Michał Nowicki

Klinika Nefrologii, Hipertensjologii i

Transplantologii Nerek

[e-mail]

Plan wykładu

• W jaki sposób organizm pozbywa się zbędnych

substancji?

– rola nerek

• Jak można zastąpić funkcję nerek?

– dializa i jej biofizyczne podstawy

• Inne metody oczyszczania krwi

– wymiana osocza, afereza
– usuwanie trucizn (hemoperfuzja, hemoadsorpcja)

• Przyszłość metod oczyszczania krwi

Warunkiem prawidłowego funkcjonowania

ludzkiego organizmu jest utrzymywanie homeostazy

Dwa procesy, które biorą udział w utrzymywaniu

homeostazy

(wewnętrznej równowagi)

płynów ustrojowych

to:

• OSMOREGULACJA

– regulacja bilansu wodnego i soli

mineralnych

• WYDALANIE

– proces usuwania zbędnych, szkodliwych

produktów przemiany materii

U zwierząt, a także człowieka funkcje te pełni

UKŁAD

WYDALNICZY

. Jego rola polega na utrzymywaniu homeostazy

ustrojowej w wyniku wybiórczej regulacji stężenia

elektrolitów oraz innych substancji we krwi i płynach ciała

Narządy uczestniczące w wydalaniu:

Dla człowieka najważniejszymi narządami osmoregulacji oraz wydalania są:

•

Nerki

– pomagają w usuwaniu wody (średnio 1-2 litry/24h na dobę) i

głównego produktu końcowego przemiany azotowej - mocznika

Czynność nerek jest wspomagana przez:

• Skórę

– wraz z potem usuwana jest woda (około 400 cm

3

na dobę), mocznik

oraz jony sodowe i chlorki

• Płuca

- biorą udział w usuwaniu dwutlenku węgla i wody (około 500 cm

3

na

dobę)

• Układ pokarmowy

– przez który wydalana jest woda (około 100 cm

3

na dobę)

Wydalanie

to proces fizjologiczny mający na celu usuwanie z

organizmu zbędnych i szkodliwych

produktów metabolizmu

: głównie

wody, dwutlenku węgla i związków azotowych (powstających w czasie
degradacji aminokwasów i kwasów nukleinowych)

WYDALANIE

Zbyteczne i szkodliwe

produkty metabolizmu

Wykorzystanie substancji

odżywczych w procesach

metabolizmu komórkowego

Wchłanianie

Trawienie

DEFEKACJA - USUWANIE

(w postaci kału)

Nie strawione resztki pokarmu

POBRANY POKARM

Niestrawione resztki pokarmowe

• Co wydalamy z ustroju i w jakich ilościach?

– Mocznik - 30 g/24h
– Kreatynina - 2 g/24h
– NaCl - 15 g/24h
– Potas – 40-100 mmol/24h
– Kwas moczowy – 0,7 g/24h
– Woda - 1500 ml/24h
– Produkty przemiany białkowej – zależnie od diety

(przeciętne spożycie to 1,5 g/kg m.c./24h

• Gdy nerki przestają funkcjonować występuje:

– Gromadzenie (kumulacja) metabolitów
– Kwasica, przewodnienie, nadciśnienie tętnicze, zaburzenia

elektrolitowe

Działanie nefronu

1. Filtracja
2. Reabsorpcja
3. Sekrecja
4. Wydalanie

Wydalanie z moczem

wydalanie = filtracja – reabsorpcja + wydzielanie

Budowa i działanie nefronu

Oczyszczanie ustroju - klirens

• Klirens (współczynnik oczyszczania) - objętość osocza całkowicie

oczyszczonego z danej substancji w jednostce czasu. Wyraża

sprawność, z jaką osocze zostaje oczyszczone z danej substancji.

• Klirens danej substancji oblicza się ze wzoru:

• Cx - klirens danej substancji [dowolna jednostka objętości/dowolną

jednostkę czasu], najczęściej w ml/min

• D - ładunek danej substancji usunięty z osocza w przyjętej jednostce

czasu (dowolna jednostka miary ilości danej substancji)

• P - stężenie danej substancji w osoczu (ta sama jednostka miary

ilości danej substancji jak wyżej/ta sama jednostka objętości jak

wyżej)

Oczyszczanie ustroju - klirens

• Klirens (współczynnik oczyszczania)
• Do określenia funkcji nerek wylicza się

najczęściej

klirens (endogennej) kreatyniny

• Odzwierciedla on współczynnik przesączania kłębuszkowego

(glomerular filtration rate - GFR) – ilość osocza przefiltrowana w
jednostce czasu przez kłębuszki nerkowe do tzw. moczu
pierwotnego. Zwykle podawany jest w ml/min lub w
ml/(min×1,72m²) (czyli po przeliczeniu na standardową
powierzchnię ciała). Współczynnik GFR pozwala na ocenę stopnia
wydolności nerek.

Przykładowe wyliczenie: minutowy klirens kreatyniny w mililitrach na minutę
•

U - stężenie danej substancji w moczu

•

P – stężenie danej substancji w surowicy

•

V - wielkość diurezy minutowej

Możliwości zastąpienia czynności

nerek – „sztuczna nerka”

• Teoria

– Zasada metody
– Błony półprzepuszczalne, budowa dializatora
– Oczyszczanie wody do dializ

• Praktyka

– Co zostaje usunięte drogą dializy?
– Skąd usuwane są te substancje?
– W jaki sposób można je usunąć?

Dializa

• Proces, w którym zawartość cząsteczek w

roztworze „A” ulega zmianie poprzez
ekspozycję na inny roztwór („B”) poprzez
błonę półprzepuszczalną.

Rodzaje dializy

• Hemodializa (dializa pozaustrojowa)

– Roztworem „A” jest krew a roztworem „B” płyn

dializacyjny a do kontaktu pomiędzy nimi poprzez
błonę półprzepuszczalną dochodzi poza ustrojem w
dializatorze

– Modyfikacje hemodializy

• Dializa otrzewnowa

– Roztworem „A” jest krew a roztworem „B” płyn

dializacyjny podawany do jamy otrzewnej a do
kontaktu pomiędzy nimi poprzez błonę
półprzepuszczalną, którą stanowi błona surowicza
otrzewnej dochodzi wewnątrz ustroju

Hemodializa a dializa otrzewnowa

Hemodializa - schemat

Co jest potrzebne aby można było

przeprowadzić dializę

1) błona

półprzepuszczalna w
dializatorze

2) utrzymanie krwi w

stanie płynnym poza
ustrojem

3) wiedza o tym co

chcemy usunąć i w jaki
sposób

Dializator w dializie pozaustrojowej

• Rok 1913 (pierwszy

doświadczalny dializator)

• Rok 1937 (pierwszy

model „sztucznej nerki

Dr Alwall, Szwecja)

• Rok 2013

Dializator

• Schemat budowy i działania

Krew

Dializat

Rurki o
półprzepuszczalnych
ścianach

Płyn
dializacyjny

Oczyszczona krew

Klirens dializatora

• Klirens dializacyjny jest klirensem całkowitej

wody krwi, sumą klirensu dyfuzyjnego
i konwekcyjnego.

Jak można usunąć cząsteczki z

organizmu

Dyfuzja

Konwekcja

/

Ultrafiltracja

Adsorpcja

Dyfuzja

• Dyfuzja - proces samorzutnego

rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii

w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub

ciele stałym), będący konsekwencją

chaotycznych zderzeń cząsteczek

dyfundującej substancji między sobą lub z

cząsteczkami otaczającego ją ośrodka.

• Dyfuzja chemiczna to proces makroskopowy

obejmujący makroskopowe ilości materii

(lub energii), zwykle opisywany równaniem i

prowadzący do wyrównywania stężenia (lub

temperatury) każdej z dyfundujących

substancji w całym układzie.

Klirens dyfuzyjny („prawdziwa dializa”)

• Wynik przypadkowych ruchów cząsteczek
• Na jego wielkość wpływa gradient stężeń obu

roztworów, wielkość cząsteczek (ciężar
molekularny) i przepuszczalność błony
dializacyjnej dla roztworu

• Proces powolny i mało wydajny (w przypadku

większych cząstek)

Dyfuzja

Dyfuzja małych cząsteczek >>> dużych cząsteczek

Kontrola procesu dyfuzji poprzez

zmiany składu dializatu

Czynnikiem napędowym dyfuzji jest gradient stężeń:

Krew

Płyn dializacyjny

stężenie sodu

stężenia sodu

stężenia mocznika

brak mocznika

stężenia potasu

regulowane stężenia potasu

Klirens mocznika poprzez dyfuzję

Klirens konwekcyjny

• Cząsteczki wody przechodząc przez błonę

półprzepuszczalną niosą ze sobą inne cząsteczki
– „przeciągają je” (ang. „solvent drag”)

• Wodę „zmusza się” do przechodzenia przez

błonę poprzez wymuszenie gradientu
hydrostatycznego lub osmotycznego (np. przez
dodanie glukozy do płynu dializacyjnego)

Konwekcja a dyfuzja

Konwekcja a dyfuzja

Konwekcja - ultrafiltracja

filtracja wody z cząsteczkami o małej i średniej masie

Klirens różnych substancji poprzez

dyfuzję i konwekcję

• Obliczanie wielkości transferu przez błonę









v

s

v

s

M

s

J

c

dx

dc

D

J

c

c

P

J



















1

1

J

s

= przepływ (transfer) rozpuszczalnika

P

M

= przepuszczalność dyfuzyjna



c = różnica stężeń

c = parametr związany z gęstością błony



s

= współczynnik „odbicia”

J

v

= objętość przepływu

Adsorpcja

Adsorpcja

– proces wiązania się cząsteczek,

atomów lub jonów na powierzchni lub granicy
faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany
stężenia.
Adsorpcja to nie to samo co absorpcja, która
jest procesem wnikania do wnętrza fazy.
Adsorpcję, absorpcję i wymianę jonową
przyjęło się wspólnie nazywać procesami
sorpcji.

Błony dializacyjne – struktura i funkcja

Błony dializacyjne

Materiał

Przepuszczalność Przykładowy

materiał

„biozgodność”

Regenerowana

celuloza

Niskoprzepływowe Kuprofan

Słaba

Modyfikowana

celuloza

Zmienny

Octan i dioctan

celulozy

Średnia

Syntetyczne

Zmienny (duży)

Poliakrylamid,

polisulfon, itp

Duża

Skład płynu dializacyjnego

Składnik

Stężenie (mmol/l)

Na

140

K

2

Ca

1,25 (5 mg/dl)

Mg

0,5 (1.2 mg/dl)

Octan

3,0

Chlorki

108

Wodorowęglan 35
Glukoza

5,6 (100 mg/dl)

Zasada przepływów w przeciwnych

kierunkach (przeciwprądowo)

Przy przepływie przeciwprądowym gradient stężeń pozostaje

stały co zapewnia maksymalną dyfuzję na całej długości

dializatora

Współczynnnik przesiewania

Koncepcja „biozgodności” błon

dializacyjnych

Czynniki wpływające na zdolność do

usuwania substancji

• Wielkość klirensu
• Wielkość cząsteczki (masa)
• Sprawność dializatora
• Szybkość przepływu krwi
• Szybkość przepływu płynu dializacyjnego
• Długość (czas) zabiegu

Przygotowanie wody do dializ

Wielkość usuwanych substancji

Skąd usuwamy substancje?

ICV – przestrzeń
śródkomórkowa
IVV – przestrzeń
wewnątrznaczyniowa

Gdzie znajdują się usuwane

substancje?

Kontrola ultrafiltracji

Substancje zlokalizowane głównie wewnątrz komórek

są bardzo trudno usuwane i proces ten wymaga

długiego czasu – przykładem jest fosfor

Dializa usuwa też nadmiar kwasów z

organizmu

Modyfikacje (odmiany) hemodializy

Jaką metodę hemodializ możemy

choremu obecnie zaoferować?

– Techniki przerywane

• Hemodializa „dzienna” (2-7 x / tydzień,

dializa nocna, dializa domowa)

• Hemodiafiltracja
• Hemofiltracja

metody standardowe, wysokowydajne i

powolne

– Techniki ciągłe

• Stosowane u chorych z ostrym

uszkodzeniem nerek

Standardowa hemodializa

• Najczęściej wykonywana
• Typowo przepisywana 3 x w tygodniu, czas każdego z zabiegów

4-5 godzin

• Wykorzystuje zarówno zjawisko ultrafiltracji jak i dyfuzji
• Standardowy płyn dializacyjny: wodorowęglanowy

• Zalety

: prosta do wykonania i najmniej kosztowna

• Wady

: ograniczona efektywność, niezdolność do usunięcia z krwi

większych cząsteczek i ograniczona zdolność do usuwania

średnich cząstek

Przedział krwi

woda toksyny

elektrolity

Przepływ płynu dializacyjnego

500 ml/min

Przepływ krwi: 250-300

ml/min

UF 2-3 l/zabieg

Przedział płynu dializacyjnego

Odmiany klasycznej hemodializy

Hemodializa z profilowaniem

sodu

• Wskazania:

– Chorzy z tendencją do

hipotensji śróddializacyjnej

wymagający dużej

ultrafiltracji

• Zapobieganie hipotensji

poprzez wzrost stężenia sodu

w płynie dializacyjnym (142-

148 mmol/l) i indukowanie

hipermolalności płynu

śródnaczyniowego (większy

refilling)

Hemodializa z

monitorowaniem:

1. Objętości krwi krążącej

– Aparat z monitorem objętości

(BVM)

2. Temperatury krwi

–

Aparat z monitorem

temperatury (BTM)

3. Ciągłe monitorowanie

dawki dializy (on-line

clearance monitoring)

–

Pośrednie wyliczanie Kt/V ze

zmian przewodności płynu

dializacyjnego (stężenia

sodu)

Odmiany klasycznej HD

• Codzienna hemodializa (quotidian HD)

– Krótka, dzienna HD (hemeral HD) – 5-7 x / tydzień, <3h

– wykonywana w ośrodku

– wykonywana w domu

– dializa domowa

– O wydłużonym czasie trwania (6-12h)

• Dzienna

– wykonywana w ośrodku

– wykonywana w domu

– dializa domowa

• Nocna

– wykonywana w stacji dializ

– wykonywana w domu

– dializa domowa

Niskowydajne techniki dializacyjne

Wydłużona, codzienna HD
• Czas trwania zabiegów

6-8 godzin do 6 x /
tydzień

• Ma wiele zalet ale często

nie znajduje akceptacji
pacjentów

• Jest droższa

Powolna, małoprzepływowa,

codzienna HD (SLEDD)

• Standardowa HD z użyciem

dializatorów low-flux (ma znaczenie

historyczne)

• SLEDD-f (HD + hemofiltracja)

– Dializator high-flux
– Dodatkowo predylucyjna

hemofiltracja

– Korzyści: duża wydajność przy

zachowaniu stabilności układu

krążenia

• SLEDD z wykorzystaniem

przewoźnego aparatu Genius

– w praktyce stosowana u chorych

niestabilnych krążeniowo, z

niewydolnością wielonarządową, po

zabiegach operacyjnych, z ostrym

uszkodzeniem nerek

Wysokowydajne techniki dializacyjne

• Hemodializa wysokoefektywna (HEHD)

– Duża powierzchnia dializatorów

• Hemodializa z zastosowaniem dializatorów o

dużej przepuszczalności (high-flux - HFHD)

• Hemofiltracja (HF)

– mała zdolność do usuwania małych cząstek

• Hemodiafiltracja (HDF)

Przedział krwi

Przedział płynu dializacyjnego

woda toksyny

elektrolity

woda

toksyny elektrolity

Przepływ płynu dializacyjnego

500 ml/min

Przepływ krwi: 250-300 ml/min

UF 2-3

l/zabieg

UF 24-26

l/zabieg

HEMODIALIZA (HD)

HEMODIAFILTRACJA (HDF)

Przedział krwi

Hemodiafiltracja

• Technika ta łączy dyfuzję (HD) i konwekcję (HF)
• Transport konwekcyjny wymaga tak dużego stopnia

ultrafiltracji płynów, że przekracza on ilość wody jaką

możemy bezpiecznie usunąć z organizmu

• HDF występuje w licznych odmianach

?

HDF – online

• Transport konwekcyjny może być

zmaksymalizowany ponieważ ilość płynu
substytucyjnego jest w praktyce
ograniczona jedynie przez możliwy do
osiągnięcia przepływ krwi

• Przygotowanie substytutu online

realizowane jest przez wielokrotną
filtrację dializatu

• Bezpieczeństwo płynu substytucyjnego

Przenośny aparat do hemodializy

Implantowana sztuczna nerka

(bioreaktor)

Courtesy: Dr Willian Fissell, Cleveland Clinic

Afereza

(plazmafereza, hemoperfuzja, cytafereza)

Technika filtracji osocza

Sposoby oddzielania składników krwi

- wirowanie i adsorpcja

Lipidafereza

Dializa wątrobowa

Leukoafereza

Inne metody

• Użycie bioreaktorów
• Wykorzystanie inżynierii tkankowej i

komórkowej