Фізико-хімічні принципи гемодіалізу
Метою періодичного гемодіалізу є усунення відходів і підтримка водно-електролітного балансу в організмі шляхом обміну розчиненими речовинами та водою між кров’ю пацієнта та розчином для діалізу, що має склад, подібний до складу звичайної позаклітинної рідини, через напівпроникна мембрана (малюнок 2-1).
Напівпроникна мембрана - це мембрана, що дозволяє пропускати воду, електроліти та розчинені речовини з молекулярною масою, меншою ніж маса альбуміну, або 69000 дальтон, але не білками та образними елементами крові (глобули червоних, лейкоцитів та тромбоцитів) ).
1. Механізми передачі
Перенесення розчинених речовин і води включає два основні механізми: дифузію (або провідність) та конвекцію (або ультрафільтрацію), до яких додається перенос осмосом.
1.1 Дифузія (або провідність)
Дифузійний перенос - це пасивний транспорт розчинених речовин з крові до діалізу через діалізну мембрану без проходження розчинника. Зворотний перехід від діалізату до крові називається зворотним розсіюванням.
Швидкість дифузійного переносу залежить від 3 факторів: коефіцієнта дифузії розчиненої речовини в крові, діалізної мембрани та діалізу, що визначає швидкість проходження; ефективна площа мембрани; різниця в концентрації по обидва боки мембрани (рис. 2-2).
Молекулярний перенос (N) шляхом дифузії регулюється законом Фіка. Кількість речовини (dN), що дифузує в середовищі за одиницю часу (dt), пропорційне коефіцієнту дифузії речовини (D), площі дифузії (A) та різниці в концентрації речовини в зворотному напрямку напрямок дифузії (dc/dz),
це:
Його інтеграція у випадку безперервного потоку крові та діалізної ванни у двох відділеннях діалізатора, розділених напівпроникною мембраною, дає:
або:
J: матеріальний потік
Ko: глобальний коефіцієнт передачі матеріалу діалізатора.
В: ефективна площа мембрани,
: градієнт концентрації по обидва боки мембрани,
Загальний коефіцієнт переносу (Ko) залежить від опору дифузії розчинених речовин кров’яною плівкою (Rs), мембраною (Rm) та діалізатом (Rd):
Ro = Rs + Rm + Rd
Стійкість до дифузії розчинених речовин у середовищі крові (Rs) та в середовищі діалізу (Rd) залежать від швидкості потоку рідин та від геометрії контурів. Опір мембрани (Rm) по суті залежить від природи мембрани та її товщини. Опір мембрани проходженню розчиненої речовини зростає із збільшенням молекулярної маси розчиненої речовини.
1.2 Конвекція (або ультрафільтрація)
Конвекційний перенос - це одночасний перенос розчинника та частки розчинених речовин, які він містить, під впливом різниці гідростатичного тиску (рис. 2-3). Це може бути зроблено або з відділення крові до діалізу, або від діалізу до крові (ретрофільтрація).
Перенесення розчинених речовин конвекцією залежить від 3 факторів: коефіцієнта екранування (або пропускання) мембрани (Т), середньої концентрації плазми в розчиненій речовині (С) і швидкості фільтрації розчинника (Qf), а саме:
Коефіцієнт просіювання визначається як відношення концентрації розчиненої речовини у фільтраті до його концентрації в плазмі. Чим нижча молекулярна маса розчиненої речовини, тим вище (рис. 2-4).
Швидкість фільтрації розчинника залежить від гідравлічної проникності мембрани (Kf), ефективної поверхні мембрани (A) та ефективної різниці тисків (∆P - ∆π), тобто:
Qf = Kf • A • (∆P - ∆π)
де ∆P являє собою середній трансмембранний гідростатичний тиск, що переважає в діалізаторі, а ∆π ефективний осмотичний тиск, що переважає в контурі крові.
Гідравлічна проникність Kf є фізичною властивістю мембрани, що характеризує швидкість перенесення розчинника (тут плазмова вода) на одиницю площі та на одиницю тиску.
Таким чином, перенесення конвекцією призводить до одночасного віднімання розчинених речовин та розчинника, тоді як перенесення шляхом дифузії дозволяє лише один прохід розчинених речовин.
Коефіцієнт гідравлічної проникності та коефіцієнт просіювання є характеристиками, характерними для кожної мембрани. Вони залежать від діаметра мембранних пір та їх кількості на одиницю площі. В даний час мембрани з високою проникністю мають коефіцієнт скринінгу, близький до коефіцієнта базальної мембрани клубочка нирки (рис. 2-4).
Ефективний трансмембранний тиск - це різниця між середнім трансмембранним гідростатичним тиском та осмотичним тиском. Останнє головним чином визначається онкотичним тиском (близько 30 мм рт. Ст.) Білків крові, які не можуть пройти через діалізну мембрану.
1.3 Осмос
Це перенесення розчинника під впливом різниці осмотичного тиску.
Під час проходження через діалізатор концентрація білка в плазмі збільшується через втрату води ультрафільтрацією, збільшуючи тим самим осмотичний тиск плазми на виході з діалізатора. Це призводить до виходу осмосом води та розчинених речовин з внутрішньоклітинного сектора в міжтканинковий сектор та плазму, яка відновлює об’єм циркулюючої крові («поповнення» плазми).
У діалізаторі осмос протистоїть ультрафільтрації, але це явище легко компенсується збільшенням гідростатичного тиску, що застосовується до відділу крові.
1.4 Адсорбція
Білки, такі як альбумін, фібрин, β2-мікроглобулін, фрагменти активованого комплементу та цитокіни, такі як IL-1 та TNFα, можуть певною мірою адсорбуватися на діалізній мембрані. Те саме стосується речовин, які сильно зв’язані з білками, такими як гомоцистеїн. Цей механізм частково сприяє їх вилученню з крові.
Адсорбція білка є винятковою властивістю гідрофобних мембран.
4 механізми, що сприяють переносу та вилученню розчинених речовин, схематично показані на малюнку 2-5.
2. Способи перенесення розчинених речовин
Відносна важливість дифузії та конвекції у перенесенні розчинених речовин різниться залежно від того, чи застосовується процес гемодіалізу, гемофільтрації чи гемодіафільтрації (рис. 2-5).
2.1 Перенесення рідин шляхом гемодіалізу (Рисунок 2-6a)
При гемодіалізі перенесення більшості відхідних речовин відбувається дифузно, тоді як перенесення натрію та води в основному відбувається конвективно. Ультрафільтрація - головний механізм, за допомогою якого вода та натрій, накопичені між двома сеансами діалізу, виводяться з організму.
2.2 Перенесення розчинених речовин методом гемофільтрації (рис. 2-6b)
При гемофільтрації перенесення розчинених речовин є суто конвективним. Швидкість віднімання розчиненої речовини дорівнює добутку швидкості ультрафільтрації, помноженої на його концентрацію в ультрафільтраті. Останнє дорівнює добутку концентрації розчиненої речовини в плазмі та коефіцієнту її просіювання.
Щоб уникнути надмірного видалення води з плазми, стерильний, непірогенний розчин-замінник фармацевтичного класу, схожий за складом на діаліз, слід повторно вводити в кров зі швидкістю 10-20 літрів на годину. гемофільтр (попередній розчин) або, найчастіше, нижче за гемофільтром (постдилюційний режим), або як вище, так і нижче за гемофільтром.
2.3 Перенесення розчину методом гемодіафільтрації (Малюнок 2-6c)
Ця процедура поєднує в собі переваги гемодіалізу та гемофільтрації. Дійсно, перенесення розчинених речовин методом гемодіафільтрації є одночасно дифузним, що забезпечує ефективне віднімання відходів низьких ТЧ, і конвективним, яке забезпечує достатнє вилучення розчинених речовин з високим ТМ. Рідина для реінфузії фармацевтичного призначення, стерильна та не містить пірогену. Його витрата зазвичай становить 5-10 літрів на годину.
Існують й інші методи, що поєднують дифузійну та конвективну передачу: це "гель-фільтрація з висувною тягою", де періоди гемофільтрації чергуються з періодами ретрофільтрації; «парна фільтрація-діаліз», де гемофільтрація та гемодіаліз діють послідовно; врешті-решт, безфільтратна біофільтрація, де безацетатний діалізат застосовується з повторною ін’єкцією розчину бікарбонату натрію як замінник рідини.
Коли трансмембранна різниця тиску мала, швидкість ультрафільтрації збільшується лінійно з градієнтом тиску. При високому трансмембранному тиску швидкість фільтрації має тенденцію до плато, завдяки утворенню білкового шару на поверхні мембрани. Єдиний спосіб поліпшити швидкість фільтрації - збільшити кровотік (рис. 2-7).
З економічних причин були розроблені пристрої, що дозволяють використовувати діалізат, вироблений генератором діалізу. Таким чином, поточна гемодіафільтрація використовує реін'єкцію ультрачистого діалізату, проходячи через кілька фільтрів, або для багаторазового використання, або для одноразового використання (рис. 2-8а).
Гемодіафільтрація з регенерацією ультрафільтрату використовує переробку ультрафільтрату шляхом пропускання через адсорбуючий картридж на основі активованого вугілля та синтетичних смол (рис. 2-8b).
3. Оцінка роботи діалізаторів
За аналогією з концепцією кліренсу, що використовується у нирковій фізіології, загальний перенос розчинених речовин штучною ниркою може бути виражений як кліренсом, так і діалізом.
3.1 Оформлення
Кліренс (C) визначається як кількість даної розчиненої речовини, віднімається з крові за одиницю часу (Js), поділена на концентрацію розчиненої речовини крові, що надходить у діалізатор (CSe). Він представляє обсяг крові, очищеної від розчиненої речовини, що враховується за одиницю часу.
3.2 Діаліз
Діаліз (D) визначається як кількість розчиненої речовини, що віднімається з крові за одиницю часу (Js), поділена на різницю в концентрації крові та діалізату при введенні в діалізатор (CSe - CDe)
Кліренс та діаліз можуть бути розраховані за швидкістю потоку на вході та виході з діалізатора, крові (QSe та QSs) та діалізату (QDe та QDs), а також концентрації розчиненої речовини при "вході та виході з діалізатором, у крові (CSe та CSs) та в діалізаті (CDe та CD). Перенесення маси розчиненої речовини через діалізатор у рівноважному стані можна записати так:
Дозвіл виражається як:
та діаліз, як:
У випадку одноразового діалізату (де CDe = 0) кліренс дорівнює діалізу. Коли швидкість ультрафільтрації низька, QS та QD нічим не відрізняються від QSe та QDe, і рівняння кліренсу можна спростити наступним чином:
Кліренс та діаліз - це параметри, що вимірюють вилучення розчинених речовин із крові. Кліренс - це той, який має найбільше фізіологічне значення, оскільки він характеризує штучну нирку як участь у загальному очищенні організму за аналогією з нирками. Діаліз в основному використовується для вимірювання очисної здатності даного діалізатора за певних умов кровотоку та діалізу.
Кліренс розчиненої речовини тим менший, чим вища її молекулярна маса (рис. 2-9а).
Кліренс розчинених речовин з низькою молекулярною масою, таких як сечовина (МВ = 60 дальтон) та креатинін (МВ = 113 дальтон), зростає із збільшенням припливу крові до діалізатора, тоді як кровотік мало впливає на кровотік. Високомолекулярні розчинені речовини, такі як вітамін В12 (MW = 1355 дальтон), представник "молекул середовища" (Рисунок 2-9b).
3.3 Ультрафільтрація та ретрофільтрація
Потік ультрафільтрації (QF) визначається як потік води, що віднімається через мембрану за одиницю часу. Це дорівнює різниці між потоком крові, що надходить (QSe) і виходить (QS) з діалізатора, і, симетрично, між потоком діалізного виходу (QD) і надходженням (QDe) в діалізатор.
Швидкість потоку ультрафільтрації залежить від коефіцієнта гідравлічної проникності мембрани (Kf), ефективної площі діалізу (A) та ефективного трансмембранного тиску, різниці між гідростатичним тиском (∆P) та осмотичним тиском (∆π):
QF = Kf x A x (∆P - ∆π)
Середній гідростатичний тиск дорівнює алгебраїчній сумі середнього тиску в відділі крові та в діалізаті:
Щоб уникнути надмірного віднімання рідини, при використанні діалізаторів з високою проникністю тиск у відділенні для діалізу слід підтримувати на рівні, щоб досягти точно бажаної швидкості ультрафільтрації. Зазвичай такий стан вимагає використання ультрафільтраційного регулятора потоку.
Чиста швидкість ультрафільтрації дорівнює загальній швидкості ультрафільтрації за мінусом зворотної фільтрації, як це видно на малюнку 2-10. Чим більша гідравлічна проникність мембрани, тим більша швидкість потоку ретрофільтрації при однаковій втраті ваги, що пояснює важливість використання діалізу високої мікробіологічної якості.
3.4 Внесок конвекції в загальний перенос розчинених речовин
Внесок конвективного транспорту в загальний перенос розчинених речовин тим важливіший, чим вища їх молекулярна маса.
Для оцінки відносного внеску конвекції у загальний діалітичний перенос необхідно враховувати коефіцієнти просіювання різних розчинених речовин. Частка конвекції при загальній екстракції дуже низька для розчинених речовин із низьким МВт, тоді як вона є відносно високою для розчинених речовин із середнім або високим МВт. У таблиці 2-I наведено внесок конвективного кліренсу в загальний кліренс, як функція відповідного коефіцієнта просіювання сечовини, вітаміну В12 та інуліну, зі швидкістю кровотоку 300 мл/хв та швидкістю ультрафільтрації 10 мл/хв.
Для високої швидкості потоку ультрафільтрації близько 50 мл/хв та для розчинених речовин, коефіцієнт екранування яких близький до 1, коли дифузія та конвекція працюють одночасно для загального переносу розчинених речовин, загальний кліренс КТ можна оцінити відповідно до наступного відношення, де CD - значення дифузійного зазору, коли QF = 0.
3.5 Вимірювання масообміну розчинених речовин
Перенесення маси (N) сечовини або креатиніну під час сеансу гемодіалізу можна виміряти трьома способами:
1 °) Визначаючи загальний кліренс крові (К) за формулою:
N = K x C x td
де С - логарифмічне [(Co - Cf)/(LnCo - LnCf)] або арифметичне [(Co + Cf)/2] середнє значення додіалітичної (Co) та постдіалітичної (Cf) концентрацій сечовини або креатиніну в крові та тривалість діалізу.
2 °) За різницею між масою (N) сечовини або креатиніну на початку та в кінці сеансу діалізу, а саме:
N = [Co x (ECTf + V∆Вага)] - [Cf x ECTf]
де ECTf - об'єм загальної кількості води в організмі в кінці сеансу діалізу, який зазвичай оцінюється як 58% маси тіла та V∆Вага, втрата ваги під час діалізу. Це пов’язано з тим, що об’єм дифузії сечовини та креатиніну, які вільно перетинають клітинні мембрани, дорівнює обсягу загальної води в організмі (внутрішньоклітинний + позаклітинний).
Значення, наведені цими формулами, є простим наближенням, оскільки існує безліч причин помилок при оцінці маси сечовини або креатиніну, віднятих, таких як заниження кінцевої концентрації розчиненої речовини через явище відскоку, рециркуляція крові через артеріовенозну фістулу або неправильну оцінку обсягу загальної кількості води в організмі.
3) Шляхом прямого кількісного визначення з діалізату. Цей метод є найнадійнішим, оскільки стічний діаліз збирається в повному обсязі, що дозволяє безпосередньо визначати загальну кількість сечовини та креатиніну, вилучених під час сеансу діалізу. Потім масообмін дорівнює добутку концентрації розчиненої речовини в діалізаті, помноженому на обсяг вилученого. Загальний збір діалізату, який є важким і складним методом, може бути замінений на збір аликвот.
Нещодавно монітори були розроблені для автоматизованого збору серійних зразків діалізату та одночасного визначення їх концентрації сечовини. Ці пристрої дозволяють здійснювати прямий і реальний час контролю ефективності діалітичної екстракції сечовини.