Anion gap

Der anion gap (AG) ist ein nützliches Hilfsmittel zur Beurteilung von gemischten Acidose-Alkalose-Erkrankungen. Chemisch gesehen existiert der anion gap eigentlich nicht, da die elektrische Neutralität gewahrt bleiben muß. Der anion gap ist letztlich die Differenz zwischen den nicht gemessenen Anionen (unmeasured anions, UA^-) und den nicht gemessenen Kationen (unmeasured cations, UC⁺) (DIBARTOLA, 2000). Dies kann durch folgende allgemeine Gleichungen ausgedrückt werden (SHULL, 1978):

[Na⁺] + [K⁺] + [UC] = [Cl^-] + [HCO₃^-] + [UA]

[UA] - [UC] = ([Na⁺] + [K⁺]) – ([Cl^-] + [HCO₃^-]) = AG

Gemäß BAILEY und PABLO (1998) sind Konzentrationsschwankungen der unmeasured cations, die nötig sind, um eine Veränderung des anion gap herbeizuführen, mit dem Leben unvereinbar. Deshalb wird der anion gap dazu benutzt, Konzentrationsänderungen der unmeasured anions zu erkennen.

Die häufigsten unmeasured anions sind Proteine, Sulfat, Phosphat und organische Säuren.

Oftmals sind die Ursachen für einen gesteigerten AG urämische Anionen, Ketosäuren (ß-Hydroxybutyrat, Acetoacetat) und Blutlaktat. Hypoalbuminämie ist die hauptsächliche Ursache eines verminderten AG (ANDREWS u. GRINDEN, 2000).

Manche Autoren der Humanmedizin halten das in der Serum-AG-Formel enthaltene K für nicht empfehlenswert, da seine Menge absolut betrachtet zu gering und keinen großen Schwankungen unterworfen ist (OSTER et al., 1988), aber nach CONSTABLE (1997) muß die Serumkaliumkonzentration bei der Berechnung des AG immer berücksichtigt werden, da sie bei Wiederkäuern, insbesondere bei anorektischen Adulten oder Kälbern mit schwerer Dehydratation und Diarrhoe merklich schwanken kann.

Ein Anstieg des AG wurde bei den meisten Rindern mit Volvulus abomasalis beobachtet und ein AG > 30 mEq/l war kennzeichnend für schlechte Prognosen (GARRY et al., 1988).

Tabelle 2.5: Ursachen primärer Störungen des Säure-Basen-Haushaltes (FENCL u. ROSSING, 1989):

RESPIRATORISCH:

Hypokapnie hauptsächlich Alkalose Hyperkapnie hauptsächlich Acidose

NICHTRESPIRATORISCH („METABOLISCH“):

Veränderungen der „strong ion difference“ (SID): Anstieg Alkalose ; Abnahme Acidose - Wasserdefizit / Übermaß Alkalose; Hypervolämie Acidose

- Isotonisch ionisches Ungleichgewicht: Hypochlorämie Alkalose

- Isotonisch ionisches Ungleichgewicht : Hyperchlorämie hyperchlorämische Acidose (normaler gap)

- Isotonisch ionisches Ungleichtgewicht: organische Säuren metabolische Acidose ( gap)

Veränderungen der Konzentration nichtflüchtiger schwacher Säuren (Atot) - Abnahme: (Hypoproteinämie) Alkalose

- Anstieg: (Hyperproteinämie, Hyperphosphatämie) Acidose

2.5.3 Proteine

Plasmaproteine übernehmen vielfältige Funktionen im Körper: sie bilden die Basis für Zellstrukturen, Organe und Gewebe, fungieren in biochemischen Reaktionen als Katalysatoren (Enzyme), sie erhalten als Puffer das Säure-Base-Gleichgewicht und dienen als Regulatoren (Hormone); sie spielen eine Rolle bei der Blutgerinnung und in der Immunabwehr des Körpers (Antikörper). Außerdem haben sie nutritiven Wert und bilden Carrier für die meisten Plasmabestandteile (KANEKO, 1997).

Serumproteine wirken als schwache Säuren und sind folglich Teil der chemischen Gleichgewichte im Plasma, die für gewöhnlich als Säure-Basen-Gleichgewicht bezeichnet werden (FIGGE et al., 1991). Besonders Albumine beeinflussen die Säure-Basen-Regulation, indem sie als schwache Säuren wirken (RUSSELL et al., 1996), während Serumglobuline diesbezüglich eine vernachlässigbare Rolle spielen (FIGGE et al., 1991). Klinisch ist die

Rolle von Proteinen bei der Säure-Base-Regulation von praktischer Wichtigkeit:

Hypoproteinämie und Hyperproteinämie verursachen ihrerseits selbst eine metabolische Alkalose bzw. eine Acidose (McAULIFFE et al., 1986, FENCL et al., 1989).

Der Beitrag, den Plasmaproteine zum Säure-Base-Haushalt leisten, wird im herkömmlichen Ansatz zum Säuregleichgewicht nicht betrachtet. Plasmaproteine bilden die Mehrheit von [A_tot]. Ein durch eine Hypoalbuminämie ausgelöstes Absinken von [A_tot] zieht eine Alkalose mit einer Bicarbonat-Zunahme nach sich. Proteine und anorganische Phosphate weisen bei einer Störung des Säure-Base-Gleichgewichts in der Regel keine Veränderung auf, woraus folgt, daß dieses Gleichgewicht zu großen Teilen durch über den Atemtrakt vermittelte Änderungen des P_CO2 reguliert wird, während Schwankungen der [SID] hauptsächlich durch die Niere geregelt werden. Ein Anstieg der [SID] wird durch Anpassung des P_CO2 über den Atemtrakt kompensiert; umgekehrt gilt dasselbe für primär respiratorisch bedingte Erkrankungen. Daraus ergibt sich, daß die Kompensation von primär metabolischen Säure-Base-Störungen durch die Niere sowohl im herkömmlichen wie im nichttraditionellen Ansatz ähnlich ist. (CARLSON, 1997).

2.5.4 Chlorid

Chlorid macht ungefähr zwei Drittel der im Plasma und der extrazellulärer Flüssigkeit (EZF) gelösten Anionen aus. Es ist außerdem das wichtigste von den Nierenglomeruli gefilterte und von renalen Tubuli reabsorbierte Anion. Chlorid ist nicht nur zur Erhaltung der Osmolalität von Bedeutung, sondern auch in der Säure-Basen-Regulation (DEMORAIS, 2000). Bei Rindern liegt die physiologische Serumchloridkonzentration im Bereich von 90 bis 110 mmol/l (STÖBER u. GRÜNDER, 1990).

Metabolische Alkalosen beim Menschen wurden entweder als durch Chlorid beeinflußbar oder „chloridresistent“ beschrieben (ROSEN et al., 1988). Die erstere Variante, die durch Chloridmangel ausgelöste metabolische Alkalose, ist beim Rind normalerweise Folge einer Labmagenverlagerung, andere Formen der Pylorusstenose (KUIPER, 1980; DIRKSEN, 1984) oder der proximalen Duodenalobstruktion bei Rindern (GARRY et al., 1988).

Bei Säugetieren würde ein Chloridmangel die Sekretion von Bicarbonat im kortikalen Sammeltubulus verhindern und seine Resorption im äußeren medullären Sammeltubulus verstärken, was zu anhaltender Bicarbonat-Resorption und chloridmangelinduzierter metabolischer Alkalose führen würde. Verabreichung von Chlorid würde die Chloridleitung zum Sammeltubulus und die Bicarbonatausscheidung durch den Urin erhöhen, indem seine Sekretion verstärkt und die Resorption vermindert wird.

FETTMAN et al. (1984) schreibt, daß eine hypochlorämische, sekundär hypokalämische Alkalose durch Fütterung chloridarmer Nahrung ausgelöst werden kann. GOFF und HORST (1998) zeigten, daß ein Zusatz von Anionen zum Futter, wie Cl^- (HCl) eine metabolische Acidose herbeiführt, die dem alkalischen Effekt des viele Kationen enthaltenden Futters, das Rindern gewöhnlich gefüttert wird, entgegenwirkt und Milchfieber verhindert. Tiere mit verlagertem Labmagen weisen einen zu Kalium in keinem Verhältnis stehenden Chlorid-mangel auf, was zu einer Hypochlorämie und einer gesteigerten [SID] führt (CARLSON, 1997).

Chlorid ist das einzige starke Anion im normalen Plasma, dessen Verminderung stark genug sein kann, um eine signifikante Alkalose hervorzurufen (FENCL u. LEITH, 1993). Die Alkalose kann nicht durch Gabe von Protonen, sondern nur durch Chloridionen, im allge-meinen in Form von Natriumchlorid oder Kaliumchlorid, korrigiert werden, was sich in einer abnehmenden [SID] und folglich einer Rückkehr der abhängigen Variablen, Bicarbonat- und Wasserstoffionen, in den normalen Bereich äußert (CARLSON, 1997). Die SID kann verkleinert werden, wenn die Serumkonzentration an Chlorid (hyperchlorämische Acidose) sich erhöht oder nichtidentifizierte Anionen sich im Plasma anhäufen - eine Acidose ist die Folge (FENCL u. LEITH, 1993).

2.5.5 Natrium

Annähernd die Hälfte des gesamten Natriums im Körper befindet sich in der EZF; wo es seine Hauptfunktion ausübt. Die Menge an Natrium wird über die Nahrungsaufnahme reguliert, während der Hauptausscheidungsweg über die Nieren führt. Ungefähr 90% des Natriums in den Nierentubuli wird resorbiert (COLES, 1986). Bei Rindern beträgt die normale Natriumkonzentration im Serum zwischen 135 und 155 mmol/l (STÖBER u. GRÜNDER, 1990). Die Serumnatriumkonzentration ist ein Hinweis auf die Menge an Natrium in der EZF im Verhältnis zum Wasser, was aber keine direkte Information hinsichtlich des Gesamt-natriumgehaltes des Körpers liefert. Patienten, die an Hyponaträmie oder Hypernaträmie leiden, können einen verminderten, normalen oder gesteigerten Gesamtnatriumgehalt aufweisen. Eine gesteigerte Natriumkonzentration im Serum ist ein Hinweis auf Hyperosmolalität, während eine verringerte Natriumkonzentration für gewöhnlich, jedoch nicht in jedem Fall, Hyposmolalität andeutet. Eine Hyponaträmie entwickelt sich, wenn der Patient nicht in der Lage ist, aufgenommenes Wasser auszuscheiden oder wenn die Osmolalität der ausgeschiedenen Flüssigkeiten zusammen größer ist als die von ingestierten oder parenteral aufgenommenen Flüssigkeiten. Zu einer Hypernaträmie kommt es bei unzureichender Wasseraufnahme, wenn die verlorene Flüssigkeit gegenüber der extra-zellulären Flüssigkeit hypotonisch ist oder wenn ein Übermaß an Natrium ingestiert oder parenteral aufgenommen wurde (DIBARTOLA, 2000). Die SID kann sich durch ein Ungleichgewicht an starken Ionen verändern, im einzelnen starke Kationen und starke Anionen. Solange die Osmoregulation intakt ist, gehört Natrium nicht zu den Kationen, die stark schwanken. Alle anderen starken Kationen (Kalium, Calcium und Magnesium) werden im Plasma und allen extrazellulären Flüssigkeiten in relativ engen Grenzen für Zwecke reguliert, die mit dem Säure-Basen-Haushalt nicht in Verbindung stehen. Ihre Konzentrationen können kaum stark genug schwanken, um bei der SID eine signifkante Änderung hervorzurufen. Daraus ergibt sich, daß nennenswerte Veränderungen der SID nur bei Störungen der Konzentrationen aller starken Anionen auftreten, vorausgesetzt, Natrium bewegt sich im Normalbereich (FENCL u. LEITH, 1993).

Eine erhöhte Natriumrückresorption, die auch durch Volumenmangelsituationen über das Renin-Angiotensin-System erfolgt, kann im Zusammenhang mit einer Kaliumdepletion zu einer erhöhten Säureausscheidung führen. Bei jeder Form der Azidose reagiert die Niere mit einer erhöhten H⁺ - Ionensekretion im Austauch mit Natrium. Über die entsprechend verstärkte Bikarbonatabsorption werden dem Organismus vermehrt Puffer zugeführt. Die H⁺ -Auscheidung wird durch das Natriumangebot und die Kapazität der Niere, den Harn zu puffern, begrenzt (BUSCHER, 1992)

2.5.6 Kalium

Physiologisch ist Kalium das wichtigste intrazelluläre Elektrolyt, das bei Herz- und neuromuskulärer Erregung eine zentrale Rolle spielt. Sowohl erhöhte wie verminderte Kaliumkonzentrationen können zu Herzarrhythmien, Muskelschwäche und Paralyse führen (ANDREWS u. GRINDEN, 2000). Normalerweise liegt die Kaliumkonzentration im Serum von Rindern zwischen 4,0 und 5,0 mmol/l (STÖBER u. GRÜNDER, 1990). Die interne Kaliumverteilung muß streng reguliert werden, da bereits Schwankungen von nur 1-2%

zwischen intrazellulären und extrazellulären Flüssigkeitskompartimenten einen potentiell tödlichen Anstieg der Plasmakaliumkonzentration zur Folge haben können (MUTO, 2001).

Der meiste Kaliumüberschuß wird über die Niere durch glomeruläre Filterung und tubuläre Sekretion abgegeben. Aldosteron erleichtert dabei die Kaliumausscheidung, da es die Resorption von Natrium steigert, indem es den Natriumaustausch in Tubuluszellen fördert.

Die Kaliumausscheidung über die Nieren wird zusätzlich kompetitiv über Kalium- oder Protonenresorption gesteuert. Geringe Mengen Kalium können auch über die Faeces, Körperschweiß und Verdauungsflüssigkeiten verlorengehen (COLES, 1996).

Metabolische Alkalosen haben eine direkt stimulierende Wirkung auf die Kaliumsekretion im distalen Tubulus (MUTO, 2001). Hypokalämie bei metabolischen Alkalosen von Wieder-käuern ist das Ergebnis von verminderter Aufnahme, Sequestrierung im verlagerten Abomasum, intrazellulären K⁺-Bewegungen und Verlusten über die Niere (SVENDSEN, 1969; LUNN u. McGUIRK, 1990). Bei einer metabolischen Alkalose werden Kalium und Bicarbonat durch den Harn ausgeschieden. (KUIPER, 1980; THÄTER, 1988).

2.5.7 Calcium

Der Großteil des Calciums im Körper (99%) ist in der anorganischen Knochenmatrix als Hydroxyapatit gebunden. Vom verbleibenden Ca findet sich das meiste (0,9%) in der Plasmamembran und dem endoplasmatischen Reticulum der Zellen. Die extrazelluläre Flüssigkeit enthält 0,1% des Ca im Körper, in einer Gesamtkonzentration von ca. 2,5 mmol/l.

Ungefähr 50% des extrazellulären Calciums (1,2 mmol/l) liegt in ionisierter Form (Ca²⁺) vor, was die biologisch aktive Form von Ca darstellt (ROSOL u. CAPEN, 1997). Die für Rinder normale Calciumkonzentration liegt zwischen 2,0 und 3,0 mmol/l (STÖBER u. GRÜNDER, 1990).

Calciumionen regeln ihre eigene Homöostase direkt, indem sie an calciumspezifische Rezeptoren an der Zellmembran binden (BROWN und HERBERT, 1997). Die Calcium-rezeptoren der Zellmembran sind in den Nebenschilddrüsen in „chief cells“ und in C-Zellen der Schilddrüse vorhanden, in denen Ca²⁺ die Sekretion von PTH bzw. Calcitonin reguliert.

Außerdem befinden sich Calciumrezeptoren auf den Tubuluszellen der Niere, wo Ca²⁺ seine eigene Resorptionsrate reguliert. Diese Mechanismen tragen dazu bei, die Serumcalcium-konzentration in einem engen Bereich zu halten, was eine normale Funktion des Körpers ermöglicht (ROSOL et al., 2000).

Das Säure-Basen-Gleichgewicht spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Regulation der zur Verfügung stehenden Calciumionen (EICKER, 1990). Der proteingebundene Ca²⁺-Anteil ist hauptsächlich an negativ geladenen Bindungsstellen am Albumin gebunden, in kleineren Mengen auch an Globuline. Die Protein-Form des Ca²⁺ ist vom Serum-pH abhängig. Wenn der Serum-pH saurer wird, steigt die [Ca²⁺] aufgrund der Konkurrenz der H⁺-Ionen um die negativen Bindungsstellen der Serumproteine (ROSOL U. CAPEN, 1997).

Manchmal fungieren Ca²⁺ und Mg²⁺ auch als starke Ionen, aber sie treten im Vergleich zu Na⁺ und Cl^- nur in geringen Konzentrationen auf (STEWART, 1983).

2.5.8 Phosphor

Phosphat liegt im Säugerkörper größtenteils (90%) als Hydorxyapatit in der mineralisierten Knochenmatrix vor, während die restlichen 10% hauptsächlich in weichen Geweben intrazellulär auftreten. Phosphat ist das intrazellulär am meisten vorkommende Anion und existiert sowohl in organischer (z.B. Phospholipide, Nucleinsäuren, Phosphoproteine, ATP) wie anorganischer Form und spielt eine zentrale Rolle in zahlreichen Stoffwechselprozessen.

Zwischen dem intrazellulären und dem Serumphosphatpool kann es zu raschen Bewegungen kommen, was sich in dramatischen Änderungen der Serumphosphatkonzentration auswirkt.

Obwohl die anorganischen Phosphate gemessen werden, werden sie oft als elementarer Phosphor (Pi) bezeichnet (ROSOL und CAPEN, 1997).

Fast der gesamte Serumphosphor liegt als Orthophosphat vor. Bei einem normalen pH in der extrazellulären Flüssigkeit von 7,4, besteht der anorganische Phosphor hauptsächlich aus H₂PO₄^- und HPO₄^2-. Obwohl Phosphor sowohl in organischen wie anorganischen Verbindungen vorhanden ist, messen klinische Labors für gewöhnlich das anorganische Phosphat. Ungefähr 10 bis 20% des anorganischen Phosphats im Serum sind an Proteine gebunden und der Rest zirkuliert als freie Anionen oder in komplexierter Form mit Natrium, Magnesium oder Calcium. Die freien und komplexierten Formen können der Ultrafiltration durch die renalen Glomeruli zugeführt werden (WILLARD und DIBARTOLA, 2000).

Der Serumphosphatspiegel adulter Rinder liegt zwischen 1,6 und 2,3 mmol/l (STÖBER und GRÜNDER, 1990).

2.5.9 Magnesium

Magnesium ist das vierthäufigste Kation im Säugetierkörper und wird intrazellulär in seiner Menge nur noch von Kalium übertroffen. Zusammen mit Calcium ist es das wichtigste zweiwertige Kation in biologischen Systemen (HANSEN, 2000). Es ist in allen Geweben vorhanden, ungefähr drei Viertel der Gesamtmenge an Magnesium im Körper finden sich im Skelett, aus dem es im Falle unzureichender Aufnahme durch die Nahrung mobilisiert werden

kann. Das nicht im Knochen gebundene Magnesium tritt hauptsächlich intrazellulär auf (COLES, 1986) und ist für die normale Funktion vieler am Kohlenhydrat-, Lipid- und Proteinstoffwechsel beteiligter Enzyme von essentieller Bedeutung, insbesondere für die PO₄ --übertragenden Enzyme bei der Synthese von Adenosintriphosphat (ATP) (REINHARDT et al., 1988). Die normale Serumkonzentration von Magnesium liegt bei Rindern zwischen 0,8 und 1,1 mmol/l (STÖBER u. GRÜNDER, 1990).

Die Mg-Serumkonzentration ist weniger gut reguliert als die des Calciums und über die Regulationsmechanismen des Serum-Mg ist weniger bekannt. Zwischen Mg und Ca im Serum besteht eine reziproke Beziehung. Unzureichende Mg-Aufnahme führt zu Hypomagnesämie. Die Magnesium-Homöostase ist das Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen intestinaler Absorption und renaler Ausscheidung, und wird zusätzlich durch Nebennieren, Schilddrüse und Nebenschilddrüsen reguliert. Trotzdem übt keine endokrine Drüse eine primär regulatorische Funktion auf das Plasma-Mg aus (ROSOL u. CAPEN, 1997).

Ein Magnesiumüberschuß im Körper wird über den Urin ausgeschieden. Die Nieren sind für eine stabile Plasmamagnesiumkonzentration innerhalb enger Grenzen verantwortlich (HANSEN, 2000). Eine erhöhte Magnesiumkonzentration im Serum kann zu Nierenversagen führen und beim Adulten kann Magnesium nur schwer aus dem Skelett mobilisiert werden (ROSOL und CAPEN, 1997).