CaO2-Wert zur Beurteilung der Sauerstoff-Organversorgung: Klinische Bedeutung des Sauerstoffgehaltes

Zusammenfassung
Für die Versorgung der Organe mit Sauerstoff sind die Perfusion und die Zahl der Sauerstoffmoleküle in der Peripherie entscheidend. Diese Zahl drückt sich direkt im Sauerstoffgehalt (CaO2), sekundär in der Sauerstoffsättigung (SaO2) und erst tertiär im Sauerstoffpartialdruck (PaO2) aus. Tatsächlich steht jedoch der PaO2 als Kenngröße im Vordergrund, was nicht selten zu therapeutischen Fehlentscheidungen, insbesondere auf Intensivstationen, führt. Der CaO2 wird determiniert aus Hämoglobingehalt (Hb) 3 Sauerstoffsättigung 3 1,34. In weiten Grenzen sind Hb und SaO2 kompatibel, sodass niedrige SaO2-Werte durch Erhöhung des Hb kompensiert werden können. Unter Berücksichtigung des CaO2 können in vielen Fällen niedrigere PaO2-Werte zugelassen werden, wenn die Maßnahmen zur Erhöhung des PaO2 den Patienten gefährden. Normwerte für den CaO2 sind standardisiert nicht verfügbar. Indirekte Hinweise deuten auf eine untere Grenze von etwa 8 bei akuter und etwa 5 mL O2 pro 100 mL Blut bei chronischer Erkrankung hin.

Schlüsselwörter: Hypoxämie, Hypoxie, Sauerstofftherapie, Sauerstoffgehalt, Sauerstoffpartialdruck

Summary
Clinical Relevance of Oxygen Supply
Oxygen supply to the body is limited by perfusion and the number of oxygen molecules in the body periphery. This number is primarily expressed by the oxygen-content (CaO2), secondarily by the oxygen-saturation (SaO2) and tertiary by the partial pressure of oxygen (PaO2). In fact PaO2 is used as the main marker which frequently will result in error of decisions. CaO2 is determined by the product of haemoglobin (Hb) 3 oxygen saturation 3 1,34. In a wide range Hb and SaO2 are compatible in a way that low SaO2 levels can be compensated by increased haemoglobin levels. Under consideration of the CaO2, low PaO2 levels can be tolerated in many instances where higher levels of PaO2 might be hazardous for the patient. Normal values for CaO2 in standardized form are not available. Indirect indications are pointing towards a lower limit of about 8 mL O2/100 mL in acute and 5 mL O2/100 mL in chronic disease.

Key words: hypoxemia, hypoxia, oxygen therapy, oxygen content, partial pressure of oxygen


Die Sauerstoffkonzentration beträgt auf Meereshöhe in unseren Breiten etwa 21 Prozent. Dies entspricht einem Sauerstoffpartialdruck (PO2) von etwa 150 mm Hg. 21 Prozent sind es auch auf dem Mount Everest, jedoch ist die Luft dort viel dünner mit einem PO2 von etwa 55 mm Hg. Der PaO2 (Sauerstoffpartialdruck im arteriellen Blut) ist eine eingängige Größe, die sich insbesondere auch deswegen durchgesetzt hat, weil sie mit den heutigen Messgeräten einfach zu bestimmen ist und relativ rasch auf pathologische Veränderungen (zum Beispiel Pneumonie, Lungenembolie und andere) reagiert.
Der Partialdruck der atmosphärischen Gase spiegelt sich auch in Flüssigkeiten wider, weil eine geringe Menge des Gases sich dort löst. Zur Aufnahme größerer Mengen Sauerstoff sind große Oberflächen und kurze Distanzen erforderlich, wie sie zum Beispiel die Lungen oder auch die Kiemen bieten.
In der Lunge wird das Hämoglobin mit Sauerstoff gefüllt und in der Peripherie zur Herstellung von ATP wieder entleert. Die Zahl der transportierten Sauerstoffmoleküle, der Sauerstoffgehalt (CaO2) ist wichtig, hat jedoch in der praktischen Medizin kaum Bedeutung erlangt, obwohl eine Menge von widersprüchlichen Ergebnissen in der Pneumologie und Intensivmedizin damit erklärt werden kann.
Hypoxämie, Organhypoxie
Auffällig ist die Diskrepanz zwischen einem stabilen Zustand und einer Hypoxämie (niedriger PaO2 im Blut), wie sie zum Beispiel bei Wanderungen im Hochgebirge oder auch bei Patienten mit chronischen Pulmonalerkrankungen zu beobachten sind. Es werden hier zum Teil Abfälle des PaO2 beobachtet, die viele Intensivmediziner zur sofortigen Intubation veranlassen würden. In der Abbildung ist beispielhaft die Sauerstoffsättigungskurve eines solchen Patienten mit Übergewicht-Hypoventilationssyndrom (Übergewicht und COPD) dargestellt. Die Sättigung fällt teilweise unter 50 Prozent im Schlaf, ohne dass der Patient im Moment der Hypoxämie oder danach am nächsten Morgen unmittelbar beeinträchtigt ist. Der Patient hat chronische Veränderungen infolge der Hypoxämie wie Cor pulmonale und Polyzythämie; direkte Folgen oder irreversible Schädigungen der Hypoxämie an kritischen Organen wie zum Beispiel Herz oder Gehirn werden jedoch nicht beobachtet. In Grafik 1 wird dieses Beispiel auf die Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins übertragen. Man erkennt, dass dieser Beispielpatient in den schweren Hypoventilationsphasen mit seinem PaO2 bis auf Werte um 20 mm Hg sinkt, was etwa einem Sauerstoffgehalt in der Höhe von 7 500 Metern über dem Meeresspiegel entspricht.
Auf der anderen Seite zeigen die beiden Schlüsselstudien zur Sauerstofflangzeittherapie bei chronischer Hypoxämie infolge COPD, die bereits randomisiert und placebokontrolliert mit Evidenzklasse 1 im Jahr 1980 publiziert wurden (5, 33), dass sich bei der Gabe von zwei Litern Sauerstoff auf einen Zeitraum von mindestens 16 Stunden etwa eine Verdopplung der Lebenserwartung erreichen lässt. Nachfolgestudien zur Sauerstofflangzeittherapie, zeigen keinen unmittelbaren Einfluss des Sauerstoffpartialdrucks auf die Lebenserwartung. Auch die Reduktion des Pulmonalisdruckes beim Cor pulmonale durch Sauerstoffgabe beeinflusste das Überleben nicht. Entsprechende Details und Literaturangaben sind in den S-3-Leitlinien zur Sauerstofflangzeittherapie der Deutschen Gesellschaft für Pneumologie (www.pneu mologie.de) nachzulesen.
Studien (5, 33) zur Sauerstofflangzeittherapie sowie die Nachfolgestudien zeigen, dass die Patienten nicht nur hypoxämisch, sondern auch hyperkapnisch waren. Bei der chronischen Hyperkapnie besteht immer eine ventilatorische Insuffizienz – also eine chronisch belastete Atemmuskulatur (41). Die Atemmuskulatur, funktionell auch als Atempumpe bezeichnet, besteht vorwiegend aus dem Zwerchfell. Infolge der Überlastung der Atempumpe durch die Grunderkrankung wie COPD, Skoliose, neuromuskuläre Erkrankungen und weitere, kommt es zu einer kompensatorischen Hypoventilation, um ein lebensbedrohliches Versagen der Atempumpe zu vermeiden (1, 27, 28, 41). Diese Hypoventilation zeigt sich in den Blutgasen als Hyperkapnie. Es entwickelt sich infolge der Minderventilation sekundär eine Hypoxämie. Der Organismus ist aber in der Lage durch zahlreiche Kompensationsmechanismen wie Polyzythämie (37, 39, 44, 45), Veränderung der 2,3-Diphosphoglyceratkonzentration im Erythrozyten (36, 51) und Vermehrung von sauerstoffresistenten Isoenzymen der Atmungskette (21, 48, 50) die Folgen der Hypoxämie zu kompensieren, sodass keine Organhypoxie (Sauerstoffmangel im Gewebe) auftritt. Diese Veränderungen sind reversibel, wenn die Ursache der Hypoventilation wegfällt, oder die Überlastung der Atempumpe durch intermittierende Beatmung beseitigt wird (42, 45). Bei diesen Patienten unterscheidet sich der CaO2-Wert nur gering von dem Wert Gesunder. Die Patienten haben trotz des niedrigen PaO2 deswegen kein wirkliches Sauerstoffdefizit in der Organversorgung. Sie schonen durch die Hypoventilation ihr limitierendes Organ, die Atempumpe.
Sauerstoffangebot
Eine zentrale Größe für den Gesamttransport des Sauerstoffs von den Alveolen bis zu den Kapillaren ist das Sauerstoffangebot (DO2) für die Organe, denn dieses versucht der Organismus konstant zu regeln beziehungsweise dem jeweiligen Verbrauch (zum Beispiel körperliche Belastung, Fieber und andere) anzupassen. Von den Einflussfaktoren zu dieser Größe lassen sich zahlreiche pathologische Phänomene ableiten, die Gasaustausch, Ventilation und Perfusion betreffen. Insbesondere in der Intensivmedizin könnte die Kenntnis dieser Zusammenhänge zu therapeutischen Konsequenzen führen. Da aber auch hier der PaO2 oft als Leitgröße für Therapieentscheidungen dient (zum Beispiel PaO2/FiO2 < 200 als Intubationskriterium), werden wichtige Zusammenhänge übersehen, die meist in eine Übertherapie ohne Not münden. Hier wären beispielhaft ein zu hoher Beatmungsdruck und eine zu hohe inspiratorische Sauerstoffkonzentration insbesondere bei der Schocklunge zu nennen.
Das Sauerstoffangebot (DO2) ist das Produkt aus Herz-Minutenvolumen (CO = cardiac output) und Sauerstoffgehalt (CaO2) (Grafik 2). Der physikalisch gelöste Sauerstoff im Blut ist normalerweise vernachlässigbar gering. Er spielt eine gewisse Rolle bei hyperbarer Sauerstofftherapie und bei Störung der Perfusion im Kapillarbett (zum Beispiel nach Operationen). Der CaO2 selbst errechnet sich vereinfacht: Sauerstoffsättigung 3 Hämoglobingehalt (Hb) 3 Hüfner-Zahl 1,34.
Die Hüfner-Zahl gibt an, wieviel mL Sauerstoff 1 g Hb binden kann. Erst über die Sauerstoffbindungskurve (Grafik 1) kommt man zum PaO2, der aber für die wirkliche Sauerstoffversorgung des Organismus nur eine nachrangige Größe darstellt.
Grafik 3 gibt die Beziehung zwischen CaO2, Hämoglobingehalt und Sauerstoffsättigung (SaO2) wieder. SaO2 und Hb können bei Bezug auf den CaO2 umgerechnet werden. Dies wird in der Praxis selten so gesehen. So wird zum Beispiel eine Reduktion des Hb von 13 auf 11 mg Prozent (Reduktion um 15 Prozent) ohne besondere Aufmerksamkeit hingenommen. Ein entsprechender Abfall der SaO2 von 96 auf 84 Prozent, noch deutlicher des PaO2 von 80 auf 50 mm Hg, führt auf Intensivstationen zu meist heftiger Aktivität, obwohl es für den CaO2 in der Konsequenz das Gleiche bedeutet. Die Reaktion auf einen SaO2 oder PaO2 ist verständlich, weil es eine akute Komplikation anzeigt (zum Beispiel Verstopfung eines Tubus durch Sekret oder Aspirationspneumonie), die angegangen werden muss. Für die Versorgung des Organismus mit Sauerstoff ist dieses Sinken von 15 Prozent jedoch meist unerheblich. Der Einfluss verschiedener anderer Faktoren auf die Sauerstoffbindungskurve wie Temperatur, PCO2 oder pH-Wert (36) ist bei Fokussierung auf den CaO2 so gering, dass er in der Praxis relativ bedeutungslos ist.
Die Ventilation geht über das Herzminutenvolumen in die Berechnung des Sauerstoffangebotes ein, wenn man als zweite wichtige Regelgröße den Ventilations-/Perfusionsquotienten hinzunimmt. Der Organismus versucht diesen etwa konstant auf 0,85 zu halten (36). So steigert er zum Beispiel bei körperlicher Belastung das Herz-Minutenvolumen und die Ventilation um den gleichen Faktor. Man kann daher in der Formel des DO2 statt CO auch die Ventilation (V.) als proportionale Größe einsetzen (DO2 = V. 3 CO 3 0,85, Grafik 2), wodurch sich zahlreiche pathophysiologische Phänomene erklären lassen. Diese Extraktionsrate wird im Krankheitsfall erst in schweren Fällen verändert, sodass es für eine orientierende Beurteilung keine Rolle spielt (14, 16, 34).
Das Augenmerk bei der Betrachtung des DO2 ist auf den CaO2 gerichtet, wobei der CO genauso wichtig ist. Die Sauerstoffversorgung in der Peripherie wird durch die Perfusion ebenso bestimmt wie durch die Zahl der Sauerstoffmoleküle.
Bedeutung für die Intensivmedizin
Einige Beispiele aus der Intensivmedizin, die alle aus der Formel in Grafik 2 abgeleitet werden können, zeigen dies. Bei Anämie kommt es infolge des Rückganges des CaO2, bei völlig normalem PaO2, zu einer kompensatorischen Steigerung des Herzminutenvolumens („hyperzirkulatorische Anämie“) durch den Organismus, um das Sauerstoffangebot konstant zu halten. Bei Patienten mit Herzinsuffizienz
ist diese Anämie mit einer deutlich schlechteren Prognose verbunden (6, 8). Umgekehrt ist bei Kardiochirurgen bekannt, dass eine Transfusion bei kritischen postoperativen Patienten die Prognose verbessert (17, 19, 26, 30), was auf eine Reduktion des Herzminutenvolumens mit konsekutiver Herzentlastung zurückzuführen ist. Aber auch beim Herzinfarkt (37, 55) und der Herzinsuffizienz (29, 47) ohne Aufenthalt auf der Intensivstation korreliert das Überleben mit der Korrektur einer Anämie. Allerdings gilt die Prognoseverbesserung nur für Patientengruppen mit kritischer Sauerstoffversorgung in der Peripherie. Wird hingegen bei allen beatmeten Patienten – also auch einfachen postoperativen Verläufen ohne schwerere kardiale oder pulmonale Erkrankung – zwischen denen mit und ohne Transfusion unterschieden, dann verschwinden die Unterschiede, es kommt zum Beispiel eine immunologische Komponente der Transfusion als ungünstiger Faktor hinzu (17, 18).
Bei ventilatorischer Insuffizienz mit einer zur Vermeidung einer Überlastung der Atemmuskulatur eingestellten Hypoventilation (sichtbar an der Hyperkapnie) kommt es kompensatorisch zu einer Zunahme des CaO2 infolge Polyglobulie. Damit schafft es der Organismus das Sauerstoffangebot unter Kompensation der Grunderkrankung (wie COPD) konstant zu halten. Die Autoren konnten zeigen, dass im Rahmen des „Weaning“ bei chronisch hyperkapnischen Patienten allein durch Blutgabe bei Anämie (bei Intensivpatienten in der Regel meist durch die Blutabnahme verursacht) die Atemarbeit – sichtbar im Rückgang der Ventilation – reduziert wird (46). Allein durch diese Blutgabe kann ein Teil der Patienten damit entwöhnt werden (43).
Die absolute Höhe des Sauerstoffangebotes ist ebenfalls eine wesentli-
che Größe. Frühere Versuche über eine supranormale Erhöhung des Sauerstoffangebotes die Prognose von beatmeten Patienten zu verbessern, sind im Wesentlichen fehlgeschlagen (10, 14, 16, 20). Häufig werden aber immer noch das Sauerstoffangebot (und manchmal auch der Sauerstoffverbrauch) indirekt erhöht, ohne dass es meist bewusst wahrgenommen wird, zum Beispiel durch Gabe von Katecholaminen (38). Diese steigern dosisabhängig neben dem Muskeltonus in der Regel das Herz-Minutenvolumen und damit sekundär auch die Ventilation. Ist eines der beiden Organe (Herz oder Atemmuskulatur) kritisch belastet, das ist bei Intensivpatienten nahezu die Regel, wird das kritische Organ dann gegebenenfalls überlastet. Die letzten noch vorhandenen Reserven, wie insbesondere das Muskelglykogen (4, 9, 32, 54) in den kritischen Organen wie Herz und Zwerchfell, werden durch die katecholaminbedingte Mehrarbeit zur Steigerung des Sauerstoffangebotes verbraucht. Hinzu kommt, dass Katecholamine auch die Sauerstoffausschöpfung erhöhen (11). Die Glykogenreserven reichen je nach Überlastungsgrad etwa ein bis zwei Tage.
Umgekehrt führt eine Reduktion des Sauerstoffverbrauchs zum Beispiel durch Sedation mit kontrollierter Ventilation (Rückgang des Muskeltonus und Sistieren der Atemmuskulatur) zu einer Entlastung des Herzens (22, 53), was in kritischen Situationen wie einem Myokardinfarkt mit Lungenstauung infolge „low output“ eine Rekompensation begünstigt. Eine gleichzeitige Katecholamingabe kann den Erfolg wieder zunichte machen. Es gibt allerdings eine Ausnahme, und zwar bei postoperativen Patienten mit Störung der Sauerstoffversorgung im Wundgebiet infolge der Durchtrennung der Gefäße. Für diese Patientengruppe wurde gezeigt, dass eine Erhöhung der Sauerstoffangebotes beziehungsweise des PaO2 die Wundinfektionsrate senken kann (12, 31). Durch Steigerung des physikalisch gelösten Sauerstoffs werden vermutlich die anaeroben Bezirke im Wundbereich reduziert. Haben die Patienten zusätzlich eine schwerergradige kardiale oder pulmonale Erkrankung, muss im Einzelfall entschieden werden, was im Vordergrund steht.
Grenzwerte Sauerstoffgehalt
Das fehlende Bewusstsein in der Intensivmedizin für den CaO2 hängt möglicherweise auch damit zusammen, dass es kein einfaches direktes Messverfahren auf dem Markt gibt. Der Wert lässt sich aus Sauerstoffsättigung und Hb berechnen (Grafik 2), wobei die oximetrisch gemessenen Sättigungswerte und nicht die errechneten aus den Blutgasen genommen werden sollten, weil sie genauer sind (23, 25). Ein weiterer Grund könnten auch die fehlenden Sollwerte für CaO2 sein, diese konnten auch in der Literatur nicht ermittelt werden. In der Grafik 4 ist ein Nomogramm zur Berechnung des CaO2 aus Sättigung und Hb dargestellt. Orientierend an den Grenzbereichen des CaO2 sind diese Werte angegeben, soweit sie aus der Literatur verfügbar sind (2, 3, 13, 24, 35, 40, 49, 52). Die Grenzbereiche des CaO2 sind die, ab denen der Organismus auf einen anaeroben Stoffwechsel in der Peripherie umstellt und in dem die Hypoxie den kritischen Bereich erreicht. Dabei besteht ein Unterschied, ob die hypoxische Situation plötzlich oder auf dem Boden einer chronischen Hypoxie auftritt. Im letzteren Fall machen die Kompensationsmechanismen den Organismus hypoxieresistenter. Auf jeden Fall ist der Grenzwert viel niedriger als normalerweise in der Intensivmedizin angenommen. Bei einer Halbierung des CaO2 in der akuten Situation ist man mit hoher Wahrscheinlichkeit noch im sicheren Bereich, wenn die übrigen Organe gesund sind. Beim sonst gesunden hypoxämieadaptierten Patienten dürfte der kritische Wert bei einem Drittel des Normalwertes liegen. Dafür spricht insbesondere auch, dass bei Patienten mit Anämie auf Intensivstationen ohne schwere Herz- oder Atemmuskelinsuffizienz eine unnötige Anhebung des CaO2 durch Bluttransfusionen keinen Vorteil bringt (17, 18).
Der CaO2 ist eine Schlüsselgröße zur Beurteilung der wirklichen Sauerstoffversorgung der Organe. Insbesondere in der Intensivmedizin sollte er eine größere Rolle bei Therapieentscheidungen spielen, um eine Übertherapie zu vermeiden.
Mannuskript eingereicht: 21. 6. 2004, revidierte Fassung angenommen: 11. 11. 2004
Der Autor erklärt, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht.

zZitierweise dieses Beitrags:
Dtsch Arztebl 2005; 102: A 2026–2030 [Heft 28–29]


Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das beim Verfasser erhältlich oder im Internet unter www.aerzteblatt.de/lit2805 abrufbar ist.

Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. med. Dieter Köhler
Fachkrankenhaus Kloster Grafschaft
Pneumologie, Allergologie, Beatmungs- und Schlafmedizin
57392 Schmallenberg, E-Mail: [e-mail]
Internet: www.pneumologie.de

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