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 UKA
AD
WYDALNICZY. Jego rola polega na utrzymywaniu homeostazy
ustrojowej w wyniku wybiórczej regulacji stężenia
elektrolitów oraz innych substancji we krwi i płynach ciała
NarzÄ…dy uczestniczÄ…ce 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 cm3 na dobę), mocznik
oraz jony sodowe i chlorki
" Płuca - biorą udział w usuwaniu dwutlenku węgla i wody (około 500 cm3 na
dobÄ™)
" Układ pokarmowy  przez który wydalana jest woda (około 100 cm3 na dobę)
POBRANY POKARM
Trawienie Nie strawione resztki pokarmu
Niestrawione resztki pokarmowe
Wchłanianie
DEFEKACJA - USUWANIE
(w postaci kału)
Wykorzystanie substancji
odżywczych w procesach
metabolizmu komórkowego
Zbyteczne i szkodliwe
produkty metabolizmu
WYDALANIE
Wydalanie to proces fizjologiczny majÄ…cy 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)
" 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 siÄ™ 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 standardowÄ…
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?
 SkÄ…d usuwane sÄ… 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 wewnÄ…trz 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
PÅ‚yn
dializacyjny
Oczyszczona krew
Klirens dializatora
" Klirens dializacyjny jest klirensem całkowitej
wody krwi, sumÄ… klirensu dyfuzyjnego
i konwekcyjnego.
Jak można usunąć cząsteczki z
organizmu
Dyfuzja
Konwekcja
/
Ultrafiltracja
Adsorpcja
Dyfuzja
" Dyfuzja - proces samorzutnego
rozprzestrzeniania siÄ™ czÄ…steczek 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 PÅ‚yn dializacyjny
stężenie sodu stężenia sodu
stężenia mocznika brak mocznika
stężenia potasu regulowane stężenia potasu
Klirens mocznika poprzez dyfuzjÄ™
Klirens konwekcyjny
" Cząsteczki wody przechodząc przez błonę
półprzepuszczalną niosą ze sobą inne cząsteczki
  przeciÄ…gajÄ… je (ang.  solvent drag )
" WodÄ™  zmusza siÄ™ 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
dyfuzjÄ™ i konwekcjÄ™
" Obliczanie wielkości transferu przez błonę
Js =ð PM Dðc +ð c(ð1-ðsð )ðJv
s
dc
=ð D +ð c(ð1-ðsð )ðJv
s
dx
Js = przepływ (transfer) rozpuszczalnika
PM = przepuszczalność dyfuzyjna
Dðc = różnica stężeÅ„
c = parametr związany z gęstością błony
sðs = współczynnik  odbicia
Jv = objętość przepływu
Adsorpcja
Adsorpcja  proces wiÄ…zania siÄ™ czÄ…steczek,
atomów lub jonów na powierzchni lub granicy
faz fizycznych, powodujÄ…cy lokalne zmiany
stężenia.
Adsorpcja to nie to samo co absorpcja, która
jest procesem wnikania do wnętrza fazy.
AdsorpcjÄ™, absorpcjÄ™ i wymianÄ™ jonowÄ…
przyjęło się wspólnie nazywać procesami
sorpcji.
BÅ‚ony dializacyjne  struktura i funkcja
BÅ‚ony dializacyjne
Materiał Przepuszczalność Przykładowy  biozgodność
materiał
Regenerowana Niskoprzepływowe Kuprofan Słaba
celuloza
Modyfikowana Zmienny Octan i dioctan Åšrednia
celuloza celulozy
Syntetyczne Zmienny (duży) Poliakrylamid, Duża
polisulfon, itp
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 (przeciwprÄ…dowo)
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
SkÄ…d usuwamy substancje?
ICV  przestrzeń
śródkomórkowa
IVV  przestrzeń
wewnÄ…trznaczyniowa
Gdzie znajdujÄ… siÄ™ usuwane
substancje?
Kontrola ultrafiltracji
Substancje zlokalizowane głównie wewnątrz komórek
sÄ… 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
Øðmetody 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
Przepływ krwi: 250-300
Przedział krwi ml/min
UF 2-3 l/zabieg
woda toksyny elektrolity
Przedział płynu dializacyjnego
Przepływ płynu dializacyjnego
500 ml/min
Odmiany klasycznej hemodializy
Hemodializa z profilowaniem Hemodializa z
sodu monitorowaniem:
" Wskazania: 1. Objętości krwi krążącej
 Chorzy z tendencją do  Aparat z monitorem objętości
hipotensji śróddializacyjnej (BVM)
wymagający dużej
2. Temperatury krwi
ultrafiltracji
 Aparat z monitorem
" Zapobieganie hipotensji
temperatury (BTM)
poprzez wzrost stężenia sodu
w płynie dializacyjnym (142-
3. Ciągłe monitorowanie
148 mmol/l) i indukowanie
dawki dializy (on-line
hipermolalności płynu
śródnaczyniowego (większy
clearance monitoring)
refilling)
 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
Powolna, małoprzepływowa,
Wydłużona, codzienna HD
codzienna HD (SLEDD)
" Standardowa HD z użyciem
" Czas trwania zabiegów
dializatorów low-flux (ma znaczenie
6-8 godzin do 6 x /
historyczne)
tydzień
" SLEDD-f (HD + hemofiltracja)
 Dializator high-flux
" Ma wiele zalet ale często
 Dodatkowo predylucyjna
nie znajduje akceptacji
hemofiltracja
pacjentów  Korzyści: duża wydajność przy
zachowaniu stabilności układu
" Jest droższa
krążenia
" SLEDD z wykorzystaniem
przewoz
nego 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)
Hemodiafiltracja
" Technika ta Å‚Ä…czy dyfuzjÄ™ (HD) i konwekcjÄ™ (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
HEMODIAFILTRACJA (HDF)
HEMODIALIZA (HD)
Przepływ krwi: 250-300 ml/min
Przedział krwi Przedział krwi
woda toksyny elektrolity woda toksyny elektrolity
?
Przedział płynu dializacyjnego
UF 2-3 Przepływ płynu dializacyjnego UF 24-26
l/zabieg 500 ml/min l/zabieg
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 wielokrotnÄ…
filtracjÄ™ 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 wÄ…trobowa
Leukoafereza
Inne metody
" Użycie bioreaktorów
" Wykorzystanie inżynierii tkankowej i
komórkowej