To co-ox or not to co-ox

Historie

Studiul saturației oxigenului în sânge își are rădăcinile în primele zboruri cu baloane cu aer cald și hidrogen efectuate în Franța în anii 1800. Echipajele baloanelor au observat efecte nocive atunci când baloanele lor se ridicau la peste 7.000 de metri.

La 15 aprilie 1875, balonul Zenith a urcat la o altitudine de 8.600 de metri cu un echipaj de trei persoane. Fără avertisment, brațele și picioarele acestora au fost paralizate, iar doi dintre ei au pierit. Tragedia a fost considerată o catastrofă națională și au fost comemorați ca „martiri ai științei în căutarea adevărului”.

Cauza catastrofei a fost dezvăluită în 1878, în urma publicării lucrării La Pression Barometrique a savantului francez Paul Bert. Această carte trecea în revistă simptomele fiziologice ale animalelor și oamenilor supuși la presiuni barometrice scăzute.

Bert a fost cel care a publicat pentru prima dată curbe simple reprezentând relația dintre presiunea parțială a oxigenului din aer și conținutul de oxigen din sânge. Aceasta a fost prima curbă de disociere in vivo. Bert a fost, de asemenea, primul care a demonstrat că sângele ar absorbi mai mult oxigen atunci când temperatura scade.

În 1885, Christian Bohr din Copenhaga a publicat o curbă de disociere mai rafinată pentru o soluție de hemoglobină (nu pentru sângele întreg) care arăta ca o hiperbolă. În 1903, Bohr a descoperit curba de disociere în formă de s pentru sângele întreg (Fig. 1).

În anul următor, Bohr și colegii săi au demonstrat că poziția curbei de disociere era influențată de cantitatea de dioxid de carbon din sânge.

Până în 1910, Joseph Barcroft de la Cambridge a făcut descoperirea că disocierea oxihemoglobinei era influențată de pH, puterea ionică și temperatură (grupul lui Barcroft a descoperit, de asemenea, afinitatea crescută pentru oxigen a hemoglobinei fetale mult mai târziu, în anii 1930). Aceste descoperiri au devenit esențiale în studiul fiziologiei respirației.

O descriere matematică a curbei de disociere a oxihemoglobinei a fost sugerată pentru prima dată de Archibald Hill în 1910. Cu toate acestea, la acel moment nu se cunoștea greutatea moleculară a hemoglobinei și existau opinii diferite cu privire la modul în care ar trebui interpretată ecuația. Abia în 1979, John Severinghaus a sugerat o ecuație modificată care se potrivește mai bine cu datele experimentale:

sO2 = ( +1)-1

FIG. 1. Curba de disociere oxigen-hemoglobină și factorii care deplasează curba spre dreapta sau spre stânga. 2,3-DPG este 2,3-difosfoglicerat, un compus organic prezent în mod normal în eritrocite, care se leagă de hemoglobină și tinde să reducă afinitatea hemoglobinei pentru oxigen.

Cum se măsoară saturația oxigenului

Există două modalități de bază de măsurare a saturației oxigenului în sânge a hemoglobinei: (1) pe cale gazometrică și (2) pe cale spectrofotometrică.

Metodele gazometrice se bazează pe eliberarea, reacția și reabsorbția selectivă a gazelor într-un sistem închis. Legile standard ale gazelor sunt folosite pentru a relaționa presiunile gazelor cu fracția de oxigen. Procedura gazometrică clasică se numește metoda Van Slyke . Dezvoltarea metodelor spectrofotometrice datează de la studiile lui Isaac Newton asupra luminii din anii 1600.

Lucrările lui Lambert (1760) și Beer (1852) au avut ca rezultat legea Beer-Lambert care descrie transmisia/absorbția luminii ca o funcție logaritmică a concentrației moleculelor absorbante din soluții .

Primele măsurători spectrofotometrice ale sângelui au fost efectuate în anii 1930. În anii 1950, un spectrofotometru a fost utilizat pentru măsurarea hemoglobinei și a derivaților acesteia. În anii 1960 a fost dezvoltat un instrumentar specific pentru măsurarea saturației oxigenului. Utilizarea oximetrelor auriculare pentru estimări continue ale saturației arteriale a apărut în urma unor studii de aviație, atât în Germania, cât și în America, în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Utilizarea pe scară largă a pulsoximetrelor s-a dezvoltat în anii 1980.

Un oximetru (numit frecvent CO-Oximetru, numele primului dispozitiv popular în comerț realizat de Instrumentation Laboratories) este format dintr-o unitate hemolizoare, o lampă foto, un sistem de lentile și fotodiode de detecție.

Încălzirea probei de sânge la 37 °C și hemolizarea acesteia cu vibrații de înaltă frecvență produc o soluție translucidă. Globulele roșii incomplet hemolizate pot împrăștia lumina și pot introduce erori de măsurare (există pe piață unele hemoximetre care nu hemolizează proba).

Lumina de la lampă este filtrată și focalizată pentru a trece prin proba de sânge. Lumina transmisă este apoi focalizată printr-o rețea de difracție care separă lumina într-un spectru continuu.

O mască selectează apoi lungimile de undă specifice utilizate pentru măsurare. Aceste lungimi de undă individuale sunt dirijate pe fotodiode care produc curenți electrici proporționali cu intensitățile luminii.

Intensitățile luminoase sunt dependente de cantitatea de lumină absorbită de diferitele concentrații și tipuri de hemoglobină. Odată ce concentrațiile diferitelor tipuri de hemoglobină sunt cunoscute, saturația poate fi calculată cu ajutorul ecuațiilor prezentate mai jos.

Concentrația hemoglobinei totale

ctHb este concentrația (c) de hemoglobină totală (tHb) în sânge. Hemoglobina totală, în principiu, include toate tipurile de hemoglobină:

• Hemoglobina (HbA) – hemoglobina adultului normal este o proteină complexă care conține fier și este capabilă să transporte oxigenul în sânge.
• Deoxihemoglobina (HHb) – hemoglobina neoxigenată (denumită anterior „redusă”).
• Oxihemoglobina (O2Hb) – hemoglobina oxigenată, care conține patru molecule de oxigen per moleculă de hemoglobină.
• Carboxihemoglobină (COHb) – hemoglobină legată de monoxidul de carbon, o legătură de aproximativ 210 ori mai puternică decât afinitatea oxigen-hemoglobină; împiedică transferul normal de oxigen și dioxid de carbon în sânge.
• Methemoglobină (MetHb) – moleculă de hemoglobină al cărei fier se află în stare oxidată, ferică; inutilă pentru respirație; se găsește în sânge după otrăvirea cu acetanilidă, clorat de potasiu și alte substanțe.
• Sulfhemoglobină – hemoglobină în combinație cu sulf. Sulfhemoglobina, foarte rară și care nu transportă oxigen, nu este inclusă în ctHb raportată.
• Hemoglobina fetală (HbF) – principalul tip de hemoglobină în dezvoltarea fătului. Curba de disociere a oxigenului pentru hemoglobina fetală este deplasată spre stânga în comparație cu hemoglobina adultă.

Concentrația de hemoglobină totală poate fi exprimată astfel:

ctHb = cO2Hb + cHHb + cCOHb + cMetHb

Simbolul sistematic pentru sângele arterial este ctHb(a). Simbolul analizatorului poate fi tHb sau ctHb.

Intervale de referință

Intervalul de referință al ctHb(a) (adult):

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

Saturația oxigenului

Definiție
sO2 este saturația oxigenului (uneori numită saturație funcțională) și este definită ca fiind raportul dintre concentrațiile de O2Hb și HHb + O2Hb:

sO2, așa cum a fost definită mai sus, va spune imediat dacă mai mult oxigen poate fi transportat de hemoglobină – sau dacă o creștere a pO2 va crește doar oxigenul dizolvat fizic.

Simbolul sistematic pentru sângele arterial este sO2(a). Simbolul analizatorului poate fi sO2.

Intervale de referință
sO2(a) interval normal (adult): 95-99 %

Fracțiunea hemoglobinei din hemoglobina totală (oxihemoglobina fracționată)

Definiție
FO2Hb se definește ca fiind raportul dintre concentrațiile de O2Hb și tHb (cO2Hb/ctHb). Se calculează după cum urmează:

Simbolul sistematic pentru sângele arterial este FO2Hb(a).
Simbolul analizatorului poate fi O2Hb sau FO2Hb.

Intervale de referință
Intervalul de referință al FO2Hb(a) (adult): 94-98 %

Tensiunea oxigenului la saturația de 50 % a sângelui

Definiție
p50 este tensiunea oxigenului la jumătatea saturației (50 %) a sângelui și se calculează din tensiunea oxigenului măsurată și saturația oxigenului prin extrapolare de-a lungul curbei de disociere a oxigenului până la saturația de 50 %. Simbolul sistematic pentru p50 determinat din sângele arterial este p50(a). Simbolul analizatorului poate fi p50(act) sau p50.
Intervale de referință
intervalul de referință al p50(a) (adult): 24-28 mmHg (3,2-3,8 kPa)

Saturația măsurată

Un oximetru este un spectrofotometru conceput pentru a măsura saturația oxigenului din sânge. Fiecare tip de moleculă de hemoglobină (de exemplu, HHb, O2Hb, COHb și MetHb) are propriul spectru de absorbție a luminii.

Oximetrele conțin surse de lumină la lungimi de undă selectate care corespund spectrelor de absorbție ale moleculelor de hemoglobină care urmează să fie măsurate. Astfel, un oximetru de bază care poate măsura sO2 trebuie să determine absorbția la numai două lungimi de undă, una pentru HHb și una pentru O2Hb.

Oximetrele cu impulsuri utilizează două lungimi de undă care pot fi transmise prin piele (de ex, un deget de la mână sau de la picior), permițând monitorizarea neinvazivă a saturației.

Cu toate acestea, oximetrele cu două lungimi de undă pot oferi estimări înșelătoare ale conținutului de oxigen din sânge în prezența unor niveluri ridicate de COHb și MetHb.

Pentru a obține FO2Hb, un oximetru trebuie să utilizeze cel puțin patru lungimi de undă (câte una pentru HHb, O2Hb, COHb și MetHb). În prezent, astfel de oximetre (numite uneori hemoximetre pentru a le deosebi de pulsoximetre) necesită probe de sânge de la pacient.

Relația dintre FO2Hb și sO2 este:

FO2Hb = sO2 × (1 – FCOHb – FMetHb)

Este important de știut că „saturația de oxigen”‘ măsurată de pulsoximetre nu este FO2Hb, ci sO2. Ecuația dată mai sus exprimă relația dintre FO2Hb și sO2.

Așa, dacă nu sunt prezente hemoglobine anormale (dishemoglobine), fracția de hemoglobină oxigenată este egală cu saturația de oxigen, exprimată ca fracție. Diferența dintre cele două poate fi observată din exemplul de mai jos. Rețineți că aceasta este utilă în primul rând atunci când este utilizată în raport cu ctHb.

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

Saturație calculată

Majoritatea analizoarelor de gaze din sânge fără un CO-oximetru oferă o citire pentru saturație.

Cu toate acestea, valoarea este atunci mai degrabă calculată decât măsurată. Calculul este complex și ia în considerare diverși factori care pot afecta forma curbei de disociere a oxihemoglobinei. Descrierea matematică și variabilele din aceasta variază pentru diferite mărci de analizoare.

Erorile importante din punct de vedere clinic pot rezulta din utilizarea sO2 estimată în alte calcule, cum ar fi cele pentru fracția de șunt și conținutul de oxigen .

Se descurajează efectuarea unei estimări a sO2 pornind de la o măsurare a pO2 și invers, folosind un ODC standard. Consecințele acestui lucru pot fi observate din Fig. 2, care se bazează pe măsurarea a 10 179 de probe de sânge .

Aceasta arată că, la o sO2 de 90 %, pO2 corespunzătoare este cuprinsă între 29-137 mmHg (4-18 kPa), iar o pO2 de 60 mmHg (8 kPa) corespunde unei sO2 de 70 până la 99 %.

În concluzie, cea mai fiabilă sO2 este măsurată cu ajutorul unui CO-oximetru. Aceasta oferă, de asemenea, avantajul că pot fi raportate și FO2Hb, FCOHb și FMetHb.

FIGURA 2. Graficul măsurătorilor de saturație a sângelui care arată o corelație slabă cu presiunea parțială a oxigenului în sânge.

Aplicație clinică

Conținutul de oxigen este un indicator cheie al transportului de oxigen în organism. Transportul de oxigen din sângele arterial este utilizat pentru a evalua capacitatea de transport al oxigenului de la plămâni la țesuturi. Transportul de oxigen, definit ca fiind cantitatea de oxigen care este transportată pe litru de sânge arterial, depinde în principal de:

• Contenutul total de oxigen din sângele arterial, ctO2 – parametrul cheie pentru evaluarea transportului de oxigen
• Concentrația de hemoglobină din sânge (ctHb)
• Concentrația dishemoglobinelor (cCOHb și cMetHb)
• Tensiunea arterială de oxigen (pO2)
• Saturația arterială de oxigen (sO2), care, din nou, este determinată de pO2 și p50

Înseamnă că saturația de oxigen nu este singurul indicator al transportului de oxigen. Prezența dishemoglobinelor și/sau o concentrație scăzută de hemoglobină poate determina reduceri severe ale capacității de transport al oxigenului în sângele arterial.

Concluzie

În multe scopuri, sO2 (măsurată cu ajutorul pulsoximetrului sau calculată cu ajutorul unui analizor de gaze sanguine) este suficientă pentru a lua decizii clinice. Atunci când este aplicată în mod corespunzător, pulsoximetria poate avea ca rezultat avantaje, cum ar fi monitorizarea continuă, costuri reduse și reducerea pierderilor de sânge (important atunci când se îngrijesc nou-născuți).

Cu toate acestea, atunci când se suspectează otrăvirea cu monoxid de carbon sau cu alte substanțe care pot afecta hemoglobina, este necesară FO2Hb, măsurată cu un hemoximetru de banc.

Clinical guidelines for the use of pulse oximeters and hemoximeters are available from the American Association for Respiratory Care . Recomandări conexe au fost publicate de către Comitetul Național pentru Standarde de Laborator .