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Ci sono tre componenti fondamentali per lo sviluppo
della vita nel nostro pianeta: acqua, ossigeno ed anidride carbonica,
e tutte partecipano al metabolismo degli ioni dell'idrogeno. L'acqua
è necessaria per la comparsa degli ioni di idrogeno; l'ossigeno
è necessario per il metabolismo nel regno animale mediante
il continuo bruciare di elementi nutritivi, che portano alla formazione
degli ioni di idrogeno da acidi volatili e non volatili, che vengono
immediatamente eliminati dal corpo tramite polmoni, branchie,
reni, ecc. Essi vengono continuamente riutilizzati dal regno vegetale
tramite la fotosintesi. Senza gli ioni di idrogeno la vita non
si sarebbe potuta sviluppare così come è avvenuto.
Nel mio discorso vorrei concentrarmi su alcune fasi importanti
per lo sviluppo della nostra conoscenza degli ioni di idrogeno
- dagli albori della fisica, chimica, fisiologia e medicina ai
complicati strumenti di terapia intensiva dei nostri giorni.
Secondo uno studio cinese, gli acidi forti erano
conosciuti in India nel 6° secolo A.D. Vengono descritti
come un liquido straordinario, talvolta freddo, talvolta caldo,
che può corrodere il legno, le piante, l'oro e l'acciaio,
e che a contatto con la pelle, può scioglierla. Dall'India
la capacità di produrre acidi minerali è stata tramandata
agli Arabi ed ha raggiunto l'Europa nel 13° secolo.
Le basi forti vengono menzionate nella letteratura
Hindu a partire dall'8° secolo. Esse venivano ricavate dalla
cenere di legno bruciato, chiamata dagli Arabi "al quali",
oppure bruciando lime.
Gli acidi e le basi sono stati un riferimento molto
importante per lo sviluppo della chimica come disciplina scientifica.
Esistevano molti modi per spiegare la loro azione, ma un importante
cambiamento venne introdotto con la teoria della dissociazione
elettrolitica enunciata nel 1887 da Svante Arrhenius in Svezia.
Tuttavia, nessuno in Svezia credeva in questa idea, ma Jacobus
van't Hoff in Amsterdam e Wilhelm Ostwald in Riga ebbero fiducia,
e quindi gli Svedesi riconobbero la validità della tesi
e premiarono Arrhenius con il premio Nobel nel 1903.
Gli acidi forti sono stati usati per questo scopo nei laboratori di fisica europei, a partire dal 1800 quando Volta scoprì come produrre energia elettrica, portando alla costruzione delle cosidette "cellule di gas". Esse erano composte da elettrodi platinati in platino all'interno di un tubo di vetro a contatto con ossigeno e idrogeno rispettivamente, ed immerso in acido solforico diluito. Wilhem Ostwald scoprì che il fattore decisivo per la generazione di corrente era la concentrazione degli ioni di idrogeno e di idrossido formati dai due gas. Per questo utilizzò gli elettrodi di idrogeno per determinare la dissociazione costante di acqua, un fattore di primaria importanza nella chimica fisica.
Ostwald era molto orgoglioso dei risultati raggiunti
e li riportò al meeting della Royal Saxonian Scientific
Society il 9 gennaio 1893.
Il suo lavoro è stato della massima importanza
per lo sviluppo non solo della fisica e della chimica, ma soprattutto
delle scienze biologiche e mediche, con Lawrence Henderson, professor
di fisiologia ad Harvard, e S.P. L. Sørensen, professor
ai Carlsberg Laboratories di Copenhagen, come pionieri. Henderson
si è concentrato sulla descrizione delle molte variabili
che influenzano la neutralità del sangue, poichè
la proprietà più significativa e più cospicua
del sangue è la capacità di neutralizzare grandi
quantità di acidi o basi senza perdere la sua reazione
neutra. Sørensen ha lavorato a Copenhagen sul break down
enzimatico di proteine ed ha dimostrato l'importanza vitale del
controllo del pH nel processo enzimatico. Ha introdotto il concetto
di "tampone" ed in seguito il termine "esponente
ione idrogeno" che ha simbolizzato con "pH". Entrambi
i concetti sono stati immediatamente accettati dal mondo scientifico.
Uno degli allievi di Sørensen era il giovane
fisiologo danese K. A. Hasselbalch, che nel 1917 usando un elettrodo
dell'idrogeno è stato il primo a misurare valori di pH
corretti nel sangue a 37 gradi centrigradi. Si interessò
a disordini dell'equilibro acido base e fu il primo a distinguere
tra disturbi metabolici e respiratori, che potevano essere compensati
o non compensati a seconda del valore di pH misurato nel sangue.
Il suo nome viene usato nella nota equazione di Henderson-Hasselbalch,
che esprime l'azione tampone dell'acido bicarbonato/carbonico
nel sangue.
Tuttavia, la misurazione del valore di pH nel sangue
a 37 gradi centrigradi con un elettrodo dell'idrogeno era ancora
troppo complicata per gli ospedali nella prima metà di
questo secolo - e lo è ancora! Prima del 1920 solo pochi
tra i più moderni ospedali universitari avevano piccoli
laboratori di ricerca inclusi ai reparti medici, ed i laboratori
analisi di appoggio agli esami clinici di routine erano pochi.
L'introduzione di insulina per il trattamento del diabete ha creato
la necessità di analisi degli zuccheri nel sangue e per
la diagnosi delle acidosi diabetiche. A questo punto cominciarono
a nascere piccoli laboratori analisi. Il metodo di Donald D. van
Slyke per determinare la quantità totale di anidride carbonica
nel siero venne considerato come il più affidabile per
la diagnosi dell'acidosi, e negli anni 30 e 40 era possibile trovare
i suoi strumenti per la misurazione gasometrica in molti laboratori
clinici. Il nome riserva di alcali o bicarbonato venivano utilizzati
per caratterizzare un risultato misurato: valori bassi indicavano
una acidosi metabolica, valori alti una alcalosi metabolica. I
disturbi del metabolismo venivano considerati come i più
importanti da diagnosticare, poichè un trattamento corretto
poteva salvare la vita del paziente. I disordini respiratori dell'equilibrio
acido base erano relativamente rari, e normalmente causavano solo
variazioni minori dei valori di riserva alcalina, ed il trattamento
consisteva nel modificare la ventilazione alveolare. Pertanto
è stato spesso dimenticato nei reparti clinici che il contenuto
totale di CO2 nel siero, come misurato dallo strumento di Van
Slyke, non era sinonimo di riserva alcalina, ma dipendeva anche
dalla pressione parziale di anidride carbonica.
Ciò accadeva all'ospedale di Copenhagen, dove
scoppiò nell'agosto del 1952 una epidemia di polio. L'incidenza
di paralisi respiratoria era stranamente alta, e dopo le prime
due settimane 27 pazienti su 31 trattati nelle vie respiratorie
erano morti. La situazione era disperata, e l'epidemia era appena
iniziata. A quel tempo venni richiamato dalle vacanze estive,
in qualità di responsabile del laboratorio dell'ospedale,
per partecipare ad una riunione con l'anestesiologo Bjørn
Ibsen e con gli altri clinici dell'ospedale per discutere le cause
dei decessi. I pazienti erano stati tutti ben ossigenati fino
alla fine, e l'unica indicazione oggettiva era un alto livello
di "bicarbonato" nel sangue, misurato con uno strumento
van Slyke. I medici ritenevano che i pazienti presentassero una
alcalosi metabolica di origine misteriosa. Ibsen respinse subito
questa ipotesi, sostenendo che si poteva benissimo trattare di
una ritenzione di anidride carbonica. Vennero subito eseguite
delle analisi del pH del sangue a 37 gradi centigradi che gli
diedero ragione, e il giorno seguente un paziente venne tracheotomizzato
e trattato con ventilazione a pressione positiva manuale che fece
immediatamente sparire l'"alcalosi". Pertanto questo
trattamento venne applicato su tutti i pazienti affetti da paralisi
respiratoria.
Questa errata interpretazione dell'alto contenuto
di CO2 del siero come una alcalosi in pazienti con insufficienza
respiratoria mi impressionò parecchio, e mi portò
ad avere una nuova idea su come misurare il sangue per ottenere
parametri acido base corretti sia per l'aspetto chimico che per
quello fisico e che siano facili da comprendere ed usare dai medici
nel loro lavoro quotidiano.
Dopo alcuni anni di lavoro presso il mio reparto
in Copenhagen preparammo inizialmente un macro metodo usando 2-3
mL di sangue ed in seguito un micrometodo che richiedeva solo
50-75 microlitri di sangue, e che in un paio di minuti poteva
fornire tutti i valori necessari per esprimere l'equilibrio acido
base del sangue.
Avevamo costruito l'intero strumento, ad eccezione
del pHmetro, all'interno del mio reparto nell'Ospedale Universitario
di Copenhagen, e lo offrimmo alla Radiometer per la produzione.
Purtroppo, i dirigenti erano stanchi delle continue lamentele
di medici e tecnici dell'ospedale per l'assistenza tecnica, quindi
non erano interessati a produrlo. Tuttavia il fratello di uno
di loro credeva fermamente nel potere rivoluzionario delle idee,
quindi costruì in segreto uno strumento in Radiometer.
Funzionava così bene che i dirigenti decisero infine di
produrlo. Il successo fu scontato.
Prima di concludere vorrei aggiungere che un'altra
epidemia di polio, negli USA nel 1954, portò Richard Stow
alla Ohio State University di Columbus a costruire un elettrodo
della pCO2. Leland Clark negli USA, che stava lavorando
in team usando un bypass cardiopolmonare, scoprì nel 1953
che la membrana che ricopriva gli elettrodi dell'ossigeno non
veniva influenzata dall'avvelenamento dell'ossigeno, e questo
portò alla costruzione degli elettrodi dell'ossigeno attualmente
utilizzati.