Capitolo 3 Principi Fisico-Chimici dell EMODIALISI Lo scopo dell emodialisi periodica è la sostituzione delle funzioni di escrezione e di regolazione idroelettrolitica dei reni con notevoli problemi di funzionamento. Essa raggiunge questo obiettivo mediante lo scambio periodico di acqua e soluti, attraverso una membrana semipermeabile, fra il plasma del paziente ed una soluzione dializzante a composizione analoga a quella dello spazio extracellulare normale. La creazione di un gradiente di pressione idrostatica fra il sangue del paziente ed il bagno di dialisi permette inoltre la sottrazione, per mezzo dell ultrafiltrazione, della quantità di acqua e sale accumulata nell intervallo interdialitico[3]. 3.1 Struttura del dializzatore Il dializzatore è il dispositivo che consente lo scambio fra sangue e bagno di dialisi. Schematicamente, esso è composto da una membrana semipermeabile che separa due compartimenti nei quali circolano, rispettivamente, il sangue del paziente ed il bagno di dialisi (fig 3.1). I simboli Qs e Qd (ml/min) indicano il flusso di sangue e del bagno di dialisi, Cs e Cd (mol/ml in particolare micron[ µ ] moli) le concentrazioni corrispondenti, gli indici e ed u l entrata e l uscita dal dializzatore. La quantità di soluti scambiati viene calcolata secondo la legge del trasporto di massa attraverso le membrane semipermeabili. Il trasporto di massa di un soluto viene definito come la quantità di questo che passa dal sangue al bagno di dialisi ( o dal bagno di dialisi verso il sangue) nell unità di tempo. La direzione dello scambio è regolata dalle concentrazioni rispettive dei soluti e dalle condizioni di pressione esistenti da una parte e dall altra della membrana (Tavola 3). La quantità di soluto estratto dal sangue in un determinato tempo ( indicata con N [ µ mol/min] ) può essere espresso come differenza fra la quantità di questo soluto all entrata del dializzatore (Cse * Qse) e quella ritrovata all uscita ( Csu * Qsu ), ovvero: N= ( Cse * Qse )-( Csu * Qsu ) [ µ mol/min] La quantità di soluto estratto dal sangue deve necessariamente essere uguale a quella che compare nel bagno di dialisi nello stesso momento, cioè: N = ( Qdu * Cdu ) (Qde * Cde ) [ µ mol/min] Queste formule vengono utilizzate per valutare le prestazioni dei vari dializzatori. I trasporti di massa attraverso le membrane semipermeabili comprendono 2 meccanismi fondamentali: La diffusione ( o trasporto per conduzione) e l ultrafiltrazione ( o trasporto per convezione) [3].
Fig. 3.1 Schema di un dializzatore Tavola 3 Trasporto per diffusione (o conduzione)
3.2 Il Concetto di diffusione e Gradiente di concentrazione La direzione del passaggio di particelle attraverso il canale dipende non solo dalle dimensioni delle particelle ma anche dalle concentrazione dei gradienti. Un gradiente di concentrazione esiste quando una soluzione concentrata è in contatto con una soluzione con concentrazione inferiore. Quando le soluzioni sono a contatto le particelle possono fluire tra le 2 soluzioni (o tra 2 regioni della stessa soluzione), il concetto è noto come diffusione. Diffusione è un termine usato per descrivere 2 sostanze differenti che sono poste in contatto. Le sostanze possono essere allo stato solido, liquido o gassoso. Diffusione è la migrazione casuale di queste diverse particelle. Le particelle si muovono casualmente, ma esiste un flusso (net flow) dalla soluzione più concentrata alla soluzione meno concentrata. Quando in numero di particelle nella soluzione a più alta concentrazione diminuisce e il numero di particelle nell altra soluzione aumenta, la differenza di concentrazione tra le due soluzione diminuisce. Quindi il gradiente di concentrazione decresce. Quando la differenza delle concentrazione è più grande, le concentrazioni delle soluzioni cambiano più rapidamente. Questo processo diffusivo continua finché le 2 concentrazioni non diventano uguali. Questo stato è noto come condizione di equilibrio. Quando le 2 soluzioni sono in equilibrio dinamico, le particelle continuano a muoversi nelle soluzioni, ma non c è la presenza di un net flow e le concentrazioni non variano (fig. 3.2)[3,7]. Fig. 3.2 Diffusione La figura 3.2 mostra con la linea blue la soluzione A e la linea color Magenta la soluzione B. Essa mostra il cambio di concentrazione quando le 2 soluzioni sono messe a contatto tramite una membrana semipermeabile. Dopo un certo intervallo di tempo le le 2 concentrazioni diventano uguali e si ottiene un equilibrio dinamico. Nei sistemi biologici come il Rene, le 2 soluzioni sono spesso separate da una membrana. I canali di proteine nelle membrane permettono alle particelle di attraversare le membrane utilizzando il concetto di gradiente di concentrazione, fino all equilibrio dinamico. Qualche volta questi canali possono essere chiusi,così che le particelle non possono attraversare la membrana perfino se c è una forte concentrazione di gradiente. In altri casi le proteine fungono da pompa, e usando energia
muovono le particelle contro il gradiente di concentrazione (a volte la soluzione più concentrata aumenta la sua concentrazione ulteriormente) [6]. Come riescono i Reni a filtrare il sangue per rimuovere le particelle necessarie? Ogni componente del neurone contiene specializzate membrane semipermeabili che filtrano le molecole e mantengono regolata la concentrazione del gradiente. La selettività della membrana lavora contemporaneamente alla concentrazione di gradienti per permettere al rene di svolgere le sue funzioni di dialisi. Le sostanze quali i lipidi possono facilmente passare attraverso la membrana, e così queste sostanze tendono a essere riassorbite rapidamente dentro al sangue. Questo può essere un problema, perché molte tossine come ad esempio il DDT che sono in parte lipidi,possono essere riassorbiti nel sangue. Quindi è difficili rimuovere queste tossine[3]. La maggior parte dei componenti del sangue, sono polari o ioni e quindi richiedono canali di proteine per attraversare la membrana. I canali nei nefroni sono specializzati per permettere solo il passaggio di particolari tipi di particelle, basati sulla forma, interazioni di carica con gli ammino acidi. l numero e la regolazione di questi canali specializzati permette ai reni di controllare la quantità di ogni specie polare nel sangue. Le sostanze dannose vengono riassorbite solo parzialmente, così che una grande quantità di sostanze rimane nel tubulo e quindi rimossa dal corpo con le urine. Invece, le componenti del plasma, come acqua, nutrienti, e ioni inorganici sono riassorbite completamente o quasi[6]. 3.2.1 Trasporto per diffusione (o conduzione) Il trasporto per diffusione è un trasferimento passivo di soluti attraverso la membrana,senza passaggio di solvente. Il concetto della diffusione di basa sulla legge di FicK: Il flusso J di particelle attraverso una sezione (definito come il numero di particelle per unità di superficie e di tempo) è proporzionale alla differenza di concentrazione C a cavallo della sezione presa in esame: J = - D C [ml/min] Dove D è il coefficiente di diffusione netta. La quantità di soluto che attraversa una membrana per diffusione (Nd) dipende, per un dato soluto da 3 fattori: Nd = Ko * A * CM [ µ mol/min] 3.2.2 Il gradiente medio di concentrazione Il gradiente medio di concentrazione del soluto da una parte e dall altra della membrana ( CM ) : per raggiungere il massimo scambio, deve essere quanto più possibile elevato. Questa condizione viene realizzata quando il bagno di dialisi è privo del soluto considerato. Ciò avviene quando si utilizzi un bagno di dialisi in passo singolo che circola in senso opposto rispetto al sangue[3]. 2 3.2.4 La superficie efficace di dialisi (A [ m ]) Si tratta della porzione di superficie della membrana che partecipa effettivamente allo scambio per diffusione: essa può essere aumentata sopprimendo le zone morte che sfuggono al flusso sanguineo,migliorando la geometria costruttiva dei dializzatori. D altra parte è possibile utilizzare contemporaneamente diversi dializzatori montati in parallelo, o dializzatori con membrane di ampie superfici: in questo caso il fattore limitante è rappresentato dal volume di sangue contenuto nella circolazione extracorpora. Questo non deve superare il limite di tollerabilità per il paziente che è pari a circa 300 ml[3].
3.2.5 Il Coefficiente di permeabilità globale del dializzatore (Ko [ cm/min]) Condiziona il trasferimento di massa di un soluto attraverso un dato dializzatore.in effetti,per passare dal sangue al bagno di dialisi, ogni molecola di soluto che deve essere eliminato deve diffondere successivamente attraverso il sangue, la membrana di dialisi ed il bagno. La resistenza opposta al passaggio può essere rappresentata rispettivamente da Rs, RM ed Rd (Tavola 3). La resistenza globale Ro è la somma delle singole resistenze cioè: Ro =Rs + RM + Rd [min/cm] Il coefficiente globale di permeabilità Ko è l inverso della resistenza Ro: Ko = 1/Ro Per aumentare il trasporto diffusivo è necessario ridurre,per quanto possibile, la resistenza di ciascuno dei tre compartimenti: Rs può essere diminuito riducendo lo spessore effettivo dello strato di sangue. Questo, che raggiungeva i 400 µ nei primi dializzatori a piastre, è stato poi ridotto a 150 µ negli attuali dializzatori a piastre mediante miglioramento delle strutture di sostegno ed a 100 µ nei dializzatori capillari[3]. Rd può essere ridotto aumentando il flusso del bagno di dialisi, ciò favorisce il lavaggio degli strati di bagno a contatto con la membrana. Questo flusso che è variabile da 0,5 a 1 l/min nei dializzatori a piastre capillari o capillari, può raggiungere i 30 l/min in alcuni dializzatori a bobina con ricircolazione di bagno[1]. RM può essere ridotto,per una membrana di una data composizione chimica, mediante riduzione del suo spessore; in questo caso il fattore limitante è la resistenza meccanica della membrana stessa [3]. Quindi lo scambio per diffusione varia sensibilmente da una soluzione all altra: esso è più elevato quanto più piccolo è il peso molecolare del soluto e quanto minore è la sua frazione legata alle proteine. Inoltre nell ambito della resistenza globale, la quota spettante alla resistenza di membrana (RM) al passaggio delle piccole molecole è scarsa per i soluti di piccolo PM, mentre essa è preponderante per i soluti di PM medio ed elevato[3]. 3.3 Trasporto per ultrafiltrazione o per convezione Il trasporto per convezione è un trasporto contemporaneo, attraverso la membrana,del solvente e di una parte delle sostanze in esso disciolte. Il principio dell ultrafiltrazione è spiegato nella Tavola 4
Tavola 4 Principio dell ultrafiltrazione Il trasporto per ultrafiltrazione (NuF) dipende da 3 fattori: NuF = T * Qf * Cs [ µ mol/min] 3.3.1 Il coefficiente di setacciamento o coefficiente di trasmittanza Il coefficiente di trasmittanza della membrana per il soluto considerato (T) è definito dal rapporto fra la concentrazione del soluto nell ultrafiltrato e la sua concentrazione nello stesso momento nel plasma (UF/P). Per i soluti di piccolo PM T=1, qualunque sia la natura della membrana. Aumentando il PM [daltons] dei soluti T decresce progressivamente, in modo diverso a seconda delle membrane utilizzate [3]. 3.3.2 La concentrazione media del soluto nel plasma Cs [ µ mol/ml]
3.3.3 Flusso di Filtrazione (o ultrafiltrazione) del solvente Il flusso di ultrafiltrazione Qf dipende dalla superficie efficace e dalla permeabilità idraulica della membrana ed anche dalla pressione idrostatica transmembrana efficace secondo la seguente relazione: Qf =Kh * A ( P π ) [ml/min] Ove 2 Kh = permeabilità idraulica della membrana [ml/h m mmhg] 2 A = superficie efficace della membrana [m ] P = pressione idrostatica transmembrana [mmhg] π = differenza di pressione osmotica transmembrana [mmhg] La pressione transmembrana efficace ( P π ) è la somma algebrica della pressione media positiva nel circuito ematico e la pressione media, spesso negativa o nulla,nel circuito del bagno di dialisi, meno la pressione osmotica delle proteine del circuito ematico[3]. La permeabilità idraulica è una caratteristica fisica della membrana considerata, che definisce la capacità di diffusione del solvente nell unità di tempo[3]. Pertanto, l ultrafiltrazione, o convenzione ha 2 effetti ben definiti: da una parte, una sottrazione di solvente, cioè di acqua plasmatica, regolabile dal punto di vista quantitativo secondo la necessità del paziente; dall altra parte, una sottrazione di soluti contenuti nell ultrafiltrato plasmatica, in funzione del loro coefficiente di tramittanza (Tavola 4). Nella misura in cui il tasso di trasporto diffusivo diminuisce più rapidamente del coefficiente di trasmittanza con l aumentare del PM dei soluti, l influenza del trasporto convettivo diviene sempre più grande con l aumentare del PM dei soluti. L importanza relativa alla diffusione e all ultrafitrazione varia molto a seconda del peso molecolare dei soluti: l influenza della diffusione nel trasporto delle piccole molecole è molto superiore a quella della convezione, mentre il ruolo della convezione è superiore nel trasporto dei soluti di elevato peso molecolare[3]. 3.4 Effetti combinati della diffusione e dell ultrafiltrazione Le considerazioni che sono state fatte riguardano le sostanze di scarto di cui si desidera la rimozione dall organismo. Esse sono presenti nel plasma ed assenti nel bagno di dialisi, la loro estrazione dal plasma si ottiene o per diffusione o per convezione,essendo la frazione rimosa con meccanismo di diffusione preponderante per i soluti di piccolo PM come l urea. Le cose procedono diversamente per gli elettroliti normalmente presenti nel plasma ed, in particolare per il sodio la cui concentrazione plasmatica regola l equilibrio osmotico fra il settore intra ed extra cellulare. Durante l emodialisi si realizza un doppio trasporto di sodio, per diffusione e per convezione ed il bilancio netto di queste reazioni regola la concentrazione plasmatica di questo ione al termine della dialisi. La perdita di sodio con meccanismo convettivo mediante ultrafiltrazione è generalmente elevata, poiché questa avviene alla stessa concentrazione plasmatica nello stesso momento. La direzione del trasporto diffusivo, che avviene simultaneamente, dipende dal gradiente di concentrazione del sodio nel bagno di dialisi e nel plasma. Quando le 2 concentrazioni sono uguali, il trasporto diffusivo è zero. Quando la concentrazione del bagno di dialisi è inferiore a quella del plasma, vi è un passaggio supplementare dal plasma verso il bagno.
Solamente quando la concentrazione del sodio nel bagno di dialisi è superiore a quella plasmatica si verifica un trasporto diffusivo positivo, diretto verso il paziente, che compensa la perdita convettiva di sodio[3]. 3.5 Flussi e pressioni Ogni dializzatore presenta una resistenza interna al flusso di sangue tanto maggiore quanto maggiore è la lunghezza del compartimento ematico e quanto più sottile è il flusso laminare del sangue. Durante il passaggio nel dializzatore si produce quindi una riduzione della pressione del sangue ( P ), o anche una caduta di portata. Questa riduzione di portata si accentua progressivamente coll aumentare del flusso ematico. Ciò avviene secondo la legge di Poiseuille: P = 12 µ (L/N) (I H 3 )Qs [mmhg] P Questa formula è applicabile ai dializzatori a compartimenti rettangolari,ove µ rappresenta la viscosità ematica,n il numero di compartimenti, Q il flusso di sangue,l la lunghezza, I la larghezza e H l altezza del compartimento ematico. Nel caso di compartimenti cilindrici (Dializzatore capillare) la formula è: 4 P = 128 µ (L/N D )Qs [mmhg] Ove D rappresenta il diametro di un capillare. I dializzatori a bobina che presentano uno o due compartimenti molto lunghi avvolti su se stessi,presentano la maggior perdita di portata. Al contrario,i dializzatori a compartimenti paralleli o i capillari hanno una caduta di portata quasi nulla. Nel primo caso, la resistenza del compartimento ematico aumenta con l incremento del flusso, producendo quindi un ultrafiltrazione variabile e difficilmente regolabile. Nei dializzatori a piastre parallele o capillari, la caduta di portata si modifica scarsamente aumentando il flusso sanguineo, assicurando una ultrafiltrazione stabile e facilmente prevedibile[3]. Nei dializzatori a piastre parallele, l incremento della pressione idrostatica transmembrana provoca uno stiramento della membrana con aumento della sua permeabilità diffusiva tuttavia questo incremento di rendimento è spesso annullato da un maggior mascheramento della membrana sui punti di appoggio alla struttura di sostegno. Invece nei dializzatori capillari, dove questo non può avvenire, la diffusione dei soluti aumenta con l aumentare dell ultrafiltrazione[2]. L influenza del flusso ematico è molto elevata sulla Dialisance dei soluti di piccolo PM. Al contrario è trascurabile per soluti di elevato PM, al di sopra di un flusso di 50 ml/min. Ne risulta che l eliminazione delle medie molecole non viene migliorata in modo rilevante con l aumentare del flusso sanguigno, mentre un flusso ematico di almeno 200 ml/min è necessario per l eliminazione dell urea, della creatinina e delle tossine di piccolo PM[3]. Allo stesso modo,l influenza del flusso del dialisato è grande sulla eliminazione dei soluti di piccolo PM, mentre la dialisance dei soluti di PM elevato non aumenta per flussi di bagno superiori a 150 ml/min. 3.6 Valutazione delle prestazioni di un dializzatore Le prestazioni di un dializzatore, per quanto concerne l estrazione dei soluti e la sottrazione di acqua mediante ultrafiltrazione devono essere misurabili per consentire la previsione del loro rendimento e per paragonare fra di loro i diversi dializzatori[3].
Il trasporto di massa per un determinato soluto, può essere espresso come CLEARANCE o come DIALISANCE del dializzatore per lo stesso soluto[3]. La Clearance (CL) di un dializzatore è il rapporto fra il trasporto di massa per il soluto considerato (N) e la sua concentrazione nel sangue all ingresso del dializzatore (Cse) cioè: CL = N/Cse = Qs (Cse-Csu)/Cse [ml/min] La Dialisance (D) di un dializzatore è il rapporto fra il trasporto di massa per il soluto considerato e il gradiente di concentrazione dl soluto tra il sangue ed il bagno di dialisi all entrata del dializzatore (Ce-Cde) cioè: D = N/(Cse-Cde) = Qs (Cse Csu)/(Cse Cde) [ml/min] Nel caso di bagno a passo singolo,cde è uguale a zero e la sua dialisance diventa uguale alla CL. Così la Clearance e la dialisance possono essere utilizzate indifferentemente per esprimere le prestazioni dei dializzatori con bagno a passo singolo. l contrario, può essere utilizzata la sola dialisance quando non ci si trova in queste condizioni,vale a dire nel caso di dializzatori a bobina con bagno a ricircolo o nei sistemi che utilizzano il bagno di dialisi a circuito chiuso[3].