산-염기 항상성
역사 > 추정과 측정: 대사성 산-염기 장애를 평가하다

헨더슨이 산-염기 생리학의 기틀을 닦기는 했지만, 임상적 응용이 곧바로 이어졌던 것은 아니다. 임상에서 쓸 만한 간단한 개념적 도구도, 실제로 혈액의 산-염기 상태를 평가할 기술도 부족했기 때문이다. 1909년 쇠렌 쇠렌센은 pH를 정의했고, 1916년 카를 알베르트 하셀바흐는 헨더슨의 수식 양변의 상용로그를 취하여 오늘날 잘 알려진 꼴의 헨더슨-하셀바흐 방정식을 얻었다. 하셀바흐와 동료 학자들은 최초로 혈액의 pH를 정확하게 측정하는 성취를 이루었는데, 이는 기술적으로 상당히 어려운 일이었다. 당시 수소 전극을 가지고 혈액의 pH를 재려면 산소를 모두 제거한 다음 수소 기체로 포화시키는 과정을 거쳐야 했다. 당시 한 논문에서는 “전기적 측정에 의한 pH 결정은 궁극적인 기준이 되는 방법이지만, 물자·시간·경험이 너무나 많이 필요하기에 보통은 생리학 연구에서만 쓰게 된다.”고 언급했다.
1920년대 이후 반 세기 동안 산-염기 생리학의 이론 및 방법론에 주도적으로 기여한 학자는 도널드 밴슬라이크였다. 그는 혈액에서 방출된 기체의 압력을 효과적으로 측정하는 “밴슬라이크 압력 측정 장치(manometric Van Slyke apparatus)“를 개발했다. 각종 기체를 연구할 수 있었는데, 한 가지 쓰임새는 혈중 탄산수소 이온 농도를 측정하는 것이었다. 혈액에 산을 첨가해 HCO−
3가 H
2CO
3으로 전환되도록 하면서 방출되어 나오는 이산화탄소 기체의 총량을 측정하면, 혈중 HCO−
3 및 H
2CO
3 농도의 합을 알 수 있었다. 생리학적인 상황에서 HCO−
3는 H
2CO
3보다 20배 많기 때문에, 밴슬라이크 장치로 측정한 이산화탄소 총량(total CO
2)은 혈중 HCO−
3 농도와 대략 일치하게 된다. 밴슬라이크는 HCO−
3 농도가 높은지 낮은지만 가지고 대사성 알칼리증과 대사성 산증을 판단하더라도 대강은 들어맞을 것이라고 제안했다. 만일 그렇다면 어렵게 pH를 측정하지 않고서도 대사성 산-염기 장애를 진단할 수 있었던 것이다. 밴슬라이크 장치를 이용한 진단법은 근사적이고 간접적이기는 했지만 사실상 실제로 사용 가능한 유일한 방법이었으므로, 1960년경까지 거의 모든 생리학 및 임상의학 실험실의 표준으로 자리를 지켰다.
밴슬라이크는 한편으로 pH 측정 없이도 산-염기 상태를 평가하는 다양한 방법을 고안했지만, 또 한편으로는 pH를 추정하는 방법도 고민했다. 헨더슨-하셀바흐 방정식을 이용하면  {\rm {[HCO_{3}^{-}]}}와  P_{\rm {{CO}_{2}}} 값으로부터 pH를 셈할 수 있으니  P_{\rm {{CO}_{2}}}를 함께 측정하면 되었겠지만 기술적으로 어려웠다. 어림 방법을 찾기 위해 밴슬라이크는  P_{{\ce {CO2}}} 값을 이미 알고 있는 여러 다른 기체와 혈액이 차례로 평형을 이루도록 하면서 pH와  {\rm {[HCO_{3}^{-}]}}의 변화를 관찰하였고, 그 결과 pH와  {\rm {[HCO_{3}^{-}]}} 사이에 거의 선형인 관계가 성립함을 확인했다. 이로써 밴슬라이크 장치를 통한  {\rm {[HCO_{3}^{-}]}} 측정만으로 혈중 이산화탄소 분압과 pH까지 추정할 수 있게 되었다. 이후 존 퍼넷 피터스(John Punnett Peters)는 pH― {\rm {[HCO_{3}^{-}]}} 관계보다  \log P_{\rm {{CO}_{2}}}― {\rm {\log[HCO_{3}^{-}]}} 관계가 더욱 선형에 가깝다고 지적했다. 이 관계식을 가지고도 유사하게 외삽법으로 pH를 추정할 수 있다.
혈액의 pH를 간접적으로 추정하지 않고 직접 측정하는 것은 유리 전극 기술이 발달하고 나서 가능해졌다. 용액에 얇은 유리 막을 집어넣었을 때 전위차가 발생하며 그 크기는 막 안팎의 산 농도차에 비례한다는 사실이 1906년에 보고되었고, 1909년에는 프리츠 하버와 지그문트 클레멘세비치(폴란드어: Zygmunt Klemensiewicz)가 유리 전극을 만들어 그 효과를 시험했다. 1930년대에 이르러 혈액의 pH를 측정하기 위한 유리 전극이 제작되어 판매되기 시작했다. 이후 검체가 식거나 데워지면 pH도 달라지기 때문에 이를 보정해야 한다는 의견이 대두하여, 1950년대 중반에 이르면 온도의 영향을 보정한 pH 값을 보고하는 유리 전극이 상업적으로 판매되었다.
| 0 | 1 | 2 |
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| “ | 개체의 산-염기 상태는 다음 값에 의해 하나로 결정된다. 첫째, 동맥혈의 실제 pH. 둘째, 동맥혈의 실제 pCO 2, 즉 호흡 성분. 셋째, 호흡을 제외한 요인을 반영하는 양. 세 번째에 해당하는 값으로는 혈청 CO 2 총량이나 CO 2 결합능력이 쓰이곤 한다. 하지만 이들은 모두 시료의 pCO 2와 산소 포화도에 따라 달라지므로 부적합하다. | ” |
— Jørgensen & Astrup, 《Standard Bicarbonate, its Clinical Significance, and a new Method for its Determination》(1957)
유리 전극이 통용되고 혈액의 pH를 측정하기가 한결 쉬워지면서 주목 받기 시작한 한 가지 문제는 대사성 산-염기 장애의 척도를 찾는 일이었다. 공기 중 이산화탄소 분압이 변하면 곧 환자의 산-염기 상태가 변하니, 이것을 호흡성 산-염기 장애로 정의하자는 데에는 모두 동의했다. 그렇다면 호흡을 제외한 나머지 요인만을 따졌을 때 산-염기 상태가 어떠한지를 평가하는 가장 적절한 방법을 찾으려고 다양한 시도가 이어졌다. 일찍이 하셀바흐는 혈액의  P_{\rm {{CO}_{2}}}를 40 mmHg로 맞춘 상태에서 측정한 pH인 “환원 pH(reduced pH)”를 후보로 제안했지만, 측정이 어려워 널리 받아들여지지 않았던 것으로 보인다. 밴슬라이크는 실용적인 이유로  [{\rm {HCO_{3}^{-}]}}를 기준으로 삼았지만,  P_{\rm {{CO}_{2}}}가 변하면  [{\rm {HCO_{3}^{-}]}}도 변하므로 단순하게 판단하는 것이 부정확함을 잘 알았다. 따라서 다양한 다른 척도를 내세웠는데, 이를테면 pH를 7.4로 맞춘 상태에서 측정한  [{\rm {HCO_{3}^{-}]}}를 “알칼리 예비력(alkali reserve)”으로 정의했다.
하지만 기술적·이론적 발전이 이루어지는 동안에도 임상에서 환자의 동맥혈을 채취하는 일은 흔치 않았으며 혈액의 pH를 측정하려는 시도조차 드물었다. 상황이 뒤바뀐 계기는 1952년 덴마크 코펜하겐에 발발한 심각한 소아마비 유행이었다.