Диализа

Кръвта изпълнява две важни функции: пренася хранителни вещества и кислород до клетките в организма и изнася от тях отпадни продукти. За да изпълнява тези функции, химичният състав на кръвта трябва да бъде внимателно контролиран. Кръвта съдържа частици от различен тип и големина, вкл. клетки, протеини, разтворени йони и органични отпадни продукти. Някои от тези компоненти са важни за организма. Други, като уреята (отпаден продукт от метаболизма на белтъците), трябва да се отстранят от кръвта или ще се натрупат и ще повлияят на нормалния метаболизъм. Други частици, вкл. много малки йони, разтворени в кръвта, са необходими на организма в определени концентрации, които трябва да бъдат строго регулирани, особено когато постъпването на тези вещества варира. Организмът има различни средства да контролира химичния състав на кръвта. Например: белтъкът феритин контролира количеството свободни железни йони в кръвта; буферни системи регулират рН на кръвта. Най-голяма отговорност за поддържане химичния състав на кръвта имат бъбреците – те отстраняват вредните частици от кръвта, регулират йонната концентрация и задържат важните частици в кръвта (Фиг.1).

 

 

За да разберем как работят бъбреците, трябва да си припомним четири понятия: дифузия, осмоза, полупропусклива мембрана, филтрация.

Градиент – векторна величина, която показва посоката на най-голямо нарастване на скаларна величина. Големината на градиента се определя от бързината, с която се променя величината в зависимост от нейното местоположение. Прието е посоката на градиента да е от ниска към висока стойност. Тази посока е противоположна на посоката на тока, породен от градиента.

Дифузия – движение на материя или енергия от област с висока концентрация към област с ниска концентрация. Най-известния пример на дифузия е движението на частици в определен обем флуид (течност или газ) срещу концентрационния градиент.

Дифундиращите молекули се движат случайно между областите с висока и ниска концентрация, но поради наличието на по-голям брой молекули в областта с висока концентрация, повече молекули ще напускат областта с висока концентрация отколкото областта с ниска концентрация. Поради това ще има нетен пренос на молекули от високата към ниската концентрация.

С времето градиентът прогресивно намалява докато се изравнят концентрациите (фиг. 2).  Дифузията е спонтанен процес. Тя e статистически резултат от случайното движение. Дифузията увеличава ентропията, намалява свободната енергия на Гибс и поради това е термодинамично изгодна. Тя протича в съгласие с Втория закон на термодинамиката.

Осмоза – движение на разтворител (вода) през полупропусклива мембрана, разделяща два разтвора с различна концентрация на разтвореното вещество в посока от разтвора с по-ниска към разтвора с по-висока концентрация. Идеалната полупропусклива мембрана пропуска само молекулите на разтворителя (вода) и не пропуска молекулите разтворено вещество. Реалните мембрани не са такива, те са проницаеми в някаква степен за разтвореното вещество.

 

Полупропусклива мембрана (мембрана с избирателна проницаемост) – мембрана, която позволява някои молекули и йони да преминават през нея чрез дифузия, понякога чрез облекчена дифузия (фиг.3). Скоростта на преминаване зависи от температурата, налягането и концентрацията на разтворените вещества от двете страни, както и от проницаемостта на мембраната за всяко разтворено вещество. Пример за полупропусклива мембрана е клетъчната мембрана. Много природни и синтетични материали, по-дебели от мембрана, също са полупропускливи, например тънката ципа от вътрешната страна на яйцето.

 

 

Филтрация – механичен или физичен процес на отделяне на твърди частици от флуиди (течности или газове) посредством поставяне на среда, преграда, филтър, през която флуидът да тече, като през нея флуидът преминава, а твърдите частици (или поне част от твърдите частици) се задържат. Трябва да се подчертае, че разделянето не е пълно и ще зависи от големината на порите и дебелината на средата (филтъра), както и от механизмите, които действат по време на филтрацията.

 

Филтрацията се използва за пречистване на флуиди, например за отделяне на прах от въздуха. Тя е много важна за химията за отделяне на материали с различен химичен състав в разтвори, като първо се използват реагенти за утаяването им, след това се използват филтри за отделянето на твърдите частици.

 Важно е да не се бъркат филтрация и пресяване. При пресяването има един слой от средата и разделянето по размер става просто поради факта, че част от твърдите частици, които са твърде големи за да преминат през отворите на ситото, се задържат. Във филтрацията участва многослойна среда и се включват други механизми, като дифузия или центрофугиране. При центрофугирането тези частици, които не могат да следват извитите канали на филтъра, допълнително ще се прилепят (адхезия)  към структурата на средата и ще се задържат.

 

 

Дифузията и осмозата през полупропусклива мембрана са в основата на процеса диализа. Диализа – метод за разделяне на  молекули в разтвор чрез избирателна дифузия през полупропусклива мембрана. Така могат да се отделят нискомолекулните съединения от високомолекулните. През мембраната преминават нискомолекулните вещества, а частиците, които не могат да преминат през мембраната, остават в диализиращия се разтвор. Устройството, чрез което се провежда диализата, се нарича диализатор. Най-простият диализатор е „торбичка” от полупропусклива мембрана, в която се намира диализиращата се течност. Торбичката се потапя в разтворител (вода). През мембраната започват да преминават йони до изравняване на концентрациите на диализиращото се вещество от двете страни на мембраната. Като се сменя разтворителя, може да се постигне пълно пречистване от нежеланите примеси. Скоростта на диализа е много ниска. Процесът може да се ускори като се увеличи площта на мембраната и температурата, като се сменя непрекъснато разтворителя, както и като се приложи електрично поле, което ускорява движението на йоните.

 

Диализата се използва за пречистване на колоидни разтвори от примеси на електролити и нискомолекулни неелектролити. Прилага се в промишлеността за пречистване на различни вещества, например при производство на изкуствени влакна и на лекарствени средства. Използва се и в медицината за отделяне от организма на токсичните продукти от обмяната на  веществата при болни с остра и хронична бъбречна недостатъчност.

 

Бъбреците работят като диализна машина за кръвта. В бъбреците кръвта преминава през обвити с мембрани тръбички (тубули), подобни на диализните торбички. Частиците, които могат да преминат през мембраната, излизат от тръбичките (тубулите)  чрез дифузия; така се отделят частиците, които остават в кръвта, от тези, които се отстраняват от кръвта и се екскретират от организма. Диализният механизъм, използван от бъбреците, им позволява да работят ефективно при широк диапазон условия. Например, постъпването на натрий може да варира от една десета до десет пъти средната консумация, с минимални флуктуации на концентрацията му в кръвната плазма. Дори когато бъбреците са сериозно увредени, те все още могат ефективно да поддържат постоянния състав на организма – докато работят поне 10% от техните функционални единици – нефроните. Въпреки това, увреждането на бъбреците може да причини спадане на функционалната им способност под това ниво и развитие на фатални заболявания. Тогава се налага включване на изкуствена система, която да изпълнява работата на бъбреците – изкуствен бъбрек или диализатор.

Структура и функция на бъбреците

Бъбреците използват три основни механизма за разделяне на различни компоненти на кръвта: филтрация, реабсорбция и секреция. Тези три процеса протичат в нефроните. Нефронът е основната функционална единица на бъбреците. Всеки бъбрек съдържа около един милион нефрона. Нефронът е изграден от клъбце от кръвоносни съдове, наречено гломерула, разположено в кухина – Бауманова капсула. Гломерулата и Баумановата капсула образуват бъбречното телце (corpusculum renis). Баумановата капсула преминава в оградено с мембрани U-образно каналче (бримка на Хенле), което се влива в извеждащия проток – събирателно каналче. Събирателните каналчета от различни нефрони се сливат и накрая се изливат в пикочния мехур.

 

Нефрон

Функция

Бъбречно телце:

·         гломерула

·         Бауманова капсула

Филтрация:

Гломерулата филтрува белтъци и клетки от кръвта

Всички останали кръвни компоненти преминават в капсулата на Бауман, след това в тубулата.

U-образно каналче (бримка на Хенле)

Реабсорбция и секреция:

Полупропускливите мембрани около каналчето позволяват избирателно преминаване на частици обратно в кръвта (реабсорбция), или от кръвта в каналчето (секреция).

Събирателно каналче

Събиране:

Събира всички вещества, които няма да се върнат в кръвта през тубуларните мембрани. Те излизат от бъбреците като урина.

 

История на хемодиализата

Първите експерименти с диализа са извършени върху кучета през 1913 г. John J. Abel, L. G. Rowntree и B. B. Turner създават машина, която помпи кръв през специална мембранна тръба (тънка, мека и гъвкава), потопена в разтвор, наречен диализат. Тази тръба има микроскопични отвори, които позволяват на отпадъчните продукти от кръвта на кучето да проникнат през нея в диализния разтвор. Един от основните проблеми в тези експерименти бил съсирването на кръвта. До откриването на хепарина (антикоагулант) не е постигнат напредък в развитието на хемодиализата.

Хепаринът е открит от W. H. Howell през 1922 г. Създаден е и прозрачен материал, наречен целофан, използван за разделяне на отпадните продукти в кръвта от полезните вещества в нея. През 1945 г. William J. Kolff от Холандия конструира първата диализна машина, която може да бъде използвана за хора. J. Merrell, K. Walter и др. през 1947 г. правят подобрения и произвеждат по-малка и по-ефективна машина.

Днес в медицинската практика се прилагат два типа диализа: хемодиализа и перитонеална диализа. Методите за извършване на диализата са различни, но целта е една – отстраняване на отпадните продукти, основно азот под формата на урея, пикочна киселина и креатинин.

Хемодиализа

Хемодиализата се базира на дифузия през полупропусклива мембрана. Полу-пропускливата мембрана се използва за да се отстранят отпадъчните продукти от кръвта и същевременно да се коригира нивото на електролити в кръвта. За да се извърши хемодиализата, хирург трябва да направи път за изпомпване на кръвта от тялото и за връщането й след пречистването. За тази цел се свързва лъчевата (радиалната) артерия с голямата вена (cephalic vein). Тази връзка се нарича артерио-венозна фистула (артерио-венозен шунт) и пренася кръвта от артерията към вената. След като се направи този шунт, пациентът може да бъде свързан към диализатор.

Диализаторът има три основни части: тръби за отвеждане на кръвта към машината, специални филтри (мембрани) през които преминава кръвта и специален разтвор, наречен диализат. Диализата работи на принципа на дифузия и осмоза на разтворени вещества и течност през полупропусклива мембрана. Кръвта тече от едната страна на мембраната, в една посока, а диализният разтвор – от другата страна на мембраната, в противоположната посока. Малки частици и вода преминават през мембраната. Нежеланите частици (уреа, калий) са с висока концентрация в кръвта, и отсъстват или са с ниска концентрация в диализния разтвор. Постоянната смяна на диализния разтвор осигурява поддържането на ниска концентрация на нежеланите вещества в него. Диализният разтвор съдържа някои вещества (калий, калций) в нормалните за кръвта на здрав човек концентрации. Нивата на други вещества, като бикарбонат, в диализния разтвор са малко по-високи от нормалните, за да се ускори дифузията на бикарбонат към кръвта и да неутрализира метаболитната ацидоза, която често се наблюдава при тези пациенти.

Хемодиализата може да се осъществи в болнични или домашни условия. Хемодиализата крие някои възможни усложнения: те са предизвикани най-често от бързата промяна във водно-електролитния състав на кръвта и телесните течности. Най-често се наблюдават мускулни крампи (спазми) и спадане на кръвното налягане. Спадането на кръвното налягане се проявява като слабост, замаяност, гадене и прилошаване. Обикновено тези нежелани ефекти изчезват след първите няколко месеца на хемодиализа. Повечето от страничните ефекти се избягват чрез спазване на диета и прием на предписаните от лекаря-специалист лекарства. Диетата, която се спазва при хемодиализа, е с балансирано белтъчно съдържание (белтъци предимно от животински произход), с ограничаване на фосфатите (млечните храни, ядки и варива), ограничаване на калия (картофи, варива, кайсии, банани) и с балансиране приема на течности и готварска сол. Хемодиализата се извършва обикновено три пъти седмично, като всяка процедура трае от 4 до 8 часа. Хемодиализата се прилага при изчерпване възможностите на консервативното лечение, на фона на което стойностите на креатинина в кръвта достигат 885 mmol/l (при диабетици тази стойност е по-ниска). Разбира се, освен тази стойност, под внимание се взимат редица други показатели като ниво на калия и фосфатите в кръвта, киселинност на кръвта, стойности на кръвното налягане и др.

 

 

Перитонеална диализа

Перитонеалната диализа също е процедура, при която кръвта на болния се филтрира и "пречиства" от отпадните азотсъдържащи вещества, ненужната вода и соли. Ролята на полупропускливата мембрана или "филтъра" изпълнява перитонеумът – обвивката, постилаща коремната кухина отвътре. Диализният разтвор (диализат) се влива вътре в перитонеалната кухина и след като през перитонеума в него преминат ненужните отпадъчни вещества (след няколко часа), вода и соли, разтворът се изтегля отново от перитонеалната кухина. Този цикъл обикновено се повтаря 4 – 5 пъти дневно, по-често нощем с автоматизирана система. Ултрафилтрацията се постига с осмоза, като диализният разтвор съдържа висока концентрация на глюкоза и осмотичното налягане кара водата да се движи от кръвта към диализата. В резултат се оттича повече течност отколкото се влива. Перитонеалната диализа е по-малко ефективна от хемодиализата, но понеже се провежда по-продължително време, нетният ефект по отношение на отстраняване на отпадните продукти, соли и вода, е близък до този на хемодиализата. Перитонеалната диализа се провежда вкъщи от пациента и изисква мотивация. Тя освобождава пациента от необходимостта да ходи в диализен център по фиксиран график няколко пъти седмично, може да се прави по време на пътуване с минимум специализирана апаратура.

За да се осъществи перитонеална диализа, преди първата процедура по хирургичен път в корема се поставя специална тръбичка, наречена катетър. През него диализатът се въвежда в и отвежда от коремната кухина.

Съществуват няколко вида перитонеална диализа: постоянна амбулаторна перитонеална диализа (най-често прилагания вариант, прилага се в домашни условия, пречиства постоянно кръвта чрез редуване на вливане и изливане на диализат през катетъра на перитонеалната кухина), продължителна циклична перитонеална диализа (през нощта, докато пациентът спи, специална машина влива и изпомпва през определен период от време диализния разтвор от коремната кухина), интермитентна (с прекъсване) перитонеална диализа (подобна е на предишния вид и се осъществява от същата машина, но обикновено се изпълнява в болнични условия, прави се през по-голям интервал от време и отнема повече време). При перитонеалната диализа диализатът престоява в коремната кухина от 4 до 6 часа. Процесът на наливането на нов разтвор и "източване" на диализата отнема около 30-40 минути. При постоянната амбулаторна перитонеална диализа повечето хора сменят разтвора 4 пъти дневно. При продължителната циклична перитонеална диализа лечението трае 10 до 12 часа всяка нощ. При интермитентната перитонеална диализа лечението се провежда няколко пъти в седмицата, общо 36 до 42 часа в седмицата като един "сеанс" може да продължи до 24 часа.

 

Перитонеалната диализа също крие риск от някои потенциални усложнения. Най-сериозното от тях е перитонитът или възпалението на обвивката, покриваща отвътре коремната кухина. Това настъпва при инфектиране на катетъра, който влиза в коремната кухина. Перитонитът е много тежко състояние, протичащо с висока температура, обща отпадналост, силна болка в корема и бързо влошаване на състоянието. За да се избегне това усложнение, процедурата трябва да се изпълнява внимателно и при строго спазване на  правилата. Всяко зачервяване, подуване или болезненост около мястото на катетъра трябва да сигнализира опасност за настъпване на перитонит. Друг тревожен белег е помътняването на използвания диализат. Тези белези трябва навреме да се съобщят на лекуващия лекар, за да се осъществи навременно и ефикасно лечение на перитонита. Диетата при перитонеалната диализа се различава малко от тази при хемодиализата: позволяват се малко по-голямо количество протеини, повече сол и течности, но се налага по-ниска калорийност на храната. Всеки подвид на перитонеалната диализа има своите предимства и недостатъци. Обикновено перитонеалната диализа се прилага когато са изчерпани възможностите на артерио-венозната фистула или достъпът до кръвоносната система е невъзможен, но методът е равностойна и реална алтернатива на хемодиализата.

В САЩ хемодиализа се прилага обикновено в хемодиализен център три пъти седмично. През 2007 г. над 2 000 пациента са диализирани вкъщи по-често, с различна продължителност на манипулациите. Изследвания показват клиничната полза от диализиране 5 до 7 пъти седмично, за 6 или 8 часа. Тези многократни и продължителни манипулации често се правят вкъщи, по време на сън. Тази диализа е по-гъвкава и планът / програмата могат да се променят ден за ден или седмица за седмица. Увеличените продължителност и честота на третирането са с по-голяма клинична полза.

Диализата не е окончателно лечение. Хемодиализата и перитонеалната диализа са методи на лечение, които се опитват да заместят част от функциите на неработещите бъбреци. Това лечение кара пациентите да се чувстват по-добре и да живеят по-дълго, но не може да ги излекува от бъбречната недостатъчност. Дългогодишното провеждане на хемодиализа води до специфични усложнения (които са следствие от това, че диализата компенсира само отделителната функция на бъбреците, без да замести отделяните от тях хормони, влияещи върху кръвотворенето и обмяната на костите) като бъбречна хипертония, бъбречно обусловено страдание на костите, бъбречна анемия, сетивно-моторна полиневропатия, кожни увреждания със сърбеж, перикардит, белодробен застой, хроничен хепатит, амилоидоза, кисти на бъбреците, ускорена атеросклероза, мозъчна деменция. Преживяемостта сред подложените на хронична диализа болни от бъбречна недостатъчност възлиза на около 55% след 10 години. За много от болните хемодиализата се явява предпоставка за успешна бъбречна трансплантация. В България понастоящем чрез хемодиализа се лекуват около 2500 човека, болни от хронична бъбречна недостатъчност.

Хемофилтрация

Хемофилтрацията е метод, сходен с хемодиализата, но работи на друг принцип. Както при диализата, хемофилтрацията постига движение на разтворени вещества през полупропусклива мембрана, но то се обуславя по-скоро от конвекция, отколкото от дифузия. Не се използва диализен разтвор. Положително хидростатично налягане движи водата и разтворените вещества през филтруваща мембрана от кръвта към отделението за филтрата, откъдето той се изхвърля. Вследствие на приложения градиент на налягане водата преминава бързо през много пропусклива мембрана, улеснявайки транспорта на разтворените вещества, особено тези с големи молекулни тегла, които се пречистват по-лошо чрез хемодиализа. Разтворените частици, малки и големи, се извличат през мембраната със скоростта на водата, която се регулира чрез хидростатичното налягане. Така конвекцията преодолява понижената степен на отстраняване на големи частици (дължаща се на ниската им скорост на дифузия), наблюдавана при хемодиализата.

Филтрираната течност съдържа освен ненужните азотсъдържащи вещества, много соли и вода. Водата и солите, загубени от организма при този процес, се възстановяват като се влива изотоничен разтвор. Той трябва да е стерилен, т.к. се влива директно в циркулиращата кръв. Обикновено съдържа лактат или ацетат като бикарбонат-генериращи основи, или направо бикарбонат. Използването на ацетат може да е проблемно при пациенти с  lactic acidosis или остри чернодробни заболявания поради нарушения в превръщането на лактат в бикарбонат. При такива пациенти се препоръчва използването на бикарбонат.

Хемофилтрацията натоварва по-малко кръвообръщанието. Тя се използва изключително в интензивната медицина. Почти винаги се използва при остра бъбречна недостатъчност. Тя е бавна, продължителна терапия, процедурите продължават 12 – 24 часа и обикновено се провеждат ежедневно или три пъти седмично.

 

Хемодиафилтрация

Хемофилтрацията се използва и в комбинация с хемодиализата – хемодиафилтрация. Чрез повишаване на хидростатичното налягане през диализната мембрана се постига ултрафилтрация. Това обикновено става като се приложи отрицателно налягане към отделението с диализния разтвор. Този градиент на налягането поражда движение на вода и разтворени вещества от кръвта към диализния разтвор и позволява отделянето на няколко литра излишни течности. Кръвта се изпомпва през отделението за кръв на high-flux (мембрана с големи пори) диализатор с висока скорост на ултрафилтрация, така се ускорява потока вода и разтворени вещества от кръвта към диализния разтвор. Загубите на вода и соли се компенсират със заместваща течност, която се влива направо в кръвта. Все пак диализен разтвор също така минава през диализното отделение / част на диализатора. Комбинацията е теоретически добра / полезна, защото води до по-добро отстраняване на разтворени частици както с малка, така и с голяма молекулна маса.