untitled Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. 35 em er ge nc y ca re jo ur na l - o rg an iz za zi on e, cli ni ca ,r ice rc a • A nn o III n um er o IV • A go st o 20 07 • w w w .e cj .it Tra i capitoli della scienza medica l’equilibrio acido- base è caratterizzato da alcuni aspetti peculiari. Tra questi vi è anche la sua storia, che è relativamente re- cente: le acquisizioni di rilevanza scientifica sono in- fatti tutte quante esplose nel breve arco di tempo tra l’inizio e gli anni Cinquanta del XX secolo. L’evolu- zione delle conoscenze – non solo e non tanto il pro- gresso nelle informazioni sull’eziologia o sulla pato- genesi o anche sulla terapia di questo o di quel di- sordine, fenomeno comune a ogni aspetto della scienza medica – ma precipuamente i principi di bio- chimica su cui si fonda, e questo è meno comune, so- no tuttora in evoluzione, come P. Stewart ha dimo- strato negli scorsi anni Ottanta, e come dimostrano gli studi del tutto attuali di J.A. Kellum e di H.E. Co- rey. Raccontarne la storia è quindi interessante, e ser- ve a far capire i misteri di questo capitolo tra i più af- fascinanti della fisiologia e della patologia. Facciamo presente che il merito di questi articoli non è di chi scrive, ma è di P. Astrup e di J.W. Severinghaus dal cui bellissimo libro The History of Blood Gases, Acids and Bases sono stati recensiti alcuni capitoli. Va da sé che vi si aggiunge il ricordo di chi scrive, che iniziò la car- riera laboratoristica proprio al culmine dell’esplosio- ne delle conoscenze, formando la propria esperienza tra l’apparecchio gasometrico di van Slyke, la titola- zione del bicarbonato e i primi pH-metri a elettrodo di vetro. Le prime indagini su acidi e basi in medicina Con l’evolversi, tra il XVII e il XVIII secolo, dei pri- mi fondamenti di quella che sarà la fisica e la chimi- ca moderna, prendono avvio anche i primi studi sul- la biochimica fisiologica e, in questo contesto, le pri- me segnalazioni sugli acidi e le basi nei liquidi corpo- rei. Come abbiamo accennato più sopra, la conoscen- za degli acidi e delle basi in natura è molto antica: proviene dall’India (XI-XII secolo) giungendo in Eu- ropa attraverso gli Arabi nel XIII secolo: alcali deriva dall’arabo al qali = cenere, giacché le basi soda e po- tassa si ottenevano in passato dalle ceneri del legno di diverse piante. L’importanza degli acidi e delle basi nei primi secoli fu tale che intorno al XVI secolo si giunse alla convinzione che tutta la chimica fosse composta da acidi e da basi, e che i composti neutri fossero unicamente il risultato della combinazione equilibrata di un acido e di una base. Questo modo di vedere si estendeva anche agli aspetti fisiologici: in analogia con la fermentazione alcolica con produzio- ne di anidride carbonica (scoperta da J.B. van Hel- mont, 1577-1644, all’inizio del XVII secolo) si ritene- va che un’analoga fermentazione avvenisse anche nel- l’organismo, cosicché i processi vitali dovevano esse- re controllati da una bilanciata produzione di acidi e di basi, mentre gli stati patologici erano causati da La storia dell’equilibrio acido-base (1a parte) Mario Tarantino Già primario del Laboratorio di Analisi chimico-cliniche dell’Ospedale di Saronno, Varese SINTESI Nel contesto della Storia della Medicina l’Equilibrio Acido-Base presenta la peculiarità di un’evoluzione in continuo divenire, non solo e non tanto quale risultato del progresso delle conoscenze sia in campo fisiologico che fisiopatologico e clinico – il che è comune a tutti i campi della Scienza Medica, ma anche per quanto riguar- da gli stessi fondamenti biochimici, come dimostrano la recente revisione critica di P Stewart e quelle del tutto attuali di J Corey e di JA Kellum – e questo è un po’ più singolare. Pur iniziando alcuni secoli fa, la storia dell’equilibrio acido-base ha avuto un’evoluzione lenta e difficile, ed i concetti moderni sono pressochè esplosi entro un paio di decenni all’inizio del secolo XX. Tanto più quindi, riguardandole retrospettivamente, destano me- raviglia ed ammirazione le intuizioni precorritrici di studiosi co- me R Boyle, JB van Helmont, AL Lavoisier, per citare solo alcuni dei più importanti scienziati che hanno preparato le basi delle co- noscenze attuali in questo capitolo affascinante della fisiologia e della clinica, che appartiene trasversalmente a tutte le Specialità Mediche e Chirurgiche. medicina di laboratorio e trasfusionale emergency care journal Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. 36 em er ge nc y ca re jo ur na l - o rg an iz za zi on e, cli ni ca ,r ice rc a • A nn o III n um er o IV • A go st o 20 07 • w w w .e cj .it fermentazioni anormali con un eccesso di acidi o di alcali, acrimoniae acidae et lixiviosae. R. Boyle (1627-1691) con la sua scuola fu il primo a contestare seriamente queste convinzioni, dimostran- do la natura né acida né basica di molte sostanze neu- tre e, per quanto riguarda la biologia, affrontando l’analisi chimica del sangue, sia nella parte corpusco- lata sia in quella liquida, per mezzo di tecniche di di- stillazione, incenerimento, reazioni con alcoli e con acidi. Benché avesse ipotizzato che il sangue dovesse contenere necessariamente un acido, perché la secre- zione gastrica – indubbiamente un prodotto del san- gue – è acida, quando sottopone il sangue a distilla- zione Boyle trova tuttavia «Hostility of the Spirit of Hu- man Blood to the Acid», come descrive nelle sue Me- moirs for the Natural History of the Humane Blood nel 1684. Benché a noi più noto per il suo importante contributo alla fisica e alla chimica dei gas, e per la realizzazione della prima pompa a vuoto, che fu uti- le anche per le ricerche sui gas del sangue, non me- no importanti sono gli studi di questo grande scien- ziato nel campo della chimica acido-base. Definì mol- te delle proprietà degli acidi e delle basi, dimostran- do tra l’altro che soluzioni alcaline di diverse sostan- ze formano un sedimento quando vi viene aggiunto un acido; avendo osservato che lo sciroppo di violet- te cambia colore da blu in soluzione alcalina a rosso in soluzione acida, creò gli indicatori acido-base, uti- lizzando il succo di diverse piante ed essiccandolo su pezzetti di carta, inventando così le cartine-indica- tore. Tuttavia non fece uso degli indicatori nei suoi esperimenti sul sangue, limitandosi a ritenere accla- rato che fosse di reazione neutra, «come si può de- sumere dal sapore». D’altronde l’approfondimento circa la “reazione” del sangue non appare riscuotesse grande interesse in quel tempo, in contrasto ad esempio con le ricerche sui gas del sangue, come vedremo assai più assidue e tempestive: infatti, dopo gli esperimenti di Boyle, soltanto nel 1776 troviamo una segnalazione di H.M. Rouelle (1718-1779) che riferisce che il san- gue è lievemente alcalino, il che viene attribuito al sodio, mentre J.J. Berzelius (1779-1848), il più il- lustre scienziato svedese del suo tempo, riporta nel suo Föreläsninger över Djurkemien del 1808 che la parte liquida del sangue contiene albumina, alcuni sali e una piccola quantità di alcali liberi. Oltre que- ste segnalazioni, ben poche sono le informazioni sull’alcalescenza del sangue nei testi di fisiologia o di biochimica medica fino ai primi decenni del XIX secolo. In confronto, maggiore interesse appare rivolto allo stato acido-base di altri liquidi corporei. La dimostra- zione dell’acidità del succo gastrico risale al secolo XVII, dovuta a van Helmont e generalmente condi- visa perché ritenuta importante per la digestione. Che l’urina fosse acida era noto già molto tempo prima di Boyle, merito anche qui, si ritiene, di van Helmont. Ma per un approfondimento del significato e della composizione dell’acidità urinaria bisogna aspettare i primi decenni del XIX secolo. Nel 1820 W. Prout (1786-1850) propone una sorta di standardizzazione della misura dell’acidità urinaria mediante l’uso del- la cartina al tornasole. Berzelius attribuisce l’acidità dell’urina all’acido lattico, che egli aveva dimostrato nel sangue, e rivela altresì la presenza di solfato, fo- sfato e carbonato, mentre Rouelle trova l’acido ippu- rico e C.W. Scheele (1742-1786) l’acido benzoico. Un importante contributo si deve ad H. Bence Jones (1813-1878), a tutti noto per la proteina urinaria ter- mosolubile che porta il suo nome. Nel 1845, duran- te i suoi studi sulle urine presso il St George Hospi- tal di Londra dove prestava servizio quale medico re- sidente, aveva ricevuto da un collega di Belfast la se- gnalazione del viraggio in direzione alcalina della rea- zione dell’urina nel periodo post-prandiale. Colpito da questa segnalazione, Bence Jones iniziò un accura- to studio sulle variazioni circadiane dell’acidità urina- ria, raccogliendo una dettagliata documentazione sul- la relazione tra l’acidità urinaria e l’alimentazione. Ol- tre a confermare l’alkaline tide post-prandiale, che mette in relazione con il simultaneo aumento della secrezione gastrica, Bence Jones prospetta altresì che le variazioni dell’acidità urinaria devono essere il ri- flesso delle variazioni dell’alcalinità del sangue, la cui regolazione dipende dall’eliminazione della volatile anidride carbonica nei polmoni e dell’acido-base non volatile nel rene. In studi successivi, Bence Jones di- mostra che un carico di acido solforico è quantitati- vamente eliminato nell’urina e che nei pazienti con vomito grave l’urina diventa alcalina. È evidente l’im- portanza di questi studi, che per la prima volta met- tono in relazione l’equilibrio acido-base con il meta- bolismo energetico e anticipano con sorprendente lu- cidità i concetti moderni della regolazione omeostati- ca dello stato acido-base. Il contributo dell’epidemia di colera Nello stesso tempo un ulteriore impulso al progresso delle conoscenze non solo dell’equilibrio acido-base, ma anche delle sue relazioni col metabolismo idrico- elettrolitico, venne, purtroppo, dal dilagare dell’epi- demia di colera che, iniziata in India nel 1817, si diffuse rapidamente in Russia, Polonia, Germania fi- no a lambire la Gran Bretagna intorno al 1830. Specialmente importanti furono gli studi di W.B. O’Shaughnessy (1809-1889) e di W.R. Clanny (177- medicina di laboratorio e trasfusionale Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. 37 em er ge nc y ca re jo ur na l - o rg an iz za zi on e, cli ni ca ,r ice rc a • A nn o III n um er o IV • A go st o 20 07 • w w w .e cj .it medicina di laboratorio e trasfusionale 6-1850), comparsi su Lancet pressoché contem- poraneamente nel dicembre 1831. Il lavoro di O’Sha- ughnessy, che può essere considerato il primo espe- rimento di analisi del sangue correttamente condotta in pazienti con colera, descrive il sangue di questi pazienti «di colore nerastro, anche quello arterioso, e così denso da consentire con molta difficoltà la separazione del siero dal coagulo». L’analisi dimo- strava «una marcata diminuzione dell’acqua nel siero, 860 parti ‰, e dei neutral saline ingredients, nonché la pressoché completa scomparsa della free alkali, l’au- mento dell’urea nei casi dove l’eliminazione dell’urina era marcatamente ridotta, e per contro la presenza nelle feci di tutti i sali che erano deficitari nel sangue, soprattutto il carbonato di soda». I risultati di Clanny sono analoghi e riportano anche una descrizione dei metodi e della strumentazione adottati (Description of Apparatus and Experiments for Determining the Composition of the Blood in Health and Disease). Per la raccolta del campione veniva impiegato un tubo di vetro sotto vuoto, anticipando così di quasi un secolo il sistema vacutainer; l’analisi dei sali era fatta con tecniche di chimica inorganica sul campione dopo essiccamento e incenerimento; il dosaggio della free alkali era eseguito facendo passare su acqua di calce il gas estratto dal sangue mediante pompa a vuoto; la fibrina, le proteine e la materia colorata (emo- globina) erano misurate per pesata dopo opportuni trattamenti di coagulazione, precipitazione o essic- camento. Questi studi sono stati importanti non solo dal pun- to di vista della fisiopatologia e della chimica clinica, ma anche perché, evidenziando quantitativamente i deficit dello stato acido-base ed elettrolitico, hanno dato avvio ai primi tentativi di terapia correttiva e reintegrativa delle perdite idrico-elettrolitiche. Con- tribuirono a questo fine anche gli studi di W. Stevens (1786-1868), medico inglese che aveva praticato a lungo nelle colonie delle Indie Occidentali e aveva ac- cumulato una vasta esperienza nel trattamento di di- verse enteriti tropicali comuni in quei Paesi. Nel suo trattato Observations on the Healthy and Diseased Pro- perties of the Blood riferisce i risultati delle analisi del sangue, pressoché sovrapponibili a quelli di O’Shau- ghnessy e di Clanny, e soprattutto raccomanda l’uso delle soluzioni saline (muriato di soda, nitrato di po- tassa, carbonato di soda, sale di Rochelle e altri) in- dispensabili per il trattamento di queste forme clini- che «from the moment that we considered fever as a di- sease of both the solids and the liquids». Ma, sia perché le conoscenze della fisiologia del bilancio idrico-elet- trolitico erano ancora assai limitate, sia perché le tec- niche analitiche non erano ancora diffusamente di- sponibili ed erano comunque di complessità spesso inaccessibile a molti ospedali, sia infine perché le ap- parecchiature per infusione venosa non erano anco- ra praticabili o lo erano solo a livello sperimentale, questi primi esperimenti di terapia correttiva falliro- no, soprattutto perché la quantità dei liquidi sommi- nistrati era di gran lunga insufficiente a correggere il deficit del volume circolante che, come oggi sappia- mo, in quelle condizioni è il problema più importan- te ai fini della sopravvivenza del paziente. Ben pre- sto quindi si diffuse la convinzione che queste terapie fossero sbagliate e inefficaci, furono abbandonate e per lungo tempo rimasero nell’oblio. Così ad esempio nel 1850 C. Schmidt (1822-1894) dell’Università di Dorpat in Estonia pubblica i risultati delle analisi del sangue nei suoi pazienti con colera e, pur citando O’Shaughnessy e Clanny, non fa cenno di alcun trat- tamento reintegrativo. Dobbiamo aspettare fino al 1884 quando un italiano, A. Cantani (1837-1893) di Napoli, riferisce il trattamento favorevole dei suoi pazienti con colera mediante infusioni sottocutanee di sodio cloruro 0,4% e di sodio carbonato 0,3%, precisando che lo scopo principale era la correzione della deidratazione piuttosto che il deficit di alcali che tuttavia risultava dalle analisi del sangue. Seguirono analoghe segnalazioni in Francia e in Germania, ma soltanto nel 1910, con le approfondite e ampie ricer- che di A.W. Sellards (1884-1941), risultò chiaramen- te definito il grave deficit di sodio bicarbonato nei pa- zienti con colera: mentre nel paziente normale 5 g di sodio bicarbonato erano sufficienti ad alcalinizzare l’urina, nei pazienti con colera ne erano necessari 30- 90 g per ottenere lo stesso scopo. Il contenuto di CO2 del sangue (per la prima volta specificamente dosa- ta) era nella maggior parte dei casi inferiore a 10 mmol/l, contro un valore medio normale di 30 mmol/l. Dopo queste documentazioni, i provvedi- menti correttivi e reintegrativi divennero progressiva- mente la regola nella terapia del colera, riducendone virtualmente a zero la mortalità purché il paziente fosse trattato tempestivamente. Abbiamo accennato ai problemi dei disordini del bi- lancio idrico ed elettrolitico ben sapendo di non an- dare fuori tema, perché oggi sappiamo quanto stretti e interdipendenti siano i rapporti tra l’equilibrio idri- co-elettrolitico e l’equilibrio acido-base: proprio al se- guito degli studi che abbiamo ora descritto l’eviden- za di questi rapporti si fece sempre più chiara nei pri- mi anni del XX secolo, fino a confluire in un unico grande capitolo della fisiologia e della fisiopatologia come modernamente è intesa. Non a caso furono i pediatri tra i primi a rivolgere l’attenzione a questi studi, dato il loro interesse per i problemi connessi con le gastroenteriti acute del bambino. Già nel 1897 A. Czerny (1863-1941) aveva affermato che in que- Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. 38 em er ge nc y ca re jo ur na l - o rg an iz za zi on e, cli ni ca ,r ice rc a • A nn o III n um er o IV • A go st o 20 07 • w w w .e cj .it sti pazienti doveva esservi un’acidosi, facendo pre- sente il tipo di respirazione assai simile a quella de- scritta da Kussmaul nel 1874 nei pazienti in coma diabetico; contemporaneamente veniva segnalata un’aumentata escrezione di ammoniaca nell’urina, ma non di acido come invece si riscontrava nel diabe- te mellito. Tuttavia la prova sicura dell’acidosi nella gastroenterite infantile si ebbe soltanto nel 1916 con gli studi di J. Howland (1873-1926) che dimostraro- no, oltre all’iperventilazione, una ridotta tensione di CO2 nell’aria alveolare e un aumento della quantità di sodio bicarbonato necessario per ottenere l’alcaliniz- zazione dell’urina. Gli studi sia sulla fisiopatologia sia sulla clinica via via progredirono, e con le nuove co- noscenze il miglioramento dei provvedimenti tera- peutici si tradusse in una riduzione della mortalità dal 15-35% a meno del 5%. Pionieri in questo cam- po furono D.C. Darrow (1895-1965), H.E. Starling (1866-1927), che pubblicò nel 1909 The Fluids of the Body, J.P. Peters (1887-1955), autore del trattato Bo- dy Water pubblicato nel 1935, ma fu soprattutto J.L. Gamble che nel 1939, col suo trattato Chemical Ana- tomy, Physiology and Pathology of ExtracellularFluid – a Lecture Syllabus (che quelli della generazione di chi scrive questo articolo gelosamente e affettuosamente conservano nella propria libreria) pose i pilastri fon- damentali della moderna biochimica fisiologica del- l’equilibrio acido-base e idrico-elettrolitico e della fi- siopatologia dei relativi disordini. Non vi è tra i me- dici chi non conosca i gamble-grammi e non se ne ser- va ancora oggi nello studio della fisiologia dell’omeo- stasi idrico-elettrolitica e della fisiopatologia dei suoi disordini. Studi importanti sugli aspetti tossici e metabolici de- gli acidi e sulla loro eliminazione furono condotti nel- la seconda metà del secolo XIX all’Università di Dor- pat in Estonia. I ricercatori di questa scuola con a ca- po C. Schmidt (1822-1894) erano particolarmente interessati agli effetti tossici degli acidi, al loro meta- bolismo e alla loro eliminazione, e avevano preso spunto dagli studi di Bence Jones sulle variazioni post-prandiali dell’acidità urinaria. Essi trovarono che un carico acido è tollerato sorprendentemente bene dall’animale specialmente se carnivoro, e attribuiro- no questa tolleranza alla neutralizzazione dell’acido nell’organismo mediante “consumo” dell’“alcali” del sangue, come era dimostrato dalla diminuzione dell’“alcalinità” del sangue e dal simultaneo aumento dell’eliminazione urinaria di “alcali”, da loro identifi- cato nel sodio. Dimostrarono altresì che lo zolfo del- le sostanze organiche viene metabolizzato a solfato ed escreto nell’urina, ma i processi di neutralizzazione erano oscuri. Un allievo di questa scuola, F. Walter sostenne nel suo trattato Untersuchungen über die Wirkung der Säuren auf den tierischen Organismus, pubblicato nel 1877, che la CO2 è un indicatore del contenuto di “alcali” nel sangue. Le ricerche di Walter erano iniziate dallo studio della combinazione del sodio fosfato con la CO2, messa in luce precedentemente da J.J. Berze- lius (1779-1848) e da E. Fernet (1829-1905) e in- terpretata come uno dei meccanismi di trasporto del- la CO2 nel sangue. Impiegando la pompa a vuoto di Ludwig e l’eudiometro di Bunsen, Walter dimostrò che la CO2 nel sangue di coniglio diminuiva a un de- cimo - un quindicesimo del valore normale dopo somministrazione di acido cloridrico, nonostante il sangue conservasse una reazione alcalina, mentre si osservava un cospicuo aumento dell’escrezione di ammoniaca. Egli dimostrò inoltre che animali in aci- dosi grave fino alla paralisi respiratoria tornavano ra- pidamente alla normalità quando erano trattati con sodio carbonato per vena. L’importanza di questi stu- di, che sono i più significativi nella storia della ricer- ca acido-base sperimentale e che esercitarono una di- retta influenza sull’evoluzione delle conoscenze sui disordini acido-base, avrebbe meritato una più chia- ra fama a Walter, se non fosse per il fatto che egli ben presto abbandonò la ricerca ritirandosi dapprima a esercitare come medico generico, e poi del tutto a vi- ta privata in una sua tenuta di campagna nei pressi di Latvia. L’acidosi diabetica Intorno alla metà del XIX secolo gli studi sul diabete mellito si intensificarono particolarmente. Fu in quel periodo che i primi piccoli laboratori cominciarono a comparire accanto alle sale di degenza ospedaliere, dando avvio allo sviluppo della chimica clinica. C.A. Trommer (1806-1879) e H. von Fehling (1812-1885) presentarono il metodo per dosare gli zuccheri nel- l’urina; nel 1865 C. Gerhardt (1833-1902) propose il metodo al cloruro ferrico per rivelare l’acetone nel- l’urina, che fu successivamente perfezionato da R. von Jaksch (1855-1947) per la determinazione dell’acido acetacetico; infine, nel 1882, E. Legal (1859-1922) pubblicò il suo metodo per rivelare l’acetone nell’uri- na. La positività di questi due ultimi test fu chiara- mente dimostrata nei pazienti con diabete grave, ma sulle prime non pare abbia suggerito alcun sospetto della presenza di elevati livelli di acidi nell’urina. Fu B. Naunyn (1839-1925) che, con i suoi collaboratori della scuola di Medicina Interna dell’Università di Kö- nigsberg, nel 1880 intraprese le ricerche che condus- sero alla dimostrazione della chetoacidosi quale cau- sa del coma diabetico. Naunyn, conoscendo i risulta- ti di Walter che aveva trovato nel cane dopo carico acido un aumento dell’ammoniaca nell’urina e un ti- medicina di laboratorio e trasfusionale Materiale protetto da copyright. 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Le indagini continuarono in quella direzione e nel 1883 E. Stadelman (1853-1941) affermò che un aci- do organico, che egli riteneva essere l’acido crotonico, era eliminato in grande quantità nell’urina dei pazien- ti diabetici. Questo studioso aveva dimostrato l’utili- tà del trattamento orale con alcali da lui proposto nel diabete grave, e dimostrato altresì l’innocuità di tale trattamento che, anche se protratto nel tempo, nel- l’uomo normale causava soltanto una diminuzione dell’ammoniaca urinaria e, se in larghe dosi, un’alca- linizzazione dell’urina senza alcuna altra alterazione apprezzabile dei componenti normalmente elimina- ti. Naunyn non era convinto dell’identificazione del- l’acido crotonico quale responsabile del coma diabe- tico, ben consapevole della positività dell’urina in questa condizione al test di Legal, e affidò le ricerche a O. Minkowski (1858-1931) che all’Università di Strasburgo sotto la direzione di Schmiedeberg e in collaborazione con J.F. von Mering (1849-1908) ave- va dimostrato nel cane l’insorgenza del diabete entro 24 ore dalla rimozione del pancreas. Nel 1884 Min- kowski identificò l’acido β-idrossibutirrico che, in re- lazione con la presenza nell’urina dei chetocomposti, fu riconosciuto come il responsabile dello scompenso e del coma diabetico. Inoltre, poiché venne conferma- ta l’efficacia della terapia correttiva con alcali propo- sta da Stadelmann, la scuola di Naunyn propose l’in- terpretazione della patogenesi del coma diabetico co- me il risultato di una “tossicità da acido” (o “acidosi”, come sarebbe stata chiamata più tardi) piuttosto che l’effetto tossico dell’acido β-idrossibutirrico. Nel 1888 Minkowski dimostrò per la prima volta, impiegando una tecnica gasometrica, che la CO2 nel sangue dei pazienti in coma diabetico è marcatamente diminui- ta. Egli estraeva la CO2 da un campione di sangue di 31 ml mediante una pompa a vuoto di Pflüger e la assorbiva su alcali mediante uno speciale apposito ap- parato: trovava così una CO2 totale di non più di 1,06 ml % (contro un valore medio intorno a 35 ml %). Ormai la prova che la causa del coma diabetico era la “tossicità da acido” (acidosi) era quindi irrefutabile, e la possibilità di eseguire le necessarie determinazioni analitiche nell’urina e nel sangue (anche se di com- plessità tale da essere difficilmente accessibili alla maggior parte degli ospedali) assieme alla disponibi- lità delle terapie correttive mediante soluzioni alcali- ne promettevano un sostanziale progresso nel con- trollo e nel trattamento del diabete e della sua princi- pale complicazione, il coma da composti chetonici. E in effetti i risultati positivi non mancavano, ma non erano tali da salvare il paziente dall’esito letale, che so- pravveniva dopo ricadute a più o meno breve termi- ne. Anche qui di nuovo la spiegazione è la stessa che abbiamo descritto a proposito del trattamento delle perdite enteriche: pur correggendo l’acidosi, il pa- ziente andava incontro a esito letale perché il deficit del volume circolante effettivo non veniva adeguata- mente corretto. In un paziente di Minkowski di cui abbiamo documentazione bibliografica, l’autopsia dimostrò che la vescica urinaria conteneva meno di 1 ml di urina, fortemente acida, nonostante il pazien- te avesse ricevuto 3 litri di sodio bicarbonato, anche se in soluzione ipertonica. Certo la risoluzione defi- nitiva della terapia del diabete mellito fu la scoperta dell’insulina nel 1922 per merito di F.G. Banting (1891-1941) e C.H. Best (1899-1978), ma la morta- lità del coma, pur subendo una drastica riduzione, rimaneva pur tuttavia considerevolmente elevata, in- torno al 15-30% negli anni Trenta del secolo scorso, indubbiamente a causa dell’inadeguato trattamento della deidratazione e del deficit del volume circolan- te effettivo. Anche l’utilità del trattamento con “alca- li” era messa in discussione e vi erano anche espo- nenti autorevoli della diabetologia, come ad esem- pio E. Joslin (1870-1962), che la contestavano tena- cemente. È da dire che al tempo la terapia correttiva era pressoché esclusivamente per via orale, e solo verso la fine degli anni Trenta venne introdotta la via parenterale, che tuttavia tardò a diffondersi, affer- mandosi con procedimenti adeguati solo negli anni Cinquanta, quando certamente vi contribuì la dispo- nibilità del controllo di laboratorio attendibile e tem- pestivo. L’acidosi lattica Quasi contemporaneamente alla scoperta dei chetoa- cidi nel diabete mellito, venne segnalato che un altro acido organico – l’acido lattico – poteva trovarsi nel sangue in concentrazioni apprezzabili in diverse con- dizioni. L’interesse medico per l’acido lattico era co- minciato nel 1847 quando J. von Liebig (1803-1873) lo aveva dimostrato nell’estratto di carne, e nel 1859 E.H. du Bois-Reymond (1818-1896) ne aveva dimo- strato la formazione durante la contrazione muscola- medicina di laboratorio e trasfusionale Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. 40 em er ge nc y ca re jo ur na l - o rg an iz za zi on e, cli ni ca ,r ice rc a • A nn o III n um er o IV • A go st o 20 07 • w w w .e cj .it re e la dipendenza quantitativa dal contenuto di gli- cogeno del muscolo. Queste acquisizioni avevano da- to l’avvio a un’intensa serie di ricerche che condusse- ro a chiarire le relazioni tra acido lattico, metabolismo dei carboidrati e formazione di energia durante la contrazione muscolare. Tra queste, di particolare im- portanza fu la dimostrazione dell’aumento dell’acido lattico nel sangue durante l’esercizio muscolare stre- nuo, che N. Zuntz (1847-1920) presentò in lettera- tura nel 1888. Sul finire del XIX secolo si prospettò l’idea della rela- zione tra la formazione dell’acido lattico e la deficien- za di ossigeno. In quel tempo l’ipossia era oggetto di particolare attenzione tra i ricercatori nel campo del- la fisiologia, dopo che nell’ascensione del pallone fre- nato Zenith in Francia nel 1875 due componenti del- l’equipaggio erano deceduti nel raggiungere l’altezza di 8500 m. Negli studi su animali mantenuti in ipos- sia venne trovato l’aumento dell’acido lattico nel san- gue e nelle urine. Nel 1907 W.M. Fletcher (1873- 1933) e F.G. Hopkins (1861-1947) dimostrarono che l’acido lattico si forma durante la contrazione musco- lare in condizioni anaerobie e che questo acido è pre- sumibilmente il principale prodotto del metabolismo dei carboidrati in anaerobiosi. Lo studio delle rela- zioni tra l’acido lattico e il metabolismo dei carboidra- ti fu approfondito in Inghilterra da A.V. Hill (1886- 1977) e in Germania da O.F. Meyerhof (1884-1951), e questi studi portarono alla definizione dettagliata del complesso delle sequenze enzimatiche della glico- lisi. Nel 1916 J.J.R. MacLeod (1876-1935) dimostrò un aumento dell’acido lattico in condizioni caratteriz- zate da aumento dell’“alcalinità” del sangue, fosse provocata da infusioni di soluzioni alcaline o dal- l’iperventilazione. Fu spiegata genericamente con i meccanismi che sovrintendono all’omeostasi del pH del sangue, ma per molti anni la natura dei meccani- smi responsabili di questo tipo di iperlattacidemia fu oggetto di discussione. Dato l’interesse dell’acido lat- tico nella fisiologia e nella patologia del metabolismo, i primi metodi di dosaggio nel sangue e nell’urina hanno data relativamente precoce: il primo metodo attendibile si deve nel 1851 a J.J. von Schérer, il fon- datore della chimica clinica in Germania presso l’Ospedale di Würzburg in qualità di ausser-ordentli- cher Professor für die Lehrvorträge der organischen Che- mie in Verbindung mit den für di Kliniken des Juliushospi- tals nöthingen chemischen Untersuchungen. In collabo- razione con R.L.K. Virchow, Schérer pubblicò nel 1851 l’aumento dell’acido lattico nel sangue in pa- zienti con leucemia, e per un certo tempo questo au- mento fu considerato patognomonico della leucemia, finché G. Salomon non dimostrò nel 1878 che l’aci- do lattico nel sangue aumentava in ogni condizione accompagnata da necrosi. Questo fenomeno fu ogget- to di attenzione soprattutto per la relazione tra l’insor- genza della lattacidemia e la morte, relazione definita col termine “acidosi agonica”. Nel 1891 E.F.E. Hoppe- Seyler (1825-1895) trovò l’aumento dell’acido lattico nel sangue in pazienti con anemia, sostenendo che l’aumento della lattacidemia può comparire in ogni condizione dove vi sia un disturbo dell’apporto di os- sigeno, come le malattie polmonari e l’insufficienza cardiocircolatoria. In seguito l’interesse clinico per l’acido lattico è quello che è giunto fino a noi in rela- zione con le diverse cause dell’acidosi lattica. L’acidosi dell’insufficienza renale L’acidosi uremica fu segnalata per la prima volta in let- teratura nel 1887 da R. von Jaksch (1855-1947), ed era attribuita a tossicità da acidi organici dovuti alla ri- tenzione dell’urea. Per dimostrare l’acidosi Jaksch ese- guiva una titolazione del sangue servendosi della car- tina al tornasole come indicatore. Questo metodo fu tuttavia giudicato troppo approssimativo, cosicché i dati di questo Autore furono accantonati e, nonostan- te vi fossero conferme da altri ricercatori, di acidosi uremica non si parlò più in letteratura fino al 1911, quando O. Porges (1879-1967) e A. Leimdörfer della Clinica Medica dell’Università di Vienna dimostraro- no nei pazienti uremici la diminuzione della CO2 nel- l’aria alveolare. Questi risultati furono confermati nel 1914 da A.W. Sellards che dimostrò la diminuzione della CO2 nel sangue. Pochi anni dopo I. Greenwald e W. Denis (1879-1929) segnalavano l’aumento del solfato e del fosfato nel siero nell’insufficienza renale cronica, indicando nell’acido fosforico e solforico i re- sponsabili dell’acidosi uremica. Rimase oggetto di di- battito l’eventuale ruolo di acidi organici. Nel 1915 W.W. Palmer e L.J. Henderson (1878-1942) dimostra- rono una ridotta capacità di eliminazione dell’ammo- nio nei pazienti uremici, interpretandola come una ridotta capacità del rene di conservare “basi”. Intorno agli anni Trenta del secolo scorso fu introdotta la te- rapia correttiva mediante soluzioni parenterali di so- dio bicarbonato che fu l’unica terapia utile fino ai pri- mi esperimenti di dialisi condotti da W. Kolff tra gli anni Quaranta e Cinquanta L’alcalosi L’alcalosi ricevette meno attenzione da parte dei ricer- catori, probabilmente perché in clinica era meno dif- fusa e meno nota delle varie forme di acidosi. Trovia- mo i primi studi intorno al 1890 quando E. Stadel- mann, per provare la natura non tossica della terapia con alcali che egli proponeva per l’acidosi diabetica, come abbiamo accennato più sopra, condusse espe- medicina di laboratorio e trasfusionale Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. 41 em er ge nc y ca re jo ur na l - o rg an iz za zi on e, cli ni ca ,r ice rc a • A nn o III n um er o IV • A go st o 20 07 • w w w .e cj .it comparsa nell’urina di acetone, acido acetacetico e acido beta-idrossibutirrico, che si traduceva nella po- sitività dei test di Legal e di Gerhardt, respiro di Kus- smaul e aumento dell’escrezione urinaria di ammo- niaca. Di fronte a casi con aumento dell’ammonio uri- nario e test di Legal e di Gerhardt negativi, come av- veniva in pediatria nelle gastroenteriti dell’infanzia, lo sconcerto e la confusione era inevitabile presso i cli- nici, cui si aggiungeva la frustrazione causata dall’in- successo della terapia correttiva con alcali. J. Barcroft (1872-1947) propose una modificazione della definizione di Naunyn: «Acidosi significa la comparsa nel sangue di acidi anormali qualitativa- mente o quantitativamente (esclusa la CO2) o anche una diminuzione delle basi normalmente presenti. Col termine acidosi si intende quindi un aumento dei radicali acidi relativamente ai radicali basici, ad ecce- zione della CO2. Questo termine non ha però alcun riferimento alla reazione finale del sangue, regolata in larga parte dal contenuto della CO2 presente». Hasselbalch preferiva la definizione di Naunyn, pre- cisando però quale segno distintivo dell’acidosi un pH inferiore alla norma nel sangue equilibrato alla pCO2 di 40 mmHg: egli denominava pH ridotto que- sto pH gas-equilibrato, mentre il pH reale era chiama- to pH regolato, intendendo la regolazione polmonare e renale. In questo contesto Hasselbalch introduceva il concetto di acidosi compensata e non compensata. Quando nel 1917 D.D. van Slyke (1883-1971) intro- dusse il suo metodo volumetrico per il dosaggio del bicarbonato nel plasma, egli propose la definizione dell’acidosi quale «condizione in cui la concentrazio- ne del bicarbonato nel sangue è al di sotto dei valori normali». Questa fu la definizione che prevalse in let- teratura fino agli anni Sessanta del secolo scorso, so- stenuta dalla diffusione nella chimica clinica del me- todo gasometrico di van Slyke e dal termine riserva al- calina da lui introdotto: van Slyke sosteneva infatti che il bicarbonato plasmatico è una misura dell’acido- si più affidabile del pH del sangue, perché le sue va- riazioni si osservano già nelle fasi iniziali dell’acidosi, mentre il pH si modifica solo in fase più avanzata ed è influenzato dai processi di regolazione e di difesa omeostatica. Come descriveremo in un successivo ar- ticolo, D.D. van Slyke, studioso di eccezionale levatu- ra intellettuale e scientifica, fu il protagonista della biochimica clinica tra gli anni Trenta e Cinquanta del XX secolo, particolarmente nel campo dell’equilibrio acido-base: i medici laboratoristi della generazione di chi scrive hanno immancabilmente fondato la loro formazione tecnica e scientifica sul suo testo, scritto in collaborazione con J.P. Peters (1887-1955): Quan- titative Clinical Chemistry: Vol. I, Methods; Vol. II, Inter- pretations (1932), e hanno aiutato i clinici nella dia- medicina di laboratorio e trasfusionale rimenti sugli effetti della somministrazione di alcali a lungo termine sugli elettroliti e sui componenti acido- base dell’urina, dimostrando che non si verificavano alterazioni significative. Ma bisogna aspettare fino al 1910 quando O. Porges e i suoi collaboratori intra- presero sistematiche determinazioni della CO2 nel- l’aria alveolare, dimostrando un aumento dopo l’as- sunzione di alimenti, che essi interpretavano come conseguenza della secrezione acida gastrica. L’anno dopo K.A. Hasselbach (1874-1962) mediante l’anali- si simultanea dell’aria alveolare e dell’urina dimostrò che quanto maggiore era la CO2 alveolare, tanto più elevato era il pH dell’urina, raggiungendo un massi- mo con la somministrazione di 8 g di sodio bicarbo- nato tre volte al giorno. Pochi anni dopo comparvero i primi studi sulla CO2 nel sangue. Nel 1918 W.S. McCann dimostrò che dopo legatura del piloro nel cane la «capacità di combinazione della CO2» nel san- gue aumentava in pochi giorni con simultanea com- parsa di convulsioni. Risultati pressoché analoghi fu- rono riportati da altri laboratori, mentre J.B.S. Hal- dane (1892-1964, il figlio del più famoso Haldane scopritore dell’effetto della relazione tra CO2 ed emo- globina), sperimentando su di sé l’effetto dell’assun- zione di una varietà di alcali sullo stato acido-base, trovò che era necessaria una cospicua frazione della dose letale dei preparati alcalini prima di ottenere un effetto evidente. Nel 1923 O. Porges segnalò che pa- zienti con vomito acido dimostravano un aumento della CO2 alveolare, mentre questa rimaneva nei limi- ti normali se il vomito non era acido. Nel 1926 A.F. Hartmann e F.S. Smyth (1895-1972) segnalavano che il vomito nei bambini poteva risultare in un aumento nel siero della concentrazione del bicarbonato e della tensione di CO2, e nella diminuzione dei cloruri, ma che il pH non dimostrava alterazioni col metodo im- piegato. L’evoluzione del concetto di acidosi e di alcalosi Il termine “acidosi” sembra sia comparso per la prima volta nell’espressione acidosis diabetica nel testo di B. Naunyn del 1898 Der Diabetes Mellitus. Più frequen- temente tuttavia Naunyn usava il termine “intossica- zione da acido”, termine comunemente diffuso nella letteratura contemporanea. Col termine “acidosi” Naunyn intendeva una ben definita iperacidità del- l’organismo che quindi si trovava in uno stato di ipo- alcalinità. Questa definizione aveva un buon fonda- mento teorico, ma non soddisfaceva i clinici, che ri- chiedevano un termine di più pratica utilità. Per alcu- ni anni il termine “acidosi” si identificò con il qua- dro della chetoacidosi diabetica, ossia una anormale produzione di acidi del metabolismo intermedio con Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. 42 em er ge nc y ca re jo ur na l - o rg an iz za zi on e, cli ni ca ,r ice rc a • A nn o III n um er o IV • A go st o 20 07 • w w w .e cj .it gnosi e nel trattamento dei pazienti in acidosi col suo metodo di titolazione dei bicarbonati. I concetti espressi da van Slyke non piacevano tutta- via a J.S. Haldane (1860-1936) che sosteneva che non sono le variazioni del bicarbonato, bensì quelle degli idrogenioni la causa delle conseguenze cliniche del- l’acidosi. Inoltre Haldane criticava il metodo di van Slyke perché impiegava come campione il plasma “se- parato” anziché il plasma “vero” o il sangue intiero, co- me sarebbe stato analiticamente più corretto. Come abbiamo già accennato, l’evoluzione del con- cetto di alcalosi è stata più incerta e più confusa. Il termine fu forse introdotto dalla scuola di Naunyn in- torno al 1880, ma soltanto come termine antitetico ad acidosi, senza una reale trattazione scientifica e cli- nica del disordine. Se ne ha una prima citazione nel 1911 in un lavoro di F. Fischler (1876-1957) sull’av- velenamento da ptomaina nel cane con shunt porta- cava, condizione che si pensava causasse alcalosi, ma di cui non risulta una documentazione. Nella lette- ratura medica venne consolidandosi il concetto che i termini “acidosi” e “alcalosi” fossero esclusivamente sinonimi di diminuzione e rispettivamente aumento della riserva alcalina. Come vedremo in un successi- vo articolo, questa fu la causa di un tragico errore di interpretazione delle alterazioni dell’equilibrio acido- base durante l’epidemia di poliomielite che si abbat- tè sulla Danimarca nel 1950, e che diede d’altra par- te l’avvio all’approfondimento della fisiologia e della fisiopatologia dell’equilibrio acido-base e alla moder- na definizione dei suoi disordini. È comprensibile che l’accumularsi di una così vasta mole di nuove conoscenze nel breve spazio dei pri- mi decenni dello scorso secolo non potesse essere fa- cilmente assimilata. Errori di interpretazione, diversi- tà di opinioni, teorie contrastanti erano inevitabili, anche soltanto riguardanti la terminologia. Tanto che il Medical Research Council di Londra incaricò il Hae- moglobin Committee, di cui facevano parte J. Barcroft e L.J. Henderson, di preparare un documento su The Acid-Base Equilibrium of the Blood. Il documento com- parve nel 1923 e riassumendo le conoscenze a quel- la data proponeva alcune raccomandazioni. Il termi- ne “acidosi” veniva usato per definire quella che oggi intendiamo come acidosi di tipo metabolico; la ri- tenzione di CO2 non è menzionata, né si parla di al- calosi. Vengono invece indicati i termini “acidemia” e “alcalemia” per significare una diminuzione e ri- spettivamente un aumento del pH del sangue. Bibliografia di riferimento Astrup P, Severinghaus JW. The History of Blood Gases, Acids and Bases – Radiometer A/S. Munksgaard, Copenhagen, 1986. Gamble JL. Chemical Anatomy, Physiology and Pathology of Extracellular Fluids – a Lecture Syllabus. Harvard University Press, Harvard, 1942. Peters JP, van Slyke DD. Quantitative Clinical Chemistry. Vol. I Methods. Vol. II Interpretations. William & Wilkins, Baltimore, 1932. Wright S. Applied Physiology. 9th ed. Oxford University Press, Oxford, 1952. medicina di laboratorio e trasfusionale ABSTRACT In the History of Medicine, the Acid-Base balance is unusual in that it has undergone constant evolution, not merely and not so much as a result of the progress of knowledge in physiologi- cal and physiopathological and clinical fields - which is com- mon to all fields of Medical Science, but rather in relation to its very biochemical foundations, as was demonstrated by P. Stewart’s recent critical review and the reviews of J. Corey and J.A. Kellum, which are still valid today - and this is rather un- usual. Although it started centuries ago, the history of the acid- base balance has experienced a slow and difficult evolution, and modern concepts almost exploded a couple of decades into the 20th century. It is therefore with even greater wonder and admiration that we look back on the pioneering intuitions of scholars such as R. Boyle, J.B. van Helmont and A.L. Lavoisier, to mention but a few of the scientists who laid the foundations for current knowledge in this fascinating chapter of physiology and clinical practice that belongs transversally to all medical and clinical disciplines.