Физико-химични принципи на хемодиализата
Целта на периодичната хемодиализа е да елиминира отпадъчните продукти и да поддържа водно-електролитния баланс на организма, чрез обмен на разтворени вещества и вода между кръвта на пациента и диализен разтвор със състав, подобен на този на нормалната извънклетъчна течност, чрез полупропусклива мембрана (Фигура 2-1).
Полупропусклива мембрана е мембрана, позволяваща преминаването на вода, електролити и разтворени вещества с молекулно тегло по-ниско от това на албумина, т.е. 69 000 далтона, но не и това на протеини и фигуративни елементи на кръвта (глобули червени, бели кръвни клетки и тромбоцити).
1. Трансферни механизми
Трансферът на разтворени вещества и вода включва два основни механизма: дифузия (или проводимост) и конвекция (или ултрафилтрация), към които се добавя трансфер чрез осмоза.
1.1 Дифузия (или проводимост)
Дифузионният трансфер е пасивен транспорт на разтворените вещества от кръвта до диализата през диализната мембрана, без преминаване на разтворител. Обратното прехвърляне от диализат към кръв се нарича обратно разсейване.
Скоростта на дифузионния трансфер зависи от 3 фактора: коефициент на дифузия на разтвореното вещество в кръвта, диализната мембрана и диализата, който определя скоростта на преминаване; ефективната площ на мембраната; разликата в концентрацията от двете страни на мембраната (Фигура 2-2).
Молекулярният трансфер (N) чрез дифузия се урежда от закона на Фик. Количеството вещество (dN), дифузиращо в среда за единица време (dt), е пропорционално на коефициента на дифузия на веществото (D), на дифузионната площ (A) и на разликата в концентрацията на веществото в обратната посока посока на дифузия (dc/dz),
е:
Интегрирането му в случай на непрекъснат приток на кръв и диализната баня в двете отделения на диализатора, разделени от полупропусклива мембрана, дава:
или:
J: материален поток
Ko: глобален коефициент на пренос на материал на диализатора.
A: ефективна мембранна област,
: градиент на концентрация от двете страни на мембраната,
Общият коефициент на трансфер (Ko) зависи от устойчивостта на дифузия на разтворените вещества от кръвния филм (Rs), от мембраната (Rm) и от диализата (Rd):
Ro = Rs + Rm + Rd
Устойчивостта на дифузия на разтворени вещества в кръвната среда (Rs) и в диализната среда (Rd) зависи от скоростта на потока на течностите и от геометрията на веригите. Съпротивлението на мембраната (Rm) зависи основно от естеството на мембраната и нейната дебелина. Устойчивостта на мембраната към преминаването на разтворено вещество се увеличава с молекулното тегло на разглежданото разтворено вещество.
1.2 Конвекция (или ултрафилтрация)
Конвекционният трансфер е едновременният трансфер на разтворителя и фракция от разтворените вещества, които той съдържа под въздействието на разликата в хидростатичното налягане (Фигура 2-3). Може да се направи или от отделението за кръв към диализата, или от диализата към кръвта (ретрофилтрация).
Трансферът на разтворени вещества чрез конвекция зависи от 3 фактора: скрининговия коефициент (или пропускливост) на мембраната (T), средната концентрация на плазмата в разтвореното вещество (C) и скоростта на филтриране на разтворителя (Qf), а именно:
Коефициентът на пресяване се определя като отношение на концентрацията на разтвореното вещество във филтрата към неговата концентрация в плазмата. Колкото по-ниско е молекулното тегло на разтвореното вещество, толкова по-високо е то (Фигура 2-4).
Скоростта на филтриране на разтворителя зависи от хидравличната пропускливост на мембраната (Kf), ефективната повърхност на мембраната (A) и ефективната разлика в налягането (∆P - ∆π), т.е.:
Qf = Kf • A • (∆P - ∆π)
където ∆P представлява средното трансмембранно хидростатично налягане, преобладаващо в диализатора и ∆π ефективното осмотично налягане, преобладаващо в кръвоносната верига.
Хидравличната пропускливост Kf е физическо свойство на мембраната, характеризиращо нейната скорост на пренос на разтворител (тук плазмена вода) на единица площ и на единица налягане.
По този начин трансферът чрез конвекция води до едновременно изваждане на разтворените вещества и разтворителя, докато трансферът чрез дифузия позволява само едно преминаване на разтворените вещества.
Коефициентът на хидравлична пропускливост и коефициентът на пресяване са характеристики, специфични за всяка мембрана. Те зависят от диаметъра на мембранните пори и броя им на единица площ. Понастоящем мембраните с висока пропускливост имат скрининг коефициент, близък до този на гломерулната базална мембрана на бъбрека (Фигура 2-4).
Ефективното трансмембранно налягане е разликата между средното трансмембранно хидростатично налягане и осмотичното налягане. Последното се определя главно от онкотичното налягане (около 30 mmHg) на кръвните протеини, които не могат да преминат през диализната мембрана.
1.3 Осмоза
Това е трансфер на разтворител под въздействието на разлика в осмотичното налягане.
По време на преминаването през диализатора, концентрацията на протеин в плазмата се увеличава поради загубата на вода чрез ултрафилтрация, като по този начин се увеличава осмотичното налягане на плазмата на изхода на диализатора. Това води до повикване чрез осмоза на вода и разтворени вещества от вътреклетъчния сектор към интерстициалния сектор и към плазмата, която възстановява обема на циркулиращата кръв (плазмено „презареждане“).
В диализатора осмозата се противопоставя на ултрафилтрацията, но това явление лесно се компенсира от повишаване на хидростатичното налягане, приложено към отделението за кръв.
1.4 Адсорбция
Протеини като албумин, фибрин, β2-микроглобулин, фрагменти от активиран комплемент и цитокини като IL-1 и TNFα могат до известна степен да се адсорбират в диализната мембрана. Същото важи и за вещества, силно свързани с протеини като хомоцистеин. Този механизъм допринася отчасти за тяхното извличане от кръвта.
Адсорбцията на протеини е изключително свойство на хидрофобните мембрани.
4-те механизма, допринасящи за трансфера и екстракцията на разтворени вещества, са показани схематично на Фигура 2-5.
2. Методи за прехвърляне на разтворени вещества
Относителното значение на дифузията и конвекцията при пренасянето на разтворените вещества се различава в зависимост от това дали използваният процес е хемодиализа, хемофилтрация или хемодиафилтрация (Фигура 2-5).
2.1 Трансфер на течности чрез хемодиализа (Фигура 2-6а)
При хемодиализата прехвърлянето на повечето отпадъчни вещества е дифузно, докато преносът на натрий и вода е предимно конвективен. Ултрафилтрацията е основният механизъм, чрез който водата и натрият, натрупани между две диализни сесии, се отстраняват от тялото.
2.2 Трансфер на разтворени вещества чрез хемофилтрация (Фигура 2-6b)