Biofyzika Mimotělní oběh - renální Normální funkce ledvin  Ledviny - párový orgán, každá ledvina 12x6x3 cm, 150 gramů  po obou stranách bederní páteře,  plní řadu životně důležitých funkcí:  zbavují krev odpadních látek bílkovinného metabolismu - močoviny (= urey) a kreatininu,  udržují stálé vnitřní prostředí - stálou koncentraci minerálů (Na – sodíku, K – draslíku, Cl – chloridů, Ca – vápníku, P - fosforu),  udržují stálou kyselost vnitřního prostředí,  udržují objem celkové vody v organismu,  produkují několik důležitých hormonů renin, erytropoetin a calcitriol. Stavba a funkce ledvin  Ledviny jsou bohatě prokrveným orgánem.  Každou minutu protéká oběma ledvinami dohromady kolem 1 l krve.  Krev přitéká do ledvin krátkými a širokými ledvinnými tepnami, které se postupně větví do nejjemnějších vlásečnic, které jsou v ledvinné kůře stočeny do klubíček - glomerulů.  Takových glomerulů je v každé ledvině 1-1,25 milionů. Tenká stěna glomerulu působí jako jemný filtr, přes který je neustále profiltrovávána tzv. primární moč – 130-170 litrů/den ! Stavba a funkce ledvin  glomerulární filtrace - veličina udávající rychlost filtrace v ledvinách (tato filtrace probíhá v glomerulech, proto se nazývá glomerulární), [ml/s, ml/min] ODHAD: kreatinové clearance - stanovení hladiny kreatininu v krvi a jeho množství vyloučeném močí za 24 hodin, která přibližně odpovídá glomerulární filtraci. [ml/s]*86400=[ml/hod]  Normální funkci ledvin ~ 1.5ml/s to odpovídá 130 litrů profiltrované primární moči.  Dialýzu zahajujeme v době, kdy funkce ledvin klesá na 0.17 ml/s, tedy nějakých 14.5 litrů primární moči/den  Ve skutečnosti však člověk vymočí jen 1-1.5 litru moči denně. Primární moč, vzniklá filtrací z krve odchází z ledvinného glomerulu složitým systémem kanálků - tubulů, které moč dále upravují a především zpětně vstřebávají. Glomerulus s navazujícím kanálkem tvoří základní funkční jednotku ledviny - tzv. nefron. Ledvinná nedostatečnost - snížená očišťovací funkce ledvin; může se vyskytnout u různých onemocnění ledvin; onemocnění ledvin se dělí podle stupně ledvinné nedostatečnosti do 5 stupňů, které se označují CKD (z anglického "chronic kidney disease" vleklé ledvinné onemocnění):  CKD I: normální, nesnížená glomerulární filtrace (glomerulární filtrace > 1,5 ml/s)  CKD II: lehká ledvinná nedostatečnost (glomerulární filtrace 1,0 - 1,49 ml/s)  CKD III: středně těžká ledvinná nedostatečnost (glomerulární filtrace 0,5 - 0,99 ml/s)  CKD IV: těžká ledvinná nedostatečnost (glomerulární filtrace 0,25 - 0,49 ml/s)  CKD V: ledvinné selhání (glomerulární filtrace < 0,25 ml/s) Krev a ledviny  Většina odpadních látek v krvi pochází z běžné látkové přeměny ve svalech a z metabolismu bílkovin, přijatých potravou. Odpadní látky se nazývají močovina (urea) a kreatinin. Ve vodě rozpustné toxiny jsou rovněž vylučovány ledvinami. Pokud ledviny nevylučují odpadní látky a toxiny, tyto se v těle hromadí a můžou tělo poškodit.  Látky, které mají být odstraněny z organismu dělíme na  endogenní – vnitřní, vznikající uvnitř lidského organismu  exogenní – zevní, mimo lidský organismus Látky endogenní Katabolity  močovina – konečný produkt bílkovinného metabolismu, obsah v krvi 2,5  8,3 mmol/l, při hodnotách nad 17 mmol/l hrozí selhání ledvin. Clearence 1,8  3 ml/s,  kyselina močová – produkt metabolismu purinů, pochází z nukleoproteidů potravy, vylučování močí 0,5  2 g za 24 hodin, obsah v krvi do 387 mol/l. Clearence 0,8  2,25 ml/s,  kreatinin – produkt metabolismu svalů vytvářený z kreatinu, hladina v krvi stálá 124 mol/l. Umožňuje posouzení insuficience, není příčinou uremie,  další: aminokyseliny, amoniak – při jaterním komatu, fenoly, ketony, indoly, organické kyseliny, alkoholy, uremické toxiny. Látky endogenní Elektrolyty voda, sodík, draslík, vápník, hořčík – obsah v krvi 1,34  1,82 mmol/l, chloridy – obsah v krvi 97  112 mmol/l, fosfor – v krvi jako fosfáty, vzestup při selhání, sulfáty, fluoridy. Fyziologicky nezbytné látky  glukóza – komplikace v dialyzátu,  bílkoviny – membrána nepropustí,  tuky – membránou neprostupují,  hormony – nepatrně prostoupí,  enzymy – nejsou odstraňovány,  bilirubin – bez vlivu,  vitamíny – vyloučeny do odpadu B2, B12, C,  železo – muži 14,5  27,5 a ženy 11  25 mmol/l. Látky Exogenní  heparin – membránou neprostupuje,  protaminsulfát – prostupuje jen nepatrně,  digoxin – snížené vylučování,  digitoxin – nedifunduje,  sulfanomidy – 10 krát menší obsah,  antibiotika – prostupnost do 20%. Ledviny a produkce hormonů  Ledviny vylučují tři důležité hormony:  renin vylučují ledviny tehdy, když poklesne v ledvinách krevní tlak. Renin způsobuje zúžení cév v těle a tím způsobuje zvýšení krevního tlaku zpět k normálu,  erytropoetin stimuluje kostní dřeň k produkci červených krvinek, které roznášejí kyslík po celém těle. Ke zvýšené tvorbě erytropoetinu dochází tehdy, když se ledvinám dostává méně kyslíku - například pobytem ve vysokých nadmořských výškách,  calcitriol, známý jako aktivní vitamín D nebo D-3 pomáhá udržovat vápník vázaný v kostech a hladinu vápníku v krvi. Běžné nemoci ledvin  Onemocnění ledvin můžeme třídit dle různých kritérií. podle onemocnění:  vrozená - taková onemocnění, s nimiž se člověk narodí,  dědičná - nemoc vzniká na základě chybné genetické informace,  získaná.  podle souvislostí:  primární - onemocnění, která se týkají jen ledvin,  sekundární - onemocnění ledvin je jen jedním z projevů jiného, většinou komplexního onemocnění, např. diabetická nefropatie je postižení ledvin u diabetiků, nebo lupoidní nefritida je součástí komplexního onemocnění pojivové tkáně.  - často hranice mezi oběma skupinami není zcela jednoznačná  - zcela zásadní je dopad onemocnění na stav funkce ledvin. Jsou onemocnění, která proběhnou jednorázově nebo opakovaně, ale funkce ledvin se během onemocnění nemění. Na druhé straně řada onemocnění vede k větší či menší poruše funkce ledvin. Náhrada funkce ledvin  Dočasná náhrada funkce ledvin je principiálně možná třemi způsoby:  hemodialýzou,  hemofiltrací,  plazmaferézou.  Žádná z uvedených metod plně nenahradí vlastnosti a funkci ledvin, zvláště pak produkci enzymů a hormonů. Využívají se při náhlých selháních funkce ledvin, při intoxikaci (otravě) a u chronických pacientů očekávajících transplantaci. U všech uvedených metod se v zásadě využívá kombinace tří základních principů: difúze, osmózy a filtrace, Difúze Je prostupování látky membránou z místa o vyšší koncentraci do místa o koncentraci nižší až do úplného vyrovnání. Rychlost prostupu látky je - přímo závislá na velikosti gradientu koncentrace, na ploše a poréznosti membrány, - nepřímo závislá je na tloušťce membrány a molekulární hmotnosti difundující látky. Difúze je základním pochodem očisty krve při hemodialýze a peritoneální dialýze. Osmóza  je pronikání kapaliny membránou oddělující roztoky s různou hustotou až do vyrovnání osmotického tlakového gradientu s hydrostatickým tlakovým gradientem. Při hemodialýze se osmóza uplatňuje několikrát:  krevní bílkoviny s ohledem na velikost svých molekul nemohou pronikat membránou dialyzátoru.  přechod vody z krve do dialyzátu napomáhá zvýšená koncentrace některých osmoticky aktivních látek v dialyzátu (sodík, glukóza);  osmolarita extracelulární tekutiny musí být odpovídajícím složením dialyzátu udržována během celé hemodialýzy na stejné úrovni jako osmolarita tekutiny intracelulární. Nesmí docházet k osmotickému přesunu vody do buněk. Ultrafiltrace  je přestup tekutiny membránou díky rozdílu hydrostatických tlaků omezený pouze velikostí pórů membrány. Při hemodialýze se krevním filtrátem odstraňuje z těla voda, které se organismus nedokázal zbavit diurézou (močením). Tlakový spád na membráně může být navozen jak přetlakem na krevní straně, tak podtlakem na straně dialyzátu. Hemodialýza  Blokové schéma mimotělního oběhu krve realizovaného dialyzačním monitorem s dialyzátorem dialyzační monitor dialyzátor odpad koncentrát voda venózní jehla arteriální jehla Hemodialyzační monitor  Funkční blok označený jako dialyzační monitor obsahuje: - krevní čerpadlo, - dialyzátová čerpadla, - blok mísení dialyzátu, - řídící, měřící a signalizační jednotky s procesory, - úpravu a ohřev vody, - měření tlaků, - měření vodivosti dialyzátu, - detektory bublin a úniku krve, - hladinoměry, atd. Technické řešení hemodialyzačního systému voda výměník tepla odtok odvzdušňovací čerpadlo mísicí blok 1:34 koncentrát topení bilanční komory průtokové čerpadlo UF čerpadlo UF tlak detektor úniku krve dialyzátorvodivost teplota ventil dialyzátoru heparinová pumpa peristaltické čerpadlo arteriální tlak venózní tlak optický detektor od pacienta k pacientovi ultrazvukový detektor bublin venózní klapka DIALYZÁTOVÝ OKRUH KREVNÍ OKRUH ml koncentrátové čerpadlo obtokový ventil Průběh tlaku krve  Průběh tlaku krve v krevní trase hemodialyzačního systému při dvou jehlovém režimu 200 100 0 p[kPa] -100 -200 Dialyzátory  Vývojové typy: - cívkový (Travenol) byl nejstarším typem dialyzátoru pro jedno použití. Dvě hadice z dialyzační membrány byly s prokladovou mřížkou navinuty na válcovém jádře. Užívaly se u recirkulačních systémů. Dialyzát proudil kolmo na směr toku krve v hadici. Nevýhodou byl velký průtočný odpor na krevní straně (hadice měla délku 5 m) a malá účinnost; - deskový (Gambro) využívá membránu rovněž ve formě široké ploché hadice s krevní stranou, ale krátkou (desítky cm). Velké dialyzační plochy je dosahováno paralelním spojením mnoha úseků membrány proložených rozpěrnou mřížkou. Nevýhodou je závislost účinnosti na tlakových poměrech v dialyzátoru. Regenerace není vždy bezpečná; - kapilární (Cordis–Dow) má krevní část tvořenou svazkem 6  10 tisíc vláken z dialyzační membrány. Paralelní spojení vláken je zajištěno zalitím do polyuretanového tmelu. Průměr vláken bývá 200  250 m, tloušťka stěn vlákna do 10 m. Rozměry dialyzátoru:  50  250 mm. Krev proudí vlákny, která jsou zvenčí omývána dialyzačním roztokem. Dialyzátor lze snadno regenerovat, má stálé provozní parametry. Nevýhodou bývá vyšší spotřeba heparinu. Aktivní plocha membrány bývá 0,5  1,8 m2. Dialyzátory Membrány dialyzátorů  Výrobně jsou membrány tvořeny tenkými polymerními fóliemi s požadovanou velikostí pórů. Materiály musí být smáčivé, aby umožnily difúzi katabolitů.  Prvním užívaným materiálem byl celofán, později cuprophan a nefrophan, které jsou dodnes základem i pro výrobu vláken. V současnosti se vlákna vyrábí z polyamidu, polysulfonu, polymethylmetakrylátu, polyvinylalkoholu, polykarbonátu. Rozhodující je biokompatibilita užitých materiálů.  Zvláštní třídu dialyzačních membrán představují high–flux membrány, které vykazují vysokou propustnost i pro látky s větší molekulovou hmotností (několik tisíc). Materiálem je polysulfon. Účinnost dialyzátoru  Účinnost dialyzátoru je definována jako schopnost frakčního oddělení roztoků z krve. Je označována jako clearance (vyčištění) a dialyzovaná krev se k její hodnotě asymptoticky blíží. QD, CDo QB, CBo QD, CDi QB, CBi dialyzát dialyzát krev membrána QB, QD – průtoky krve a dialyzátu CB, CD – koncentrace látek v krvi a dialyzátu Clearance dialyzátoru Dialyzační roztoky  Dialyzáty se připravují v mísícím boxu dialyzačního monitoru z předem upravené vody a koncentrátu.  Typické hodnoty koncentrací iontů a látek v plasmě jsou uvedeny v tabulce.  Spotřeba dialyzačního roztoku při jedné proceduře pro jednoho pacienta je průměrně 100  200 l.  Bikarbonátový dialyzační roztok.  Acetátový dialyzační roztok. Peritoneální dialýza  Peritoneální dialýza je procesem, kdy dialyzační membránou je peritoneum (blána pobřišnice). Do prostoru peritonea se katetrem přes stěnu břišní aplikuje 2,5 l sterilního dialyzačního roztoku. Přes bohaté cévní zásobení peritonea difundují zplodiny látkové výměny z krve do dialyzátu. Po několika hodinách se dialyzátová náplň vymění za novou.  Ultrafiltrace se při této dialýze řídí osmoticky tím, že se do dialyzátu přidá glukóza, která svou osmotickou aktivitou „táhne“ vodu z krve do dialyzátu. Předností peritoneální dialýzy je možnost její aplikace u pacientů, kteří kvůli stavu cévního systému nemohou být napojeni na mimotělní oběh krve při hemodialýze nebo hemofiltraci. Zpravidla ji však nelze aplikovat déle než 5 let (možný výskyt peritonitidy – zánětu peritonea). Režimy peritoneální dialýzy  IPD - intermitentní peritoneální dialýza se provádí 2  3 krát týdně po 12  18 hodin. Výměny zpravidla po 2 l v intervalech 0,5  2 hodiny.  CAPD - kontinuální ambulantní peritoneální dialýza má sice menší účinnost, provádí se ale neustále. Dialyzát je ponechán v peritoneální dutině vždy na 4  6 hodin, kdy má pacient volný pohyb.  CCPD - kontinuální cyklická peritoneální dialýza je modifikací režimu CAPD, vyžaduje však cyklovací zařízení (cykler). Dialyzační roztok je ponechán v peritoneální dutině celý den, tedy 16 hodin, kdy má pacient volný pohyb. V době osmihodinového spánku je potom provedeno dalších 5  6 výměn dialyzátu automatickým cyklerem.