犬猫体液组成与分布理论基础.docx
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犬猫体液组成与分布理论基础
第一章犬猫体液的组成与分布理论基础
对水和电解质平衡的功能异常处理接近于对液体平衡生理学的基本理解。
本章是从外科医生的视角提供对体内液体平衡的原理的概述,关注成年犬猫的体液稳态。
对体液溶质的测量单位的简短的回顾之后是对各部位的体液讨论。
同时介绍了负离子差异,渗透压差异以及零平衡的概念。
计量单位
任何元素的原子重量都是该元素与碳的同位素12C的重量相比较而得,规定12C的重量是12.000。
任何元素的原子质量都可以在元素周期表中找到。
元素的原子质量的生理学意义没有他们组成的化合物的分子质量或分子式意义重要。
化合物的分子质量定义为按化学组成它的元素的原子质量的总和。
任何1摩尔(mol)的物质都是该物质中所含的原子或分子质量克数。
1毫摩尔(mmol)是10-3摩尔,或者是该物质的分子质量以毫克(㎎)表示。
生物溶液通常是被稀释的。
带电溶质的浓度通常用毫摩尔每升(mmol/L)来表示。
不带电的溶质通常用毫克每分升(mg/L)来表示,如尿素,葡萄糖。
体液中一些比较重要的元素的原子质量以及重要化合物的分子质量在表1-1中给出。
表1-1重要生理物质的原子和分子质量
物质
符号或化学表达式
原子或分子量
化合价
钙离子
碳
氯离子
氢
镁
氮
氧
磷
钾
钠
硫
氨
铵离子
碳酸氢根离子
二氧化碳
葡萄糖
乳酸根离子
磷酸根离子
硫酸根离子
尿素
水
Ca
C
Cl
H
Mg
N
O
P
K
Na
S
NH3
NH4
HCO3
CO2
C6H12O6
C3H5O3
PO4
HPO4
H2PO4
SO4
NH2CONH2
H2O
40.1
12.0
35.5
1.0
24.3
14.0
16.0
31.0
39.1
23.0
32.1
17.0
18.0
61.0
44.0
180.0
89.0
95.0
96.0
97.0
96.1
60.0
18.0
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0
生物溶液中离子是根据他们的化合价或电荷而不是重量来结合的。
阳离子(带正电荷的离子)与阴离子(带负电荷的离子)的数目是相等的,保持电中性。
Rose(1989)年将电化学等价定义为如下:
等价物定义为一定质量的某元素与1gH+结合或置换。
因为1gH+等同于1molH+(大约含6.021023离子),1mol任何单价离子(带1个负电荷)与H+结合等同于一个等价物(当量Eq)。
例如,一个Ca2+与两个Cl-结合形成CaCl2。
所以体液的浓度用当量每升(Eq/L)来表示是有意义的,它可以反应溶质的电荷或化合价。
物质的当量是其分子或原子量与化合价之比。
毫当量(mEq)是10-3当量(Eq)。
Na+的重量等同于它的原子量,因为Na+的化合价是+1。
每毫摩尔的Na+提供1毫当量。
类似的,等毫当量的Ca2+等于它的原子量的一半,因为它的化合价是+2。
并且每毫摩尔的Ca2+提供2毫当量。
这些关系可以总结如下:
毫摩尔×化合价=毫等价物
毫分子量/化合价=毫当量
转变成浓度就是:
mEq/L=mmol/L×化合价
mEq/L=〔(mg/dL×10)/分子量〕×化合价
磷酸盐在体液中以三种不同形式存在:
H2PO41-,HPO42-,PO43-(详见第7章)。
在细胞外液正常的PH值状态下约80%的磷酸盐是以HPO42-的形式存在,20%以H2PO41-形式存在。
所以细胞外液的磷酸盐的平均化合价是0.8×(-2)+0.2×(-1)=-1.8。
正常血浆中磷酸盐的浓度是4mg/dL:
4mg/dL=〔(4×10/31〕×1.8=2.3mEq/L
不管重量如何,1摩尔的任何物质都含有相同数目的分子(6.023×1023)(阿伏伽德罗定律)。
溶质在溶液中产生的渗透压仅由溶液中的分子数目决定,而不是它们的化学分子式、重量或化合价。
一渗透压克分子(Osm)定义为任何1摩尔不溶解物质的分子质量,故此1摩尔渗透压也含有6.023×1023个分子。
如果一个复合物在溶液中离解为两个或三个分子,那么溶液中的渗透压克分子数就相应地增加了两倍或三倍。
假设NaCl完全溶解在溶液中,每毫摩尔的NaCl提供了2毫渗透压克分子(mOsm):
1mOsm的Na+以及1mOsm的Cl-。
溶液的毫渗摩尔浓度可以表示为溶液的渗透性(毫容积渗克分子浓度)milliosmolarity或者毫重量摩尔渗透压浓度milliosmolality。
重量摩尔渗透压浓度(osmolality)涉及到每千克溶剂的渗透压克分子。
把一渗透压克分子(Osm)的溶质加入1千克水中,此时水溶液的重量摩尔渗透压浓度就是1,在生物溶液中可以忽视重量摩尔渗透压浓度(osmolality)和渗透性(osmolarity)的区别,并且在此类讨论中通常使用重量摩尔渗透压浓度(osmolality)。
血清或者血浆的重量摩尔渗透压可用凝固点下降来测定。
1kg水中1渗透压克分子的溶质能降低凝固点约1.86℃。
犬猫的血清重量摩尔渗透压浓度平均值分别约为300和310mOsm/kg。
任何液体隔室内的溶质渗透压仅由包围容器的膜的通透性决定。
图1-1所示是一个密闭容器内两部分分隔的液体。
假设将溶液分为两部分的膜对尿素和水完全通透,但对葡萄糖不通透。
当尿素加入到左室中时,尿素从左至右运动以降低它的浓度,水从右至左运动以降低他的浓度,直到膜两边水和尿素的浓度相等时运动停止。
容器中没有增多的液体进入左边液体间内,因为尿素是无效的渗透压克分子,不会产生渗透压。
当葡萄糖加入左室中,水分从左至右运动以降低它的浓度,但是葡萄糖不能通过膜,这种水分子的运动称渗透作用。
左边的液体隔室不能扩大体积,水分因葡萄糖的渗透作用流入进而导致了容器内液体增多。
在这个例子中,葡萄糖是有效渗透压克分子。
因为他通过转运膜两边的水分而产生摩尔渗透压。
增加的液体量与由葡萄糖产生的渗透压是成比例的。
在这个装置中,葡萄糖是有效摩尔渗透压分子,因为膜对葡萄糖有通透性,而对水分不通透。
渗透压
图1-1有效和无效渗透压克分子。
(上部)膜另一边的液体中加入如尿素的可渗透溶质(小黑点)的影响。
在这个装置中,最后的平衡是由尿素穿越膜的平衡运动实现的,而不是水分子进入尿素区室。
所以不产生摩尔渗透压。
(底部)膜一边的液体中加入如葡萄糖的不可渗透溶质的影响(大圆圈)。
水分进入葡萄糖区室中,产生的流体压(可通过葡萄糖区室柱内水分上升高度测定),与溶液的渗透压平衡。
溶液的这种有效重量摩尔渗透压浓度类似于溶液的张力。
测定凝固点降低的渗透压计可以测量溶液中所有渗透压活性物质,溶液的渗透压测量应包括有效和无效渗透压克分子。
如果有效和无效的渗透压克分子都存在时,溶液的张力可能低于重量克分子渗透压浓度测量值。
所以,溶液的张力和重量克分子渗透压浓度并不都是相同的,这种情况在生物溶液中是真实存在的。
体液容积的测定
体液分布在细胞内和细胞外。
胞外液(ECF)包括血液和间质液,后者存在于血管间包括脑脊液、胃肠液、淋巴、胆汁、呼吸道分泌物、腺体分泌物、关节滑液,并与其他存在于特殊部位如胃肠道的腔室、关节腔内的胞外液是保持平衡的。
这些液体不是血浆的渗出液,而是由特殊细胞作用产生的,所以称为跨细胞液。
在已研究的跨细胞液(如胃肠液)中Na+、K+、Cl-E和水能很容易的与胞外液交换。
所以体液容积的传统解剖学定义是毛细血管内皮细胞以及细胞膜作为血管容积和胞外液的边界。
相对来讲,从功能上说,体液容积被描述为水分和电解质在动态平衡中的容积是更为准确的,因为体液和离子可以通过那些半透性膜。
体液总量(TBW)、胞外液(ECF)体积以及胞内液(ICF)体积的近似值能够反映健康或疾病状态下体液与溶质的分配。
从任意隔室(compartment)中丢失或获得液体和溶质都可以导致其他隔室容积的改变。
预测液体隔室大小的相对变化对于理解疾病过程中的病理生理学、开出液体治疗方案有重要意义。
最初补液不经肠胃直接进入胞外液。
在更多的疾病中体液的丢失最初发生在胞外液中(如腹泻时大量肠液丢失或肾容积显著增加时肾衰竭多尿)。
所以估算细胞外液容积有重要意义。
体液容积可以通过两种方法测定:
对尸体的直接检查(干燥法)或者在完整物体上稀释染料或同位素。
这种稀释技术的理论基础是指示剂在动物体内分布的容积可通过计算已知计量的指示剂混合于体液后的已知浓度而得。
Vd=指示剂总量/混合后指示剂浓度
(Vd这里代表分布容积)
用来测定特定隔室体液容积的理想指示剂必须能迅速且均匀地扩散于待测部位并必须保留在该部位。
指示剂不能被代谢或与蛋白质或脂质相结合,它在体液中的浓度以及在机体内的代谢清除情况必须能容易测得。
毒素不能用于做指示剂。
在犬和猫中,各种不同的指示剂物质已经被应用于测定血浆容量〔T-1824(Even’s蓝)、131I和125RISA(放射性碘化血清白蛋白)表1-2〕,红细胞容量(51Cr、59Fe和55Fe;见表1-2),胞外液容量(菊粉,亚铁氰酸,23Br,22Na,24Na,硫氰酸盐,硫代硫酸盐,蔗糖,35SO4,38Cl,36Cl以及甘露醇;见表1-3),全身体液总量(氚化水,氧化氘,,尿素,安替比林;见表1-4)。
在通过稀释指示剂测得血浆容量(PV)、红细胞容量、ECF、TBW之后细胞内液(ICF)容量可以由全血容量减去ECF容量获得。
胞内液容量就是胞外液容量与全身体液容量的不同之处。
跨细胞转运的液体因为较复杂不易在活体动物中获得,但有限的一些估计跨细胞液的数据已经在人类和犬尸体上获得。
健康动物和人类的PV、全身血量、TBW的估量值仅因使用的指示剂不同而发生轻微的变化,但ECF容量的估量值却变化很大。
体型均匀的成年犬的PV估量值约为42~58mL/kg,红细胞容量估量值约为24~45mL/kg,TBW的估量值约为534~660mL/kg。
猫的相关数据较少。
红细胞容量(12~20mL/kg)、PV(37~49mL/kg)、TBW(43~67mL/kg)的估量值已有报道(见表1-2)。
Jain(1986)注意到全血容量与瘦体质有关,并估计猫的全血量是62~66mL/kg(即体重的6~7%),犬的血量是77~78mL/kg(体重的8~9%)。
表1-2犬猫红细胞、血浆、全血量的估量值
物种
N
红细胞容量
方法
mL/kg
血浆容量
方法
mL/kg
全血容量
方法
mL/kg
参考文献
犬
猫
17
9
NR§
NR
10
NR
NR
100
NR
NR
5
4
40
8
5
16
153
30
10
25
39
NR
5
7
10
7
10
2
51Cr
NR
51Cr
51Cr
51Cr
51Cr
51Cr
51Cr
55Fe,59Fe
32P
32P
32P
59Fe
51Cr
51Cr
59Fe
51Cr
51Cr
51Cr
51Cr
36.1*
38-43
34.1
26.4*※
43
33.5*
31.4
38.8
41
34.8*
30.9※
44.6±7.7
42.0±6.7
41.3±4.5
24.0±5.0
39.4±5.8
45.0±2.0
17.0
12.2※
19.9
19.0
T-1824
T-1824
NR
T-1824
T-1824
131I
T-1824
131I
T-1824
T-1824
NR
T-1824
#125RISA
T-1824
T-1824
T-1824
T-1824
131I
131I
131I
T-1824
131I
T-1824
48.5*
56.2
42-58
52.8
48.3*※
41.6*※
51.4
50.2*
54
52(35.0-70.4)
44*&
52.4*
53.8
51
52.2*
46.9※
58.0±7.0
56.78.2
43.44.4
51.0±5.0*
52.1±6.6
49.0±4.0
55.1±4.1
37.4
46.8
48.8
VP+VRBC
NR
84.6
83-101
81
94.4
79
92.0
87.0
77.8
102.6±12.0
98.7±12.0
84.9±8.1
75.0±6.0
98.1±8.9
94.0±3.0
56.3
43.4§
67.1
66.7±3.5
67.2
*麻醉
&肾切除
※脾切除
§NR,没有报道
#125RISA放射性血清白蛋白
±SD标准差
表1-3犬猫细胞外液容量估量值
物种
N
方法
ECF(mL/kg)
参考文献
猫
犬
9
6
10
NR§
5
10
4
6
6
14
4
7
5
5
NR
3
4
4
8
5
12
16
9
8
NR
9
10
7
NR
13
硫氰酸盐
菊粉
菊粉
菊粉
菊粉
菊粉
菊粉
菊粉
菊粉&
亚铁氰化物*&
亚铁氰化物&
36Cl*&
36Cl※
36Cl&
22Na,24Na
24Na
24Br
35SO4&
35SO4&
35SO4&※
35SO4*&
35SO4*&
35SO4
硫氰酸盐
硫氰酸盐
硫氰酸盐
硫代硫酸盐*&
硫代硫酸盐
硫代硫酸盐
甘露醇
甘露醇*&
288
189
186
216
198(145-251)*
167
204
172
230
224
237
273
149
346(324-380)
305
299(240-360)
308
197
215
255
237
225
201
307
313
320(239-408)
224
246
244
216(166-214)
226(187-272)
*肾切除
&麻醉
※脾切除
§NR,没有报道
表1-4犬猫体液总量估量值
物种
N
方法
TBW(mL/kg)
参考文献
猫
犬
成年
瘦弱
肥胖
1
1
3
8*
11
NR§
10
8*
40
33
16
6
7
4
14
7
7
5
氧化氘
干燥法
干燥法
氯化钠
尿素
NR§
氚化水
安替比林
氧化氘
氧化氘
氧化氘
干燥法
安替比林
干燥法
干燥法
氚化水
氚化水
氚化水
615&
580
677(642-724)
500(420-560)
630(565-715)
580
580-600
599(539-679)
589(350-900)&※
619(525-713)
626±28
628(550-662)
734(639-795)
700(619-756)
596(503-690)
534&
567&
660
*观察到的数量
&麻醉
※脾切除
§NR,没有报道
指示剂的生物学行为的特征反映了它在体液中的平衡,并且在用指示剂的分布容积来描述体液的生理学时必须考虑到这一特性。
T-1824的稀释研究可能使血浆容量的估计值偏高,因为红细胞团捕获了血浆,而且不同时间采集的血浆样本光学密度不同。
用51Cr方法测定的红细胞的分布容积也是偏高的,因为含有标记的51Cr的红细胞可能隐藏在脾脏中。
通常对体液隔室的研究是实施在脾切除、肾切除或者是麻醉的实验动物上的。
相对于有完整脾脏的犬猫来说实施了脾切除的动物全血量及红细胞量较少。
犬猫的脾脏相当于红细胞的储藏器,当脾脏受到刺激(如在压力中)收缩时,它可以释放红细胞。
猫可以在脾脏中储存20%的红细胞量。
内脏的血管床也可以作为红细胞的储存器,当收缩时可以增加循环血量的20%~30%。
很多对体液的研究都是在麻醉动物上进行的。
用戊巴比妥麻醉对使用氧化氘估计的全身体液总量是无影响的,但因亚铁氰化物稀释(减少9%),菊粉稀释(减少14%)会导致胞外液值大量降低。
但是它对硫氰酸盐分布容积是无影响的。
麻醉犬猫获得的数据仅提供了健康清醒动物的体液容积的近似值。
全身体液总量通常定为体重的60%。
但这个值是因个体差异而有所变化的。
人类的全身体液总量随年龄增加而下降。
女性值比男性值低。
不满一岁的孩子的全身体液总量值因为血浆和间质液的容量降低而是降低的。
去脂幼犬和幼猫的体液百分比已经被测量,并显示了在生命的头六个月中降低了。
人的一生中全身体液总量的下降以及女人全身体液总量低于男人,看起来更容易解释为机体组成成分的不同(含水组织中脂肪含量低于瘦弱组织中)。
所以在不是很肥胖的成年哺乳动物中全身体液总量占体重的60%。
脂肪含水量低的事实暗示了病人的体液需求应当在瘦弱机体中测得以此来避免水化过多,尤其是在有心脏病或肾脏功能不全或低蛋白血症的病人中。
下面的公式是在基于以下条件来估计瘦体质的:
(1)在一般小动物患者中大约20%的体重是与脂肪有关的,
(2)不正常的肥胖代表了机体脂肪至少增加了体重的30%,(3)体重是瘦弱患者的瘦体质的合理估计值。
肥胖体重×0.7=瘦体质
正常体重×0.8=瘦体质
瘦弱体重×1.0=瘦体质
在脱水时细胞外液容量的估计值用体重百分比来表示对临床抗脱水体液转换评定是十分有用的。
评定脱水状态下的变化并且作为开处方监视体液疗法的基础。
遗憾的是从尸体上胞外液稀释研究获得的数据是很难解释的。
据报道成年健康犬猫的细胞外液容量在体重15~30%间变化,很多临床医生使用体重的20%估计细胞外液容量。
不同的指示剂的测量使用使得对成年健康犬猫胞外液ECF容量的估量值范围较大。
一些指示剂分布容积的可能值大于ECF容量,相对较小、带电的示剂(23Br,35SO4)也许会穿过细胞。
放射性的硫酸根盐(35SO4)可以自由穿过红细胞,并且在胆汁中也有发现,暗示这种离子能穿过某些细胞。
机体17%的硫酸盐(包括与之平衡的35SO4)不在细胞外液中。
而且,35SO4在肝脏中与白蛋白混合并且可能进入机体其他有机复合物中。
所以35SO4的分布容积大于胞外液容量。
硫氰酸盐和硫代硫酸盐能迅速穿透细胞。
硫氰酸盐也可以与血浆蛋白结合。
它们也可以使ECF容量估量值偏高。
菊粉与亚铁氰化物不能穿过胞内液。
菊粉是不带电、无生物活性的大分子,不适于细胞膜的穿透。
二者都不能穿过胞外液的重要组成成分——跨细胞液,尤其是在疾病中。
如腹泻时肠液的丢失可能危及到生命。
菊粉不能穿透(或者分散很慢)骨骼中75%的水分以及高密度结缔组织的。
亚铁氰酸进入骨骼和高密度结缔组织的能力尚无报道。
二者的稀释研究都使ECF容量估量值偏低。
四项(包括至少35只犬)关于菊粉分布容积研究的平均值是190mL/kg,体重的19.0%。
据两项已报道的关于亚铁氰化物分布容积研究(20只狗)的平均值是230mL/kg,体重的23%。
在稀释研究中使用的可用的生理复合物中,24Na和36Cl的分布容积最接近ECF容量。
人体35~40%的Na+包含在骨中,而骨中30%的Na+是不可交换的。
犬骨中Na+总量约为40~50mEq每千克体重,犬骨中55%Na+是不可交换的。
所以犬骨骼中45%的Na+可与ECF进行迅速的交换。
可交换的Na+可能自由存在于骨ECF中,或是被能捕获不可交换骨Na+的骨结晶表面吸收。
24Na与可交换的Na+在人体能于24小时内达到平衡。
由于骨内有大量可交换的Na+,所以24Na的分布容积比ECF容量大。
一项对5只狗的24Na分布容积的研究所得的平均值是299mL/kg,体重的30%。
人体约12%的Cl-存在于细胞内(红细胞、睾丸以及胃粘膜)。
一些胞外组织中Cl-的浓度如腱可能高于血浆中Cl-的浓度。
氯化物可能结合于白蛋白或结缔组织中其他胞外蛋白。
所以36Cl稀释同样使ECF容量估量值偏高。
两项关于36Cl分布容积的研究(9只狗)所得的平均值是310mL/kg或体重的31%。
似乎ECF容量是不可能利用同一种指示剂染料或放射性同位素精确测得,因为容积本身是异源的。
Edelman和Leibman(1959)指出ECF的四个亚室为血浆、间质淋巴、高密度结缔组织、软骨、骨以及跨细胞隔室。
虽然对犬猫的间质淋巴液总量的估量值还没有报道,但可以利用PV和TBW数据。
利用这些数据以及目前人类相关研究所得数据,可推导出ECF各亚室体液占体重的百分比(图1-2)。
胞外液含在构成了体重的18%的PV、间质淋巴、液跨细胞液以及25%的骨骼液体,这一数值与临床医生对ECF容量的估计值20%非常接近。
但是如果其余含在骨以及高密度结缔组织(体重的9%)中的液体是包含在ECF中,那么ECF约占体重的27%。
跨细胞液2%
血浆容量5%
高密度结缔组织及骨9%
+
+
+
+
=27%体重(所有细胞外液容量)
+
+
+
=18%体重(迅速平衡或菊粉腔)
图1-2用体重的百分比来表示各区室的体液总量。
A+B+C+D=18%体重=迅速平衡(菊粉);A+B+C+D+E=27%体重=所有细胞外液总量
在抗水化时或治疗中获得的液体与胞外液的一些亚区室达到平衡可能要更慢一些,如骨以及高密度组织。
在犬和一只猫上的D2O研究显示D2O在血浆和淋巴间质液间的平衡时间不到1分钟。
犬的D2O分布平衡包括与骨骼内的液体达到平衡能在2~4小时内达到。
这些研究中应用的稀释D2O溶液的分布容积及分布率当然比较准确的反映了液体本身分布容积和分布率。
D2O分布的限速步骤可能是在通过细胞膜转运时。
这种模式假设水的分布受扩散限制。
红细胞、大脑皮层、内脏组织细胞与胞外液的交换比其他支持组织更快(如骨骼肌、皮肤、结缔组织以及骨骼)。
但尽管如此“没有部位的不流动的液体被知道是存在的”并且在D2O研究的基础上,在整个ECF的水分平衡应该是很快的(约4小时)。
从生理学角度讲,并为决定成年的小动物患者的补液需求,ECF应该被估计为去瘦体质的27%。
机体溶质的分布
全身溶质可以用尸体分析(干燥法)或前述估测体液总量的稀释方法来测定。
不同溶质表观分布容积不同。
机体溶质的稀释研究结果变化因用来估计溶质空间特殊示踪物的分布容积不同而变化。
关于小动物的机体溶质容积的尸体以及同位素稀释研究的文献报道数据有限。
此类讨论更多是建立在人类研究所得到的数据基础之上。
TBW中的机体溶质并不是均匀分布的。
血管内皮和细胞膜对不同的溶质渗透性不同。
健康的血管内皮对血液组成成分和血浆蛋白是相对无通透性的。
所以,细胞和蛋白的分布容积就是血浆本身。
然而血管内皮对阳离子是完全通透的,这些离子在细胞间质中与在血浆中的浓度基本上是一样的。
血浆、间质液以及胞内液中溶质的浓度列在表1-5中。
ECF和ICF的组成比较列于图1-3中。
较之前血浆相比,阳离子浓度的轻微升高以及阴离子浓度降低是因为血浆中存在带负电的血浆蛋白。
穿过血管内皮的可渗透的阴阳离子的平衡浓度是由Gibbs-Donnan平衡来决定的。
在临床实践上,穿过血管内皮细胞的阴阳离子的浓度差异可忽略不计,Gibbs-Donnan平衡的影响也常被忽略。
所以在临床实践中,
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