산-염기 장애, 혈중 HCO3- 농도 AG 확인해야
대사성 산증, HCO3- 소실·H+ 증가 …‘anion gap’ 유무 평가
대사성 알카리증, HCO3- 증가·H+ 소실…소변 CL- 농도 측정
일차 대사성 산-염기 장애, HCO3- 변화 따른 비호흡성 장애
pH, PaCO2 0.017배 변화시 만성호흡성 알칼리증 고려해야
1. 산-염기 평형의 기본 개념
일반적으로 용액내의 산은 해리되면 양이온인 수소이온(H+)과 음이온(A-)을 생성하며 용액 내에서 H+을 제공하는 것을 산(acid), 그리고 H+을 받는 것을 염기(base)라고 정의한다.
용액에 산이나 염기성 물질을 넣었을 때에 이 용액내의 H+의 변화를 최소화하기 위해 이들과 반응하는 물질을 완충제(buffer)라고 부르며, 체내의 HCO3-, 헤모글로빈, 단백질 등이 이에 해당한다.
1) 수소이온과 pH
정상적인 혈액내의 [H+] 농도는 34~45nmol/L로 매우 낮으므로, [H+] 농도를 -log[H+](log1/[H+])로 표시한 pH를 혈액내의 [H+] 농도로 나타내며, 정상 동맥혈의 pH는 7.35~7.45이다.
정상적으로 탄수화물, 지방, 단백질의 대사 과정을 통해 약 1만5000 mmol/L의 CO2와 50~100mEq의 [H+]이 생성되는데, 이는 아래와 같은 bicarbonate-carbon dioxide buffer system에 의해 정상 pH가 유지된다.
CO2+H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3-+H+
이러한 bicarbonate-carbon dioxide buffer system에 의해 pH가 조절되는 것을 다음과 같은 Henderson-Hasselbalch 공식으로 설명한다.
pH = 6.1+log(HCO3-/CO2) = 6.1+log[HCO3-/(0.0301×PaCO2)]
2) 정상 pH 조절
체내에서 세포 내 대사과정 중에 생성되는 산성 대사물은 체내에 축적되지 않고 세포 내에 일정한 [H+] 농도를 유지하여야 한다. 만일 [H+] 농도의 변화가 일어나면 완충계(buffer system) 중 일차적으로 세포 외액의 중탄산염에 의한 화학반응에 의해 완충작용이 즉시 일어나 급격한 [H+] 농도의 변화를 피한다.
[H+] 농도의 변화가 큰 경우에는 호흡중추 자극에 의한 호흡수와 호흡 깊이의 변화에 의해 폐에서 세포성 호흡에 의해 생성된 이산화탄소 배출이 증가하고, 혈액 내 이산화탄소의 배출이 증가하여 혈액 내 이산화탄소의 양을 감소시켜 혈액의 [H+] 농도를 조절한다.
다음 단계는 2~4시간에 걸쳐 세포 내 완충계인 중탄산염과 인산염 그리고 단백질과 반응하여 완충작용을 일으키며 마지막으로 12~48시간 후에 콩팥에서 수소이온의 배설, 근위세뇨관에서 중탄산염의 재흡수와 생성, 암모니아 생성 등의 보상반응에 의해 혈액의 pH를 정상으로 유지시킨다.
3) 산-염기 변화
혈중 [H+] 농도와 혈중 PCO2와 HCO3- 사이의 관계는 Henderson 공식에 의해 다음과 같이 표현할 수 있다.
[H+](mEq/L) = 24×(PCO2/ HCO3-)
위의 공식에 따르면 혈중 [H+] 농도, 즉 혈중 pH는 PCO2/ HCO3- 비율의 균형에 의해 일정하게 유지된다. 만일 일차적인 산-염기 장애가 발생하면 PCO2/ HCO3- 비율의 어느 한쪽에 변화가 일어나며 이에 따른 보상반응은 정상인 다른 쪽도 PCO2/ HCO3- 비율을 일정하게 유지하는 방향으로 보상이 이루어져 혈중 pH는 정상으로 유지하게 된다.
즉, 일차성 대사장애로 HCO3-의 변화가 생긴 경우 호흡성 보상반응에 의해 PCO2 변화가 일어난다. 반대의 경우 반대의 보상반응에 의해 혈중 pH는 정상을 유지한다.
2. 산-염기 장애
정상 체내 동맥혈의 pH는 7.35~7.45, PaCO2 36~44mmHg 그리고 [HCO3-] 농도는 22~26mEq/L이다. pH<7.35으면 산혈증(acidemia), pH>7.45면 알칼리혈증(alkalemia)으로 정의한다. 산증(acidosis) 및 알칼리증(alkalosis)은 [H+] 농도를 증가시키거나 소실시키는 기저 질환의 과정을 일컫는다.
1) 일차성 호흡성 산-염기 장애
CO2 가스 배출 장애에 의한 산-염기 장애를 말하며, PaCO2가 비정상이며, pH가 반대방향으로 변화하는 경우이다. PaCO2>44mmHg, 동맥혈 pH가 감소하는 경우는 일차성 호흡성 산증이며, PaCO2<36mmHg, 동맥혈 pH가 증가하는 경우는 일차성 호흡성 알칼리증이다.
일차성 호흡성 산-염기 장애가 있는 경우 동맥혈의 pH 측정치와 보상반응에 의한 예측치를 비교하여 급성 혹은 만성 호흡성 산-염기 장애와 대사성 산-염기 장애의 동반 가능성을 생각해야 한다.
즉, pH 변화치가 PaCO2 변화치의 0.008배 만큼 변화한 경우는 보상이 이루어지지 않은 급성 호흡성 장애이다.
pH 변화치가 PaCO2 변화치의 0.003~0.008배 만큼 변화한 경우는 부분적인 보상이 이루어진 호흡성 장애이다.
pH 변화치가 PaCO2 변화치의 0.003배 만큼 변화한 경우는 완전한 보상이 이루어진 만성 호흡성 산증을 가정하고, pH 변화치가 PaCO2 변화치의 0.017배 만큼 변화한 경우는 만성 호흡성 알칼리증의 가능성을 고려해야 한다.
또한 대사성 보상 정도를 예측하여 대사성 산-염기 장애의 동반 여부를 확인할 수도 있다.
2) 일차성 대사성 산-염기 장애
[HCO3-]의 변화에 따른 비호흡성 산-염기 장애를 말하며, 결과로 PaCO2가 pH의 변화와 같은 방향으로 변화하는 경우이다.
일차성 대사성 장애가 있는 경우 호흡 보상반응이 일어난다. 만일 측정된 PaCO2가 정상 혹은 PaCO2 예측치 보다 크다면 호흡성 산증의 동반을 생각하고, PaCO2 측정치가 PaCO2 예측치 보다 낮다면 호흡성 알칼리증이 동반되어 있을 가능성이 있다.
3) 혼합성 산-염기 장애
혼합성 산-염기 장애는 독립적으로 여러 산-염기 장애가 있는 경우로 중환자실 환자에서 많이 발생한다. 예를 들어 당뇨병성 케톤산증(대사성 산증) 환자의 경우 동반된 폐 질환에 의해 호흡성 산증 또는 알칼리증이 동반될 수 있고, 기저 폐질환이 있는 경우 대사성 산증이 있을 때 적절한 기계 환기에도 대사성 산증에 대한 보상이 이루지지 않을 수 있다.
또한 대사성 산증과 대사성 알칼리증이 동반되는 경우 pH는 정상 또는 정상에 가까울 수 있어 pH가 정상인 환자에서 anion gap(AG)이 증가된 경우 대사선 산증이 존재함을 의미한다.
이런 경우 AG 차이의 수치(ΔAG: AG 과다, 측정치 AG - 12mEq/L)와 정상치보다 감소한 [HCO3-] 차이의 수치(ΔHCO3- HCO3- 결핍, 24 - 측정치 [HCO3-])의 비율을 이용하여 확인할 수 있다.
AG가 정상인 대사성 산증의 경우에는 Cl-의 증가(ΔCl-)는 HCO3-의 감소 (ΔHCO3-)에 비례하여 증가하므로 ΔCl-/ΔHCO3- 비율이 1이 되지 않을 때는 혼합성 대사장애를 의미한다.
3. 임상에서의 동맥혈 가스 분석
△단계적 분석
동맥혈을 통한 산-염기 장애 분석은 단계적으로 이뤄지며 측정, 계산된 혈중 pH, PaCO2, [HCO3-] 및 anion gap을 근거로 분석된다. 특히 보상 정도를 계산하고, 혈중 HCO3- 농도의 변화에 따른 anion gap을 확인하는 것은 아주 중요하다.
동맥혈 가스 분석의 시작은 pH가 산혈증인지 알칼리혈증인지 평가하고 PaCO2가 급성으로 증가 혹은 감소하였는지 판단한다. 다음에 PaCO2를 평가하여 급성 산-염기 장애가 아닌 경우에는 만성 호흡성 장애인지 급성 대사성 장애인지 구분하여야 하며, 또한 적절한 보상 반응이 이뤄졌는지를 평가하여야 한다.
대사성 산증인 경우에는 anion gap의 유무를 평가하여야 하며, 대사성 알칼리증인 경우는 소변의 [Cl-] 농도를 측정한다. 최종적으로 모든 가스분석 결과를 종합하여 산-염기 장애를 진단한다.