Capítulo 16: Sistema Renal
No cabe duda que la función renal es muy compleja, ya que de ella dependen algunos aspectos fundamentales de la vida: la eliminación controlada de agua y de desechos, hasta el equilibrio de ciertos iones.
Conceptos Básicos de Anatomía Renal
El aparato urinario se encuentra en el abdomen y, concretamente, en el retroperitoneo (por fuera de la capa que recubre todo el abdomen, denominado peritoneo). Está constituido por el riñón y las vías urinarias: uréteres, vejiga y uretra.
La función primordial del parénquima renal es mantener constante la composición del medio interno corporal: el volumen de agua, la osmolalidad, la acidez y los iones, entre otros, mediante la eliminación urinaria de estas sustancias, en equilibrio con la ingesta y la producción. A través de este complejo sistema se excretan toxinas y productos finales del metabolismo celular como la urea y el ácido úrico.
Cada riñón está irrigado por su arteria correspondiente y el flujo sanguíneo sale por la vena renal. En el parénquima renal, al corte, distinguimos dos zonas:
- Corteza: donde se encuentran los glomérulos y los túbulos.
- Médula: donde transcurren las asas de Henle y los túbulos colectores.
La Nefrona: Unidad Funcional Renal
La unidad funcional renal es la nefrona. Cada riñón humano está constituido por aproximadamente un millón de ellas. Cada nefrona está constituida por:
- Glomérulo: es un pelotón de capilares que se encuentran entre la arteriola aferente y la eferente.
- Cápsula de Bowman: que rodea al glomérulo y cuya luz se continúa con la de los túbulos.
- Túbulos:
- Túbulo contorneado proximal
- Rama descendente del asa de Henle
- Rama ascendente del asa de Henle
- Túbulo contorneado distal
- Túbulo colector
La luz de los capilares glomerulares y la de la cápsula de Bowman están separadas por una pared integrada, de dentro a fuera, por:
- Endotelio capilar
- Membrana basal
- Los podocitos
- Espacio de la Cápsula
- Células epiteliales de la hoja visceral de la cápsula de Bowman.
El Aparato Yuxtaglomerular
La zona donde contacta el túbulo contorneado distal con la arteriola aferente está situada una zona de mucho interés fisiológico, el aparato yuxtaglomerular, integrada por un cúmulo de células de la pared de la arteriola y por un conjunto de células del túbulo denominada mácula densa, que interviene en la producción de renina.
Vascularización Renal
Las arterias renales dan origen, sucesivamente, a las interlobulares, arciformes (arcuata), interlobulillares y, finalmente, las arteriolas aferentes de los glomérulos. El límite entre la médula y la corteza lo establecen las arterias arcuatas. La sangre pasa de la arteriola eferente a los capilares peritubulares que se encuentran en la médula renal. De aquí pasa a las venas: interlobulillares, arciformes, interlobulares y vena renal.
El flujo sanguíneo renal es de unos 1200 ml/minuto, lo que supone el 20-25 % del gasto cardiaco. El 80-90% se distribuye en la corteza, dejando la médula poco irrigada, lo cual favorece la hiperosmolaridad de esta zona. Es importante destacar que la circulación renal tiene su propio sistema de autorregulación, lo cual quiere decir que, dentro de las presiones de 80 y 180 mm de Hg, el flujo se mantiene constante. Este sistema debe ser interno –propio– ya que se mantiene incluso con el riñón denervado, e incluso aislado y perfundido artificialmente; lo cual indica que debe depender del músculo liso de la pared arterial o de sustancias vasoactivas liberadas en el riñón mismo.
Conceptos Básicos de Anatomía de las Vías Urinarias
Se trata de una serie de conductos cuya misión última es trasladar la orina al exterior, con un depósito intercalado que hace que la evacuación sea periódica. Se encuentra constituida por:
- Pelvis y uréter: conducen la orina a la vejiga. La pared consta de mucosa, muscular y adventicia. Tiene control nervioso vegetativo, está dotada de tono para adaptarse al contenido y su peristaltismo impulsa la orina a la vejiga. Existe un mecanismo valvular que impide el paso retrógrado desde la vejiga.
- Vejiga y uretra: la vejiga almacena la orina y la uretra la expulsa al exterior. Tiene también tres capas: peritoneo, músculo liso o detrusor y mucosa. Además, tiene un esfínter interno, continuación del detrusor, y uno externo (músculo estriado), que permite controlar la micción.
El Riñón como Órgano de Limpieza
Filtración Glomerular
La sangre que circula por los capilares de los glomérulos es filtrada a través de la membrana o pared que separa su luz de la cápsula de Bowman. La fracción filtrada está constituida solo de agua y sustancias disueltas, ya que esta compleja membrana solo permite atravesar moléculas con un peso determinado. La filtración depende de un juego de presiones (la presión hidrostática capilar supera a la presión que suman la oncótica + capsular). Además, interviene el coeficiente de ultrafiltración que depende de la superficie de la membrana filtrante y su capacidad para permitir pasar el agua. Una sustancia denominada ADH, por ejemplo, hace que la superficie de la membrana disminuya debido a que provoca la contracción de las células mesangiales.
Fórmula del Filtrado Glomerular (FG):
FG = K (Ph – [Pca + Po]). Normal 120 ml/min (180 l/día)
- FG: Filtrado Glomerular
- Ph: Presión hidrostática capilar
- Pca: Presión cápsula de Bowman
- Po: Presión oncótica
Absorción y Secreción en el Túbulo
Si la orina primaria, que es la del filtrado glomerular, supone unos 180 l/día y la definitiva 1,5 l, ello supone que, al atravesar el túbulo, la mayor parte debe de ser reabsorbida, aunque el túbulo también segrega. De manera que (a modo de ejemplo):
- Túbulo proximal: agua, glucosa, urea, …
- Asa de Henle: Sodio y Cloro
- Túbulo distal: Agua, bicarbonato, …
La secreción de sustancias tóxicas y del ácido úrico se produce en el túbulo proximal, por ejemplo.
Excreción Final
Es el resultado de la secreción y reabsorción en el túbulo. Si existe menos excreción de agua, se elimina una orina concentrada, es decir, con alta osmolaridad. Los túbulos colectores drenan en las pelvis renales y estas en los uréteres, que desembocan en la vejiga.
El Riñón como Órgano Endocrino
Además de la función depuradora, segrega renina, eritropoyetina y prostaglandinas e interviene en el metabolismo de la vitamina D.
Métodos de Diagnóstico de la Función Renal
Exploración Funcional
Determinación en sangre de la urea y creatinina: Son productos de desecho del metabolismo proteico, que deben ser eliminados por el riñón, por lo que nos da una idea de la función del mismo.
Pruebas de aclaramiento para explorar la función glomerular: Mide los ml de sangre que serían liberados de una sustancia eliminada por el riñón en la unidad de tiempo. No es un valor real, es abstracto, ya que el riñón extrae la sustancia en cuestión de la totalidad de sangre sin “limpiarla” del todo y para calcular el aclaramiento lo que hacemos es ver cuánto se liberaría de la sustancia a partir de un volumen determinado.
Fórmula del Aclaramiento (Cl):
Cl = U x V / P
Donde Cl es aclaramiento, U concentración en orina, V volumen de orina, U x V cantidad de sustancia eliminada y por tanto de la sangre, P concentración en sangre.
El aclaramiento de una sustancia que sea filtrada y que no se reabsorba ni se elimine en los túbulos es índice de volumen de filtrado, que normalmente es unos 120 ml/min. La sustancia ideal para ello es la creatinina, que es una sustancia endógena, que no tiene que ser por lo tanto administrada. La mejor sería la inulina, que luego en la modelación experimental la veremos.
Excreción Fraccional del Sodio (EFNa)
Expresa el % Na filtrado que es eliminado con la orina y, por lo tanto, informa de cómo ha sido reabsorbido en el túbulo, siendo útil para averiguar si este segmento de la nefrona absorbe mucho o poco sodio.
Para calcularlo es preciso conocer el Na filtrado, que es equivalente al producto del aclaramiento de creatinina X la concentración de Na en plasma (que es igual a la del filtrado) y el Na eliminado o producto de la concentración de Na en orina X volumen de orina.
EFNa = (Na eliminado / Na filtrado) x 100
Estudio de la Capacidad de Acidificación de la Orina
Es la forma de informarnos de cómo se comporta otra función tubular, la de eliminar H+. Se lleva a cabo una sobrecarga de ácido (cloruro amónico) y se controla en orina: el pH, que debe descender; la acidez, que debe aumentar, y la cantidad de NH4, que debe aumentar.
Otras Pruebas de la Función Tubular
Son las que estudian el manejo de la glucosa, del fosfato, etc., y que tienen un uso más restringido. La concentración de orina puede ser importante para el diagnóstico de un funcionamiento anormal de los riñones. Se puede analizar una muestra de orina seleccionada al azar o bien se pueden realizar pruebas que estudien la capacidad de los riñones para concentrar la orina.
Modelación Experimental y Numérica
Biomodelos Experimentales de Enfermedad Renal Aguda (FRA)
Los principales modelos son:
- FRA nefrotóxico (nitrato de uracilo, cloruro de mercurio, aminoglucósidos).
- Miohemoglobinuria.
- FRA isquémico.
El modelo nitrato de uracilo ejerce su principal acción sobre el riñón en las membranas de las células del epitelio renal. El catión uracilo forma un complejo con los grupos fosforilo, carbonilo y sulfhidrilo de la superficie de las membranas mediante una unión reversible, sin penetrar en la célula.
Biomodelos Experimentales de Enfermedad Renal Crónica
Hablamos de insuficiencia renal crónica cuando se instaura la pérdida de la funcionalidad del riñón acompañada de inutilización de las nefronas y se expresa mediante una disminución lenta y progresiva del filtrado glomerular.
Tratamientos de Sustitución del Sistema Renal
Las dos modalidades de tratamiento de sustitución de la función renal disponibles son la hemodiálisis y la diálisis peritoneal. Los procesos fisicoquímicos fundamentales en ambos son la diálisis de las sustancias tóxicas y la ultrafiltración del agua retenida.
Mecanismos Físico-Químicos
- La Difusión: Es el pasaje de moléculas en solución por difusión a través de una membrana semipermeable por gradiente de concentración (o electroquímico). Los solutos pasan a través de poros de la membrana. Este fenómeno es denominado Diálisis.
- La Filtración: En general, es el proceso por el cual pasa un solvente a través de una membrana semipermeable por gradiente de presión hidrostática u osmótica.
- La Convección: Es el proceso por el cual se produce el pasaje pasivo de solutos acompañando al solvente. La fuerza determinante del pasaje del solvente (agua) con los solutos acompañantes puede ser la presión hidrostática (en la hemodiálisis) o la presión osmótica (en la diálisis peritoneal). Este fenómeno es denominado Ultrafiltración.
Diálisis Peritoneal
La diálisis peritoneal utiliza como membrana semipermeable el peritoneo del paciente. El peritoneo es la serosa (membrana) que cubre el interior de la cavidad abdominal y los órganos intraabdominales. En condiciones normales solo contiene escasos mililitros de trasudado, pero es capaz de aceptar la infusión de hasta 3 litros de solución de diálisis (máximo 1.5 l/m2 de superficie corporal).
El agua y las toxinas pasan desde los capilares mesentéricos (pequeños vasos cuya pared está formada solo por una capa de células endoteliales) hacia el líquido de diálisis infundido en la cavidad peritoneal y que carece de dichas sustancias, como la urea y el ácido úrico. Las toxinas urémicas pasan por gradiente de concentración. El agua pasa por gradiente osmótico dado que las soluciones de diálisis peritoneal contienen glucosa en concentración superior a la plasmática. Para ello se coloca un catéter en el interior del abdomen para infundir y drenar el líquido de diálisis.
La solución infundida se deja en permanencia en la cavidad peritoneal del paciente entre 4 y 8 horas y luego se drena y se descarta. Existen dos modalidades de diálisis peritoneal:
- La Diálisis Peritoneal Continua Ambulatoria (DPCA), en la cual el paciente siempre tiene líquido intraperitoneal.
- La Diálisis Peritoneal Intermitente Automatizada (DPIA), en la cual el paciente se dializa durante un tiempo prolongado (por ejemplo, 12 horas) mediante una máquina denominada “Ciclador”, que realiza el drenaje e infusión del líquido de diálisis en forma automatizada por gradiente de presión hidrostática.
En la mayoría de los aparatos, la presión que mueve el dializado hacia el paciente y luego fuera del paciente es la diferencia de presión gravitacional que resulta de la posición de las bolsas, una colgada más arriba del paciente y la otra más abajo.
Hemodiálisis
En una hemodiálisis, la sangre del paciente sale por una vena central como la yugular mediante un catéter o por una aguja apropiada de una vena de grueso calibre previamente “arterializada”. Para facilitar el acceso a una vena periférica se realiza quirúrgicamente una fístula arteriovenosa con antelación.
La sangre impulsada por una bomba peristáltica pasa por un filtro denominado “dializador” donde se ponen en contacto a través de la membrana semipermeable (de diálisis) el líquido de diálisis (que circula a contracorriente por la periferia de los capilares del filtro) y la sangre del paciente que luego de circular por los tubos capilares regresa al torrente sanguíneo a través de otra aguja o catéter venoso.
Se facilita la circulación de la sangre en este circuito extracorpóreo mediante la perfusión continua de anticoagulantes (por ejemplo, heparina sódica), que evitan la coagulación de la sangre en contacto con las superficies sintéticas. Se realiza así la depuración de las sustancias tóxicas acumuladas por el pasaje desde la sangre a través de la membrana semipermeable de material sintético (por ejemplo, acetato de celulosa o polisulfona) al líquido de diálisis, que luego se descarta. Este proceso de difusión por gradiente de concentración es la diálisis propiamente dicha. Simultánea o sucesivamente se elimina el agua por gradiente de presión hidrostática entre el compartimento sanguíneo (con presión positiva) y el compartimento de baño (con presión negativa): es la ultrafiltración simultánea o secuencial. El volumen ultrafiltrado por unidad de tiempo dependerá de la permeabilidad y superficie de la membrana de diálisis y de la presión transmembrana existente.
Elementos de Diálisis
Membrana Dializante
La diálisis implica el uso de una delgada membrana porosa (membrana semipermeable) que separa la sangre de otro líquido llamado «dializante». El factor fundamental que determina la función de una membrana semipermeable es el tamaño de sus poros. Del mismo modo, es fundamental el peso molecular del soluto ya que, cuanto mayor sea, menor será su tasa de transporte a través de una membrana semipermeable. Hay dos factores que se relacionan con el peso molecular de un soluto, y son los siguientes:
- a.- Velocidad: la velocidad de una molécula en una solución es inversamente proporcional a su peso molecular. Por ejemplo, la velocidad de una molécula que pese 200 daltons (D) será menor que la velocidad de una molécula que pese 100 D.
- b.- Tamaño: el peso molecular de un soluto se relaciona estrechamente con su tamaño. La membrana impedirá parcial o completamente el paso de los solutos cuando su tamaño molecular se aproxime o exceda el tamaño de los poros de la membrana. Los poros de la membrana de celofán tienen un diámetro de 50 angstrom (Å). Este diámetro es 10 veces superior al del ion sodio y 6 veces superior al de la creatinina.
Gradiente de Concentración: Difusión
El paso de detritus a través de la membrana dializante se realiza gracias a un gradiente de concentración, moviéndose desde donde su concentración es mayor (la sangre) hacia donde su concentración es menor o nula (líquido dializante), hasta igualar sus concentraciones en ambos lados.
Aclaramiento
Aclaramiento es la capacidad que tiene un dializador de extraer de la sangre los detritus. El aclaramiento se mide por los mililitros de sangre que el dializador es capaz de dejar libre de impurezas en un minuto (reducción de la concentración del producto de desecho multiplicado por el flujo sanguíneo a través del dializador).
Los factores que afectan al aclaramiento de la urea sanguínea son:
- Flujo sanguíneo: A medida que el flujo sanguíneo aumenta, el dializador es incapaz de eliminar la urea con el mismo grado de eficacia, aumentando el nivel de nitrógeno uréico sanguíneo (BUN) a la salida del dializador.
- Flujo de la solución de diálisis: Un flujo de la solución de diálisis más rápido aumenta la eficiencia de la difusión de la urea desde la sangre al dializado.
- Eficiencia del dializador: Un dializador de alta eficiencia con membrana fina, de gran superficie, poros amplios y un diseño que maximice el contacto entre la sangre y el dializado, eliminará mayor cantidad de productos de desecho que un dializador de baja eficiencia. Esta eficiencia para eliminar la urea puede describirse como una constante conocida como KoA. Esta constante determina la forma y la altura de la curva que relaciona el flujo sanguíneo con el aclaramiento.
Los dializadores de eficiencia normal presentan un KoA in vitro de 300-500, mientras que los dializadores de alta eficiencia presentan unos KoA superiores a 700. Cuando el KoA de un dializador es conocido, puede utilizarse un normograma como el de la figura 1 para predecir el aclaramiento de urea para un flujo de sangre y de dializado (Qd) determinados.
Dializadores
Es la parte más importante del «riñón artificial» y es en la que se encuentra la membrana semipermeable. En todo dializador hay que considerar dos compartimentos: el de la sangre y el del líquido de diálisis, por los que circulan cada uno de estos fluidos siempre en direcciones opuestas, para aprovechar al máximo el efecto de la difusión de sustancias a favor del gradiente de concentración de solutos. Podemos considerar tres tipos de dializadores:
- Dializadores de bobina: En este tipo de dializadores, la membrana de diálisis tiene forma de tubo y está sujeta a una malla plástica enrollada sobre un cilindro. Por el interior del tubo de la membrana circula la sangre y por la pared exterior está en contacto con el líquido dializante, en el cual se encuentra sumergido.
- Dializadores de placas: Aquí la membrana está formada por láminas rectangulares que en grupos de dos limitan el espacio por donde circula la sangre. Cada grupo de dos láminas está sujeto por dos placas plásticas rígidas, por entre las cuales y la membrana circula el líquido dializante.
- Dializadores capilares o de fibra hueca: o cuprofán. La sangre circula por el interior de dichas fibras, y el líquido alrededor de ellas, en el seno de un soporte cilíndrico transparente.
Este tipo de dializador presenta ventajas, entre ellas:
- Bajo volumen de llenado y distensibilidad: Tiene menor volumen en el compartimento sanguíneo, por metro cuadrado de superficie de membrana, que los dializadores de placa. Asimismo, este volumen no aumenta por la aplicación de una presión transmembrana (PTM).
- Reutilización: Su reutilización es más adecuada que la de los dializadores en placa.
Membranas
Actualmente se utilizan cuatro tipos de membranas en la fabricación de los dializadores:
- Celulosa: se obtiene a partir del algodón procesado. Es la más utilizada (Cuprofán).
- Celulosa sustituida: acetato de celulosa (radicales hidroxilo libres unidos al acetato).
- Celulosintéticas: más biocompatibles (Hemofan).
- Sintéticas: no contienen celulosa y los materiales usados pueden ser poliacrilonitrilo (PAN), polisulfona, poliamida y polimetilmetacrilato (PMMA).
Líquido de Diálisis y Preparación del Líquido de Diálisis
El líquido de diálisis consiste en una solución electrolítica de composición similar a la del plasma normal, en la que no existe ninguna de las sustancias que se acumulan en el organismo en la insuficiencia renal, tales como:
- Urea
- Creatinina
- Ácido úrico
- Fosfatos
En los primeros años, los amortiguadores del organismo se reponían en forma de acetato, el cual es metabolizado a bicarbonato en el ciclo de Krebs. Actualmente, los monitores de diálisis permiten la diálisis con bicarbonato, lo que supone una gran ventaja para aquellos pacientes en los que el acetato no se metaboliza rápidamente, provocando hipotensión arterial intensa por vasodilatación arteriolar y disminución de la contractilidad del miocardio.
Modelo Simple Lineal
Ecuaciones que describen el filtrado, la reabsorción y las secreciones renales. Para ello se representan todos los glomérulos por un nodo GI, todos los capilares peritubulares por otro nodo Ca, y todos los túbulos por Tu.
F[Px] + S[Kx] – R [Kx] – E[Ux] = 0
En la que F es el filtrado glomerular, S y R regímenes de secreción y reabsorción y E es la excreción urinaria medidos en ml/min. Las concentraciones en mg/ml.