Kwasica ketonowa. Czym jest i kiedy występuje?

Zaburzenie równowagi kwasowo-zasadowej, nagromadzenie się substancji o charakterze kwaśnym, przesunięty metabolizm oraz lawina konsekwencji, czyli nic innego a kwasica ketonowa. Czy ciała ketonowe faktycznie zakwaszają organizm? Jakie stany wywołują kwasicę ketonową? Czy jest ona niebezpieczna?

Zacznijmy od definicji

W fizjologicznych warunkach głównym substratem energetycznym jest glukoza. Kiedy w organizmie dochodzi do jej niedoboru, organizm zaczyna czerpać energię z tłuszczy i białek. Podczas lipolizy, powstają kwasy tłuszczowe, które wędrują do wątroby. Tam w procesie utlenienia zostają przekształcone w kwasy ketonowe. Jest to tzw. ketoza, która nie jest stanem szkodliwym. Jednak, gdy stężenie ciał ketonowych osiągnie wartość 15-25 mmol/l krwi, mamy już od czynienia z kwasicą ketonową. Jest to stan zaburzenia równowagi kwasowo-zasadowej, objawiający się obniżonym pH krwi (<7,3), który stanowi zagrożenie życia.

Ketony wszystkiemu winne?

Jak powstaje kwasica? Najprostsza odpowiedź mogłaby brzmieć: wywołują ją ciała ketonowe. Jednak okazuje się, że nie mają one wcale kwaśnego charakteru, w związku z czym, nie mogą obniżać pH krwi.

Co zatem jest prawdziwą przyczyną kwasicy ketonowej? Zacznijmy od dokładnej definicji kwasicy. Jest to stan metaboliczny, w którym produkcja jonów wodorowych (H3O+), zwanych w skrócie protonami (H+), przekracza zdolność buforowania kwasów w organizmie, prowadząc do spadku pH [2]. Tak, więc aby zrozumieć, jak dochodzi do zakwaszenia organizmu, należy przeanalizować drogę powstawania ciał ketonowych i znaleźć źródła wszystkiemu winnych protonów.

Ketogeneza zachodzi głównie w wątrobie, gdzie następuje intensywne utlenianie kwasów tłuszczowych. Jednak szlak ten, tak naprawdę rozpoczyna się w tkance tłuszczowej. To tam zachodzi lipoliza, która jest źródłem kwasów tłuszczowych. Trójglicerydy bowiem składają się z glicerolu i 3 kwasów tłuszczowych, więc hydroliza tego związku spowoduje ich uwolnienie.

Wolne kwasy tłuszczowe w warunkach wewnątrzkomórkowego pH szybko przechodzą w postać zjonizowaną, uwalniając przy tym 3 protony. Okazuje się, więc że jedynym ze źródeł protonów jest lipoliza tkanki tłuszczowej. W wyniku nasilenia tego procesu dochodzi do wysokiego stężenia wolnych kwasów tłuszczowych. To z kolei powoduje szereg reakcji, podczas których wytwarzane są kolejne protony:

• aktywacja kwasów tłuszczowych – 6 protonów
• beta oksydacja – 21 protonów

W normalnych warunkach protony powstające podczas utleniania acetylo-CoA zostają zredukowane. Natomiast kiedy dochodzi do zbyt intensywnego katabolizmu tłuszczów, organizm nie jest w stanie utlenić tak dużej ilości actylo-CoA, w wyniku czego protony zaczynają się kumulować i zakwaszają organizm. Podsumowując, to nie ciała ketonowe obniżają pH krwi, tylko protony powstające podczas rozpadu tłuszczy oraz ich utleniania. Ciała ketonowe są jedynie produktem tej reakcji, a nie przyczyną kwasicy ketonowej.

Stany prowadzące do kwasicy ketonowej

Cukrzyca

Mechanizm powstawania

Kwasica ketonowa jest ostrym, zagrażającym życiu, stanem hiperglikemicznym w przebiegu cukrzycy typu 1 i 2 (częściej 1). Spowodowana jest znacznym niedoborem insuliny oraz wzrostem stężenia hormonów jej przeciwstawnych we krwi, takich jak glukagon, kortyzol czy hormon wzrostu.

Działanie tych hormonów polega na podwyższaniu stężenia glukozy oraz przyspieszaniu procesu spalania tłuszczów. Ich nadmiar dodatkowo zmniejsza skuteczność działania insuliny.

W skutek insulinooporności oraz niedoboru insuliny dochodzi do dużej hiperglikemii, która z kolei zmniejsza przepływ glukozy z naczyń do komórek. Kiedy komórkom zaczyna brakować głównego źródła energii, sięgają po alternatywne paliwo. Zaczynają intensywnie metabolizować własne tłuszcze i białka.

Dochodzi do ketogenezy: w wyniku lipolizy uwalniane są kwasy tłuszczowe, które ulegają utlenieniu i przemianie w ciała ketonowe. Insulina w odpowiednim stężeniu ogranicza przebieg powstawania ketokwasów, natomiast jej niedobór lub brak przyśpiesza ten proces. To dlatego kwasica ketonowa jest największym zagrożeniem właśnie dla diabetyków. U osób zdrowych występuje rzadko, ponieważ insulina hamuje u nich reakcje powstawania zakwaszających protonów.

Co ją wywołuje?

Cukrzycowa kwasica ketonowa wywoływana jest paroma czynnikami. Najczęstszymi są różnego rodzaju infekcje, urazy lub stany, takie jak nowo pojawiająca się cukrzyca lub incydenty naczyniowo-mózgowe, które powodują stres i zwiększają poziom wcześniej wspomnianych hormonów, wywołując lawinę zagrażających życiu konsekwencji.

Ciężki stan obniżenia pH krwi mogą wywołać również: przerwanie lub błędy w insulinoterapii, zawał serca, ostre zapalenie trzustki, nadużywanie alkoholu. Czasami kwasica ketonowa rozwija się u chorych na cukrzycę, u których choroba nie została jeszcze rozpoznana i nie jest prawidłowo leczona [3].

Jak rozpoznać cukrzycową kwasicę ketonową?

U chorych występuje patologicznie wzmożone pragnienie (tzw. polidypsja), wielomocz (polinuria) sięgający kilku litrów na dobę oraz objawy odwodnienia: suchość języka, skóry, miękkość gałek ocznych.

W późniejszym okresie pojawia się hipotermia oraz obniżenie napięcia mięśniowego. W ciężkiej kwasicy stopniowo pojawiają się objawy ze strony przewodu pokarmowego, takie jak nudności i wymioty [3]. Ponadto obserwuje się zaburzenia oddychania, w tym charakterystyczny oddech Kussmaula. Objawia się on bardzogłębokimi i częstymi oddechami. Określany jest też jako „oddech gonionego psa” lub „oddech kwasiczy”.

Inne objawy związane z tym stanem obejmują: arytmię serca, zmieniony stan psychiczny, acetonowy lub owocowy oddech, osłabienie, utrata masy ciała, niewyraźnie widzenie, zaczerwienienie twarzy i skurcze nóg [4].

Lepiej zapobiegać niż leczyć…

W przypadku pacjentów, którzy dotąd nie wiedzieli, że chorują na cukrzycę, bardzo ważna jest edukacja w zakresie leczenia tej choroby. Dzięki odpowiednio prowadzonej insulinoterapii oraz dobrze dobranej diecie można zapobiec nawrotom nagłych stanów w cukrzycy, w tym omawianej kwasicy ketonowej.

Tak naprawdę każda choroba, nawet zwykłe przeziębienie, może stać się czynnikiem wywołującym nagły stan zakwaszenia organizmu u chorych na cukrzycę. Dlatego pacjent musi wiedzieć, na jakie objawy powinien zwrócić szczególną uwagę, tak aby móc, jak najszybciej zgłosić się po pomoc, w przypadku kolejnego epizodu kwasicy.

Ponadto podczas choroby, powinny sprawdzać mocz na obecność ketonów, przynajmniej raz dziennie, za pomocą specjalnych pasków. Aby zapobiec nawrotom nagłych stanów hiperglikemicznych i odwodnieniu, diabetycy powinni pić płyny zawierające węglowodany (takie jak napoje gazowane czy soki) oraz sól (np. bulion).

Jeżeli nie mogą zatrzymać tych napojów w organizmie lub nudności i wymioty utrzymują się dłużej niż dzień, muszą kontaktować się z lekarzem. Ponadto ważne jest, aby chorujący na cukrzycę, co roku szczepili się przeciwko grypie. Takie działanie zapobiegnie wystąpieniu posocznicy oraz zapaleniu płuc, czyli częstym czynnikom stresogennym wywołującym ostre epizody cukrzycowej kwasicy ketonowej.

Kluczowa rola edukacji

Cukrzyca dotyka znaczny odsetek populacji, a cukrzycowa kwasica ketonowa (DKA) jest jednym z najpoważniejszych problemów zdrowotnych z niej wynikających [4]. Szybka identyfikacja DKA oraz czynników stresogennych ją wywołujących jest kluczowa dla poprawy wyników leczenia i ogólnej jakości życia.

Aby zapobiec nawrotom epizodów kwasicy, należy edukować pacjentów i ich rodziny w zakresie radzenia sobie z różnymi współistniejącymi chorobami. Dzięki temu będą wiedzieć, jak ważna jest odpowiednia terapia oraz nauczą się rozpoznawać stany, w których niezwłocznie powinni skontaktować się z lekarzem.

Niecukrzycowa kwasica ketonowa

Przedłużony post, niedożywienie i dieta niskowęglowodanowa, również mogą wywołać kwasicę ketonową i to bez obecności cukrzycy. Nazywa się to „kwasicą ketonową spowodowaną głodem” [5]. Jest to dość rzadkie zjawisko, ale udokumentowano parę takich przypadków.

Głodzenie się przyczyną kwasicy

Głodówka to całkowita rezygnacja ze spożywania każdego rodzaju pokarmu lub ich znaczne ograniczenie [6]. Węglowodany, białka i tłuszcze są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania wszystkich procesów komórkowych. Dlatego ich niedobór lub brak powoduje ogólnoustrojowe zaburzenie homeostazy.

Tkanki potrzebują stałego dopływu energii, więc gdy zaczyna brakować glukozy, organizm przechodzi na alternatywny materiał energetyczny. Stają się nim m.in. wolne kwasy tłuszczowe oraz ketony. Podczas postu stężenie insuliny spada, a działanie glukagonu nasila się.

Niedobór insuliny prowadzi do zwiększenia aktywności lipazy. W wyniku tego dochodzi do przyśpieszenia rozkładu trójglicerydów i w konsekwencji do większej produkcji wolnych kwasów tłuszczowych. Te z kolei utlenianie są do sporej ilości ciał ketonowych.

Podczas tych zintensyfikowanych procesów dochodzi do wytworzenia dużej ilości protonów i obniżenia pH krwi. Objawy takiego stanu to: zmęczenie, przyspieszony oddech, tachykardia i odwodnienie. Utrzymujące się wysokie stężenie ketonów może prowadzić do zwężenia naczyń płucnych oraz niewydolności prawokomorowej serca.

Znaczny spadek pH w organizmie może doprowadzić do zawału serca, a w konsekwencji do śmierci [6]. Ważne jest, więc aby brać pod uwagę możliwość wystąpienia kwasicy ketonowej w przypadku głodówek, ponieważ jest to stan bezpośrednio zagrażający życiu i wymaga szybkiej interwencji medycznej.

Diety low carb

W ciągu ostatnich lat diety niskowęglowodanowe, w tym ketogeniczne, stały się popularnymi sposobami na odchudzanie. Rzeczywiście początkowo dają bardzo dobre efekty, nawet lepsze niż ich niskotłuszczowi konkurenci. Jednak przy dłuższym stosowaniu tracą przewagę.

Diety te opierają się na prostym założeniu: ograniczenie węglowodanów i zastąpienie ich tłuszczami oraz białkiem, spowoduje skuteczną redukcję masy ciała. Podparte jest ono badaniami, które wiążą spożywanie niektórych cukrów z podwyższonym poziomem insuliny, który z kolei stwarza ryzyko wystąpienia zespołu metabolicznego, w tym otyłości [7].

Jeśli dieta jest bardzo uboga węglowodany, poziom cukru we krwi może spaść tak nisko, że nie będzie wystarczające ilości glukozy, aby zasilić komórki organizmu. Taki stan pobudza trzustkę do wydzielania glukagonu, który rozkłada glikogen do glukozy. Jednak zapasy energetyczne szybko się kończą.

Gdy już do tego dojdzie, metabolizm przesuwa się i dochodzi do pozyskiwania energii z tłuszczy i białek. Ketony zastępują wyczerpaną glukozę i zaspokajają większość zapotrzebowania energetycznego organizmu. Dochodzi do tzw. stanu ketozy, czyli podwyższonego stężenia ciał ketonowych w osoczu krwi, który jak dotąd nie został uznany za szkodliwy.

Bezpieczeństwo stosowania diet niskowęglowodanowych

Jeżeli chodzi o związek diet low carb z kwasicą ketonową, jest on dość niejasny. Z jednej strony literatura naukowa sugeruje, że nie ma podstaw do łączenia tego typu diet z zaburzeniem równowagi kwasowo-zasadowej.

Ta teza zostaje poparta badaniem obejmującym ludzi otyłych stosujących dietę ketogeniczną o obniżonej kaloryczności. Prowadzono obserwacje ich parametrów biochemicznych, w tym pH krwi, stężenia wodorowęglanów oraz glukozy.

Okazało się, że pH krwi tych osób, w żadnym momencie badania (nawet w trakcie maksymalnej ketozy) nie różniło się istotnie od wartości wyjściowej [8]. Tym samym nie spadło poniżej <7,30, czyli poziomu, który jest charakterystyczny dla kwasicy ketonowej.

Kwasica może objawiać się również poprzez spadek stężenia wodorowęglanów, które są wykorzystywane do buforowania kwaśnych metabolitów. W badaniu nie stwierdzono istotnych różnic w wartościach tych związków. Okazuje się, że żaden z mierzonych parametrów, nawet stężenie ciał ketonowych, nie osiągnął wartości charakterystycznych dla kwasicy. Z drugiej strony udokumentowano przypadki kwasicy ketonowej wywołanej dietami niskowęglowodanowymi.

Jednym z nich jest 30-letni mężczyzna, który zgłosił się do lekarza z trwającymi dwa dni nudnościami, wymiotami i rozlanym brzuchem [7]. Pacjent nie chorował na cukrzycę oraz nie nadużywał alkoholu. Po przeprowadzeniu badań stwierdzono kwasicę metaboliczną. Z góry uznano, że chory znajduje się w stanie cukrzycowej kwasicy ketonowej i zaczęto terapię insuliną. Kwasica szybko ustąpiła. Okazało się później, że pacjent stosował bardzo rygorystyczną wersję diety South Beach – jadł mniej niż 20 g węglowodanów dziennie. Po przywróceniu prawidłowego pH krwi u mężczyzny nie zaobserwowano żadnych nieprawidłowych zmian w stężeniu glukozy.

Na tej podstawie oraz wiedzy o stosowanej diecie, stwierdzono kwasicę ketonową spowodowaną zbyt niską podażą węglowodanów.

Kolejny przypadek dotyczył kobiety, która stosowała dietę Atkinsa. U tej pacjentki również wykluczono wszelkie inne czynniki mogące wywołać kwasicę ketonową [9].

Podsumowując, diety niskowęglowodanowe, w szczególnych rzadkich przypadkach, mogą prowadzić do kwasicy ketonowej.

Jak kwasica ketonowa wpływa na funkcjonowanie organizmu?

Podwyższone stężenie ketonów we krwi uznaje się w pewnych sytuacjach za korzystne zjawisko. Wywołuje się taki stan np. w celu leczenia zburzeń neurologicznych. Jednak w zbyt wysokim stężeniu ciała ketonowe wraz ze współistniejącą kwasicą, mogą wywołać nieporządne reakcje, takie jak:

• Nasilenie stresu oksydacyjnego, który może mieć wpływ na rozwój chorób naczyniowych i miażdżycy [10].
• Obrzęk mózgu, udar krwotoczny, ostre niedokrwienie mózgu będące bezpośrednim zagrożeniem życia.
• Zaburzenie prawidłowych funkcji wątroby oraz zwiększone ryzyko hepatomegalii i stłuszczenia wątroby.
• Zaburzenie funkcjonowania nerek.
• Ogólnoustrojowy stan zapalny, który może przyczynić się do uszkodzenia naczyń wewnątrzczaszkowych.
• Zwiększone ryzyko powstania zakrzepów oraz zawału serca.
• Nieleczona kwasica ketonowa prowadzi do śpiączki cukrzycowej.

Podsumowanie

Kwasica ketonowa stanowi bezpośrednie zagrożenie życia. Nie należy mylić jej z ketozą, czyli stanem, w którym dochodzi do podwyższenia stężenia ciał ketonowych, bez zmiany pH krwi. Wywołuje się ją nawet w celach medycznych do leczenia epilepsji, nowotworów, chorób neurodegeneracyjnych czy otyłości. Z kwasicą ketonową łączy ją tylko obecność ketonów w ustroju.

Kwasica ketonowa spowodowana jest wysokim natężeniem lipolizy, beta oksydacji oraz syntezy CoA, w warunkach nadmiernego tworzenia ciał ketonowych. Czyli zakwaszające działanie mają protony powstające podczas tych reakcji, a nie same ketony.

Najczęściej rozpoznaje się kwasicę u chorych na cukrzycę. Jednak znane są przypadki obniżonego pH krwi, które jest spowodowane głodem oraz dietami niskowęglowodanowymi. Pacjenci w grupie ryzyka powinni otrzymać odpowiednią edukację dotyczącą ich stanu. Dzięki temu będą mogli odpowiednio szybko zareagować w razie epizodu kwasicy ketonowej.

Bibliografia:

1. Gillespie,Gordon Lee, Campbell, Melody (2002) Diabetic Ketoacidosis. AJN, American Journal of Nursing, 102(Supplement), 13–16.
2. Green, A., Bishop, R.E. (2019). Ketoacidosis – Where Do the Protons Come From? Trends in biochemical Sciences 44(6), 484-489.
3. Górska-Ciebiada, M., Barylski, M., Ciebiada, M. (2011). Stany nagłe w cukrzycy – cukrzycowa kwasica ketonowa i zespół hiperglikemiczno- hipermolarny. Anestezjologia i Ratownictwo 5, (327-334).
4. Gillespie,Gordon Lee, Campbell, Melody (2002) Diabetic Ketoacidosis. AJN, American Journal of Nursing, 102(Supplement), 13–16.
5. Metin Asku, N., Akcora, Z., Ilhan, B., Bayar, O., Akkas, M. (2018). Ketoacidosis due to Starvation. Eurasian J Emerg Med. 17, 39-40.
6. Cybulska, C., Marcinkowska E., Grzymisławski, M. (2018). Głodowanie z wyboru — konsekwencje zdrowotne. Varia Medica 2(3),181-186
7. Chalasani, S., Fischer, J. (2008). South Beach Diet associated ketoacidosis: a case report. Journal of Medical Case Reports 2(1).
8. Gomez-Arbelaez, D., Crujeiras, A.B., Castro, A.I., Goday, A., Mas-Lorenzo, A., Bellon, A., … Casanueva,F.F. (2017). Acid–base safety during the course of a very low-calorie-ketogenic. Endocrine 58(1), 81-90.
9. Chen, T.-Y., Smith, W., Rosenstock, J.L., Lessnau, K.-D. (2006). A life-threatening complication of Atkins diet. The Lancet, 367(9514),958.
10. Kanikarla-Marie,, Jain, Sushil K. (2016). Hyperketonemia and ketosis increase the risk of complications in type 1 diabetes. Free Radical Biology and Medicine 95.