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Fecha actualización: 24/09/16
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Principios físicos: definiciones y conceptos


Víctor Lorenzo Sellarés
 
Médico Adjunto del Servicio de Nefrología. Hospital Universitario de Canarias. La Laguna, Tenerife (España)
Introducción

La hemodiálisis (HD) es una técnica de depuración extracorpórea de la sangre que suple parcialmente las funciones renales de excretar agua y solutos, y de regular el equilibrio ácido-básico y electrolítico. No suple las funciones endocrinas ni metabólicas renales.

Consiste en interponer entre 2 compartimientos líquidos (sangre y líquido de diálisis), una membrana semipermeable. Para ello se emplea un filtro o dializador (Dializadores y membranas de diálisis).

La membrana semipermeable permite que circulen agua y solutos de pequeño y mediano PM, pero no proteínas o células sanguíneas, muy grandes como para atravesar los poros de la membrana.

Los mecanismos físicos que regulan estas funciones son dos: la difusión o trasporte por conducción y la ultrafiltración o trasporte por convección (Figura 1).

Las siguientes referencias bibliográficas describen pormenorizadamente los principios biofísicos en que se sustenta la técnica de diálisis: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7].

Trasporte por difusión

Consiste en el trasporte pasivo de solutos a través de la membrana del dializador y se produce por la diferencia de concentración entre ambos compartimientos (Figura 1). La cantidad de un soluto que difunde a través de la membrana depende de dos factores:

Coeficiente de transferencia de masas del dializador (KoA)

Es el producto de la permeabilidad de dializador (Ko) por su superficie (A). Sus unidades son ml/min.

Está definido por la resistencia a la difusión de cada soluto (según su PM) en los 3 compartimientos del filtro: sanguíneo, membrana y dializado. A menor resistencia, mayor KoA y es específico de cada dializador.

El KoA es un indicador de la eficacia del dializador, es propio de cada dializador y es suministrado por el fabricante. Se calcula en función del flujo sanguíneo (Fs), del flujo de diálisis (Fd) y del aclaramiento (Kd), de acuerdo a la siguiente fórmula:

KoA = ((Fs*Fd)/(Fs-Fd)) * Ln ((1-Kd/Fs)/(1-Kd/Fd)) en ml/min

Gradiente de concentración

Es la diferencia de concentración de un soluto entre el compartimiento sanguíneo y el del dializado. Este gradiente se optimiza si el líquido de diálisis circula sólo una vez (paso único), a contracorriente y paralelo al flujo de la sangre.

Trasporte por convección o ultrafiltración (UF)

Consiste en el paso simultáneo a través de la membrana de diálisis del solvente (agua plasmática) acompañado de solutos, bajo el efecto de un gradiente de presión hidrostática (Figura 1). El ultrafiltrado es el líquido extraído de la sangre a través de la membrana de diálisis por este mecanismo.

Su función es eliminar durante la sesión de diálisis el líquido retenido durante el período entrediálisis.

El trasporte de solutos por UF depende de tres factores:

UF = SC * Cs * FUF

SC: coeficiente de cribaje (sieving-coefficient) de la membrana para un soluto deteminado, es la relación entre la concentración de un soluto en el ultrafiltrado y en el plasma. Para solutos de bajo PM (sodio, potasio y urea) es próximo a 1 (o sea, igual en el ultrafiltrado y en el plasma). A mayor PM, el SC disminuye dependiendo de la naturaleza de la membrana (Figura 2). Por ejemplo, para la inulina (PM = 5200 daltons) el SC para una membrana de cuprofan es 0,32, y para una membrana de poliacrilonitrilo es de 0,78.
Cs: concentración sanguínea del soluto.
FUF: flujo de ultrafiltración, que a su vez es igual a :

FUF: QUF * PTM

QUF: es el coeficiente de UF y depende de la permeabilidad de la membrana y de su superficie. Es una propiedad física correspondiente a su capacidad de transferir solvente y se expresa como el número de mililitros de líquido que se filtran, por unidad de tiempo, por cada milímetro de mercurio de gradiente de presión transmembrana.
PTM: la presión transmembrana corresponde al gradiente de presión que existe dentro del dializador entre el compartimento sanguíneo y el líquido de diálisis. Resulta de la diferencia entre la presión positiva del circuito sanguíneo y la negativa, nula o positiva (pero siempre menor que la sanguínea) del líquido de diálisis más la presión osmótica sanguínea (ésta depende de presión oncótica de las proteínas no dializables, tiende a retener agua en el compartimiento sanguíneo y su valor medio es de 25-30 mmHg).

Las presiones en los compartimentos de la sangre y del dializador se estiman en general a partir de las presiones medidas en las lineas de salida de la sangre y del líquido de diálisis. Los actuales monitores de hemodiálisis controlan directamente la cantidad de UF mediante un circuito volumétrico lo que permite mejorar la precisión de la UF, y utilizar con seguridad filtros de alta permeabilidad.

Los métodos actuales de control de ultrafiltración y el desarrollo de biosensores ha supuesto un considerable avance en el control de los parámetros hemodinámicos de pacientes cada vez más precarios.

Tranferencia de masas (TM)

Se define como la cantidad de un soluto que es transferido desde un compartimiento al otro del dializador en determinado tiempo. En hemodiálisis se transfieren solutos urémicos desde la sangre al líquido de diálisis y tampones en sentido inverso.

El sentido de la transferencia se determina por las concentraciones respectivas de los solutos (difusión) y por las diferencias de presión entre ambos compartimientos (UF).

Se puede calcular desde el compartimiento sanguíneo o desde el líquido de diálisis:

TM (mg/mn) = Fs * (Cse - Css) = Cd * Fd

Fs : flujo sanguíneo (ml/mn).
Cse: concentración del soluto en sangre a la entrada del dializador (mg/ml).
Css: Concentración del soluto en sangre a la salida del dializador (mg/ml).
Cd: Concentración del soluto en el líquido de diálisis (mg/ml).
Fd: flujo del líquido de diálisis (ml/mn).

La TM global (durante toda la sesión de diálisis), la podemos estimar directamente del compartimiento sanguíneo, asumiendo, como es en el caso de la urea, que su volumen de distribución es el agua corporal total:

TM global (mg): (Cs1 * (VDU + ΔP) - (Cs2 * VDU)

Cs1: Concentración del soluto prediálisis (mg/ml).
Cs2: Concentración del soluto posdiálisis (mg/ml).
VDU: Volumen de distribución de la urea: 58% peso corporal o fórmula de Watson:

  • Hombres: 2,447-(0,09516*Edad[años])+(0,1074*Talla [mts])+(0,3362*Peso [Kg]).
  • Mujeres: -2,097*(0,1069*Talla [mts])*(0,2466* Peso [Kg]).

ΔP: pérdida de peso durante la diálsis (ml)

Actualmente se ha constatado que estas rudimentarias ecuaciones se alejan bastante de la realidad, especialmente en pacientes cuyos parámetros antropométricos se alejan de los valores medios de la población. En este sentido, el empleo de equipos de bioimpedancia esta demostrando una mejor precisión en la determinación de la composición corporal en general y del volumen de distribución de la urea en particular.

Aclaramiento (K) y dialisancia

Se emplea para estimar la eficacia del dializador. Es la TM dividida (es decir corregida) por la concentración sanguínea del soluto y se calcula de forma similar al K renal:

K renal (ml/mn) = Cu x Vo / Cs

Cu: concentración del soluto en orina (mg/ml).
Cs: concentración del soluto en sangre (mg/ml).
Vo: volumen minuto urinario (ml/min).

K del dializador (ml/mn, medido desde el líquido de diálisis).

Se calcula de forma similar, midiendo su concentración en el líquido de diálisis y conociendo su volumen. Esta técnica es precisa, pero requiere la recogida completa del líquido de dialisis. Actualmente existen en el mercado monitores, que determinan la concentración de urea “on-line” en el líquido de diálisis o que permiten la colección en alicuotas del líquido de diálisis para la determinación de solutos y que ahorran la recogida completa del líquido de diálisis.

La fórmula es la siguiente: Cd * Vd / Cs

Cd: concentración del soluto en el líquido de diálisis (mg/ml).
Vd : volumen minuto del líquido de diálisis (ml/min).
Cs: concentración del soluto en sangre (mg/ml).

Cuando queremos medir el K total durante toda la sesión de diálisis, la Cs se obtiene de la siguiente forma:

Cs= (Cs1 - Cs2)/ Ln (Cs1/Cs2)

Cs1: Concentración del soluto prediálisis (mg/ml).
Cs2: Concentración del soluto posdiálisis (mg/ml.

Y la fórmula completa será:

K dializador (ml/mn): Cd x Vd / ((Cs1 - Cs2)/ Ln (Cs1/Cs2))

K dializador (ml/mn medido desde el compartimiento sanguíneo).

Se calcula el descenso del soluto tras su paso por el dializador. Se obtiene multiplicando el flujo sanguíneo por el porcentaje de descenso de la concentración de soluto a su paso por el dializador.

K dializador (ml/mn): (Cse - Css)/Cse x Fs

Cse: concentración del soluto en sangre a la entrada del dializador (mg/ml).
Css: concentración del soluto en sangre a la salida del dializador (mg/ml).
Fs: flujo sanguíneo (ml/min.

Con esta formula se obtiene el K por mecanismo difusivo. Debemos añadirle el componente de K por UF, que se obtiene por la siguiente fórmula :

Css/Cse x FUF

FUF : flujo de ultrafiltración (ml/min)

El K total de un dializador será la suma de los K por difusión y UF y se expresa en ml/min.

[(Cse - Css)/Cse x Fs] + [Css/Cse x FUF]

La ventaja del concepto de aclaramiento (respecto a la TM) para medir el rendimiento de un dializador es que es independiente de la concentración del soluto en sangre.

También partiendo del K se puede medir la TM global durante una sesión de HD:

TM global: K x ((Cs1 - Cs2)/ Ln (Cs1/Cs2)) x Td

Td: tiempo en diálisis (min).

Dialisancia

Es similar al K y se aplica cuando el soluto a estudiar existe a la entrada del líquido de diálisis. Si un soluto no está en el líquido de diálisis, entonces la dialisancia es igual que el aclaramiento.

Factores que influyen en la eficacia de la diálisis

Se enumeran en la (Tabla 1).

Eficacia del dializador

Se estima por la constante de transferencia de masas KoA que determina la forma y altura de la curva que relaciona el Fs y el K (Figura 3). Sus valores son suministrados por el fabricante del dializador y determinados “in vitro”.

Para dializadores estandard sus valores son de 300-500 y para dializadores de alta eficacia pueden ser superiores a 700. Conociendo el KoA, se puede estimar el K para determinado Fs. Como puede verse en la (Figura 3), con dializadores de alta eficacia, el incremento de los K que acompaña al incremento del Fs, es significativamente mayor que el que ocurre con dializadores de menor KoA.

Superficie eficaz (A): A mayor superficie, mayor difusión. Un factor limitante es el volumen sanguíneo extracorpóreo. Se deben reducir los espacios muertos mediante un óptimo diseño de la geometría del dializador. La relación superficie eficaz/volumen sanguíneo es mejor en los dializadores capilares.

Efecto del flujo sanguíneo

Para un dializador de superficie mediana, con un Fd de 500 ml/min, el K de un soluto pequeño como la urea varía según el Fs de la manera mostrada en la (Tabla 2).

Como veíamos en la fórmula del K (desde el compartimiento sanguíneo), éste resulta de multiplicar el Fs por el % de extracción del soluto por parte del filtro. Sin embargo, al aumentar el Fs, el incremento del K es relativamente menor. Utilizando dializadores estandar, tiene mínimas ventajas en términos de K, aumentar el Fs por encima de 350 ml/min.

Para optimizar los Fs altos hay que utilizar dializadores de alta eficiencia que son aquellos que tienen un elevado KoA, según se describía en el apartado de difusión. Así, si para un dializador de moderada eficiencia el incremento de Qb de 200 ml/min a 400 ml/min implica un incremento de K de 25 %, para un dializador de elevada eficiencia este incremento será del 40 %.

Efecto del flujo del líquido (Fd) de diálisis

El aumento del K de solutos por difusión también depende del Fd. A mayor Fd, mayor K, aunque habitualmente no es muy importante. Para Fs entre 200-300 ml/min, los Fd óptimos son de unos 500 ml/min. Cuando se usan dializadores de alta eficiencia con Fs mayores de 350-400 ml/min, empleando Fd de 800 ml/min se consiguen incrementos de K urea del orden del 10%, aunque no aporta ventajas para el K de β2 microglobulina.

Influencia del peso molecular (PM)

Cuanto menor es el PM mayor es su velocidad, colisionando más frecuentemente con la membrana, lo que facilita su transporte por difusión.

Para moléculas de bajo PM (urea=60 daltons) el pasaje dependerá principalmente de la resistencia en la película de sangre (Rs) y el líquido de diálisis (Rd), y será función, en gran medida, de los Fs y Fd.

Para moléculas de mediano PM (500-5000 daltons, ej: vitamina B12=1355 daltons) el principal factor limitante de la permeabilidad será la resistencia de la membrana (Rm), y dependerá de sus caracerísticas (tamaño del poro) y de la duración de la diálisis, en tanto que el Fs es menos importante.

Mientras que para solutos de pequeño PM la difusión es mucho más importante que la UF, para solutos de PM elevado la convección es el mecanismo más relevante.

Efecto de la masa celular de la sangre

Los solutos que medimos para determinar los aclaramientos estan disueltos en la parte líquida de la sangre, mientras que en el paquete celular la concentración de dichos solutos varia según su capacidad de movimiento a través de las membranas celulares.

Este concepto debe tenerse en cuenta cuando se comparan K de dializadores "in vitro" e "in vivo", así como para conocer el flujo sanguíneo efectivo dializable.

Por ejemplo, para un Fs de 300 ml/min, el flujo plasmático para un hematocrito del 30% será de 210 ml/min y el flujo del paquete hemático de 90 ml/min.

Los solutos como la urea, de rápida movilidad a través de la membrana del hematíe, están disueltos en el agua del plasma y de los hematíes. Aproximadamente el 93 % del plasma y el 80 % de los hematíes es el espacio de distribución para la urea. Si el flujo es de 300 ml/min y el hematocrito del 30%, el flujo correspondiente al componente acuoso de la sangre de donde se pueden extraer solutos en solución será el siguiente:

  • Flujo de agua del plasma: 0.93 x 210 ml/min = 195 ml/min.
  • Flujo de hematíes: 0.80 x 90 ml/min = 72 ml/min.
  • Flujo del componente acuoso de la sangre = 267 ml/min. Así, para el supuesto de un hematocrito (Hto) del 30% el flujo sanguíneo susceptible de depuración dialítica de urea sería el 89 % del flujo sanguíneo programado.

La fórmula del flujo del componente acuoso de la sangre (Fca) queda así:

Fca = Fs x (0,80 x Hto/100 + 0,93 x (1 - Hto/100)

El K total del dializador corregido para el componente acuoso de la sangre será el siguiente:

[(Cse - Css)/Cse x Fs x (0,80 x Hto/100 + 0,93 x (1 - Hto/100)] + [Css/Cse x FUF]

Con esta fórmula se corrige el efecto del agua plasmática y el hematocrito sobre el aclaramiento.

El incremento del hematocrito para solutos como la urea con un volumen de distribución parecido entre plasma y hematíe no supondrá un gran problema, pero para otros solutos como el fósforo si tiene cierta significación. Así si el hematocrito pasa del 20 a 40% hay una reducción en la eliminación de fósforo de aproximadamente el 13 %. La importancia del hematocrito sobre los K, se ha hecho patente desde la introducción de la eritropoyetina.

Retrofiltración

Es la transferencia de soluto y solvente, desde el líquido de diálisis a la sangre. Ocurre si en el último tramo del dializador se invierte el gradiente de presión.

Situaciones en que aumenta la posibilidad de retrofiltración: bajas tasas de UF junto a incremento del flujo sanguíneo y empleo de membranas de gran superficie y alta permeabilidad.

A la retrofiltración se ha atribuido la transferencia de endotoxinas bacterianas (1.000-15.000 daltons) desde el compartimento de diálisis hacia la sangre.

Se previene aumentando la UF y reinfundiendo (postdilución) soluciones hidroelectrolíticas para compensar el exceso de UF. Cada dializador requiere un mínimo de UF para prevenir la retrofiltración. Se ha calculado que con tasas de UF superiores a 600 ml/hora, se previene la retrofiltración cuando se emplean dializadores de alta permeabilidad y superficie mayor de 1,5 m2. En compensación se reinfundirá (por la bomba de hemodiafiltración si es posible) suero fisiológico para compensar las pérdidas por la UF.

Recirculación

Significa que vuelve a entrar en el dializador una fracción de la sangre que acaba de ser dializada, por tanto la recirculación resta eficacia a la diálisis.

Existen 2 tipos de recirculación: cardio-pulmonar y del acceso vascular.

Recirculación cardio-pulmonar (Figura 4)

La sangre arterializada de la FAV vuelve al corazón sin pasar por el lecho tisular. Como consecuencia de ello, la sangre arterial que sale del corazón tiene una concentración de BUN algo menor que la sangre venosa periférica.

Esta recirculación puede suponer una reducción de la eficacia de diálisis del 4-10 %. Con objeto de corregir el efecto de la recirculación cardio-pulmonar en los cálculos del método cinético de la urea, el BUN postHD debe tomarse como mínimo 2 minutos despues de finalizar la sesión.

No tiene lugar cuando dializamos a través de un cateter venoso central.

Recirculación del acceso vascular

Una fracción de la sangre que acaba de dializarse se mezcla a causa de un flujo retrógrado con la sangre que va a entrar en el filtro. Con este fenómeno la concentración de solutos que entran para dializarse disminuye y el aclaramiento efectivo se reduce.

Si la recirculación es muy importante debido a una anomalía del acceso vascular puede generarse clínica urémica por subdiálisis.

El método clásico para medir la recirculación emplea la urea o creatinina, en tres puntos al mismo tiempo: en la linea arterial prefiltro, en la linea venosa posfiltro y en una vena periférica. Se aplica la siguiente fórmula:

%R= (Cp-Ca)/(Cp-Cv)

R(%) = porcentaje de recirculación.
Cp = concentración del soluto ( urea o creatinina) en una vena periférica.
Ca = concentración del soluto en linea arterial.
Cv = concentración del soluto en linea venosa.

Con este método se incluye la recirculación cardio-pulmonar. El lugar óptimo para obtener una muestra de sangre periférica no artefactada por la recirculación cardio-pulmonar sería la sangre arterial. Cuando se utiliza la vena periférica la recirculación del acceso vascular puede estar sobreestimada en un 4-10%.

Utilizando la técnica del enlentecimiento del flujo sanguíneo (Qb 50 ml/min, durante 2 minuros), la recirculación no debería ser mayor del 10-15%. Caso contrario, debe plantearse la revisión de los puntos de punción y de la propia fistula arterio-venosa.

Medidor de recirculación: Estima la recirculación total induciendo cambios térmicos por termodilución en el líquido de diálisis y midiendo las variaciones de temperatura en las líneas arterial y venosa a la vez que controla la temperatura corporal del paciente.

Tablas
Tabla 1.
Factores que influyen en la eficacia de la dialisis
Tabla 2.
Variación del aclaramiento del soluto en función del flujo sanguineo del dializador. Fs: Flujo sanguíneo. K: Aclaramiento
Imágenes
Figura 1.
Mecanismos de difusión y de convección
Figura 2.
Coeficiente de cribaje para las membranas de alta y de baja permeabilidad en comparación con el filtrado glomerular normal. MBP: membranas de baja permeabilidad. MAP: membranas de alta permeabilidad
Figura 3.
Relación entre el flujo sanguíneo (Fs) y el aclaramiento (K), para dializadores de alta y baja eficacia. Para Fs superiores a 300 ml/min el rendimiento de los dializadores de baja eficacia es escaso y hay que emplear dializadores de alta eficacia y gran superficie
Figura 4.
Recirculación cardio-pulmonar. La concentración de los solutos que entran en el dializador es ligeramente menor que la concentración de solutos en la sangre periférica después de pasar por los tejidos
Referencias Bibliográficas
1.
Frost T, Kerr DNS: Kinetics of hemodialysis: A theoretical study of the removal of solutes in chronic renal failure compared to normal health. Kidney Int 1977; 12: 41-50. [Pubmed]
2.
Daugirdas JT. Physiological principles and urea kinetic modeling. En: Daurgidas JT, Blake PG, Ing TS, eds. Handbook of dialysis, 4.ª ed. Little Brown;2007; 25-58.
3.
Gotch FA. Kinetic modeling in hemodialysis, in Nissenson AR, Fine RN, Gentile DE (eds): Clinical Dialysis. Norwalk, CT, Appleton & Lange, pp 156-188, 1995.
4.
Sargent J, Gotch F: Principles and biophysics of dialysis. En Jacobs C, Kjellstrand CM, Koch KM, Winchester JF (eds): Replacement of Renal Function by Dialysis (ed 4). Dordrecht, The Netherlands, Kluwer 1996, pp 34-102.
5.
Leypoldt JK. Effect of increasing dialysate flow rate on KoA and dialyzer urea clearance. Semin Dial 1998;11:195-196
6.
Hauk M et al: In Vivo Effects of Qd on Kt/V in MHD. Am J Kidney Dis 2000;35 (1): 105-111. [Pubmed]
7.
Keshaviah, P. Technology and clinical application of hemodialysis. In: The Principles and Practice of Nephrology, Jacobson, HR, Striker, GE, Klahr, S (Eds), BC Decker, Philadelphia, 1991, p. 740.
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