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1 L&B Srl Centro Direzionale Verona EST Tel Internet: STIME QUANTITATIVE ED ANALISI QUALITATIVE DELLA COMPOSIZIONE CORPOREA

2 A. TALLURI AKERN BIORESEARCH RJL SYSTEMS INC. L analisi della composizione corporea può essere utile per valutare lo stato nutrizionale, ma viene prevalentemente utilizzata nello studio dell obesità per quantificare la massa grassa presente in un individuo. Mentre il primo approccio è di tipo qualitativo: le proporzioni fra gli spazi intra ed extra cellulari sono normali?, il secondo approccio è di tipo quantitativo: quanti sono i chili di massa grassa?. Nelle analisi quantitative viene utilizzato il modello bicompartimentale che immagina il corpo formato da Massa Magra (FFM: Fat Free Mass) e Massa Grassa (FM: Fat Mass). La normalità è riferita alla percentuale di Massa Grassa (FM) con indici variabili per sesso ed età. In quest ottica il contenuto dei fluidi corporei o Acqua Totale (TBW= Total Body Water) è ipotizzato fisso: il 73% dei fluidi corporei (TBW) è contenuto nella Massa Magra Modello bi-compartimentale E opportuno distinguere i metodi di analisi legati ai fluidi da quelli legati ai solidi. Questa distinzione deve essere chiara poiché mentre la misura diretta può essere precisa, quella indiretta può risultare errata quando lo stato di idratazione non corrisponde più a quello teorico ipotizzato (vedi capitoletti successivi). Di seguito è riportato un esempio di stima dell acqua totale (TBW) con diluizione isotopica. La tecnica di diluizione del Deuterio è preferibile a quella del Trizio, in quanto meno aggressiva. Con questo metodo è possibile ottenere stime precise (circa 2.5%) e ripetitive, tanto che viene considerata una tecnica di riferimento. Lo spazio del deuterio è ottenuto somministrando una dose orale di 10 grammi di deuterio e prelevando, dopo un attesa di due ore, un campione di saliva o di urina o di plasma. Il volume viene derivato dalla semplice proporzione C1, V1 = C2, V2 ove C1,V1 è la quantità di marcatore somministrata, C2 è la concentrazione finale e V2 è il volume di acqua totale (TBW). Se per esempio venisse misurata una quantità di 53.7 litri di Acqua Totale, la stima della Massa Magra (FFM) sarebbe di Kg, valore ottenuto ipotizzando un idratazione del 73% (FFM=TBW / 0.73). Se al momento della misura dell acqua corporea il soggetto fosse disidratato, l applicazione del coefficiente teorico del 73% produrrebbe una sottostima della Massa Magra. L errore opposto si riscontra quando la misura eseguita è legata direttamente alla Massa Magra e si vuole stimare l Acqua Totale. (TBW=FFM x 0.73).

3 La seguente tabella elenca alcune tecniche di analisi più diffuse. SOLIDI CORPOREI FLUIDI CORPOREI NIR PLICOMETRIA ANTROPOMETRIA ULTRASUONI ISOTOPICHE NEUTRONICHE TOBEC *BIA DENSITOMETRIA *ASSORBIMETRIA SODIO 22 TAC POTASSIO 40 NIR ( Near Infrared Interreactance): misura la rifrazione nella Massa Grassa di un fascio di luce coerente emessa al vicino infrarosso PLICOMETRIA: ricava lo spessore (pliche) del tessuto adiposo in alcuni punti ben definiti del corpo, per poi stimare con equazioni empiriche il contenuto di Massa Grassa ANTROPOMETRIA: vengono prese misure della circonferenza su alcune parti del corpo, scopo è sempre la stima della Massa Grassa. ULTRASUONI: ricavano lo spessore del tessuto adiposo, come nella plicometria; con l ultrasonografia si ottiene la mappa di distribuzione del grasso. DENSITOMETRIA: ottiene la densità in grammi per centimetro cubo del corpo studiato e attraverso formule empiriche si ricava la Massa Grassa. Esistono diverse tecniche densitometriche, la più diffusa è l idrodensitometria. ASSORBIMETRIA: attraverso l emissione di raggi ad alta energia (fotoni, raggi X) viene disegnata una mappa di distribuzione e superficie dei diversi tessuti corporei ottenuta in funzione di una maggiore o minore attenuazione (assorbimento) del segnale legata alla loro densità. ISOTOPI: vengono iniettati nel corpo dei radioisotopi e se ne osserva la diluizione nei fluidi corporei. Con tecniche isotopiche multiple è possibile ottenere spazi extra cellulari, intracellulari o totali. ATTIVAZIONI NEUTRONICHE: concettualmente assimilabili alle tecniche isotopiche, hanno il vantaggio di usare marcanti neutri. E possibile ottenere in vivo il contenuto di calcio, sodio, cloro, fosforo e azoto. TOBEC ( total body electrical conductivity): attraverso un solenoide nel quale è posto il soggetto da esaminare, viene generata una radiofrequenza a 5MHz con la quale è possibile misurare la conduttività totale, che è proporzionale alla quantità dei fluidi corporei. BIA (bioelectrical impedance analysis): concettualmente simile al TOBEC, viene misurato il reciproco della conduttività (resistenza) iniettando nel corpo una

4 microcorrente a 50 KHz attraverso elettrodi di superficie. La resistenza corporea é inversamente proporzionale alla quantità dei fluidi corporei. SODIO 22 e POTASSIO 40 : all interno di una stanza ben schermata e attraverso un sistema di rilevazione e conteggio dei raggi gamma, si rilevano le rispettive quantità. Ad eccezione della BIA (*) e di alcuni tipi di ASSORBIMETRIA (*) come ad esempio la DEXA, le altre tecniche sopraelencate (se usate isolatamente) sono riferite al modello bicompartimentale. A causa della rigidità concettuale dell idratazione nell approccio Massa Grassa + Massa Magra, le variazioni di peso vengono normalmente attribuite interamente alla Massa Grassa, ossia si assume che quando un individuo aumenta di peso ingrassa e viceversa. Le variazioni più rapide e facilmente ottenibili si registrano viceversa nei fluidi corporei, e lo stato d idratazione teorico è in realtà un parametro instabile. Desiderando precisione nella stima, oppure operando in stati patologici, è necessario un modello di composizione corporea più adeguato, sensibile all idratazione e alla nutrizione con il quale spiegare tutte le variazioni di peso, indipendentemente che avvengano nella massa grassa, nella massa muscolare o nei fluidi corporei. Lo studio su base bicompartimentale non ha valore: è possibile incontrare individui obesi sani, malati, scompensati, malnutriti, ben nutriti, disidratati o edematosi e dalla stima della Massa Grassa non é assolutamente possibile risalire né monitorare alcuno di questi stati. Il modello tricompartimentale sembra essere adeguato a questo scopo. FM ECMBC Modello tricompartimentale Definiamo i tre compartimenti che lo compongono: Massa Grassa (FM) Esprime tutto il grasso corporeo che va dal grasso essenziale al tessuto adiposo. Massa Cellulare (BCM: Body Cell Mass) Secondo Moore e collaboratori (1) la massa cellulare è una pura coltura di cellule viventi. E quel componente della composizione corporea che contiene il tessuto ricco di potassio, che scambia l ossigeno, che ossida il glucosio. In qualsiasi considerazione antropometrica sulla conversione di nutrienti in energia, sulla domanda di ossigeno e sulla produzione di biossido di carbonio, la Massa Cellulare è base di riferimento. Tessuti Extra cellulari o Massa Extracellulare (ECM: Extra Cellular Mass) Sempre secondo Moore et al. i tessuti extra cellulari o Massa Extra Cellulare includono il plasma, i fluidi interstiziali, l acqua transcellulare (fluido cerebrospinale, fluidi articolari), i tendini, il derma, il collagene, l elastina e lo scheletro. Il fluido interstiziale o acqua extra cellulare (ECW: Extra Cellular Water) espressa come percentuale dell acqua totale, rappresenta il compartimento volumetricamente più rilevante della Massa Extra Cellulare (ECM: Extra Cellular Mass) ed è lo spazio soggetto alle più rapide e significative variazioni. Le Masse Cellulari sommate alle Masse Extra Cellulari danno come risultato il peso della Massa Magra (FFM=ECM+BCM). Per spiegare e comprendere meglio il modello tricompartimentale possiamo, per

5 P e s o Tempo-> ECW TBWFAT Massa Grassa analogismo, utilizzare il sangue: la massa cellulare è per il corpo quello che l ematocrito è per il sangue. Se in un campione di sangue venisse riscontrato un livello di colesterolo elevato e nel contempo una percentuale di ematocrito inferiore al 30%, sicuramente non si penserà di trattare con precedenza la dislipidemia. Lo stesso concetto dovrebbe essere usato in soggetti obesi con carenza di massa cellulare. Se la qualità della massa magra non è normale, non è opportuno trattare la massa grassa. Per valutare lo stato di nutrizione occorre quindi un esame qualitativo sensibile e specifico ai due parametri fondamentali della nutrizione: l idratazione e la presenza di una massa proteica sufficiente. Le variazioni di peso possono avvenire in tempi brevi (ore) medi (giorni) o lunghi (settimane). Nel primo caso, sappiamo che se un soggetto perdesse peso in poche ore, il solo compartimento in grado di variare così rapidamente è l Acqua Extra Cellulare. Nell arco di poche ore variazioni in altri compartimenti sono impensabili. Quando viceversa le variazioni avvengono in pochi giorni è verosimile che siano a carico dell acqua totale e quindi anche della massa magra. Uno stato catabolico grave può portare alla conversione in zuccheri (glucogenesi da proteine interne) fino ad un chilo di massa magra al giorno. La massa grassa infine è soggetta a variazioni registrabili in settimane. Il grafico seguente, non in scala, visualizza i tempi in cui le variazioni dei vari compartimenti sono possibili. Analisi Qualitativa Alla luce di quanto descritto, appare evidente la necessità di eseguire a priori un analisi qualitativa della Massa Magra, per determinare il rapporto fra le masse Extra ed Intracellulari. La Massa Extra Cellulare deve essere leggermente inferiore o equivalente alla Massa Cellulare, con un rapporto ECM/BCM di circa 0.95 Vediamo alcuni esempi grafici di oscillazioni nella Massa Magra: In condizioni normali la Massa Magra si presenta con la seguente configurazione: Normale: ECM/BCM = 0,95 In presenza di determinate patologie la percentuale di Massa Cellulare diminuisce (l analogismo ematico è una diminuzione di HTC) e in tal caso la proporzione ECM/BCM assume valori superiori a 1. Il modello grafico è il seguente: Anormale :ECM/BCM = 1,25 La quota di massa cellulare erosa dalla neoglucogenesi viene occupata in modo parafisiologico da fluidi extra cellulari, che tuttavia non rappresentano un reale sovraccarico idrico come viceversa avviene in caso di ritenzione idrica, ove la quantità di massa cellulare può essere nella norma, con la sola espansione dei fluidi extra cellulari. Con la ritenzione idrica il rapporto ECM/BCM è ancora una volta superiore a 1.

6 L analogismo ematico è una ipervolemia (ottenibile con rapide infusioni di fisiologica) che pur espandendo il volume ematico non varia il contenuto assoluto di cellule ematiche. Tessuto Iperidratato: ECM/BCM = 1,25 L aumento dei fluidi extra cellulari sarebbe diagnosticabile anche da rapidi aumenti del peso, come avviene ad esempio nei pazienti in dialisi, i quali negli intervalli fra i trattamenti dialitici aumentano il loro peso. Purtroppo il peso è sensibile ma non è specifico. Quando viceversa si verifica una perdita dei fluidi corporei extra cellulari (disidratazione) la proporzione ECM/BCM assume valori molto bassi: ECM/BCM =< 0,6. Tessuto Disidratato: ECM/BCM <0,6 L analogismo ematico in questo caso è l ipovolemia, in cui l aumento percentuale di HTC è dato non da più cellule ma da meno fluidi COME DISCRIMINARE LA MALNUTRIZIONE DALL IPERIDRATAZIONE Poiché la quota di massa cellulare erosa dalla malnutrizione viene sostituita da fluidi extracellulari, definiti proteici (fluidi che prima della rottura delle membrane cellulari erano intracellulari e che a seguito della loro rottura diventano extracellulari), la percentuale di acqua extracellulare aumenta, senza peraltro variare la quantità assoluta di acqua totale. Ancora una volta la stima di un solo compartimento, in questo caso la ECW è specifica ma non sensibile. Viene quindi proposto di identificare una quota minima teorica di massa cellulare adeguata all altezza dell individuo osservato utilizzando il noto rapporto peso/altezza ma sostituendo al peso totale, il solo peso della massa cellulare. Il criterio è il seguente: 1. Calcolare teoricamente il contenuto minimo di BCM con la seguente equazione. BCMmin= (Htm-100) x 0.3 ove Htm é l altezza del soggetto espressa in centimetri 2 Ottenere una stima affidabile del reale contenuto di Massa Cellulare Se il contenuto minimo teorico è inferiore alla BCM misurata realmente (BCMmin<BCM) la malnutrizione può essere esclusa e quindi l eventuale percentuale di ECW in eccesso rispetto alla norma è iperidratazione reale. Se viceversa il contenuto di BCM rilevato è inferiore al minimo teorico, la quota mancante dovrà essere considerata fluido extra cellulare di sostituzione e non iperidratazione Esempio : soggetto alto 176 cm: teorica ( ) x 0.3 = 22,8Kg di massa cellulare minima

7 Se la massa cellulare misurata risultasse uguale o inferiore a 23 kg (arrotondamento per eccesso) il soggetto è malnutrito. Il metodo di riferimento per la stima della massa cellulare è il conteggio del potassio totale (TBK). Una valida alternativa è data dell analisi BIA (8) - (12) - (13) Cosa non funziona nelle metodiche di analisi della composizione corporea Qualsiasi metodo che si fregia del titolo di analisi dovrebbe rispondere due requisiti essenziali per qualsiasi analisi e che sono sensibilità e specificità. L esecuzione di un analisi di composizione corporea dovrebbe servire a identificare la quantità o le variazioni dei vari elementi che costituiscono il corpo umano per valutare lo stato nutrizionale, determinare l eccesso o la carenza di alcuni compartimenti o monitorare l efficacia delle terapie in atto. Purtroppo, indipendentemente dalle metodiche utilizzate, sensibilità e specificità non fanno parte del mondo della composizione corporea. La ragione e identificabile da come vengono ottenuti i volumi (quantità di Massa Magra, Massa Grassa, Acqua Totale eccetera): le formule matematiche sono empiriche e ottenute con l associazione ad altri parametri definiti co-predittori quali il sesso, l età, il peso e l altezza. Quest empirismo ha l aggravante di paragonare due sistemi di cui uno e considerato impropriamente metodo di riferimento e quindi ritenuto preciso. Da questo approccio puramente matematico deriva la richiesta da parte dell utenza di formule specifiche, sottovalutando che l'inclusione nelle formule di parametri stabili quali età, sesso e altezza non può che ridurre la Sensibilità. Sensibilità significa abilità nel rilevare le variazioni. Più sensibile e il sistema, più piccole saranno le variazioni captabili. L introduzione di valori costanti (non variabili) quali appunto età sesso e altezza rendono vana la ricerca di migliorare o di ottenere una buona sensibilità. Prendiamo ad esempio un equazione pubblicata sul Giornale Internazionale dell Obesità da Deurenberg e collaboratori nell articolo "Formule specifiche per sesso ed età per stimare la composizione corporea dall impedenza bioelettrica (Int J Obes :17-25) L equazione proposta dall Autore e la seguente: Massa Magra = x (Altezza x Altezza)/Resistenza + 15,34 x Altezza- 0,273 x Peso 0,127 x Età + 4,56 per Sesso 12,44. Ebbene, questa formula se viene applicata a un cinquantenne maschio alto 175 centimetri, la sola altezza produce una stima di ben 26, 845 Kg di massa magra, (175 x 1,54) che successivamente viene ridotta di ben 6,35 chili grazie dall inclusione dell età (50 x 0,127).

8 Inoltre aggiunge 4.56 costanti chili grazie al sesso (che si spera non cambi) e toglie sempre e costantemente a tutti chili, grazie all introduzione di una costante. La pretesa di ottenere in tal modo una qualche sensibilità nei confronti delle variazioni di Massa Magra entro l anno è velleitaria, se diamo per certo che entro l anno il cinquantenne in esame avrà sempre la stessa età, lo stesso sesso e la stessa altezza Nel campo della specificità, l inclusione del peso nella formula non può che essere deleteria, in quanto se il peso fosse un dato specifico, basterebbe la sola bilancia. In realtà il peso può variare in uno o più compartimenti ed in modo del tutto indipendente. La Bioimpedenza La BIA si è sviluppata nell'ambiente dei nutrizionisti che hanno ottenuto risultati molto interessanti nell'analisi della composizione corporea dell'adulto sano o, comunque con idratazione normale e costante. Tutti questi risultati, senza eccezione, non sono applicabili al paziente che semplicemente non ha mai un'idratazione normale e costante. Molti nefrologi, peraltro, nella pratica clinica e in letteratura, hanno utilizzato la BIA convenzionale anche nell'uremico in dialisi, ottenendo risultati contrastanti, la cui accuratezza dipendeva dall'idratazione dei gruppi di pazienti studiati. Tutti i metodi d analisi della composizione corporea, inclusa la BIA convenzionale, mirano a quantificare i compartimenti in condizioni fisiologiche e patologiche. La quantificazione dei compartimenti in unità di massa (Kg) o di volume (L) quando sia vincolata ad assunzioni di struttura o di funzioni dei compartimenti stessi, può risultare accurata soltanto in condizioni fisiologiche di stato stazionario, e pertanto poco utile al clinico. Esclusi i metodi multicompartimentali basati sull'attivazione neutronica [1], improponibili nella pratica clinica, tutti i metodi attuali d analisi, inclusi i comuni metodi di riferimento degli studi di composizione corporea, come la diluizione isotopica, l'idrodensitometria e la densitometria (dual energy X-ray absorptiometry, DXA) sono accurati solo se l'idratazione è normale, uniforme e costante. I fluidi del corpo umano sono ripartiti in acqua corporea totale (total body water, TBW), distribuita nei compartimenti intracellulare (LIC) ed extracellulare (LEC), questo a sua volta suddiviso in intravascolare ed interstiziale. Ad eccezione dello spazio intravascolare e d eventuali raccolte patologiche, i fluidi non sono liberi ma legati e distribuiti nella struttura della massa corporea. La massa corporea può essere pensata in termini di un modello bicompartimentale, come massa grassa (fat mass, FM) e massa senza grasso (fat-free mass, FFM). Gran parte delle applicazioni della BIA convenzionale sono basate sul modello bicompartimentale. La massa senza grasso può essere ulteriormente ripartita in massa magra (lean body mass) e contenuto minerale osseo, ottenendo un modello tricompartimentale della massa corporea, impiegato nelle analisi DXA a corpo intero. La BIA convenzionale consente di ottenere stime accurate di TBW, FFM e FM nell'adulto sano, con coefficienti di correlazione sempre prossimi a 1 (r > 0.95) e un errore

9 di stima dell'ordine di 3-4 Kg [3,6-14]. La quantificazione della TBW in L o Kg è ottenuta dal rapporto fra statura (H) al quadrato e R (indice d impedenza, H 2 /Z o di resistenza H 2 /R) al quale sono aggiunte altre variabili per aumentare l'accuratezza della regressione. Molti stimano la TBW e da questa calcolano la FFM= TBW/0.73. Spesso non si conoscono le formule utilizzate nei software del commercio. Purtroppo, qualsiasi condizione associata ad idratazione della FFM differente dal 73% (TBW= 0.73 x FFM) introduce una distorsione nelle stime di questi compartimenti, con imprevedibile propagazione dell'errore anche nei metodi di riferimento. Esempi: la DXA evidenziava una riduzione post-hd non solo della massa magra anche della densità ossea (0.6%). La BIA convenzionale forniva stime "peggiori" della DXA e le pliche cutanee erano ridotte del 5%. Con la DXA in HD (6 mesi) si determinava un aumento di FM di 2.1 Kg, un calo di massa magra di 1.2 Kg, a fronte di un aumento di peso del paziente di 0.96 Kg (e ipotensione). Pertanto, a parità d accuratezza della misura della proprietà bioelettrica impedenza (errore dello strumento analizzatore), le stime dei compartimenti di un soggetto che non sia adulto sano, saranno tanto meno accurate quanto più la realtà clinica si discosterà dalle assunzioni standard (es. edema, disidratazione, cachessia, e obesità a qualsiasi età, ma anche crescita normale del neonato e del lattante). Quest errore delle stime dei compartimenti non è quantificabile, perché anche i metodi di riferimento della composizione corporea assumono l'idratazione costante, né prevedibile. L'inutilità clinica delle stime dei compartimenti fornite dalla BIA convenzionale con formule è dimostrata. La distorsione (bias) fra formule differenti aumenta sia per TBW sia per FFM, e quindi per FM, negli obesi e negli edematosi. Ma anche nei soggetti sani la variabilità è eccessiva per sostenere un ragionevole uso clinico. Questo fenomeno è dovuto alla differente posizione del vettore sul piano R-Xc L'errore dell'utente può essere evitato facendo buon uso delle misure dirette d impedenza fornite dal pletismografo analizzatore. IMPEDENZIOMETRIA A MULTIFREQUENZA Teoricamente una corrente alternata a bassa frequenza (< 5 Khz) dovrebbe circolare solo nei fluidi extracellulari, mentre una corrente a frequenza elevata (> 500 Khz) dovrebbe attraversare anche tutte le cellule contenenti soluzioni elettrolitiche. Tuttavia la frequenza standard a 50 Khz presenta delle proprietà ottimali, attraversando la maggior parte delle cellule e generando un vettore d impedenza con angolo di fase massimo nello spettro di frequenze da 5 a 1000 Khz (rapporto massimale segnale/rumore). Va subito chiarito che la tecnica a multifrequenza deve essere discriminata fra spettroscopica (Hanai, Cole-Cole, Fricke) e non (misurazione del modulo (Z) a varie frequenze), giacché quest ultima è una tecnica datata [Thommaset 1963], che limitandosi

10 a misurare il modulo (Z) a frequenze che in genere vanno da 5Khz a 500 Khz, cerca di discriminare l ECW con il rapporto alta/bassa frequenza (in genere 100khz/5Khz). Multifrequenza non spettroscopica Per discriminare fra totale ed extracellulare usa il rapporto Zl/Zh ossia il risultato della divisione dei valori di Z ottenuti a frequenza bassa (tipicamente 5Khz) e frequenza alta (tipicamente 100Khz). Quest approccio non ha dato risultati clinicamente utili, anche se commercialmente alcuni produttori la gabellano come innovativa e valida. Infine, la misura dell'impedenza alle frequenze elevate rappresenta un problema tecnico, che in qualche analizzatore si traduce in instabilità delle misure. Questo comporta una propagazione dell'errore nelle formule di regressione, annullando eventuali vantaggi dell'analisi dei compartimenti LEC e LIC. La multifrequenza ha avuto un momento di successo commerciale legato alla novità, e alle robuste campagne pubblicitarie, ma una volta messa alla prova clinica, ha dimostrato la sua inadeguatezza. Se si considera che la valutazione dell assetto nutrizionale con impedenziometria è basato sopratutto sulla stima della Massa Cellulare (BCM), non si riscontra ad oggi l esistenza letteratura specifica di validazione per la tecnica multifrequenza per la BCM, per la quale sono usate equazioni che sono specifiche della BIA Akern/RJL Systems, ossia BIA tradizionale del tipo sensibile alla fase, a 50Khz. SPETTROSCOPIA Ad IMPEDENZA In teoria, e in cellule sospese in soluzione, la stima dei volumi del LEC si otterrebbe dalla R a frequenza 0 e la stima della TBW dalla R a frequenza infinita, e la stima del LIC dalla differenza. Con la spettroscopia ad impedenza e quindi con strumenti sensibili alla fase a tutte le frequenze, applicando la trasformata di Cole-Cole si ottiene i valori di R teorici a frequenza 0 e i valori di R teorici a frequenza infinita, usando come modello bioelettrico il modello Fricke o Hanai che sono modelli in vitro. In realtà nei tessuti, il percorso della corrente è più complesso. Contrariamente al modello in vitro, una corrente a bassa frequenza attraversa fibre muscolari sulle quali l'impatto sia avvenuto con direzione parallela. Peraltro, studi clinici comparati hanno sempre dimostrato una correlazione elevata fra le misure sia di R sia di Xc ottenute a 50 khz con quelle ottenute alle frequenze elevate. L analisi bioimpedenziometrica con Resistenza e Reattanza ad oggi è la sola tecnica a modello tricompartimentale eseguibile in qualsiasi momento ed a costi molto contenuti. E tuttavia indispensabile differenziare le semplici misure impedenziometriche dall analisi delle biompedenze. Con l impedenziometria si ottiene un solo valore, i sensori sono tecnicamente semplici e ricavano il valore globale dell impedenza. Questo approccio è di tipo bicompartimentale, con tutte le limitazioni già evidenziate. L analisi della bioimpedenza è eseguibile solo con strumenti più complessi, in grado di analizzare i vettori che compongono l impedenza corporea distinguendo direttamente la componente resistiva da quella reattiva. I primi strumenti BIA sono stati realizzati dalla RJL Systems

11 Inc.-Detroit,Michigan (1979) su specifica del Prof. Jan Nyboer, professore emerito della Wayne State University, universalmente riconosciuto come il maggiore esperto di bioimpedenze nel mondo e autore della famosa equazione che porta il suo nome. Dal punto di vista impedenziometrico, il corpo umano è semplicisticamente assimilabile a un sistema formato da tanti conduttori paralleli di natura diversa, ciascuno dei quali oppone, al passaggio di una corrente alternata, valori di impedenza molto diversi. Uno schema molto semplice potrebbe essere il seguente: Conduttori Paralleli In un simile sistema la corrente circola prevalentemente nel sangue e nella massa magra in quanto la differenza di conduttività degli altri conduttori (scheletro, grasso etc.) è significativa. La corrente elettrica è quindi un marcatore della Massa Magra, il cui micromodello aiuta a comprenderne le modalità di flusso al suo interno. Schematicamente è possibile raffigurare la Massa Magra come un complesso di cellule circondate dai fluidi extra cellulari, come da figura seguente: Una corrente alternata ad alta frequenza applicata a questo sistema attraverserà due vie di diversa natura: la via extracellulare, solo resistiva che non rallenta il flusso (ossia non la sfasa) e la via intracellulare le cui membrane cellulari, comportandosi come dei piccoli condensatori ne rallentano il passaggio, sfasandola. La corrente che attraversa i fluidi é la Resistenza mentre quella che attraversa le membrane cellulari é la componente Reattanza. Avendo a disposizione la Resistenza (Rz) e la Reattanza (Xc), è possibile ricavare le proporzioni intra ed extra cellulari. Come eseguire analisi qualitative con le bioimpedenze? La corrente si distribuisce sia negli spazi extra cellulari che in quelli intra cellulari con diverse modalità. Analizzando il comportamento della corrente in tessuti sani e in tessuti patologici, è stato possibile realizzare indici di normalità bioelettrica non legati ad alcun altro parametro (11). L indice bioelettrico più immediato è l Angolo di Fase (PA=Phase Angle) che è la proporzione fra la Resistenza (Rz) e la Reattanza (Xc); per esprimerlo in valori angolari viene usata la seguente formula: PA= Atn (Xc / Rz) x 180 / Gli angoli di fase dei soggetti normali oscillano fra 6 e 8 gradi (valori medi di riferimento). L angolo di fase è risultato essere il miglior singolo predittore di sopravvivenza in soggetti nefropatici, pazienti HIV, e malati tumorali. ( ) La ricerca su popolazioni numericamente significative ha portato alla realizzazione di nomogrammi basati sulle sole misure bioelettriche, quali il Grafo RXc, utilissimo per identificare la normoidratazione (6) o il Biagram (16,17) in grado di evidenziare la

12 proporzione ECM/BCM, Opportune equazioni se applicate quando i soggetti risultano normali sul Grafo RXc e sul Biagram, possono stimare con sufficiente precisione la quantità dei fluidi corporei, delle masse intra ed extra cellulari, quindi la quantità di Massa Magra e per differenza dal peso corporeo anche la quantità di Massa Grassa. L analisi delle bioimpedenze oltre ad essere un sistema in grado di identificare lo stato di idratazione è anche un metodo qualitativo, utilizzabile in patologia. Tuttavia, dal momento che in tutte le formule di stima viene sempre associato il peso come parametro copredittore, qualsiasi variazione ponderale influenza il risulato del calcolo, anche se il compartimento calcolato non ha subito variazione alcuna. Da qui la necessità di misurare direttamente senza calcoli associativi influenzabili dalle variazioni di peso. Una evoluzione della tecnica BIA ha portato alla realizzazione di un nuovo analizzatore bioelettrico (STA=soft tissue analyzer) che senza conoscere peso, altezza o qualsiasi altro parametro antropometrico, determina la Massa Cellulare in chilogrammi, il contenuto percentuale di acqua extracellulare e stima il metabolismo basale, permettendo così valutazioni nutrizionali e analisi anche in situazioni critiche ove il peso e l altezza del paziente non sono agevoli da ottenere. Una proposta concreta: le misure così come vengono. Al pari di un termometro che misura la temperatura sappiamo che la diffusione della corrente nei tessuti, avviene in due modalità: resistiva e reattiva, entità ben misurabili con strumenti idonei. E nata cosi l analisi bioelettrica VETTORIALE, ossia il nomogramma BiaVector messo a punto, pubblicato e validato dal Prof. Antonio Piccoli e collaboratori e numerosi altri Ricercatori. Il metodo si sta imponendo come affidabile, sensibile, specifico e ripetitivo nel captare le variazioni idriche. Basi razionali del BiaVector (Piccoli ) L'impedenza bioelettrica è una proprietà misurabile dovuta alla conduzione ionica dei tessuti, in altre parole dell'idratazione dei tessuti. La corrente alternata a intensità e frequenza (50 khz) costanti iniettata sulla cute da elettrodi-cerotto attraversa le soluzioni elettrolitiche del liquido extra cellulare (LEC) e del liquido intra cellulare (LIC) di tutti i tessuti, esclusi grasso e osso, generando un Vettore impedenza Z, espresso in Ohm. Le membrane cellulari e le interfacce dei tessuti sfasano la conduzione di corrente (angolo di fase fra tensione e corrente del vettore Z) generando la componente capacitiva di Z, ovvero Xc Il Vettore Z può essere rappresentato in coordinate polari con modulo e angolo di fase, oppure nelle usuali coordinate rettangolari Z= (R, Xc), ovvero Z= R + j Xc, con le due componenti Resistenza (R, dipendente dalle soluzioni LIC+LEC attraversate) e Reattanza (Xc, dipendente da membrane e interfacce attraversate). La rappresentazione rettangolare (R, Xc) con R in ascisse e Xc in ordinate fornisce oltre al modulo Z 2= R 2 + Xc 2 anche l'angolo di fase come arcotangente di Xc/R.

13 La BIA quindi può riconoscere e misurare specificamente solo il compartimento conduttore dei tessuti, compartimento espresso come valore di R dalle soluzioni elettrolitiche intra ed extracellulari, e come valore di Xc dall'insieme delle membrane cellulari del compartimento stesso. L'estensione ad altri compartimenti è stata una forzatura, con ottima tenuta statistica di correlazione nell'adulto normale, ma catastrofica nel patologico. Analisi vettoriale con il BiaVector Le limitazioni insite nelle assunzioni della BIA convenzionale possono essere superate seguendo un approccio fenomenologico basato sull'analisi vettoriale delle misure dirette R e Xc fornite dal pletismografo, in assenza di vincoli a modelli compartimentali o assunzioni sull'idratazione. Il metodo denominato Grafo Resistenza-Reattanza (BiaVector) confronta il vettore misurato in un individuo con l'intervallo di riferimento della popolazione normale, di forma ellissoidale, espresso in percentili della distribuzione normale (gaussiana) bivariata. Un grafo è una rappresentazione grafica quantitativa di relazioni complesse fra variabili, non riducibili a rappresentazioni grafiche semplici, come una distribuzione di frequenza (istogramma), una correlazione fra due variabili (diagramma di dispersione), o un sistema dinamico di regolazione (diagramma a blocchi). Il metodo del BiaVector può essere classificato come metodo di analisi di composizione corporea basato su una proprietà elettrica (conduzione ionica dei tessuti) descritta dalla più semplice funzione statistica di tipo I, ovvero la deviazione standard bivariata delle proprietà elettriche misurate (property-based method, type I function). Nell'adulto le due componenti R e Xc del vettore impedenza Z sono correlate significativamente sia nel soggetto normale che nel patologico, perfino nelle misure segmentarie di impedenza, con coefficiente di correlazione simile nei maschi e nelle femmine. Pertanto ogni variazione, fisiologica o patologica, di R o di Xc è tendenzialmente associata ad una variazione proporzionale dell'altra componente. La correlazione fra R e Xc, la stessa fra R/H e Xc/H, determina la forma ellissoidale delle distribuzioni di probabilità bivariate (intervalli di confidenza e tolleranza). Se la correlazione fra le componenti non fosse nulla, le ellissi di probabilità diventerebbero cerchi. Siccome l'opposizione al passaggio della corrente dipende anche dalla lunghezza del conduttore (Z= Impedività x Lunghezza / Area di sezione del conduttore), si può ottenere una standardizzazione fra individui (conduttori) di lunghezza diversa dividendo il vettore Z per la statura, ovvero, in coordinate rettangolari Z/H= (R/H, Xc/H) o Z/H= R/H + j Xc/H. Si ottiene così un'espressione per l'impedenza in Ohm/m con le dimensioni di Impedività/Area di sezione, grandezza indipendente dalla lunghezza del conduttore e che rappresenta sul Grafo RXc l'opposizione alla conduzione ionica di un individuo rispetto alla variabilità della popolazione di riferimento. Questa trasformazione di vettore bivariato è valida anche per le variabili casuali complesse (com'è Z, di cui R è rappresenta la parte reale e Xc la parte immaginaria), ed è invariante per la forma delle ellissi, le probabilità associate e l'angolo di fase.

14 L'elevata variabilità (biologica) della composizione corporea, fra sessi, fra individui dello stesso genere, e nello stesso individuo in tempi diversi, può essere rappresentata statisticamente sfruttando la distribuzione gaussiana (normale) bivariata del vettore impedenza. Il vettore Z misurato nel soggetto "medio" di riferimento può pertanto essere rappresentato al centro di ellissi di probabilità (ellissi di isodensità di probabilità, sezioni parallele al piano RXc della classica campana gaussiana), dette ellissi di tolleranza, la cui area (percentile) fornisce la probabilità di contenere un punto (vettore) del piano. La distribuzione normale bivariata del vettore impedenza nella popolazione sana, con tre percentili di riferimento (ellissi di tolleranza al 50%, 75% e 95%) e specifica per genere, è nota per la popolazione adulta italiana (726 soggetti, anni, BMI 17-31). Il metodo consente la rappresentazione del vettore sia di gruppi che di individui. Sono calcolati intervalli di confidenza al 95% per i vettori medi e intervalli di tolleranza per singoli vettori. Un vettore medio di un gruppo di soggetti viene rappresentato come freccia al centro dell'ellisse di confidenza al 95%. Se due ellissi di confidenza al 95% non s intersecano, i due vettori medi differiscono significativamente (P < 0.05) per lunghezza, per angolo di fase o per entrambi. Il test T 2 di Hotelling è il test statistico inferenziale equivalente. Un vettore individuale, unica determinazione su un soggetto viene rappresentata da un punto sulle ellissi di tolleranza della popolazione di riferimento. Una proprietà importante del metodo è di operare indipendentemente dalla conoscenza del peso corporeo, misura che in situazioni cliniche particolari (es. paziente a postura obbligata o in unità di terapia intensiva) non è disponibile. Il metodo ovviamente richiede le misure esplicite delle due componenti R e Xc, che gli analizzatori di impedenza RJL-Akern (RJL Systems, Clinton Twp, MI, USA e Akern Srl Firenze) riescono a fornire con grande stabilità di misura anche fra strumenti di diversa generazione. Altri analizzatori in commercio o non rilevano direttamente e separatamente R e Xc, e pertanto non consentono l'applicazione del metodo del BiaVector o lo rilevano fornendo valori diversi e quindi non possono utilizzare il nomogramma BiaVector, pena errori di interpretazione. Il metodo potrebbe anche garantire un'applicazione corretta delle formule di regressione della BIA convenzionale, formule utilizzate nei software degli apparecchi per BIA. Più il vettore di un soggetto cade vicino al centro della distribuzione (dentro all'ellisse di tolleranza al 50%), più dovrebbe esser elevata l'accuratezza delle formule di regressione convenzionali (validate su soggetti normali) per la stima dei volumi (TBW, in L) e delle masse (FFM e FM, in Kg). E' verosimile che l'accuratezza si mantenga soddisfacente entro l'ellisse di tolleranza al 75%.

15 Riassumendo: è bene evitare l uso di formule empiriche basate su assunzioni non sempre riscontrabili, ma misure dirette: un termometro o uno sfigmomanometro non richiedono elaborazioni in associazione al peso, sesso età altezza per scoprire un ipertensione o uno stato febbrile Il metodo BiaVector non richiede associazioni né calcoli per identificare situazioni di scompenso idroelettrolitico che richiedono attenzioni prioritarie rispetto al contenuto di massa grassa: un obeso può essere scompensato così come uno scompensato può non essere obeso. Bibliografia 1-LEAN BODY MASS ESTIMATION BY BIOELECTRICAL IMPEDANCE ANALYSIS: A FOUR SITE CROSS-VALIDATION STUDY K.R. SEGAL - M. VAN LOAN - P. FITZGERALD - J.A. HODGDON- T.B. VAN ITALLIE (Dept. of Pediatric Cardiology - School of Medicine N.Y.W. Human Research Center S. Francisco) American Journ.Clin. Nutrition 1988; 47: WITHIN-DAY VARIATIONS OF BIOELECTRICAL RESISTANCE MEASUREMENTS IN PATIENTS WITH CHRONIC OBSTRUCTIVE PULMONARY DISEASE A. Schols - A. Dingemans - P. Soeters - E. Wouters (Dep of Pulmonary Disease and Surgery Un. of Limburg and Asthma Centre - The Netherlands) Clinical Nutrition (1990) 9: PREDICTION OF BODY WATER AND FAT IN ADULT DANES FROM MEASUREMENT OF ELECTRICAL IMPEDANCE : A VALIDATION STUDY B. L. Heitmann - (Dep of Human Nutrition Copenhagen - Denmark) International Journal of Obesity (1990) 14: IS THE IMPEDANCE INDEX (HT2/R) SIGNIFICANT IN PREDICTING TOTAL BODY WATER? Robert F. Kushner, Dale A. Schoeller, Carla R. Fjeld and Lynn Danford (Clin. Nutr. Research Unit, Univ. of Chicago and Washington Univ. School of Medicine) Am. J. Clinical Nutrition 1992; 56: EARLY CHANGES OF BODY COMPOSITION IN HUMAN IMMUNODEFICIENCY IN VIRUS-INFECTED PATIENTS: TETRAPOLAR BODY IMPEDANCE ANALYSIS INDICATES SIGNIFICANT MALNUTRITION M. Lemcke, H. Fischer, R. Jager, H. Polat, H. Geier, M. Rech, S. Staszeswski, E. Helm, W. Caspary (Div. of Gastroenterology - Dep. of Medicine, Univ. Wolfgang Goethe - Frankfurt Germany) Am. Jour. Clin. Nutr. 1993, 57: A NEW METHOD FOR MONITORING BODY FLUID VARIATION BY BIOIMPEDANCE ANALYSIS: THE RXc GRAPH A. Piccoli, B. Rossi, L. Pillon, G. Bucciante (Institute of Internal Medicine, Division of nephrology, and Clinical Nutrition Unit, University of Padova) Kidney International, Vol. 46 (1994), pp ) 7-NUTRITIONAL AND PROGNOSTIC CORRELATES OF BIOIMPEDANCE INDEXES IN HEMODIALYSIS PATIENTS Q. Maggiore, S. Nigrelli, C. Ciccarelli, C. Grimaldi, G. A. Rossi, C. Michelassi KIDNEY INTERNATIONAL, VOL 50 (1966), pp VALIDATION OF THE MEASUREMENT OF BODY COMPOSITION FROM WHOLE BODY BIOELECTRIC IMPEDANCE H.M. Shizgal (Dep of Surgery - Royal Hospital and Mc Gill Univ. Montreal Canada) Infusionstherapie 1990:17 (suppl. 3): ACCURANCY OF BIOELECTRICAL IMPEDANCE ANALYSIS IN ESTIMATION OF EXTRACELLULAR SPACE IN HEALTHY SUBJECTS AND IN FLUID RETENTION STATES G. Sergi, M. Bussolotto, P. Perini,I. Calliari, V. Giantin, A. Ceccon, F. Scanferla, M. Bressan, G. Moschini, G. Enzi- Ann. Nutr. Metab. 1994:38: BIOELECTRICAL IMPEDANCE ANALYSIS AS A PREDICTOR OF SURVIVAL IN PATIENTS WITH HUMAN IMMUNODEFICIENCY VIRUS INFECTION M. Ott, H.Fisher, H. Polat, E.B. Helm, M. Frenz,W.F. Caspary, B. Lembcke. Journal of Acquired Immune Deficiency Syndromes and Human Retrovirology 9: Raven Press.

16 11-BIOIMPEDANCE ANALYSIS (BIA) IN HEMODIALYSIS: TECHNICAL ASPECTS A. Talluri, G. Maggia - The International Journal of Artificial Organs / Vol. 18 / No. 11, 1995/ pp NUTRITIONAL ASSESSMENT WITH BIOELECTRICAL IMPEDANCE ANALYSIS IN MAINTENANCE HAEMODIALYSIS PATIENTS G.M. Chertow, E.G. Lowrie, D.W. Wilmore, J.Gonzalez, N.L Lew, J. Ling, M.S. leboff, M.N. Gottlieb, W.Huang, B. Zebrowski, J.Collge, J.M. Lazarys- Journal of the American Society of Nephrology, 1955;6: PREDICTION OF BODY CELL MASS, FAT-FREE MASS AND TOTAL BODY WATER WITH BIOELECTRICAL IMPEDANCE ANALYSIS: EFFECTS OF RACE, SEX AND DISEASE D. P. Kotler, S. Burastero, J. Wang, R. N. Pierson Jr. - Am. J. Clin. Nutr. 1996;64(suppl.): 489S-97S 14-INTRA/EXTRA CELLULAR FAT FREE MASS SPACES DEFINED BY BIOELECTRICAL REACTANCE AND PHASE ANGLE. T. Talluri, A. Evangelisti, R. J. Liedtke - IX International Conference on Electrical Bio-Impedance; Heidelberg - Germany, September VALIDAZIONE CLINICA DELLA IMPEDENZOMETRIA BIOELETTRICA (BIA) NEL PAZIENTE ONCOLOGICO MALNUTRITO S.G.Sukkar, A. Giacosa,F.Frascio RINPE Vol 11 n 2 pp Wichting QUALITATIVE HUMAN BODY COMPOSITION ANALYSIS ASSESSED WITH BIOELECTRICAL IMPEDANCE T. Talluri et al. Journal of Collegium Antropologicum / NORMS AND CORRELATES OF BIOIMPEDANCE PHASE ANGLE IN HEALTHY HUMAN SUBJECTS, HOSPITALIZED PATIENTS, AND PATIENTS WITH LIVER CIRRHOSIS. Oliver Selberg Æ Daniela Selberg Eur J Appl Physiol (2002)86: DOI /s L&B Srl Centro Direzionale Verona EST Tel Internet:

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