ECJ agosto 4/2006 Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 20 emergency care journal 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it Non abbiamo difficoltà a confessare che, fino a qual- che anno fa, non conoscevamo affatto chi fosse Jac- ques Loeb (1859-1924), un fisiologo tedesco, nato a Mayen (Renania), trasferitosi in America a 32 an- ni e diventato, poi, Professore nelle Università di Chicago, di Berkeley e infine al Rockefeller Institu- te di New York, dopo intervalli giovanili di vita da ricercatore trascorsi nelle Università di Strasburgo, di Wurzburg e nella Stazione Biologica di Napoli (Figura 1). Siamo giunti a lui seguendo varie piste nell’ambito dei nostri studi sull’equilibrio idro-elettrolitico ed è stato un vero piacere culturale scoprire, occasional- mente, che alcune sue ricerche, di circa un secolo fa, lo avevano portato a elaborare un’equazione (for- mula di Loeb), apparentemente astrusa, ma che con grande semplicità riesce a spiegare fenomeni biolo- gici complessi, che prima ci apparivano inspiegabi- li. La formula è capace di dare risposte immediate a tanti nostri precedenti interrogativi, sia in termini diagnostici sia terapeutici, nell’ambito della pratica clinica quotidiana dinanzi a pazienti ordinari e/o in gravi condizioni nelle fasi critiche complesse. Ancora più gradevole, poi, è stato scoprire che que- sta formula è un’altra delle pietre miliari nella dimo- strazione che l’organismo umano non può essere studiato in maniera frammentata, ma sempre neces- sita di una visione olistica (se ancora vi fosse biso- gno di dimostrarlo). Non a caso una delle pubbli- cazioni scientifiche più interessanti di Jacques Loeb fu The Organism as a Whole, “L’Organismo come un insieme”1 che risale al 1916, anche se non fu que- sto lo studio che gli dette la notorietà in ambito scientifico (si veda il box dedicato alla scheda bio- grafica). A noi internisti, però, può già bastare la sola lettu- ra di questo titolo per renderne subito simpatico l’Autore, come pure ci illumina sapere, tanto per avere un assaggio della sua personalità, che egli si iscrisse inizialmente alla facoltà di Filosofia (1880) ma, dopo qualche tempo, decise di cambiare facol- tà, essendosi convinto che «I Professori di Filoso- fia discutono e girano intorno ai problemi, piutto- sto che risolverli», mentre egli, per temperamento, era portato a trovare soluzioni pratiche ai proble- mi correnti. La formula di Loeb: una ricca eredità dissipata Francesco Sgambato, Ester Sgambato, Armando Fucci Dipartimento di Medicina, UO Complessa di Medicina Interna, Ospedale “Sacro cuore di Gesù” – Fatebenefratelli, Benevento SINTESI La formula di Loeb è una delle pietre miliari nella dimostrazio- ne pratica che l’organismo umano non può essere studiato in ma- niera frammentata e, mediante la sua applicazione, è possibile, in modo semplice, dare risposte immediate a diversi problemi sia in ambito diagnostico sia terapeutico. Loeb condusse studi sperimentali sul diverso “comportamento vi- tale” di vari organismi animali a contatto con diverse soluzioni saline in varie concentrazioni. I suoi lavori sull’induzione di con- trazioni ritmiche nei muscoli scheletrici, per esempio, oppure quelli sull’importanza dell’equilibrio ionico nella sopravvivenza di vari embrioni lo portarono a ritenere che modificando gli ioni contenuti in un tessuto si potessero trasferire qualità non posse- dute ordinariamente. La chiave del problema, che gli si poneva quotidianamente per studiare gli organismi viventi microcellulari, era determinare la miscela appropriata di tali ioni o meglio “l’insieme armonioso” dei vari sali nelle giuste concentrazioni, tali da mantenere le con- dizioni vitali. Gli studi di Loeb dettero le prime dimostrazioni concrete che il mantenimento delle condizioni vitali dipende da un equilibrio di- namico di forze ioniche contrastanti, mantenute nelle giuste pro- porzioni da un incredibile sistema di regolatori automatici. I suoi esperimenti dettero una spiegazione più concreta al concet- to della “stabilità del milieu interieur” di Claude Bernard (1813-1878) e contribuirono alla grande stagione scientifica del- la fisiologia generale di fine Ottocento e inizio Novecento. Insieme ad altri scienziati, Loeb pose le basi della concezione “olistica”, non più solo in termini teorici, ma con le concrete di- mostrazioni in vivo sottoposte alle continue verifiche di labora- torio, in sintonia con i canoni del “metodo sperimentale”. Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 21 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it Gli esperimenti e i “princìpi” di Loeb Loeb intraprese numerosi studi sperimentali in cui valutò il diverso comportamento vitale di vari organi- smi animali quando essi venivano messi a contatto con “soluzioni saline diverse”, a varie concentrazioni oppure con miscele di tali soluzioni, e pervenne a in- teressanti conclusioni. Egli, per primo, fu sorpreso nel riscontrare che l’ag- giunta di qualche sale all’acqua distillata (tra cui an- che il normale cloruro di sodio, apparentemente in- nocuo) era capace di renderla tossica nei confronti degli organismi viventi ivi contenuti, come pure che l’aggiunta ulteriore di altri tipi di sali, nelle giuste pro- porzioni, consentiva di ridurre o annullare la prece- dente tossicità. Egli chiamò questo fenomeno biologico antagonistic salt action, “azione salina antagonista”, e giunse alla conclusione che l’acqua di mare facilitava la soprav- vivenza vitale degli organismi perché era una soluzio- ne fisiologicamente bilanciata, proprio per la presen- za di una miscela di sali nelle giuste proporzioni2-7. I suoi lavori sull’induzione di contrazioni ritmiche nei muscoli scheletrici mediante ioni diversi8 oppu- re quelli sull’importanza dell’equilibrio ionico nella sopravvivenza di embrioni del pesce Fundulus9 lo portarono a ritenere che «con i cambiamenti degli ioni contenuti in un tessuto noi possiamo trasferirgli delle qualità che esso non possiede ordinariamen- te»10 ma «il problema è determinare la miscela appro- priata di tali ioni»11. Nacque così il concetto delle physiologically balanced salt solutions (soluzioni saline fisiologicamente equilibrate)12,13. Seguendo queste ipotesi sperimentali utilizzò vari ti- pi di animali acquatici, privilegiando per i suoi studi quelli “amfibodi”, i quali presentavano la caratteri- stica di poter vivere sia in acqua dolce sia in acqua sa- lata (marina) (come per esempio il pesce Fundulus, al- cuni crostacei come il Gammarus pulex o Pulce d’ac- qua, oppure le larve di Balanus Iberneus o di Sea Ur- chin ecc.). Loeb ricreò in laboratorio un ambiente liquido artifi- ciale ove riuscire a far sopravvivere questi piccoli ani- mali e, in concreto, i suoi sforzi ebbero successo con un particolare milieu formato da una miscela di cin- que soluzioni saline diverse, contenenti: • cloruro di sodio (NaCl) (comune sale da cucina); • cloruro di potassio (KCl); • cloruro di magnesio (MgCl2); • solfato di magnesio (SO4Mg); • cloruro di calcio (CaCl2). Successivamente, aggiungendo e sottraendo un tipo di sale per volta, a turno, sperimentò che l’elimina- zione di uno qualsiasi di questi sali minerali metteva in pericolo la sopravvivenza degli animali, trasfor- mando la soluzione salina residua in un ambiente di vita più tossico. Queste risultanze sperimentali lo portarono a conclu- dere che non era importante per la sopravvivenza un singolo sale, ma “l’insieme armonioso” dei vari sali nelle giuste concentrazioni, adeguatamente miscelate (infatti, il risultato non variava, indipendentemente dal tipo di sale eliminato per primo). In particolare, poi, era molto importante il numero delle valenze degli ioni implicati (monovalenti, biva- lenti, trivalenti ecc.) per cui arrivò a formulare alcu- ni princìpi regolanti la vitalità e la vivibilità all’inter- no delle soluzioni saline impiegate. 1. La soluzione è equilibrata quando K+, Na+, Ca++ e Mg++ sono in particolari concentrazioni e propor- zioni reciproche (1a formula di Loeb): 2. «Tutte le soluzioni ottenute con un sale unico so- no tossiche, anche se quel sale è il cosiddetto inof- fensivo cloruro di sodio». Fig. 1 - Jacques Loeb. Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 22 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it 3. «Tutte le soluzioni ottenute miscelando sali di catio- ni monovalenti (Na+ e K+) sono tossiche, come pure tutte le soluzioni ottenute miscelando sali di cationi bivalenti (Mg++ e Ca++) sono ugualmente tossiche». 4. «Se a una di queste soluzioni tossiche (per esem- pio quella contenente i sali a cationi monovalenti) si aggiunge una piccola quantità di una soluzione di sali a cationi bivalenti, la tossicità si attenua ed essa può divenire nulla se i differenti sali della mi- scela si trovano in proporzioni determinate. In questi casi la soluzione è equilibrata; tutti gli squi- libri equivalgono a una tossicità». Sempre in relazione a questi esperimenti, dai suoi scritti si possono ricavare altre sue interessanti in- tuizioni, di cui si riportano qui altri due esempi, con le sue parole originali. 5. «Gli enzimi della coagulazione e della liquefazione sono fortemente influenzati nella loro azione da- gli ioni del Ca++, Na+, K+ e Mg++. Il Ca++ favorisce la coagulazione e il Mg++ fa il contrario. Gli altri due ioni hanno una azione intermedia»10. 6. «L’altro anno io trovai che fibre muscolari di una rana battono ritmicamente (come il cuore) se ven- gono messe in una soluzione di NaCl oppure di NaBr (bromuro di sodio). È soltanto la presenza di K-ioni e calcio-ioni nel sangue che impedisce ai mu- scoli striati di contrarsi ritmicamente nel corpo»10. In assenza di calcio essi subivano contrazioni ritmi- che e Loeb suggerì che questo poteva giustificare la tetania in alcune condizioni particolari. Questi suggerimenti hanno trovato, poi, ampie appli- cazioni pratiche in medicina2. Anche Ringer era arri- vato alla conclusione che «tra calcio e potassio vi è un antagonismo analogo come quello che esiste tra al- cuni farmaci del cuore, come per esempio tra atropi- na e muscarina»2. Queste conclusioni, oggi apparentemente semplici, basate su evidenze sperimentali plurime, rappresen- tavano un tassello utile a confermare, in modo chia- ro, la teoria del milieu interieur di Claude Bernard (1813-1878), enunciata già nel 185514 e confermata nella sua famosa Introduction a l’étude de la Medicine expérimental (1865)15, ove veniva esplicitato il famo- so concetto chiave: «La stabilità del medium interno (milieu interieur, ambiente interno) è la condizione es- senziale per il mantenimento della vita libera». Tali conclusioni, poi, anticipavano il concetto di ho- meostasis espresso, già nel 192616 da Walter Bradford Cannon (1871-1945) e, poi, completato nella sua fa- mosa opera The Wisdom of the body (La saggezza del corpo) del 193217. Era evidente dalle conclusioni di Loeb che il mante- nimento delle condizioni vitali dipende da un equi- librio dinamico di forze ioniche contrastanti, ma nel- le giuste proporzioni (formula di Loeb), mantenute stabili da un incredibile sistema di regolatori automa- tici cooperanti, che agiscono, simultaneamente o in successione, secondo meccanismi di aggiustamento interdipendenti, previsti dai normali processi fisiolo- gici (“omeostasi” di Cannon). Le formule di Loeb Le risultanze degli studi di Loeb4,6,7,12,13,18 lo portaro- no a dedurre che ogni singolo ione (od ogni singolo sale minerale) ha un suo ruolo necessario, se non in- dispensabile, negli equilibri generali, dal che Loeb ne trasse la “legge universale dell’equilibrio minerale” che egli espresse con la sua famosa formula, con la quale praticamente tutti i processi biologici vitali hanno stretti rapporti di relazione e/o di dipendenza: In particolare le sue precise parole furono le seguen- ti: «In a series of papers beginning in 1900 I have shown that: It is necessary for the normal functions of living organs and organism that the ratio of the concentration of antagonistic ions (Na + K/Mg + Ca) of the surrounding solution be kept within certain limits; if the value of this quotient becomes either too high or too low, life phenomena become abnormal and finally impossible»6. «In una serie di lavori scientifici, a partire dal 1900, io ho mostrato che: Per le normali funzioni degli organi e degli organismi viventi è necessario che, all’interno della soluzione circostante, il rapporto della concentra- zione degli ioni antagonisti (Na + K/Mg + Ca) sia man- tenuto entro certi limiti; se il valore di questo quozien- te diventa sia troppo alto sia troppo basso, i fenomeni vitali diventano anormali e infine impossibili». All’interno del suo lavoro6 sono presentate due ta- belle che esprimono i risultati degli esperimenti, in cui vengono indicate le quantità minime e massime di cloruro di calcio e di cloruro di magnesio necessa- rie per ottenere la sopravvivenza e il mantenimento della capacità di nuotare delle larve, all’interno delle soluzioni liquide contenenti cloruro di sodio e clo- ruro di potassio in diverse concentrazioni. Successivamente, il fallimento di altri suoi esperi- menti lo convinse che la colpa era da attribuire al fat- to che egli aveva dato scarsa importanza alla concen- trazione degli idrogeno-ioni all’interno delle soluzio- ni, ovverosia non aveva tenuto conto dello stato aci- do-base ma solo di quello idro-elettrolitico, quando invece le due condizioni devono essere considerate inscindibili perché strettamente intercorrelate2,19-21. Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 23 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it Egli pervenne, quindi, a un perfezionamento della sua formula in cui veniva inclusa, al denominatore, anche la concentrazione degli idrogenioni, giungen- do così alla 2a equazione (o formula) definitiva: Applicazioni clinico-pratiche della formula di Loeb Come abbiamo enunciato all’inizio, la formula di Loeb è in grado di aiutarci nella comprensione di molti feno- meni clinici, che prima non riuscivamo a spiegarci, e riesce a dare risposte immediate ad alcuni nostri pre- cedenti interrogativi, in termini sia diagnostici sia te- rapeutici. Tale formula, infatti, è da considerarsi “una legge universale dell’equilibrio minerale” che non ri- guarda solo gli animali acquatici, che Loeb aveva stu- diato direttamente, ma anche gli animali terrestri, tra cui ovviamente l’uomo, e i vegetali. Facciamo qualche esempio esplicativo applicato agli esseri umani, riferendoci, per cominciare, ad alcuni fenomeni biologici più comuni, quali per esempio, il potenziale di membrana delle cellule miocardiche op- pure l’eccitabilità neuro-muscolare, che sono in stret- ta correlazione e dipendenza dalla formula di Loeb. Funzione regolatrice del potassio sull’attività elettrica delle membrane cellulari Sappiamo tutti che la funzione elettroionica del po- tassio si esplica nella regolazione dell’attività elettri- ca delle membrane cellulari, il che regola, insieme agli altri ioni, l’eccitabilità neuromuscolare. L’iperpotassiemia, per esempio, determina l’accele- razione del processo di ripolarizzazione della cellula miocardica (e, quindi, aumenta l’eccitabilità del suo potenziale di membrana) (Figura 2) ed è più perico- losa della ipopotassiemia, anche se meno frequente di essa22. L’eccesso di potassio può non accompagnarsi a un quadro clinico classico, anzi quasi sempre è asintomatico, oppure può sfociare nell’unica manife- stazione clinica drammatica dell’arresto cardiaco e/o della morte improvvisa, preannunciata dalle classiche alterazioni elettrocardiografiche (Figura 3)23. Per tale motivo il riscontro laboratoristico di una potassiemia elevata ci mette in grande allarme e ci adoperiamo su- bito per la sua correzione, ma sicuramente è espe- rienza comune, nella pratica medica, aver constatato che, in alcuni casi clinici con valori molto elevati del- la potassiemia (superiori a 8 mEq/l, per esempio), non è successo nulla di rilevante dal punto di vista clinico, né dal punto di vista delle modifiche elettro- cardiografiche, mentre in altri pazienti, anche con va- lori solo lievemente alti (superiori a 6,5 mEq/l, per esempio), già abbiamo potuto assistere a fenomeni elettrocardiografici significativi e/o a turbe del ritmo capaci di compromettere la vita del paziente. Noi abbiamo vissuto spesso questa esperienza nella pratica clinica e non riuscivamo a darle una esau- riente spiegazione scientifica. Da quando abbiamo conosciuto la formula di Loeb tutto ci è apparso più chiaro e abbiamo saputo trovare, nell’evidenza cli- nica “globale”, le risposte ai nostri interrogativi ine- vasi. Infatti, analizzando più attentamente il caso cli- nico capitato alla nostra osservazione, scoprivamo quasi sempre che, nelle forme clinicamente silenti, l’iperpotassiemia si associava a un’acidosi metaboli- ca con un aumento, quindi, della concentrazione idrogenionica, che nella formula di Loeb è posizio- nata al denominatore: I livelli alti di potassio al numeratore e gli idrogenio- ni alti al denominatore praticamente si compensano reciprocamente e la risultante dell’equazione rimane stabile, facendo sì che l’eccitabilità non venga modi- ficata. Il correggere, invece, uno dei due parametri anomali isolatamente, senza tener conto dell’altro (o anche degli altri ioni presenti nell’equazione) può creare seri problemi clinici generali, perché, per esempio, se correggiamo l’acidosi metabolica con l’utilizzo di una soluzione di bicarbonato di sodio, si avrà di conseguenza che gli idrogenioni al denomina- tore torneranno nella norma e l’iperpotassiemia al numeratore resterà un’anomalia isolata, nel qual ca- so la sua influenza sull’eccitabilità diverrà molto alta. Fortunatamente la natura si sa difendere anche da so- la, fino a un certo punto, e la diminuzione degli idro- genioni si accompagna, spontaneamente, a un ingres- so del potassio nelle cellule con diminuzione riequi- libratrice della potassiemia. Questo è uno dei tanti esempi possibili, utili per ca- pire che gli interventi di correzione degli squilibri idro-elettrolitici e acido-base devono essere attuati te- nendo conto della totalità dei protagonisti interessati e, quasi sempre, in tempi graduali, in maniera tale da assecondare le risposte naturali fisiologiche, sen- za interventi bruschi destabilizzanti. Il calcio e l’eccitabilità neuromuscolare Per documentare ulteriormente le applicazioni prati- che della formula di Loeb, rivolgiamo la nostra at- tenzione al calcio-ione e ai suoi influssi sull’eccitabi- Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 24 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it lità neuro muscolare. L’ipocalcemia, notoriamente, è causa di contratture muscolari fino alla tetania vera e propria, e questo può essere facilmente intuibile già riferendosi mentalmente alla stessa formula in que- stione. La presenza del Ca++ al denominatore fa sì che una sua carenza faccia aumentare l’eccitabilità, con scos- se tonico-cloniche ed eventualmente tetania, contra- riamente alla classica paralisi flaccida determinata dalla ipokaliemia. In caso di ipocalcemia, infatti, è sempre opportuno controllare se c’è coesistenza di ipopotassiemia, la quale deve essere trattata contem- poraneamente, perché correggere solo l’ipopotassie- mia senza trattare l’ipocalcemia facilita l’insorgenza della tetania e, per lo stesso motivo (facilmente com- prensibile tenendo dinanzi agli occhi l’equazione di Loeb), correggere solo l’ipocalcemia accentua gli ef- fetti dell’ipopotassiemia. La tetania, come è ben noto, può essere causata an- che dalle condizioni di alcalosi (respiratoria e/o me- tabolica) e anche questa evenienza si spiega facil- mente se si tiene conto che nelle alcalosi diminuisco- no gli idrogenioni (al denominatore) con aumento dell’eccitabilità. La coesistenza di ipocalcemia e alcalosi fa sì che esse si potenzino reciprocamente in senso “tetanizzante” e l’eventuale presenza anche di ipomagnesiemia rende questa loro miscela esplosiva (il tutto è spiegabile sempre in base all’equazione di Loeb). Al contrario, l’acidosi (con l’aumento degli idrogenioni al deno- minatore) protegge dalla tetania, la quale, infatti, non compare nelle nefropatie croniche, per esempio, an- che se in queste condizioni cliniche c’è ipocalcemia. Sicuramente è capitata a molti medici l’esperienza di constatare che in alcuni casi clinici, con valori molto bassi della calcemia, non è successo nulla di rilevan- te dal punto di vista clinico, mentre in altri pazienti, anche con valori solo lievemente bassi, si è potuto assistere a crisi tetaniche insorte sotto i propri occhi in Pronto Soccorso, magari solo perché il paziente, preso da un senso di panico, ha cominciato a iper- ventilare determinando un’alcalosi respiratoria con conseguente diminuzione degli idrogenioni al deno- minatore, il che è andato a potenziare la concomi- tante lieve ipocalcemia preesistente. Questa è, certamente, un’altra dimostrazione di quel- le evidenze cliniche che impongono la “valutazione globale” e che riportano ineludibilmente all’attenzio- ne di tutti i medici (specialisti e non) la necessità di fornirsi di una “mentalità internistica” od “olistica”, che dir si voglia. Sempre rimanendo in tema di iperventilazione è op- portuno ricordare che l’iperventilazione in corso di alcalosi respiratoria, che come abbiamo visto può fa- cilitare la tetania, non deve essere confusa con l’iper- ventilazione dell’acidosi metabolica, che non dà luo- go a tetania, in quanto, come già abbiamo detto, que- sta viene finanche inibita dallo stato di acidosi. E ancora, se, in corso di ipocalcemia, la tetania in- sorta non viene controllata nonostante l’impiego del calcio endovena, bisogna assicurarsi che non ci sia anche la concomitanza di una ipomagnesiemia, cosa non infrequente e che deve essere corretta adeguata- mente e simultaneamente. Il magnesio, infatti, viene Fig. 2 - Azione del potassio sulla ripolarizzazione della cellula miocardi- ca e sull’eccitabilità del suo potenziale di membrana (tratto da Cohen JJ22). Fig. 3 - L’eccesso di potassio può sfociare nell’arresto cardiaco o nella morte improvvisa, evidenziati dalle alterazioni elettrocardiografiche (tratto da Goldberger E26). Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 25 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it spesso trascurato nella diagnosi differenziale, essendo ritenuto poco significativo, mentre in alcuni casi è fondamentale per la risoluzione dei nostri problemi; «nessuno nasce solo o è nato per sé solo», diceva Pla- tone e, praticamente, ognuno (ione e non solo) rap- presenta soltanto uno dei mille ingranaggi della “grande orologeria cosmica”. Nello stesso tempo, però, non bisogna essere troppo semplicistici, in quanto la miscela di tutti questi ioni è sempre più complessa di quello che conosciamo e, tal- volta, i rapporti tra questi ioni non sono univoci in tut- te le situazioni, come ci aspetteremmo. Per esempio il calcio e il magnesio sono alleati in alcune funzioni e in altre condizioni diventano antagonisti24, oppure un singolo ione, come per esempio il calcio, può avere ruoli differenti a seconda che sia implicato in fenome- ni di irritabilità o in fenomeni di permeabilità25. Il favoloso “poker d’assi” I lavori di Loeb sull’antagonistic salt action possono ben dirsi cruciali nella comprensione delle caratteri- stiche biologiche necessarie alle soluzioni saline per essere adatte alla conservazione della vita e si può af- fermare che i suoi esperimenti dettero, nella pratica clinica, una spiegazione scientifica al concetto della “stabilità del milieu interieur” di Claude Bernard. L’attenzione di Loeb alle problematiche acido-base di tali soluzioni dette, poi, un grande incremento agli studi successivi, volti a trovare metodi di misurazio- ne dello stato acido-base. Questi nuovi approcci spia- narono la strada ai lavori sperimentali di Lawrence Joseph Henderson (1878-1942) che portarono alla geniale formulazione dell’Equazione di Henderson, in cui viene sintetizzata tutta la problematica del- l’equilibrio acido-base, ovverosia che la concentrazio- ne degli idrogenioni (e quindi l’acidità o la basicità di una soluzione) è data dal rapporto quantitativo esi- stente fra la concentrazione dell’acido carbonico (al numeratore) e la concentrazione dei bicarbonati (al denominatore) secondo una costante K26-28. Lo stesso Henderson «comparò la composizione dei sali dell’acqua marina con il sangue degli animali su- periori e trovò che essi erano similari, specialmente in relazione alla stabilità della concentrazione idroge- nionica. Egli suggerì che la vita è cominciata nel- l’oceano e che questo milieu marino di un’epoca pre- cedente viene mantenuto nel sangue degli animali su- periori da parte dell’organismo stesso»29. A buona ragione, quindi, si può affermare che Clau- de Bernard, Jacques Loeb e Lawrence Joseph Hender- son hanno rappresentato tre pietre miliari nella sto- ria dell’umanità e, prendendo spunto dall’annotazio- ne curiosa che la data della morte di Claude Bernard (1878) corrisponde a quella di nascita di Henderson, possiamo ben dire che i due grandi ricercatori si sia- no scambiati il testimone in questa meravigliosa staf- fetta ideale. Jacques Loeb non è stato un semplice spettatore tra i due, ma ha dato il suo grande contributo facendo da trait d’union e da trampolino per Henderson, cultore del concetto di “equilibrio”, coadiuvato anche da un altro grande componente di questo “favoloso poker d’assi”, che “pensava e agiva” in quegli anni, cioè Wal- ter Bradford Cannon (1871-1945), fisiologo speri- mentale, che dette grandi contributi per la nascita del concetto di “omeostasi”, termine da lui coniato. Conclusioni Tutte le cose che ignoriamo, una volta capite, ci sem- brano finanche banali e scontate, espressioni soltan- to delle nostre precedenti lacune culturali. Spesso, in- fatti, ci è toccato scoprire che conoscenze già acqui- site da tempo ci erano sfuggite, non avendo saputo ri- cercarle nel libro giusto, al momento giusto o con il maestro giusto. L’avanzamento delle conoscenze, come sempre, pro- cede per gradi e per contributi individuali (o di grup- po) in successione temporale, in cui una nuova idea (anche se rivoluzionaria) si innesca sempre su intui- zioni stimolate dai traguardi raggiunti negli anni pas- sati oppure parte dalle incognite lasciate dai ricerca- tori precedenti, sfruttandone le basi di appoggio. A questo proposito, quale migliore sintesi concettuale di quella formulata da Isaac Newton quando disse: «Siamo dei nani sulle spalle di giganti», riferendosi ai basilari contributi che lo avevano portato alla sua teoria gravitazionale. Molte volte, però, può capitare che questi basilari la- vori scientifici (che sono sicuramente costati moltis- simi anni di studio e di sacrifici ai loro Autori) cada- no nel dimenticatoio e finanche corrano il rischio di andare definitivamente dispersi, anche in altri settori culturali30. Questo è il caso dell’Equazione di Loeb che, per troppi anni, è rimasta dimenticata o misco- nosciuta o sottovalutata. Analoga sorte è toccata anche all’Equazione di Hen- derson (1908), intuizione geniale e di una estrema semplicità nella sua applicazione didattica, oscurata dalla complicatissima famigerata Equazione di Hen- derson-Hasselbalch (1916), che ha reso inutilmente ostico tutto l’argomento del cruciale equilibrio acido- base, la cui conoscenza da parte dei medici, invece, è vitale per la sopravvivenza di molti pazienti. Queste esperienze negative al riguardo hanno raffor- zato la nostra filosofia sull’opportunità di fermarsi, ogni tanto, e di andare indietro nel tempo a cercare “nozioni fondamentali” per la comprensione dei pro- blemi correnti, scavando nel passato della storia del- Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 26 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it la medicina. È come quando, visitando nuove locali- tà, ci si ferma a sedere durante il percorso per la stan- chezza e, volgendo indietro lo sguardo, si scopre, con grande meraviglia, che i panorami più belli erano al- le nostre spalle e ci erano sfuggiti; motivo per cui il viaggiatore scaltro adotta metodicamente la furbizia di girarsi ogni tanto. Utilizzando questa procedura, anche lo studioso po- trà fare la piacevole scoperta, come è avvenuto più volte per noi, di ritrovare Autori che hanno già dedi- cato molti anni della loro vita a ricercare le soluzioni per le nostre ignoranze, ancora attuali, che nessuno ci aveva aiutato a colmare. Come emerge da questa disamina degli studi di Loeb, riferiti agli equilibri acido-base e idro-elettrolitico, sarà sicuramente utile per tutti rinfrescare vecchie nozioni o acquisirle ex novo in relazione alla sua semplice e ge- niale formula, frutto di anni di lavoro certosino. Essa merita di essere memorizzata e diffusa nell’ambiente di- dattico, perché consente di capire subito le interrelazio- ni esistenti tra i vari sistemi e di metterle a frutto nella pratica clinica, senza grande dispendio di energie31. Loeb, tra l’altro, riteneva che «tutti i fenomeni osser- vati dovrebbero essere espressi in forma di equazioni, senza contenere alcuna costante arbitraria»2. Proprio di queste sintesi c’è una grande necessità in medici- na, in cui le cose da imparare sono diventate troppe, oppure lo sono sempre state. Dissiparle è un vero pec- cato, e non diffonderle, per chi le ha apprese, espri- me un imperdonabile atto di egoismo intellettuale. SCHEDA BIOGRAFICA Jacques Loeb (7 aprile 1859-11 febbraio 1924), fi- siologo tedesco, nacque a Mayen, vicino Koblenz (Prussia, oggi in Germania, Renania); trasferitosi in America a 32 anni divenne, poi, Professore nelle Uni- versità di Chicago, di Berkeley e infine al Rockefeller Institute di New York, dopo intervalli giovanili di vi- ta da ricercatore trascorsi nelle Università di Strasbur- go, di Wurzburg e nella Stazione Biologica di Napoli. In precedenza (1880) si era iscritto all’Università di Filosofia ma, dopo breve tempo, aveva deciso di cam- biare perché «i Professori di Filosofia discutono e gi- rano intorno ai problemi, piuttosto che risolverli», mentre egli, per temperamento, era portato a trovare soluzioni pratiche ai problemi ed era nemico degli ap- parati complicati. Ricercatore dagli interessi poliedrici, aveva «una sinteti- ca immaginazione ed una istintiva abilità ad unire ar- moniosamente i diversi elementi delle differenti discipli- ne […]. Nelle sue mani l’impollinazione crociata delle Scienze produsse eccellenti frutti»2 ed egli enfatizzò l’im- portanza della fisiologia, comparata con le altre branche scientifiche della fisica, della chimica, della medicina ecc., arrivando a elaborare o contribuendo a elaborare numerose teorie originali in vari settori della ricerca. Teoria del tropismo: dimostrò che molti animali semplici sono costretti ad assumere un certo orientamento nello spazio in rapporto ad alcune forze che ne determinano le direttrici d’azione, per esempio la luce, la corrente elet- trica, la gravità, la concentrazione ionica ecc.2,3,32. Le risposte dirette sono “movimenti forzati involontari”, quali funzioni autonomiche di reazioni a uno stimolo. Secondo Loeb le falene, per esempio, si dirigono verso la fiamma «a causa dello stesso processo meccanico in ba- se al quale l’asse dello stelo di una pianta si orienta in direzione dei raggi luminosi»33. Egli concludeva che per questi animali non vi è «free will», vita libera. Teoria della partenogenesi artificiale (riproduzione sen- za fertilizzazione) che gli dette grande notorietà anche al di fuori dell’ambiente scientifico, facendolo diven- tare un personaggio noto al grande pubblico: dimo- strò che le larve di echinoderma possono svilupparsi in assenza di fertilizzazione, mediante la semplice sti- molazione chimica. Documentò la segmentazione delle uova non fertilizza- te di un verme marino, e arrivò alla conclusione che «miscele particolari di ioni possono essere capaci di causare lo stesso effetto come la penetrazione di uno spermatozoo»2,3,10,11. Nel 1906 arrivò già a conclude- re che «niente contraddice la possibilità di realizzare in futuro la produzione artificiale di materia vivente»33. Teoria della “antagonistic salt action”: esplorò la struttura dell’ambiente vitale (living medium, milieu interieur, ac- queous medium) e pervenne alla concezione di una «in- tegrating intellectual framework» (intelaiatura intellettua- le integrata) che lo portò a una visione olistica (The or- ganism as a whole, 1916)1-3,8,9 e alla Formula di Loeb. «The urge of his mind was to see each subject simply and as a whole. He was not content to pursue a spe- cial part of a problem without considering its rela- tion to all the rest»2. «La tendenza della sua mente era quella di vedere ogni soggetto come un insieme. Egli non era conten- to di analizzare una parte speciale di un problema senza considerare la sua relazione con tutto il resto». Teoria della concezione meccanicistica della vita: elabo- rò la teoria che i fenomeni della vita possono essere spiegati in termini di leggi fisiche e chimiche, con un punto di vista materialista meccanicistico, piuttosto che metafisico, per cui contribuì da protagonista e con passione al dibattito dell’epoca tra “meccanici- smo” e “vitalismo”34. In questo ambito, più filosofico Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 27 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it Bibliografia 1. Loeb J. The organism as a whole, from a physico-chemical viewpoint. G.B. Putnam’s Sons, New York/London, 1916. 2. Oosterhout WJV. Loeb J. J Gen Physiol 1928; 8(1): 9-59. 3. Crozier WJ, Northrop JH, Oosterhout WJV, Loeb J. Memorial vo- lume. J Gen Physiol 1928, Ed. Rockefeller Institute, New York. 4. Loeb J. The dynamics of living matter. Columbia University Press, New York, 1906. 5. Loeb J. Physiologische Tonenwirkung in Oppenheimer’s Handbuch. Vol. 2, Jena, 1909. 6. Loeb J. Is the antagonistic action of salts due to oppositely charged ions? J Biol Chem 1914; 19 (3): 431-443. 7. Loeb J. Weber’s law and antagonistic salt action. Proc Nat Acad Sc 1915; 1: 439-444. 8. Loeb J. On Ions which are capable of calling forth Rhythmical Contractions. Studies 1899, ristampato in Loeb J. Studies in Gene- ral Physiology. University of Chicago Press, Chicago, 1905, pp. 518-538. 9. Loeb J. On Ion-Proteid Compounds and their role in the mechanics of life phenomena. Am J Physiol 1900; 3: 327-338, ristampato in Loeb J. Studies in General Physiology. University of Chigago Press, Chicago, 1905, pp. 544-558. 10. Loeb J. On the Nature of the Process of Fertilization and the Artifi- cial production of normal larvae (Plutei) from the Unfertilized Eggs of the Sea Urchin. Am J Physiology 1899; 3: 135-138, ristampato in Loeb J. Studies in General Physiology. University of Chicago Press, Chicago, 1905, p. 581. 11. Pauly PJ. The invention of Artificial Parthenogenesis, Chapter 5. In: Controlling Life: Jacques Loeb and the Engineering Ideal in Biology. Ox- ford University Press, New York, 1987, pp. 93-117. 12. Loeb J. On the Artificial production of Normal Larvae from the Un- fertilized Eggs of the Sea Urchin (Arbacia). Am J Physiol 1899-1900; 3: 434-471. 13. Loeb J. The Mechanism of Antagonistic Salt Action. Proc Nat Acad Sc 1915; 1: 473-477. 14. Bernard C. Cahier Rouge. Shenkman, Cambridge, 1855 (ristampa- to 1967), p. 58. 15. Bernard C. Introduction a l’étude de la Medicine expérimental. Paris, 1865 (ed. it. Introduzione allo studio della medicina sperimentale. Pic- cin, Padova, 1994). 16. Cannon WB. in Petitt A. Homage à Charles Richet. Presse Institut, Paris, 1926, p. 9. 17. Cannon WB. The Wisdom of the body. Peter Smith, London, 1932 (ristampato 1979). 18. Loeb J. The Origin of the Conception of Physiologically Balanced Salt Solutions. J Biol Chem 1918; 34 (3): 503-504. 19. Loeb J. The toxicity of sugar solutions upon Fundulus and the ap- parent antagonism between salts and sugar. J Biol Chem 1912; 11: 415-420. 20. Loeb J, McKeen C. The influence of electrolytes upon the diffu- sion of potassium out of the cell and into the cell. J Biol Chem 1915; 23: 54-55. 21. Loeb J. On the role of electrolytes in the diffusion of acid into the egg of Fundulus. J Biol Chem 1915; 23: 139-144. 22. Cohen JJ. Alterazioni nell’equilibrio del potassio. Minuti 1980; 6: 15-26. 23. Goldberger E. Sindromi da squilibri idro-elettrolitici ed acido base. Il pensiero scientifico Editore, Roma, 1982. 24. Loeb J. The stimulating and inhibitory effects of Magnesium and Calcium upon the rhythmical contractions of a Jellifish (Polyor- chis). J Biol Chem 1906; 1: 427-436. 25. Loeb J. Calcium in permeability and irritability. J Biol Chem 1915; 23: 423-430. 26. Henderson LJ. Concerning the Relations between the Strenght of Acids and their Capacity to Preserve Neutrality. Am J Physiol 1908; 21: 173-179. 27. Henderson LJ. The Theory of Neutrality Regulation in the Animal Organism. Am J Phisiol 1908; 21: 427-448. 28. Fry I. On the Biological Significance of the Properties of Matter: L.J. Henderson’s Theory on the Fitness of the Environment. J Hist Biol 1996; 29: 155-196. 29. Windeln R. Lawrence Joseph Henderson (1878-1942), http://mit- glied.lycos.de/Windeln. 30. Greenspan RJ, Baars BJ. Consciousness eclipsed: Jacques Loeb, Ivan P. Pavlov, and the rise of reductionistic biology after 1900. Consciou- sness and Cognition 2005; 14: 219-230. 31. Sgambato F. Gli equilibri omeostatici in Medicina: le interrelazioni fra i sistemi. Atti 10° Congresso Nazionale FADOI in G.I.M.I. 2005; 4, 1 (Suppl. 2), 13-23. 32. Loeb J. Forced Movements, Tropism and Animal Conduct. Lippincott William & Wilkins, London, 1918. 33. www.kuht.it/modules/sections/index 34. Loeb J. La conception mécanique de la vie, 1912, Parigi; The Mecha- nistic Conception of life, Harvard University Press, Harvard, 1924, ri- stampa 1964. che scientifico, si trovò spesso in contrasto con altri scienziati del suo tempo, come, per esempio, anche Henderson e Cannon. Studi sulle proteine: nel periodo 1910-1924 si dedicò a numerosi studi sulla chimica delle proteine, apportan- dovi grandi contributi originali e scoprendo che esse possono reagire sia come acidi sia come basi35,36. Condusse studi sui fenomeni di rigenerazione ner- vosa e sulla struttura dell’encefalo37. Nel 1918 fu fondatore del Journal of General Physio- logy e ne rimase editore fino alla morte, nel 1924. Il termine general physiology sembra sia stato coniato nel 1885 proprio da Claude Bernard, descrivendolo co- me «lo studio dei fenomeni comuni agli animali ed al- le piante»38. Nella presentazione del nuovo giornale Loeb sotto- lineò l’importanza di investigare i processi vitali da un punto di vista fisico-chimico e di dotarsi di me- todi di valutazione quantitativa: «Se è vero che il problema fondamentale dei fisici e della chimico-fi- sica è la costituzione della materia, è altrettanto ve- ro che il problema fondamentale della fisiologia ge- nerale è la costituzione della materia vivente, ed in entrambi i casi è necessario il metodo della speri- mentazione quantitativa»38, concetto che aveva già espresso nel 189839. Egli aveva una grande capacità di sintesi e «la rapidi- tà con cui le nuove idee venivano suggerite, esami- nate ed eventualmente respinte, lasciava spesso atto- niti»2; nel secolo scorso, fu tra gli scienziati che mag- giormente suscitarono interessi scientifici e popolari, grazie anche alla sua grande produzione bibliografi- ca40 e alla sua affabilità. Egli, infatti, era anche molto espansivo e aveva uno straordinario senso umoristi- co2. L’11 febbraio del 1924 Jacques Loeb morì ad Ha- milton, Bermuda. Materiale protetto da copyright. Non fotocopiare o distribuire elettronicamente senza l’autorizzazione scritta dell’editore. clinica e terapia 28 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 II nu m er o IV • A go st o 20 06 • w w w .e cj .it 35. Loeb J. Ionization of proteins and antagonistic salt action. J Biol Chem 1918; 33: 531-549. 36. Loeb J. Proteins and the Theory of Colloidal Behavior. McGraw-Hill, New York, 1922. 37. Loeb J. Comparative physiology of the brain and comparative psycolo- gy. GP Putnam’s Son, New York, 1900. 38. Andersen OS. A Brief History of The Journal of General Physiolo- gy. J Gen Physiol 2004; 125: 3-12. 39. Loeb J. The biological problems of today: physiology. Science 1898; 7: 154-156. 40. Kobelt N. Jacques Loeb Bibliography. J Gen Physiol 1928; 8 (1): LXIII-XCII. ABSTRACT Loeb’s formula is one of the milestones in the practical demon- stration that the human organism cannot be studied in a frag- mented way and, through its application, one can, in a sim- ple way, give immediate responses to different problems in both a diagnostic and therapeutic context. Loeb conducted experimental studies on the different “vital behaviour” of various animal organisms in contact with dif- ferent saline solutions at various concentrations. His work on the induction of rhythmic contractions in skeletal muscles, for example, or those on the importance of the ionic equilib- rium in the survival of various embryos, led him to claim that by modifying the ions contained in a tissue it is possible to transfer qualities not possessed ordinarily. The key to the problem, which he posed on a daily basis when studying microcellular living beings, was to determine the ap- propriate blend of such ions or better the “harmonious set” of the various salts in the correct concentrations such as to main- tain vital conditions. Loeb’s studies yielded the first concrete demonstrations that the maintenance of vital conditions depends on a dynamic balance of contrasting dynamic ionic forces, kept in the correct propor- tions by an incredible system of automatic regulators. His experiments gave a more concrete explanation to the con- cept of “stability of the interior environment” by Claude Bernard (1813-1878) and contributed to the great scientific season of general physiology that took place in the late 19th and early 20th centuries. This fabulous “poker of aces” laid the foundations for “holi- stic” concepts, no longer in theoretical terms, but also with concrete “in vivo” demonstrations, subject to ongoing labo- ratory tests, in harmony with the canons of the “experimen- tal” method. www.cgems.it, il sito istituzionale • Tutte le novità editoriali, le opere di prossima pubblicazione, le riviste in uscita e i prodotti multimediali. 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