SOURCES OF ERROR IN INTERPRETATION OF BLOOD GAS ANALYSIS:CURRENT ACID-BASE MODELS OF PLASMA

Introduction. Evaluation of acid base status is an essential tool used by clinicians to guide therapy in a wide range of conditions. Of all biological fluids, in which the acid base equilibrium has been studied, isolated plasma is the best described one. For its evaluation, two main approaches have been developed: One is the traditional bicarbonate centered school based the work of Henderson, Hasselbalch, van Slyke, and Siggaard Andersen. The other is the quantitative physicochemical approach invented by Stewart and further developed by Staempfli and Constable or Figge and Fencl. Each of the mentioned models uses a set of constants for characterizing the behavior of non carbonic buffers (proteins and phosphates) in plasma, the value of which is crucial for precise calculation of derived parameters. The values of the constants used by the Stewart model, i.e., the total weak nonvolatile acid concentration (Atot) and its dissociation constant (pKa), have only been experimentally determined once in a group of 8 healthy volunteers. Our aim was to experimentally determine the value of these constants in healthy volunteers and, for the first time ever, in two populations of critically ill patients. We hypothesized that buffer properties of weak nonvolatile acids are altered by critical illness, a fact that would manifest as a difference in pKa or the conversion factor between Atot and the measured concentration of main non carbonic buffers (albumin or total protein). On top of the described analysis, which is based on the Stewart and Staempfli Constable model of plasma, we aimed to obtain estimates of the constants that characterize non carbonic buffers in the classical and Figge Fencl model of plasma. Methods. Blood was taken from healthy volunteers (N=30), patients after an elective major abdominal surgery (N=27), and patients with sepsis (N=30) at general intensive care units of two medical centers in Czechia and Italy. Using a CO2 tonometer, the partial pressure of carbon dioxide (pCO2) in isolated plasma was manipulated in the range of 2 to 16 kPa (15 to 120 mmHg) while pH, pCO2, and electrolyte concentration were repeatedly measured using a standard blood gas analyzer. The experimental data were used by a nonlinear regression algorithm together with the equations that characterize the mentioned plasma models to determine the constants that characterize the buffer action of non-carbonic buffers in each model. These were then then compared among the study groups and with their previously published estimates. Results. For the Stewart model of plasma, the values determined in healthy volunteers were as follows: Atot = 24.3 ± 1.9 mmol/L (equivalent of 0.510 ± 0.035 mmol/g of albumin or 0.340 ± 0.024 mmol/g of total protein) and pKa = 6.63 ± 0.09. This model turned out to be prone to the confounding effect of unmeasured anions and, hence, inappropriate for postoperative and septic patients. Using the Staempfli Constable model, which only considers the pH dependent charge of plasma buffers and in which the estimation of pKa and Atot is not affected by unmeasured anions, the values obtained in healthy volunteers were as follows: Atot = 16.1 ± 3.4 mmol/ L (equivalent of 0.338 ± 0.073 mmol/g of albumin or 0.225 ± 0.049 mmol/g of total protein) and pKa = 7.55 ± 0.17. Atot was significantly reduced in both patient populations (postoperative: 9.5 ± 4.4 mmol/L, septic: 11.9 ± 4.7 mmol/L), while pKa was not different from healthy controls (postoperative: 7.48 ± 0.25, septic: 7.44 ± 0.36). Atot normalized for total protein concentration did not differ between healthy volunteers and either patient population. Results obtained with other mentioned approaches are also provided. Conclusions. Using the Stewart model, the values of Atot and pKa obtained in healthy volunteers matched their only previous experimentally derived estimates (Atot = 23.3 mmol/L, pKa = 6.64). The analysis performed in healthy volunteers according to the Staempfli Constable model validated the previously published value of Atot (17.2 mmol/L) but showed a difference of 0.45 in pKa (previous estimate: 7.1). This is explained by a simultaneous difference in the amount of fixed charge displayed by non carbonic buffers, so that, in the pH region of interest, our titration curve practically overlaps with the curve constructed using the previously published parameters. The absence of differences between the study groups in both Atot normalized to total protein concentration and pKa (determined according to the Staempfli Constable model) indicates that neither critical illness per se nor the presence of sepsis alters the structure of non carbonic buffers to an extent that would measurably affect their buffer action.

Introduzione. La valutazione dell’equilibrio acido-base è uno strumento essenziale, utilizzato dai medici per guidare la terapia in un'ampia gamma di condizioni cliniche. Tra i vari fluidi biologici di cui è stato studiato l'equilibrio acido-base, il plasma isolato è quello meglio descritto. Per la sua valutazione sono stati sviluppati due approcci principali: uno è quello della scuola tradizionale, incentrato sul bicarbonato e basato sul lavoro di Henderson, Hasselbalch, van Slyke e Siggaard Andersen; l’altro è l'approccio fisico-chimico quantitativo, inventato da Stewart e ulteriormente sviluppato da Staempfli e Constable o da Figge e Fencl. Ciascuno dei modelli citati utilizza una serie di costanti per caratterizzare il comportamento dei tamponi non carbonici nel plasma (proteine e fosfati), il cui valore è fondamentale per poter effettuare un calcolo preciso dei parametri derivati. I valori delle costanti utilizzate dal modello di Stewart, cioè la concentrazione totale di acidi deboli non volatili (Atot) e la loro costante di dissociazione (pKa), derivano da un unico studio sperimentale eseguito su un gruppo di 8 volontari sani. Il nostro obiettivo era quello di determinare sperimentalmente il valore di queste costanti in volontari sani e, per la prima volta, in due popolazioni di pazienti critici. Abbiamo ipotizzato che le proprietà tampone degli acidi deboli non volatili siano alterate dalla malattia critica; ciò si manifesterebbe come una differenza nella pKa o nel fattore di conversione tra gli Atot e la concentrazione misurata dei principali tamponi non carbonici (albumina o proteine totali). Oltre all'analisi descritta, che si basa sul modello plasmatico di Stewart e Staempfli-Constable, abbiamo cercato di ottenere stime delle costanti che caratterizzano i tamponi non carbonici nel modello plasmatico classico di Figge Fencl. Metodi. Un prelievo ematico è stato eseguito in un gruppo di volontari sani (N=30), in pazienti sottoposti elettivamente a chirurgia addominale maggiore (N=27) e in pazienti con sepsi (N=30) ricoverati presso le Unità di Terapia Intensiva Generale di due ospedali, situati rispettivamente in Repubblica Ceca e Italia. Tramite un tonometro a CO2, la pressione parziale di anidride carbonica (pCO2) del plasma isolato è stata manipolata in un intervallo compreso tra 2 e 16 kPa (15 e 120 mmHg). Il pH, la pCO2 e le concentrazioni degli elettroliti sono stati misurati ripetutamente con un emogasanalizzatore standard. I dati sperimentali, insieme alle equazioni che caratterizzano i modelli plasmatici citati, sono stati analizzati tramite un algoritmo di regressione non lineare per determinare in ciascun modello le costanti caratterizzanti l'azione dei tamponi non carbonici plasmatici. Le costanti così ottenute sono state poi confrontate sia tra i gruppi di studio, sia con le stime precedentemente pubblicate. Risultati. Applicando il modello di Stewart al plasma isolato, i valori determinati nei volontari sani sono stati i seguenti: Atot = 24,3 ± 1,9 mmol/L (equivalente a 0,510 ± 0,035 mmol/g di albumina o a 0,340 ± 0,024 mmol/g di proteine totali) e pKa = 6,63 ± 0,09. Questo modello si è rivelato suscettibile all’effetto confondente esercitato dalla presenza di eventuali anioni non misurati ed è, quindi, inappropriato per la valutazione di pazienti post-operati e settici. Utilizzando il modello di Staempfli-Constable, che considera solo la carica pH-dipendente dei tamponi plasmatici e in cui la stima di pKa e Atot non è influenzata dagli anioni non misurati, i valori ottenuti nei volontari sani sono stati i seguenti: Atot = 16,1 ± 3,4 mmol/L (equivalente a 0,338 ± 0,073 mmol/g di albumina o 0,225 ± 0,049 mmol/g di proteine totali) e pKa = 7,55 ± 0,17. Gli Atot erano significativamente ridotti in entrambe le popolazioni di pazienti (post-operati: 9,5 ± 4,4 mmol/L; settici: 11,9 ± 4,7 mmol/L), mentre la pKa non differiva dai controlli sani (post-operati: 7,48 ± 0,25; settici: 7,44 ± 0,36). Gli Atot normalizzati per la concentrazione di proteine totali non differivano tra i volontari sani e i due gruppi di pazienti. Vengono inoltre mostrati anche i risultati ottenuti con gli altri approcci sopracitati. Conclusioni. Utilizzando il modello di Stewart, i valori di Atot e pKa ottenuti nei volontari sani corrispondevano alle uniche stime note derivate sperimentalmente in precedenza (Atot = 23,3 mmol/L, pKa = 6,64). L'analisi eseguita su volontari sani secondo il modello di Staempfli-Constable ha convalidato il valore di Atot precedentemente pubblicato (17,2 mmol/L), ma ha mostrato una differenza di pKa di 0,45 (stima precedente: 7,1). Ciò si spiega con una contemporanea differenza nella quantità di cariche fisse mostrate dai tamponi non carbonici, così che, nell’intervallo di pH considerato, la nostra curva di titolazione è praticamente sovrapponibile a quella costruita utilizzando i parametri precedentemente pubblicati. L'assenza di differenze tra i gruppi di studio sia per gli Atot normalizzati per la concentrazione totale di proteine, sia per la pKa (determinata secondo il modello di Staempfli Constable) indica che né la malattia critica in sé, né la presenza di sepsi alterano la struttura dei tamponi non carbonici in misura tale da influire in modo misurabile sulla loro azione tampone.