TEMA 1. FUNDAMENTOS DE LA HEMODIÁLISIS: DEL PRINCIPIO A LA PRÁCTICA


La hemodiálisis es un tratamiento renal sustitutivo para la insuficiencia renal crónica en estado avanzado, que se basa en una técnica de depuración extracorpórea de la sangre. Este procedimiento compensa la función excretora de los riñones mediante el uso de un dializador con membranas semipermeables, pero no suple las funciones endocrinas y metabólicas, los cuales van a requerir tratamientos complementarios. Esta depuración se realiza poniendo en contacto la sangre del paciente con un líquido de diálisis a través de una membrana semipermeable, produciéndose así el transporte de agua y solutos de forma bidireccional.

La evolución histórica de la hemodiálisis comienza antes de los años 50 con el desarrollo de los principios físicos como la ósmosis y la difusión por René Dutrochet y Thomas Graham, hasta los primeros dispositivos de diálisis creados por John Jacob Abel y Georg Haas. Aunque, Willem Kolff es reconocido como el inventor del primer riñón artificial funcional.

Los avances posteriores incluyeron el perfeccionamiento de circuitos hidráulicos y membranas más resistentes, con el uso del celofán. En España, la primera hemodiálisis se realizó en 1957.

Además, en la evolución de esta terapia cabe destacar la propia historia de los accesos vasculares. Desde los primeros shunts hasta la fístula arteriovenosa desarrollada en 1964, que mejoró la eficiencia y seguridad del procedimiento. En aquellos casos donde no es viable un acceso de este tipo, se utilizan catéteres venosos centrales.

Para comprender esta técnica es necesario conocer los principios físicos que rigen la hemodiálisis, como la difusión, que transporta solutos a través de la membrana; la ósmosis, responsable del transporte pasivo de agua; y la convección o ultrafiltración, que elimina líquido y solutos. Por lo que, los avances de la técnica de hemodiálisis se basan en membranas de alto flujo que emplean estos principios físicos, el uso de ácidos con diferentes propiedades y modalidades convectivas de alto rendimiento.

En conclusión, la hemodiálisis ha evolucionado significativamente, integrando avances tecnológicos y conocimiento científico para mejorar la calidad de vida de los pacientes con insuficiencia renal crónica avanzada.

 

1.1 DEFINICIÓN

En la década de los años 50 y principios de los 60 se perfecciona el riñón artificial empleado con éxito a finales de la Segunda Guerra Mundial por el Dr. Kolff y con la fístula autóloga descrita por Cimino y Brescia, se generaron los primeros programas de HD como tratamiento renal sustitutivo de la enfermedad renal crónica en estadio avanzado (ERCA).  En nuestro país la primera hemodiálisis se realizó en 1957 en el hospital de la Cruz Roja de Barcelona.

Hoy en día, los tratamientos sustitutivos han perdido parte de la agresividad que los caracterizaba en sus inicios y son relativamente inocuos y tolerables para la mayoría de los pacientes.

La hemodiálisis es una de las terapias empleadas como tratamiento renal sustitutivo de los pacientes con insuficiencia renal crónica avanzada y la más común hoy en día.  Se realiza mediante una técnica de depuración extracorpórea de la sangre que suple las funciones renales de excreción de solutos, eliminación de exceso de líquido y regulación del equilibrio ácido-básico y electrolítico. Esta depuración se realiza poniendo en contacto la sangre del paciente con un líquido de diálisis a través de una membrana semipermeable, produciéndose así el transporte de agua y solutos de forma bidireccional.

En cambio, esta terapia no es capaz de suplir las funciones endocrinas o metabólicas renales, por lo que, será necesario hacerlo mediante un tratamiento coadyuvante.

Para llevar a cabo esta terapia necesitamos un monitor, que es el encargado de conducir la sangre del paciente, y un dializador donde se produce el intercambio y desecho de sustancias, y que ésta regrese al paciente en condiciones de asepsia y seguridad. El dializador contiene la membrana semipermeable que se interpone entre 2 compartimientos líquidos, la sangre del paciente y el líquido de diálisis. Esto permite que se intercambien agua y solutos que sean capaces de atravesar los poros de la membrana.

Mediante los principios físicos de difusión, convección y adsorción, que explicaremos más adelante, se regulará la eliminación de sustancias y liquido en la diálisis extracorpórea. Al realizarse el intercambio de agua y solutos, logramos establecer un equilibrio ácido-básico y electrolítico en el paciente. Además, se filtran sustancias tóxicas y desechos que, debido a su insuficiencia renal, no puede eliminar, como es el caso de la urea y la creatinina. Además, ciertas sustancias como el calcio o el bicarbonato se transferirán del líquido de diálisis al paciente, ya que este presenta deficiencias en ellas. Por otro lado, electrolitos como el sodio, el potasio o el fósforo alcanzarán una concentración fisiológica en el organismo del paciente.

La duración de las sesiones de hemodiálisis dependerá de las necesidades clínicas y sobre todo analíticas de cada paciente. Existen diferentes regímenes de esta terapia, pero la más habitual es la hemodiálisis intermitente que consiste en sesiones de 3 a 4 horas cada dos días, es decir, tres sesiones por semana. Este esquema varía dependiendo de las necesidades del paciente que según su estado puede requerir sesiones diarias o comenzar el tratamiento con dos sesiones semanales.

 

1.2 LA HEMODIÁLISIS Y SUS MONITORES. EVOLUCIÓN HISTÓRICA

La uremia se define como el conjunto de síntomas cerebrales, respiratorios, circulatorios, digestivos… producidos por la acumulación de sustancias toxicas en la sangre y en los tejidos derivados del metabolismo orgánico eliminados por el riñón debido a la pérdida de la función renal.

Richet describió la uremia como un desequilibrio químico y de regulación. Asimismo, Rouelle le Cadet describió la urea como una sustancia jabonosa que estaba presente en distintas especies animales y en los humanos. Pero no fue hasta 1840 cuando Pierre Poirry, lo describió como “la contaminación de la sangre por la orina” y más tarde lo llamó “estado urémico”.

René Dutrochet (1776-1847), considerado como el padre intelectual de la diálisis, llevó a cabo varios estudios concluyendo que la orina se producía tras un proceso de filtración química e introdujo el término de ósmosis para describir el paso de agua, a través de una membrana, de una solución con baja concentración de sales a una de mayor concentración.

A su vez, Thomas Graham describió la difusión teniendo en cuenta las leyes de difusión de gases. Investigó como se producía la fuerza osmótica y estudió la separación de sustancias a través de membranas. Tras describir la ósmosis química como “medio que de forma adecuada se encuentra bien adaptado para tomar parte en la economía animal”, hizo la observación de que la urea podría ser dializada a través de membranas semipermeables, hecho determinante para que se pensara en la diálisis como tratamiento de la uremia.  Por otro lado, Adolph Fick a comienzos de 1895, estudió el mecanismo de la difusión a través del colodión que había estudiado Paracelsus. Schumacher, en 1860, montó este material dentro de cilindros y bolsas y, en 1907, Lawrence Bigelow y Amelia Gesserling, concluyeron que el colodión resultaba más práctico que otras membranas para la diálisis.

Como hemos descrito, a lo largo de los años se fueron desarrollando los principios físicos que se aplican para la depuración extracorpórea. Pero no fue hasta 1913 cuando John Jacob Abel y sus colegas los emplearon mediante un aparato llamado de vividifusor (dializador de colodión). Este consistía en un cilindro de cristal (por el que circulaba el líquido de diálisis) en el que estaban montados tubos huecos de colodión que se conectaban, en sus extremos, en un colector de vidrio al que llegaba y desde donde retornaba la sangre contenida en los tubos. A esto lo llamó vividifusión.

La búsqueda de nuevas membranas constituía otro reto en el desarrollo de la diálisis. El dializador que habían diseñado Abel y sus colegas tenía un problema: la fragilidad de la membrana de colodión.

A partir de entonces, las investigaciones y avances se aceleran rápidamente y en el verano de 1924, Georg Haas modifica el vividifusor en la University of Giessen (Alemania) y utiliza por primera vez en humanos el denominado “Haas Dialyzer” (también de membranas de colodión).

 

 

Imagen 1. Vividifusor de Georg Haas. Fuente: Solozábal Campos CA. Nefrología al día. Monitores de Hemodiálisis: evolución histórica. Disponible en: https://www.nefrologiaaldia.org/261

 

Aunque el verdadero inventor del riñón artificial se considera al médico holandés Willem Kolff. Kolff trabajaba en el departamento de medicina de la universidad de Groningen y contactó con su profesor de bioquímica (Dr Brinkam) quien le habló del celofán y su uso en diálisis en el laboratorio. Por lo que en 1943 utilizó tubos membranosos hechos de celofán a base de celulosa enrollado en un cilindro de aluminio, “el tambor rotatorio”, que giraba en el interior de un recipiente lleno de líquido de diálisis.

A partir de aquí los circuitos hidráulicos se fueron perfeccionando, pasando del riñón rotatorio, al “monitor de recirculación” de cuba o “canister” y posteriormente al de “recirculación y paso único”. Los monitores que utilizamos en la actualidad, suelen ser normalmente circuitos abiertos y de paso único. 

Como hemos apuntado anteriormente los sistemas se fueron mejorando, permitiendo separar la sangre de un líquido para la depuración empleando los dializadores.

La primera diálisis en España la realizó el doctor Rotellar en el hospital de la Cruz Roja de Barcelona en 1957 y lo hizo con un modelo del riñón artificial diseñado por Kolff.

 

 

Imagen 2: Tambor rotatorio de Willem Kolff. Fuente: Thomas, N. 2.0 Historia de la Hemodiálisis [Internet]. EDTNA/ERCA. Disponible en: https://homehd.edtnaerca.org/sp/healthcare-professionals/the-history-of-haemodialysis

 

El reto siguiente, fue conseguir un buen acceso vascular. El primer paso fue el shunt arteriovenoso de vidrio y goma de Alwall, al que siguieron, el shunt de Wayne Quinton y Belding Scribner fabricado con politetrafluoretileno (PTFE) y el shunt de Thomas implantado en la vena y arteria femoral del paciente.

Pero sin duda el mayor avance lo supuso el desarrollo de la fístula arteriovenosa en 1964 por J. Cimino, M. Brescia y K. Appel que unieron una arteria y una vena (llamado anastomosis) que pudiera dar un fácil acceso a la sangre arterial de los pacientes abriendo así una nueva fase en la hemodiálisis clínica y proporcionado el acceso para la hemodiálisis de manera repetida a largo plazo.

Siendo la primera elección la realización de una fístula arteriovenosa, la supervivencia, longevidad de los pacientes y los problemas cardiovasculares que dificultan la realización de esta, ha hecho necesario el uso de catéteres centrales en muchos de estos pacientes.

En las últimas décadas se han producido importantes avances en esta terapia como: mejoras de las membranas de diálisis y en su diseño de alto flujo y alta permeabilidad, en el control volumétrico de la ultrafiltración, uso del bicarbonato como tampón, mejoría y sofisticación de los sistemas como el aclaramiento online, el control de la conductividad y modalidades convectivas como la hemofiltración y la hemodiafiltración.

 

1.3 PRINCIPIOS FÍSICOS

Como hemos descrito hasta ahora, la diálisis consiste en poner en contacto la sangre con una solución dializante separadas por una membrana semipermeable a través de la cual, se produce el intercambio de solutos, depuración de las toxinas y la eliminación del exceso de líquido. Esta membrana o dializador es capaz de depurar agua y solutos (urea, creatinina, potasio, fósforo, β2microglobulina…) y evita la pérdida de proteínas y células sanguíneas del paciente. Todo esto será posible gracias a los principios físicos de difusión, ósmosis, convección y adsorción.

 

 

Imagen 3: Mecanismos de difusión, convección y ósmosis. Elaboración propia

 

1.3.1 Transporte por difusión o conducción

Este principio consiste en el transporte pasivo de solutos a través de la membrana semipermeable del dializador y se produce por la diferencia de concentración entre ambos compartimientos. Los solutos de pequeño tamaño y gran movilidad se transfieren bien por difusión. La superficie del dializador, el flujo de sangre y en menor medida el flujo del baño de diálisis son los factores que regulan la difusión de los pequeños solutos.

El movimiento aleatorio de las partículas o movimiento browniano (descubierto por Robert Brown en 1827 al observar una partícula de polen sumergida en agua), se observa en partículas suspendidas en un medio líquido y es el resultado del choque de estas contra las moléculas de dicho fluido.

El número de solutos que atraviesan la membrana mediante difusión depende de varios factores:

  • Coeficiente de transferencia de masas del dializador (KoA):es el aclaramiento máximo teórico de un dializador, dado un flujo infinito tanto de sangre como de líquido de diálisis. Está relacionado con el tamaño de los poros de la membrana que deben ser lo suficientemente grandes para dejar pasar las toxinas urémicas y lo suficientemente pequeños para evitar el paso de moléculas como las proteínas, albúmina, hematíes... que puedan comprometer el estado clínico del paciente. Para aumentar su eficacia deberemos aumentar la superficie de la membrana, además de incrementar el flujo de sangre, el líquido de diálisis, la duración y/o la frecuencia de la sesión.
  • Este coeficiente se mide en ml/min y se calcula en base a la fórmula:

KoA = ((Qb*Qd)/(Qb-Qd)) * Ln ((1-K/Qb)/(1-K/Qd))

 Ko permeabilidad del dializador

A superficie del dializador

Qd flujo del líquido de diálisis

Qb flujo de sangre

Ln logaritmo neperiano

 

  • Gradiente de concentración: es la diferencia de concentración de un soluto entre el compartimiento sanguíneo y el del dializado. Este gradiente es óptimo cuando el líquido de diálisis circula sólo una vez (paso único), a contracorriente y paralelo al flujo de la sangre.
  • Peso molecular: cuanto mayor sea el peso molecular de un soluto, menor será su tasa de transporte a través de la membrana semipermeable. Esto depende de:
    - Velocidad: el peso molecular es inversamente proporcional a su velocidad. Las moléculas pequeñas, por lo tanto, se mueven a gran velocidad, colisionando a menudo con la membrana, siendo su tasa de transporte por difusión a través de esta mayor que para las moléculas de mayor tamaño.
    - Tamaño: a mayor peso molecular, mayor tamaño. Si el tamaño del poro de la membrana se aproxima o excede al tamaño molecular del soluto, la membrana impedirá parcial o completamente el paso de dicho soluto.

Como hemos visto el gradiente de concentración no solo influye en el paso de solutos, otros factores como la temperatura, la superficie o el grosor de la membrana afectan junto al coeficiente para una adecuada depuración.

 

1.3.2 Transporte pasivo de agua u ósmosis

Este transporte se produce a través de la membrana semipermeable, cuando hay dos soluciones con diferente concentración de solutos a ambos lados de la membrana y el agua pasa de la solución menos concentrada a la más concentrada para igualar la concentración del solvente.

Todo esto es posible por una presión osmótica, que se define como la diferencia de presión que se establece entre dos soluciones de distinta concentración que se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable.

Como existen dos soluciones de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable se desarrolla un gradiente diferencial de concentraciones, donde se producirá una difusión de partículas hacia la menos concentrada (difusión) y una absorción de solvente (agua) hacia la más concentrada (ósmosis).

 

1.3.3 Transporte por convección o ultrafiltración

El transporte consiste en el paso simultáneo a través de la membrana semipermeable de agua plasmática acompañada de solutos de mediano y gran tamaño que se transfieren mal por difusión bajo el efecto de un gradiente de presión hidrostática.

Es la base del ultrafiltrado (eliminación del exceso de líquido extraído de la sangre y que el paciente no elimina por diuresis) a través de la membrana de diálisis por este mecanismo.

El flujo convectivo de un soluto depende de la cantidad del líquido filtrado, la concentración de dicho soluto en el agua plasmática y el coeficiente de cribado de la membrana. Por lo que esta técnica requiere de un buen tratamiento de agua, filtros de seguridad y analíticas de control y así conseguir un líquido de diálisis ultrapuro, exento de bacterias y pirógenos, para infundir al paciente y así pueda recuperar las pérdidas de ultrafiltrado durante la sesión, con las máximas garantías de calidad.

La presión de las membranas es la que deriva de la presión dentro del circuito sanguíneo y de la presión en el líquido de diálisis (generalmente negativa). La presión en el sistema sanguíneo oscila entre 50 y 100 mmHg aunque si el retorno venoso no es bueno o hay obstrucción en el flujo del dializador puede llegar a ser de hasta 25 mmHg. La presión del compartimento del líquido de diálisis es generalmente negativa y puede ser reducida

incluso hasta -450 mmHg simplemente ocluyendo la salida del líquido de diálisis hacia el dializador. Aquí aparece el concepto de presión transmembrana, que es la suma de las presiones del circuito sanguíneo más la presión del líquido de diálisis (por ejemplo, presión venosa - del compartimento sanguíneo - 50 mmHg + presión del líquido de diálisis 300 mmHg = presión transmembrana 350 mmHg).

 

1.3.4 Adsorción

La convección elimina con dificultad las toxinas urémicas unidas a proteínas, por lo que hay que recurrir a procedimientos como la adsorción para eliminarlas. En la actualidad, se han desarrollado procedimientos que añaden a la técnica de difusión y/o convección una resina capaz de adsorber medianas moléculas y solutos unidos a proteínas. 

 

1.3.5 Clasificación de las toxinas en función del peso molecular

  • Pequeñas moléculas. Bajo peso molecular (inferior a 500 Daltons) acumulándose en el plasma y en los tejidos. Las principales son:
    - Urea: su peso molecular es de 60 Daltons. Depende de la ingesta de proteínas y es la molécula de bajo peso molecular más importante.
    - Creatinina: es el producto del metabolismo de la musculatura esquelética.
    - Ácido úrico: es el producto final del metabolismo de las purinas. La acumulación de esta toxina puede conducir a la aparición de crisis gotosas.
    - Compuestos guanidínicos: derivan del ciclo de la urea y representan el segundo grupo, en importancia, de los catabolitos nitrogenados.
    - Compuestos fenolíticos: intervienen en la trombopatía urémica e inhibirán la actividad de diversas enzimas cerebrales.
    - Aminas alifáticas.
    - Mioinositol.
    - Amoniaco: en cantidades elevadas puede producir trastornos digestivos.
  • Medianas moléculas. Se eliminan menos rápidamente que los precedentes, a través de las membranas de diálisis y tienen un peso molecular entre 500 - 5.000 Daltons.
  • Grandes moléculas. Tienen un peso molecular de hasta 50.000 Daltons. Destaca la beta-2-microglobulina (11.815 Daltons) por su relación con la amiloidosis asociada a la diálisis.

 

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