Applicazioni ingegneristiche in ambito biomedico - Blocco 2

Applicazioni emodialisi

Come un sistema tecnologicamente avanzato permette di fare un’applicazione a livello clinico?

Per sostituire la funzione renale bisogna richiamare alcuni concetti riguardo la funzione dell’organo.

Il rene è un organo complesso che normalmente nella concezione generale provvede a depurare il sangue. Ci sono dei prodotti del metabolismo che andranno eliminati, come l’urea.

Il rene determina la concentrazione di elettroliti nel sangue, e gli elettroliti cioè gli ioni inducono delle funzioni in tutti i tessuti ma in particolare il potassio nelle contrazioni del miocardio. Il rene modifica mediante il bilancio del calcio anche con l’attivazione della vitamina D la struttura delle ossa. Se si modificano gli elettroliti è chiaro che si regola il pH del sangue e il pH del sangue deve essere molto ben regolato e deve essere sempre uguale a 7,4 quindi se succede qualche cosa al rene ci sono delle grosse modificazioni di tutti gli altri sistemi.

Ci sono anche funzioni di tipo attivo ad esempio la sintesi di eritropoietina che permette di liberare i globuli rossi dalle cellule progenitrici. I pazienti che sviluppano l’insufficienza renale hanno un ematocrito bassissimo circa 25, normale sarebbe 98.

L’altra cosa è che il rene se regola il bilancio idrico regola anche la pressione sanguigna e produce l’angiotensina.

La macchina che dovremo usare riuscirà a sostituire alcune di queste funzioni ma non tutte.

Da quando è stata sviluppata la tecnica di emodialisi hanno aumentato la durata di vita.

Rivedere assorbimento sangue tubulare e capillari.

Struttura del rene

Osservando una sezione longitudinale del rene, si notano due zone diverse. Una, più esterna, è definita corticale, e quella più interna detta midollare. La porzione midollare è costituita da numerose strutture di forma grossolanamente triangolare, denominate piramidi renali, che convogliano l’urina in strutture chiamate calici renali. Questi, a loro volta, convergono verso la pelvi renale. Dalla pelvi, le urine vengono convogliate nell’uretere. L’osservazione al microscopio del tessuto del rene permette di individuare il nefrone, che è l’unità funzionale dell’organo, nel senso che ciascun nefrone è in grado di svolgere la funzione di produzione delle urine e l’insieme dell’attività dell’organo dipende dalla somma delle funzioni di tutti i nefroni. In un rene è presente circa un milione di nefroni. Ciascun nefrone è formato da un glomerulo e da un tubulo. Questo, a sua volta, termina nei dotti o tubuli collettori. Il glomerulo è formato da un gomitolo di vasi capillari, che si formano a partire da un’arteriola definita afferente e confluiscono nell’arteriola efferente.

Permette la filtrazione delle piccole molecole attraverso il glomerulo le quali se devono essere eliminate passeranno attraverso il tubulo altrimenti vengono riassorbite.

Siccome la filtrazione a livello glomerulare dell’acqua è molto più alta di quella escreta con le urine il tubulo deve riassorbire quasi tutta l'acqua filtrata a livello glomerulare e quindi quello che succede è che mi si riconcentrano molto tutte le sostanze di scarto.

Il glomerulo

Il glomerulo è contenuto in una capsula a forma di coppa, chiamata capsula di Bowman, che raccoglie un liquido, la pre-urina, che filtra attraverso il glomerulo, e lo riversa nei tubuli renali. Il tubulo renale è formato da un primo tratto, tubulo contorto prossimale, e da un segmento finale, il tubulo contorto distale. Fra il tubulo contorto prossimale e quello distale c’è un altro condotto, l’ansa di Henle, nella quale è possibile distinguere una branca discendente e una ascendente. Il tubulo distale di ciascun nefrone risale posteriormente alla capsula di Bowman e converge nell’angolo formato dalle arteriole afferente ed efferente. Nella zona posta all’incrocio fra le arteriole afferente ed efferente e il tubulo contorto distale è presente una struttura, chiamata apparato iuxtaglomerulare, della quale fanno parte le cellule iuxtaglomerulari, che secernono la renina, e la cosiddetta macula densa. L’insieme di queste strutture rappresenta la centrale di controllo della funzione del nefrone, in grado di rilevarne alterazioni e di attuare i necessari interventi correttivi. Il tubulo contorto distale si immette nel tubulo collettore. Più tubuli collettori provenienti da differenti nefroni si riuniscono e formano le piramidi renali.

Fisiologia

La funzione principale del rene è quella di filtrare, il più selettivamente possibile, le componenti del sangue da eliminare con le urine, riassorbendo quelle escrete alla prima filtrazione, ma troppo utili all’organismo per essere perse in quantità eccessive. Fra cataboliti eliminati con le urine in maggiore quantità ci sono urea, acido urico, creatinina, ammoniaca, oltre a farmaci, loro derivati e varie sostanze estranee all’organismo. A questa funzione principale ne sono correlate altre, come la regolazione dell’equilibrio acido-base e del bilancio idro-elettrolitico, il mantenimento del volume del sangue circolante e la regolazione della pressione arteriosa. Il rene è anche un organo endocrino, in quanto produce ormoni come eritropoietina e la renina. L’eritropoietina stimola la produzione di globuli rossi. La renina è prodotta dalle cellule iuxtaglomerulari e trasforma una molecola denominata angiotensinogeno in angiotensina I. Nel fegato e nel polmone l’angiotensina I è trasformata a sua volta, grazie all’enzima convertitore dell’angiotensina, Angiotensin Converter Enzyme: ACE, in angiotensina II. L’angiotensina II ha un potente effetto diretto di vasocostrizione e uno di stimolo della secrezione di aldosterone e cortisolo. Tornando alla renina, la sua produzione è influenzata da diversi fattori, fra i quali la pressione arteriosa. Infine nel rene si producono grandi quantità di prostaglandine che regolano, tra l’altro, il flusso fisiologico del sangue nel rene. Il flusso ematico fisiologico nel rene è di circa 1200 ml al minuto, ciò vuol dire che nel rene passa, in un minuto, quasi il 25% del volume totale del sangue. La maggior parte di questo volume, circa l’80%, viene filtrata attraverso il glomerulo e tale filtrazione produce la già citata pre-urina, che è raccolta nella capsula di Bowman e poi fatta defluire nel lume del tubulo prossimale.

La differenza più importante, fra la composizione della pre-urina e quella del plasma, è che la prima è quasi priva di proteine, in particolare di albumina e globuline, e di grassi. Infatti, la membrana basale del glomerulo non lascia passare sostanze di peso molecolare superiore a 70.000 Dalton. Di pre-urina ne vengono prodotti 120 ml al minuto, per un totale di 170-180 litri nelle 24 ore, una quantità molto grande, rispetto al volume del sangue, che è di circa 5 litri. D’altra parte, dalla pre-urina viene riassorbita una quantità di acqua talmente ingente, da arrivare a un volume finale di urina nelle 24 ore di soli 1-1.5 litri.

Questo rende evidente l’importanza della funzione di riassorbimento che si verifica nelle parti del nefrone a valle della capsula di Bowman. Ad esempio, nel tubulo prossimale si verifica il riassorbimento, ovvero il passaggio dal tubulo stesso al capillare, di circa l’80-85% dell’acqua contenuta nella pre-urina, insieme alla totalità del glucosio, del potassio e degli aminoacidi, di circa il 70% del sodio ed il 60% dell’urea. Il sodio viene riassorbito con meccanismo attivo e, nel passaggio verso il sangue, trascina con sé il cloro, richiamando acqua con meccanismo di osmosi. Per quanto riguarda il riassorbimento del glucosio, va ricordato che c’è un limite alla capacità delle cellule tubulari di riassorbirlo, definita soglia renale del glucosio. Tale limite viene annullato in presenza di valori glicemia superiori a 180 mg/dl. In queste condizioni, il glucosio passa nelle urine e compare glicosuria.

Nell’ansa di Henle avviene un’ulteriore concentrazione dell’urina, rispetto alla pre-urina, che comporta una modulazione del bilancio fra eliminazione e ritenzione di elettroliti, per mantenere l’equilibrio idroelettrolitico. La composizione dell’urina continua a subire modificazioni anche nel tubulo distale e nei dotti collettori, nei quali si ha un ulteriore recupero del sodio, scambiato con il potassio. Fra i sistemi di regolazione della formazione e della composizione delle urine c’è quello dell’aldosterone. Questo ormone, definito mineralcorticoide, viene prodotto nella zona corticale del surrene, a partire dal colesterolo, e la sua sintesi è stimolata dalla renina. Sul rene esercita un effetto di riduzione della produzione di urina la vasopressina, prodotta nell’ipofisi. Tutti i meccanismi di riassorbimento di acqua attivi nei tubuli distali del nefrone contribuiscono a mantenere l’equilibrio acido-base.

I capillari glomerulari sono inseriti tra due arteriole e modificando il tono delle arteriole riusciamo a mantenere all'interno della matassa capillare glomerulare una certa pressione del sangue, la pressione che c'è all'interno del capillare permette di far filtrare dell'acqua attraverso la membrana; l'acqua filtra perché la membrana è costituita da cellule endoteliali che sono fenestrate. Sappiamo che c'è uno strato di proteine della matrice, quella che chiamiamo la membrana basale, e poi c'è uno strato di cioè che si vedono qua come morfologia che sono le cellule epiteliali, quindi all'interno c'è l’endotelio all'esterno cioè l'epitelio e l'acqua può passare dalle fenestrature dell'endotelio alle fessure che ci sono tra le cellule epiteliali. Una membrana così che ha uno spessore di circa 300 nanometri per quanto riguarda la membrana basale non è molto facile da riprodurre con i materiali artificiali.

Una membrana così non è facile da riprodurre perché troppo piccola e non resistente. A livello artificiale è difficile da ottenere. Le fenestrature presenti nell’endotelio è molto complesso da riprodurre.

Deve passare bene l’acqua, quindi dobbiamo avere dei materiali che fanno passare bene l’acqua. Bisogna tenere conto del fatto che sul lato interno del sistema di filtrazione c’è il contatto con il sangue.

A livello glomerulare ci sono delle sostanze, in particolare proteine come albumina, fibrinogeno non devono passare attraverso la membrana, non devono uscire i globuli rossi le proteine e le macromolecole. Devo realizzare materiali molto selettivi. Una volta che il materiale riesce a mantenere all’interno queste sostanze deve riuscire ad eliminare le sostanze piccole.

Dobbiamo ottenere che delle molecole che passano attraverso la membrana alcune devono essere eliminate altre riassorbite.

Cause e danno renale

Ci sono molte cose che ho elencato quindi ci possono essere cause di tipo immunologico oppure cause di tipo tossico cioè esposizioni a qualcosa di tossico oppure malattie autoimmuni ha gli anticorpi abbiamo visto come sbagliano alcune nefropatie derivano dal fatto che abbiamo degli anticorpi che riconoscono le proteine della membrana basale come degli antigeni da combattere.

Relativi alle azioni ci sono durante una crisi immunologica dopodiché dal punto di vista della reazione logica la cosa passa ormai il materiale è stato danneggiato quindi per tutte queste cause c'è un insulto al tessuto il tessuto reagisce in un certo modo e dopo rimane un danno il tessuto.

Ci sono molte cause che possono portare al malfunzionamento del rene.

Quando il glomerulo si danneggia si forma della fibrosi, il tessuto degenerato non torna più indietro e la malattia procede con diversi stadi.

Il paziente al 4 stadio non ha più la funzione renale, bisogna trovare una terapia, non farmacologica, il paziente nel giro di qualche settimana muore.

La funzione renale viene persa in maniera progressiva, se funziona bene il filtro l’albumina rimane all’interno, se comincia a passare dell’albumina si ritrova nelle urine.

I pazienti che arrivano in questa condizione creano un problema clinico. Se per sostituire la funzione renale l’unica cosa è il trapianto sarebbe complesso.

I pazienti che arrivano a sviluppare l’insufficienza renale terminale hanno un’incidenza particolarmente costante nel tempo, ci si aspetta che questo problema clinico continui ad esserlo poiché ogni anno aumentano e quindi aumenta l’impegno clinico.

In trattamento con dialisi peritoneale ci sono molti meno pazienti da trattare.

Trattamenti dialitici e trapianto

I pazienti vanno trattati con un trattamento dialitico che si divide in emodialisi o dialisi peritoneale.

Emodialisi: basato su circuito extracorporeo: è collegato a un sistema che permette di far passare una certa portata di sangue attraverso il nostro dispositivo, il circuito extracorporeo deve essere perfuso dal sangue dura circa 4 ore e deve essere ripetuto circa 3 volte alla settimana.

Dialisi peritoneale: fatto a livello domiciliare 15/20%.

Se non è trattato con dialisi va incontro a trapianto d’organo.

Il trapianto d’organo di rene è stato il primo a essere messo a punto e i pazienti devono essere trattati con i farmaci antirigetto a vita.

Il trapianto d’organo non è risolutivo al 100% perché l’organo trapiantato dura circa 15 anni in media. La maggior parte dei pazienti sono trattati con emodialisi perché i trapianti sono scarsi per la mancanza di donatori. Il trapianto di rene può essere fatto anche da vivente, prelevato da un donatore.

Un soggetto può vivere anche con un rene solo perfettamente e la funzione renale è vicariata da un solo rene, la creatinina è normale e tutto funziona perfettamente.

Il 90% dei pazienti è trattata con la tecnica emodialitica e il trapianto è riservato ai pazienti più giovani.

Trattamento emodialitico

Il trattamento è basato sulla circolazione extracorporea, per far questo abbiamo bisogno di un accesso vascolare, cioè di un collegamento. La portata è circa 300 ml/min. È una portata che dobbiamo togliere da un vaso e rifondere, per 4 ore deve essere attaccato a una connessione e poi staccarlo, lasciarlo andare a casa e riattaccarlo dopo due giorni. Se il paziente deve fare il trattamento di 4 ore, possono farne al massimo 3 al giorno. È un trattamento impegnativo anche dal punto di vista organizzativo e per la macchina in sé è necessario avere oltre al liquido sangue che perfonde il sistema anche il liquido dialisi che rimuove i prodotti di scarto che ha una portata di 500 ml/min.

L’accesso vascolare viene realizzato nel braccio del paziente, attraverso i vasi, una canula preleva sangue dall’arteria e lo fa arrivare ad una pompa che deve perfondere il sangue attraverso uno scambiatore. Questa dialisi è fatta mediante il contatto del sangue con una membrana che permette di scambiare gli elementi del sangue ed è disposta come se fosse un radiatore. Il fluido all’interno, sangue, deve essere in contatto con un fluido all’esterno che sarà il liquido di dialisi, è un liquido che perfonde all’esterno lo scambiatore e deve perfondere sia sangue che liquido di dialisi in modo corretto per avere anche un passaggio di acqua attraverso la membrana.

Il paziente trattato con emodialisi è anurico, non fa pipì, quindi il sistema deve anche rimuovere l’acqua assunta dal paziente. L’acqua rimossa cambia subito il volume circolante del paziente.

Se abbiamo un soggetto che ha un volume di sangue di 7 litri e gli viene tolto 1 litro di plasma, rimozione dell’acqua. Se il volume circolante diminuisce la pressione diminuisce infatti il pericolo per il paziente è il collasso, perché la pressione è troppo bassa. Il trattamento deve avere una macchina estremamente efficiente. Il liquido va tolto molto lentamente per evitare calo di pressione, per questo sono necessarie 4 ore. Il vantaggio di fare la dialisi notturna è che il tempo di trattamento può essere allungato e posso togliere 3 litri di acqua in 6-7 ore. La dialisi notturna è la dialisi più efficace.

Una volta che il sangue è passato all’interno dello scambiatore torna all’interno del paziente, mediante la chiusura avrei bisogno di controllare di non infondere dell'aria, avremmo bisogno di controllare le pressioni, avremo bisogno di tenere sotto controllo la temperatura però si riuscirà a rinfondere tutto il sangue prelevato nella vena e quindi a mantenere questo circuito per tutto il periodo di trattamento. Il sangue deve essere in contatto con una membrana artificiale e per riuscire a garantire una buona filtrazione la membrana deve avere una superficie elevata allora.

Materiale artificiale, superficie elevata problemi con proteine che aderiscono.

Per bloccare il problema della coagulazione si può iniettare dell’eparina. Il sangue è parzialmente eparinato in modo tale che il sangue non coaguli all’interno del dispositivo.

Quello che possiamo fare è preparare un liquido di dialisi in cui la concentrazione di sodio è la stessa che ho nel plasma in modo tale che non ci sia il passaggio da una parte all’altra di molecole, il trasporto avviene a causa di gradienti di concentrazione diversi.

I trasporti dipendono dalla differenza di concentrazione, i prodotti di scarto saranno ad alta concentrazione nel lato plasma e non ci saranno nel lato di dialisi e questo permetterà di fare uscire questa sostanza, se invece voglio mantenere il sodio completamente inalterato come concentrazione basta che metto la stessa concentrazione nel liquido di dialisi.

L’accesso vascolare viene realizzato tramite un ago inserito in un vaso e un altro ago nell’altro vaso, uno venoso e uno arterioso, normalmente abbiamo due aghi che entrano in linee d.