血液CO2酸碱化学的两缓冲简化模型：从体外滴定到体内气体交换的定量解释

《Aspects of Molecular Medicine》：Blood and CO 2: a simple model goes a long way

　　

能够解释血液酸碱性质的模型要么非常复杂且反直觉，要么过于简化，不足以描述可以开展的不同类型实验，或不足以充分证明常用的、基于经验的临床概念。然而，物理化学模型（physico-chemical models）可以在保留强大预测能力的同时被大幅简化。本文中，研究人员证明，Nguyen及其合作者针对复杂缓冲液混合物（buffers）建立的数学处理，与Stewart关于血液酸碱化学（acid-base chemistry）仅用两种缓冲液即可描述的洞见相结合，接近实现对体外（in vitro）血液酸碱化学的严谨而简单的解释这一目标，并且还可能预测血液的某些体内（in vivo）性质。本工作提出的数学模型可对体外可开展的最重要实验提供定量描述，例如血液与PCO₂、强酸（strong acids）和强碱（strong bases）的滴定，无论是在恒定PCO₂还是在恒定总CO₂含量条件下；并可在一定程度上近似解释体内气体交换（gas exchanges）。

论文解读：血液CO₂酸碱化学的两缓冲简化模型

研究背景：哺乳动物血液在相同气体分压下溶解CO₂的量比水多20倍以上，这对CO₂的运输和清除十分重要。O₂以与血红蛋白（Hb，hemoglobin）形成复合物的形式运输，而CO₂超过90%依赖以HCO₃^-形式物理溶解，并受血液缓冲液和肾脏对血液pH调节的辅助。血气定量测量已有近两百年历史，但对此类实验的定量、综合解释及其生理相关性仍不完全令人满意。临床血气分析解释依赖半定量经验模型，虽能满足诊断需求，却缺乏统一视角，至少存在三种彼此不完全兼容的方法；另一方面，已开发的复杂物理化学模型需要常见血气分析通常不获得的信息，且计算复杂、反直觉。因此，研究人员旨在提出一个对人类思维友好的简化模型，并将其应用于经典体外实验和临床背景。该模型不旨在提供新的诊断工具，而是旨在合理化诊断概念之间的关系。

研究人员开展的研究与结论：该研究将Nguyen等为描述含多种缓冲液溶液而建立、但最初未应用于血液的数学处理，与Stewart关于仅假设两种缓冲液即可合理描述血液pH的直觉结合。通过质量作用定律（law of mass action）建立两缓冲模型，模型仅需常见血气分析参数，能解释和预测不同实验条件下体外血液滴定，并为碱剩余（BE，base excess）等临床概念提供强理论基础。其意义在于以简单、直观的框架连接不同实验和诊断概念，并可近似描述体内CO₂运输相关现象。

关键技术方法：该研究未采集新的临床样本，而是建立数学建模并重新分析已发表数据。基于质量作用定律，将血液简化为CO₂/HCO₃^-系统与所有非碳酸氢盐缓冲液（non-carbonic buffers）两类。模型参数来自标准血气分析（blood gas analysis）中的pH、PCO₂和Hb浓度；血液HCO₃^-相对血浆用R=[HCO₃^-]_blood/[HCO₃^-]_plasma校正。研究人员模拟PCO₂滴定、恒定PCO₂下HCl或NaOH滴定、无气相恒定总CO₂下HCl或NaOH滴定，并与Christiansen等、Krbec等（健康受试者血液经HCl或乳酸人工酸化模拟代谢性酸中毒）、Watanabe等（患者和志愿者）及Ellison等的历史数据比较；还模拟Hb氧合/去氧合时的Haldane效应。

研究结果：

1 引言（Introduction）：研究人员指出，血液溶解CO₂能力强，CO₂主要依靠HCO₃^-和血液缓冲液运输。既往血气测量证据丰富，但解释存在临床半定量模型不统一、复杂物理化学模型难以应用的问题。因而提出简化模型，用于体外实验和临床背景，目标是合理化诊断概念关系，而非替代诊断工具。

2 模型（The model）：通过质量作用定律处理多平衡，研究人员将血液缓冲容量模拟为仅两种缓冲液：CO₂/HCO₃^-系统和所有非碳酸氢盐缓冲液之和。该简化适用于Hb仅一种状态及有限pH范围。模型参数可由标准血气分析推算；血液需用R校正HCO₃^-。研究人员否定Singer和Hastings的“缓冲阴离子”及Stewart的强离子差（SID，Strong Ion Difference），改用去质子化缓冲液组分之和（Sdp，sum of de-protonated buffer components）这一功能等价概念。

3 血液与PCO₂的滴定（Titration of blood with PCO₂）：研究人员将CO₂作为独立变量，并假设Sdp恒定，得到二次方程，模拟碳酸氢钠溶液、血浆和血液的PCO₂滴定。结果表明模型可计算总CO₂和pH，并与Christiansen等和Krbec等的数据比较；未使用可调参数，Hb假定为14 g/dL。该实验并不严格测量Van Slyke定义的缓冲容量，因为CO₂缓冲液总浓度变化，但模型可描述该过程，并类似组织向静脉血添加CO₂。

4 恒定PCO₂下血液与HCl或NaOH的滴定（Titration of blood with HCl or NaOH at constant PCO₂）：研究人员在恒定PCO₂下，令Sdp变化，建立HCl或NaOH滴定的二次方程并模拟。结果可估计Δ[HCl]/ΔpH，血液值与Watanabe等的结果一致；在高pH时计算线与实验点偏离，原因可能是用单一缓冲液模拟复杂缓冲液混合物，且pK_b=6.8与实测值7.8至8相距较远。结论是该模型能描述恒定PCO₂下酸碱滴定。

5 无气相时HCl或NaOH滴定（恒定总CO₂）（Titration with HCl or NaOH in the absence of the gas phase (at constant total CO₂)）：研究人员在无气相、总CO₂恒定条件下修正方程并模拟。该实验是唯一符合Van Slyke定义的缓冲容量实验。在pH=7.4时，Δ[HCl]/ΔpH分别为碳酸氢盐溶液3.57 mEq/L、血浆12.5 mEq/L、血液33.33 mEq/L，与Ellison等报告的15-16 mEq/L和31-38 mEq/L相符。结论是模型能较好描述无气相恒定总CO₂滴定。

6 与临床实验室概念整合（Integration with concepts developed for the clinical laboratory）：研究人员比较三类临床酸碱解释方法，即物理化学方法、Copenhagen学派标准参数方法和生理学方法。模型保留Stewart两缓冲假设，但去除SID，并指出SID存在三个概念错误：非碳酸氢盐缓冲液多数为碱性阳离子而非酸性阴离子；忽略红细胞内Hb这一主要缓冲液；SID过低不足以解释血液缓冲容量。模型用Sdp替代SID。BE被解释为双重滴定实验，本质上接近患者血液Sdp与相同Hb浓度、pH=7.4、PCO₂=40 mmHg血样Sdp之差。模型目的不是替代标准参数，而是提供整合不同概念的理论框架。

7 生理考虑；Haldane效应（Physiological considerations; the Haldane effect）：研究人员将系统毛细血管中CO₂吸收视为无气相CO₂滴定的特例。静脉血总CO₂较动脉血增加1.7-2 mmol/L，Sdp恒定。模型计算的静脉血pH略低于真实值、PCO₂略高，原因是未考虑Haldane效应。Haldane效应源于O₂连接Hb某些His残基pK变化；生理条件下数学模拟需三缓冲系统。研究人员用两缓冲模型模拟仅含Hb溶液和CO₂/HCO₃^-的人工系统，假设Hb每亚基7个可滴定残基，并令pH=7.4时Bohr系数（Bohr coefficient）Δ[H⁺]/ΔO₂=-0.5，计算Hb平均pK从HbO₂的6.8增至Hb约7，得到Haldane效应结果。

8 模型不足（Shortcomings of the model）：研究人员总结两个主要不足，均因用单一非碳酸氢盐缓冲液代表多种缓冲液：其一，pH>7.8时可靠性下降，因选择pK_b=6.8主要代表His残基而非Tyr和Cys，若提高pK_b至7-7.2可部分改善，但会引入可调参数；其二，模型不能模拟需要至少两类非碳酸氢盐缓冲液的条件，例如体内Haldane效应。提高模型精度会牺牲简单性。

9 结论（Conclusions）：研究人员翻译该部分为：本工作提出一个简单模型，能够模拟许多体外血液酸碱性质实验，并可能使不同诊断概念之间的关系合理化。此外，该模型能够描述血液通过体循环和肺毛细血管期间发生的一些简单生理现象。该模型主要优点为：仅需要常用血气分析易于获得的参数，即pH、PCO₂和Hb浓度；其简单性使其直观。已有更精细模型，但那些模型直观性较差，使用更多参数，其中许多并非常规临床实验室测量。

讨论与结论总结：讨论部分将模型置于临床酸碱解释框架中，说明其以Sdp替代SID，并将BE理解为标准条件平衡后的进一步酸碱滴定。研究人员也强调模型对Haldane效应等需多类非碳酸氢盐缓冲液的现象有限，并认为复杂化模型不一定优于保持简单。研究结论翻译如上：该简单模型可模拟多种体外血液酸碱实验，合理化诊断概念关系，描述部分生理现象，且仅需pH、PCO₂和Hb浓度等常规参数，优点是简单直观；更精细模型虽存在，但参数多且非常规测量，直观性较差。