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二氧化碳（CO2）是一种气体和代谢产物，它影响着几个细胞过程，包括呼吸、血红蛋白对氧气的亲和力、血液pH值的调节和酸基平衡。健康人可以通过中枢和外周化学感受器调节的负反馈机制来调节二氧化碳的水平.高碳酸血症是指二氧化碳分压（PaCO2）升高超过45mmHg。
二氧化碳水平随着呼吸抑制、气道阻塞和死腔（VD）增加引起的肺泡通气（VA）变化而改变，反映了二氧化碳的过度产生、不充分清除或神经肌肉紊乱。高分解代谢状态、脓毒症、甲状腺毒症、过度喂养和恶性高热症可使二氧化碳水平升高；体温每升高一摄氏度，二氧化碳的产生就增加14%。
危重病人的高碳酸血症与再次进入重症监护室以及院内和30天死亡率的增加有关。许多受各种呼吸系统疾病影响的患者可能会出现高碳酸血症，例如，肥胖、肥胖-低通气综合征、慢性阻塞性肺病、睡眠呼吸暂停和神经肌肉疾病等，在急性或慢性阶段，这导致他们在住院期间出现严重的高碳酸血症呼吸衰竭。
本综述的目的是总结危重病人高碳酸血症的病理生理学方面，并在此基础上提供诊断、治疗和预防方法，以减少并发症和改善临床结果。
1776 年，拉瓦锡说“在动物经济的所有现象中，没有比伴随呼吸的现象更令人惊讶或更值得哲学家和生理学家关注的现象了”。尽管 van Helmont (1580-1644) 对二氧化碳进行了简要描述，但现在应该被认为是二氧化碳的发现花了一个多世纪的时间，由 Josephus Black 于 1754 年在他的就职医学杂志上发表。关于“humore acido a cibis ortho, et magnesia alba”的论文。二氧化碳是一种气体和代谢产物，会影响多种细胞过程，包括呼吸、血红蛋白对氧气的亲和力以及血液 pH 值和酸基平衡的调节。此外，它还具有强大的血管和免疫作用。CO2 是一种通过被动扩散穿过生物细胞膜的小分子，这取决于 CO2 的跨膜浓度梯度和气体的脂质/水分配行为。一旦进入细胞，CO2 与其水合形式 H2CO3 平衡，在碳酸酐酶的催化下迅速分解为 H+ 和 HCO3。有可能在极端情况下，如严重缺血、甲状腺危象、缺氧、脓毒症、高代谢率（如在最大运动期间）或严重酸碱紊乱。健康人可以通过由中枢和外周化学感受器调节的负反馈机制调节 CO2 水平（图 1）。呼吸的目的之一是通过气体扩散从体内去除二氧化碳。正常情况下，扩散能力为 25 ml/min/mmHg，随着努力可以增加。菲克扩散定律表明，通过组织片层传输的气体量与交换表面 (A)、扩散常数 (D) 和分压差 (P1-P2) 成正比，与其厚度成反比 (T) (表 1)。在扩散过程中，除了肺泡-毛细血管膜的厚度外，观察毛细血管压力的差异也很重要，例如，确定 O2 的吸收发生在两个阶段。第一阶段对应于 O2 通过血气屏障（血浆和红细胞）的扩散；第二种是指 O2 与血红蛋白的反应，扩散能力的定义是气体流量除以压差（图 2）。二氧化碳水平的分压代表溶解在血液中的二氧化碳量。二氧化碳的分压受 VA、CO2 产生和一小部分吸入 CO2 的影响。一个重要的肺功能是将空气从大气传输到肺的气体交换单元，包括肺泡、肺泡囊、肺泡管和呼吸细支气管。空气到达肺部气体交换单位的速率称为 VA 速率，它受呼吸频率 (f) 和 VD1 影响（表 1，图 2）。肺泡通气是指向环境呼出肺泡空气，定义为呼出到达肺泡的每分钟通气量，即每分钟通气量 (VE) 与 VD 与潮气量 (VT) 之间的关系 。当身体产生过量的二氧化碳时，人体已经适应并能够消除二氧化碳；除非肺通气明显丧失，否则代谢过程不会引起高碳酸血症。胸腔的顺应性影响分钟通气量。因此，尽管有足够的中枢呼吸驱动和外周肌肉功能，但肺扩张可能会受到限制。这些限制会导致代偿性呼吸频率 (RR) 增加，这将导致无法增加足够的总通气量来补偿的疲劳，从而导致高碳酸血症。这些关系表明 RR 和 VT 是由中枢和外周受体调节的通气的两个组成部分，它们在生理上或人为地控制以调节 CO2 消除。总VD将由解剖和生理死腔的总和给出，指的是充满气道但通常不参与气体交换的空气。它包括鼻咽、口咽、气管、支气管、细支气管和肺泡腔；当这些没有得到足够的灌注时，后者会显著影响 CO2 和 O2 的全身水平。大多数高碳酸血症呼吸衰竭病例是由增加死腔的内在性肺病引起的，而肺外疾病的比例较小。肺泡通气率显著影响全身 CO2 和氧气水平。最常见的是，PaCO2 水平会随着通气、呼吸抑制（即由于镇静剂或麻醉剂）、气道阻塞和 VD 增加的变化而改变。肺泡通气的一般损害无法克服二氧化碳的产生，导致高碳酸血症，由 VA 方程解释。根据这个等式，呼吸频率的增加应该导致 PaCO2 的倒数减少。然而，该参数的增加会缩短总吸气时间，加重动态过度充气和高碳酸血症，以及增加胸内压，从而导致低血压、气胸和气压伤。高碳酸血症是重症患者的常见并发症，与高发病率和死亡率相关。Ahmed 等报道了 53% 的因高碳酸血症急性通气衰竭而接受无创机械通气治疗的患者在住院期间死亡。另一项针对急性高碳酸血症通气衰竭发作后从 ICU 出院的患者的研究报告称，46% 的患者在第一个月内再次入院，17% 的患者在 12 个月内死亡。神经肌肉疾病患者的高碳酸血症通气衰竭占所有 ICU 入院人数的 10%。患有与高碳酸血症发展相关的多种合并症的患者，例如肥胖和吸烟、慢性阻塞性肺病或睡眠呼吸障碍，可能会因肺炎、高血压危象或失代偿性心力衰竭而住院，这些都是有利于外观的事件 高碳酸血症和不良后果。多种疾病导致出现严重的高碳酸血症性呼吸衰竭，需要 ICU 管理，并成为死亡率的主要预测因素之一。CO2的增加在体内产生一系列具有不同生理作用和临床表现的作用。二氧化碳分压和pH值的变化影响动脉血管张力，PaCO2每增加1 mmHg，脑血流量增加1-2 ml/100 g/min，可引起脑水肿和颅内高压。值得一提的是，低碳酸血症也具有被描述为缺血和神经元损伤的有害影响。此外，最近的一项研究表明低碳酸血症与院内死亡之间存在关联。另一方面，在持续低碳酸血症后恢复正常碳酸血症可能会导致正常碳酸酸中毒，这是由于相对碳酸氢盐缺乏，因为肾脏水平没有代偿。高碳酸血症还会增加交感神经张力和降低副交感神经张力。尽管生产机制仍不清楚，但可能是由于脑谷氨酰胺和γ-氨基丁酸增加，以及谷氨酸和天冬氨酸减少，作用于中等水平抑制 VE 和吸气功。一项针对 2000 年至 2015 年间脑损伤（创伤、骤停后和脑血管事件）患者的多中心回顾性研究报告称，高碳酸血症酸中毒 (HA) 与 30,742 名患者的住院死亡率风险增加相关。然而，当在 ICU 入院的前 24 小时内将 pH 值补偿到正常值时，高碳酸血症可能对接受机械通气的脑损伤患者无害。脑保护的二氧化碳安全范围很窄；因此，低碳酸血症和高碳酸血症可能是有害的，会增加合并症并恶化患者的预后。高碳酸性酸中毒会抑制心脏收缩力并降低全身血管阻力。轻度高碳酸血症的净影响是通过激活交感肾上腺机制和交感神经张力、增加前负荷、减少后负荷以及增加收缩力、心率、顺应性和静脉回流来增加心输出量。根据严重程度，它可能会发展为血流动力学不稳定、致命的心律失常和死亡。另一方面，高碳酸血症可产生心血管抑制，直接抑制心肌和平滑肌细胞的收缩性，与 pH 水平无关。高碳酸性酸中毒抑制先天性和适应性免疫反应，特别是减少中性粒细胞向脓毒症病灶的迁移，同时抑制吞噬作用。此外，它通过抑制高碳酸血症来削弱促炎细胞因子的释放；它选择性地阻止白细胞介素6（IL-6）和肿瘤坏死因子（TNF）的表达。另一方面，它可以影响淋巴细胞和自然杀伤细胞，并通过减少巨噬细胞系和肺泡巨噬细胞来影响吞噬作用，而吞噬作用的抑制作用与缺氧无关。同样，小于或等于 7.20 的 pH 值与感染模型中细菌增殖增加有关，从而增加大肠杆菌和其他细菌物种等细菌的生长。其他影响包括能量代谢的减少，这可以通过在细胞水平上抑制负责修复、增殖和生长的 P65 蛋白途径来证明，这使得它容易发生细胞凋亡和抑制自由基的产生。肾脏是对 PaCO2 变化非常敏感的器官。高碳酸血症会增加氢离子的分泌以及碳酸氢盐和钠的重吸收，这在血管水平上会通过刺激肾血管收缩直接导致血流改变，并通过继发于高水平 PaCO2 的全身血管舒张间接导致血流改变，从而通过激活肾素-血管紧张素-醛固酮系统来降低血压和导致肾灌注血流量下降。在高碳酸血症中观察到的这些变化与在毒血症中观察到的变化无关。由长期肺部疾病引起的高碳酸血症的长期影响是肾小球滤过率降低。这种机制导致的弗兰克高钙血症是罕见的。首先，高碳酸血症通过肺实质水平的肌动蛋白-肌球蛋白相互作用的不依赖表面活性剂的机制改善肺顺应性，并通过增强缺氧血管收缩增加肺血管阻力。关于膈肌功能，某些研究表明，患有高碳酸血症和自主通气的患者会出现继发于膈神经传入通路电信号改变的功能障碍。高碳酸性酸中毒影响细胞膜修复和肺泡液清除并抑制免疫反应。由于大多数急性呼吸窘迫综合征 (ARDS) 是由肺部感染引起的，因此这些影响至关重要，因为它们可能会加重肺损伤并传播远处器官衰竭。一旦怀疑有高碳酸血症，就有必要进行全面的临床评估，排除危险因素，并进行全面的身体检查，以确定其可能的原因。例如，在寻找迫在眉睫的呼吸衰竭的迹象，需要保护气道的同时，首先必须进行动脉血气和评估内环境和全血细胞计数的辅助检查。高碳酸血症没有敏感或特异性的影像学研究；但是，进行胸部 X 光检查有助于排除解剖学改变、感染性病变和肺水肿。根据疑似诊断要求进行代谢、毒理学、心血管、中枢神经系统和神经肌肉疾病等扩展研究（图 3）。高代谢状态，如脓毒症、恶性高热症、甲状腺毒症和过度喂养，都会使二氧化碳水平升高。发烧对PaCO2水平有显著影响，核心体温每增加一摄氏度，二氧化碳的产生就会增加14%。在临床环境中施用碳酸氢钠会导致二氧化碳的产生。需要透析的病人通常要服用含有枸橼酸的抗凝剂，因为枸橼酸在肝脏中代谢成碳酸氢盐，与有机酸产生的氢离子结合并解离产生二氧化碳。枸橼酸可能导致增加PaCO2。而在不通气的患者中，吸入的 CO2 比例可以忽略不计，而进行机械通气的危重患者可能会通过再呼吸在呼吸回路中积聚的 CO2 变得高碳酸血症 。尽管健康个体通过中枢和外周化学感受器调节的负反馈机制调节血液 CO2 水平 ，但在需要机械通气的患者中可能会有意或无意地诱发高碳酸血症。在急性呼吸窘迫综合征患者中，呼吸功可使 CO2 产生最多增加 30%，呼吸肌对 O2 的需求增加，导致呼吸急促和即将发生的通气衰竭，需要有创机械通气作为支持手段。无创通气（NIV）通常适用于高碳酸血症并伴有呼吸性酸中毒（pH值<或等于7.35）的患者，这在最新的指南中得到了很好的总结。关于NIV在神经肌肉疾病中的应用，建议在出现低通气症状的同时，PaCO2水平>45mmHg，氧饱和度<88%至少5分钟，仰卧或直立位的强迫肺活量<理论值的50%，以及最大吸气压力≥60cmH2O，作为膈肌无力的指标。在这些患者中，可以使用固定压力或自我调整压力的双水平NIV，并使用低呼气正压（EPAP）来改善二氧化碳的排出。带有保护肺部参数或危害较小的机械通气已显示出对生存的明显好处。近几十年来，这样的策略与VT的逐渐减少有关，带来了PaCO2水平的逐渐增加。在我们的病人中，要解决的一个重要的临床问题是，当低VT产生高碳酸血症时，在多大程度上具有保护作用，而高碳酸血症反过来又与发病率和死亡率的增加有关。接受肺保护性机械通气的患者的允许性高碳酸血症可在两种情况下发生：（1）高碳酸血症和酸中毒，其中 CO2 水平升高而 pH 值较低，以及（2）高碳酸血症且 pH 值正常。 后者可能存在于呼吸性酸中毒的容积收缩或代谢代偿状态。 目前尚不清楚 HA 作为肺保护性通气的独立因素是否会带来生存益处。高碳酸性酸中毒可以减少蛋白质渗漏、肺水肿和炎症，防止自由基介导的损伤，同时保持肺顺应性。 当我们抵消这种影响时，由于黄嘌呤氧化酶活性增加，它会导致更高水平的渗透性和氧化损伤。在两项评估肺保护性通气的随机对照试验中，接受低 VT 通气的患者的 PaCO2 水平仍然较高，尽管他们的每分钟通气量与常规组相同。36 小时后，两组的 pH 值没有差异，可能是由于缓冲剂或代谢补偿。 对 ARDS 网络的二次分析显示，VT 为 6 ml/kg，而不是 VT 为 12 ml/kg，死亡率降低。 研究人员的理论是呼吸机引起的肺损伤在接受 VT 6 ml/kg 的受试者中发生的程度较小。 一些患者即使在低 VT 时也可能产生肺损伤； 因此，建议采用 VT 个性化策略来降低这种风险。重症监护的基本概念之一是认识到机械通气是呼吸衰竭患者的支持疗法。 然而，这种治疗可能会恶化甚至导致肺损伤、多器官衰竭和死亡，即所谓的呼吸机引起的肺损伤 (VILI)。 低 VT 和随之而来的二氧化碳分压升高的保护性通气被称为“允许性高碳酸血症”。 多年来，临床研究评估了 PaCO2 水平的逐渐增加（表 2）。据我们所知，没有广泛的临床研究评估急性高碳酸血症或代偿性高碳酸血症对机械通气患者的影响。 两大系列可以指导高碳酸血症对死亡率的影响。对 40 个国家的三项队列研究进行的二次分析，对 1,899 名 ARDS 患者进行，报告称 PaCO2 ≥ 50 mmHg 有更多的并发症、器官衰竭和更差的结果。 因此，高碳酸血症与 ICU 中较高的死亡率相关（OR 1.93，CI 1.32–2.81；）。 一项包括 252,812 名患者的多中心、两国、回顾性研究表明，HA 和代偿性高碳酸血症与住院死亡率增加、ICU 住院时间延长和住院时间延长有关。在与低氧血症相关的高碳酸血症性呼吸衰竭中，补充氧气是必不可少的。 根据感觉器官和动脉血气水平的变化，将定义该装置，其中包括辅助无创正压如CPAP和BiPAP或有创通气的经口气管插管。 这些患者氧疗的主要目的是控制低氧血症，而次要目的是避免临床上显著恶化的高碳酸血症。俯卧位可以减轻右心室的负荷并重新分布 VILI，改善氧合和顺应性，并且在早期进行时，可以改善预后和死亡率。 对于患者俯卧位时高碳酸血症的影响，需要监测 PaCO2 的降低而不是 PaO2，这可能更好地反映肺复张程度。保护性机械通气可导致高碳酸血症的产生，但也可能是死腔增加的结果。ARDS 的早期高碳酸血症会导致死亡率增加。 为了降低这种风险，一些作者提出了各种策略或干预措施：(1) 寻找最佳 PEEP 水平（PEEP-FiO2 滴定），避免肺泡过度膨胀(2)寻找最佳潮气量6-8 ml/kg，限制10 ml/kg(3) PaCO2阈值50 mmHg，上限70 mmHg(4) 目标 PaO2 55–80 mmHg 以避免高 FiO2(6) 增加 RR 以纠正高碳酸血症，监测耐受性以降低动态过度充气和显著右心室功能障碍的风险(7) 当PaO2/FiO2 < 150机械通气时间较短时，低平台压与驱动压相关(13) BICARB-ICU 方案 如果 PH < 7.20，PaCO2 < 45 mmHg，HCO3 < 20 mmol/L，和乳酸 > 2 mmol/l，开始4.2%碳酸氢钠溶液 125–250 ml，最多 30 分钟 1 L 每天，维持PH > 7.30对于高碳酸血症酸中毒患者，使用缓冲液仍然是一个有争议的问题。HA 仅在与低 VT 相关时才有用。pH值<7.10的深度代谢和高碳酸血症与不良生理反应相关，严重的酸中毒会损害心肌收缩力并降低心输出量，导致难治性低血压。 严重酸中毒引起的其他影响包括精神领域的改变、免疫功能和能量代谢的减少。碳酸氢盐输注的研究表明在改善 pH 值方面没有任何益处，并表明许多与治疗相关的副作用，包括血容量过多、高渗和乳酸水平升高。ARDS 网络临床试验和 ARMA 研究允许在 pH 值低于 7.15 时输注碳酸氢盐。在有关死亡率与 CO2 水平结果的现有证据中，值得注意的是，在使用碳酸氢盐控制酸中毒的研究中，PaCO2 水平的变化较小，但对死亡率没有明显的益处。 碳酸氢盐输液的功效取决于排泄二氧化碳的能力； 这种能力在生理上维持在 pH > 7.20 时，当 pH 值高于此水平时，碳酸氢盐溶液可能会受益，这种效果在 BICARB-ICU 协议中以 CO2 为限制条件得到了证明。 最后，碳酸氢盐输注可以通过被动扩散到细胞中并与碳酸酐酶反应产生碳酸来恶化细胞酸中毒。使用三羟甲基氨基甲烷可能有助于通过缓冲细胞 pH 值和降低 CO2 水平来缓冲 HA。 它还可以减轻酸中毒对心血管系统的不利影响，恢复血流动力学稳定性。 需要进一步的研究来规范其使用，因为它不能解决肺部未灌注区域的问题。最后，难治性呼吸性酸中毒被认为是开始体外生命支持 (ECCO2R) 的标准。ECCO2R 是一种在不影响氧合的情况下通过静脉桥消除 CO2 的新技术。 迄今为止，它被用于难治性酸中毒或治疗低VT肺保护性通气伴允许性高碳酸血症的复杂呼吸性酸中毒； 需要进一步的研究来规范其在高碳酸血症治疗中的常规应用。尽管大多数呼吸功能不全是低氧血症，但急性高碳酸血症性呼吸衰竭正变得越来越频繁。 肺炎通常会导致低氧性通气失败，而高碳酸血症通气失败主要是由于内在的肺部疾病，这些疾病会增加死腔，例如 COPD，而较小的比例是由于额外的肺部疾病。 低容量保护性通气以及在大流行期间对 ARDS 晚期的管理增加了高碳酸血症患者的频率。 必须了解触发因素、病理生理学以及对临床结果的影响，以提供针对主要原因的治疗并避免可能的并发症。球囊面罩通气
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