werten ist im folgenden Beispiel zu sehen. Beachten Sie, dass dies in erster Linie nützlich ist, wenn es im Zusammenhang mit ctHb verwendet wird.

• ctHb = 10 mmol/L
• cHHb = 0,2 mmol/L
• cCOHb = 3 mmol/L ~ 30 %
• cO2Hb = 6,8 mmol/L

Berechnete Sättigung

Die meisten Blutgasanalysatoren ohne CO-Oximeter bieten eine Anzeige für die Sättigung.

Dabei wird der Wert jedoch nicht gemessen, sondern berechnet. Die Berechnung ist komplex und berücksichtigt die verschiedenen Faktoren, die die Form der Oxyhämoglobin-Dissoziationskurve beeinflussen können. Die mathematische Beschreibung und die darin enthaltenen Variablen variieren für verschiedene Marken von Analysegeräten.

Klinisch bedeutsame Fehler können sich aus der Verwendung des geschätzten sO2 in anderen Berechnungen ergeben, z. B. für die Shuntfraktion und den Sauerstoffgehalt.

Es wird davon abgeraten, eine Schätzung des sO2 aus einer Messung des pO2 und umgekehrt unter Verwendung einer Standard-ODC vorzunehmen. Die Konsequenzen daraus sind aus Abb. 2 ersichtlich, die auf der Messung von 10.179 Blutproben beruht.

Dabei zeigt sich, dass bei einem sO2 von 90 % der entsprechende pO2 von 29-137 mmHg (4-18 kPa) liegt und ein pO2 von 60 mmHg (8 kPa) einem sO2 von 70 bis 99 % entspricht.

Insgesamt ist der sO2 am zuverlässigsten durch die Messung mit einem CO-Oximeter. Dies hat auch den Vorteil, dass FO2Hb, FCOHb und FMetHb ebenfalls angegeben werden können.

Abb. 2. Diagramm der Blutsättigungsmessungen, das eine schlechte Korrelation mit dem Sauerstoffpartialdruck im Blut zeigt.

Klinische Anwendung

Der Sauerstoffgehalt ist ein wichtiger Indikator für den Sauerstofftransport im Körper. Der Sauerstofftransport des arteriellen Blutes wird verwendet, um die Fähigkeit des Sauerstofftransports von der Lunge zum Gewebe zu beurteilen. Der Sauerstofftransport, definiert als die Menge an Sauerstoff, die pro Liter arteriellen Blutes transportiert wird, hängt in erster Linie ab von:

• Gesamtgehalt an Sauerstoff im arteriellen Blut, ctO2 – dem Schlüsselparameter für die Bewertung des Sauerstofftransports
• der Konzentration des Hämoglobins im Blut (ctHb)
• der Konzentration der Dyshämoglobine (cCOHb und cMetHb)
• der arteriellen Sauerstoffspannung (pO2)
• der arteriellen Sauerstoffsättigung (sO2), die wiederum durch pO2 und p50 bestimmt wird

Die Sauerstoffsättigung ist also nicht der einzige Indikator für den Sauerstofftransport. Das Vorhandensein von Dyshämoglobinen und/oder eine niedrige Hämoglobinkonzentration kann die Sauerstofftransportkapazität des arteriellen Blutes stark einschränken.

Schlussfolgerung

Für viele Zwecke ist der sO2-Wert (entweder mit einem Pulsoximeter gemessen oder mit einem Blutgasanalysator berechnet) ausreichend, um klinische Entscheidungen zu treffen. Bei sachgemäßer Anwendung kann die Pulsoximetrie Vorteile wie kontinuierliche Überwachung, geringere Kosten und weniger Blutverlust (wichtig bei der Versorgung von Neugeborenen) bieten.

Bei Verdacht auf eine Vergiftung durch Kohlenmonoxid oder andere Substanzen, die das Hämoglobin beeinträchtigen können, ist jedoch die Messung des FO2Hb mit einem Hämoximeter erforderlich.

Klinische Leitlinien für den Einsatz von Pulsoximetern und Hämoximetern sind bei der American Association for Respiratory Care erhältlich. Entsprechende Empfehlungen wurden vom National Committee for Laboratory Standards veröffentlicht.