3D-reconstructie en modellering van de bloedcirculatie in de nier

Transcriptie

1 3D-reconstructie en modellering van de bloedcirculatie in de nier Nathan De Kock Promotor: prof. dr. ir. Patrick Segers Begeleiders: Charlotte Debbaut, Bram Trachet Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: toegepaste natuurkunde Vakgroep Civiele techniek Voorzitter: prof. dr. ir. Julien De Rouck Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar

2 Voorwoord De steeds stijgende vraag naar donornieren vormt een groot probleem. De discrepantie tussen vraag en aanbod wordt steeds groter en patiënten staan jarenlang op de wachtlijst voor een donororgaan. Hoewel niertransplantatie als nierfunctievervangende therapie de beste resultaten boekt, is er dus nog heel wat vooruitgang mogelijk. Door het verbeteren van de bewaringsmethoden, en i.h.b. hypothermische machineperfusie (HMP), kan de donorpool uitgebreid worden. Er wordt o.a. onderzoek verricht naar de optimale perfusieparameters bij HMP. Om deze parameters te bepalen, is het nuttig om eerst inzicht te verkrijgen in de hemodynamische stroming doorheen de nier. Dit is het doel van deze thesis: aan de hand van een elektrisch model wordt de bloedcirculatie in de nier gesimuleerd. Dit thesisonderwerp was voor mij, als student Toegepaste Natuurkunde, een stap opzij. Wat m n interesse opwekte was, naast het maatschappelijke aspect, de combinatie van beeldvorming en -verwerking enerzijds, en het programmeren vanuit de elektriciteitsleer anderzijds. Uiteindelijk bleek het een interessante ervaring om, steunend op andere modellen, een nieuw elektrisch model voor de nier op te stellen. Ik wil van dit voorwoord gebruik maken om enkele mensen te bedanken. In de eerste plaats wil ik mijn begeleidster ir. Charlotte Debbaut bedanken voor haar tijd, haar positieve ingesteldheid, haar geduld en tenslotte het vele nalees- en verbeterwerk. Verder wil ik mijn promotor prof. dr. ir. Patrick Segers bedanken voor de feedback en het nalezen van mijn thesis. Daarnaast wens ik ook nog prof. dr. Diethard Monbaliu en zijn collega s van het UZ Gasthuisberg te bedanken voor de resectie van de twee varkensnieren, en Christophe Casteleyn en Pieter Cornillie van de Diergeneeskunde voor het maken van de niercasts. Verder wil ik ook ir. Denis Van Loo van het UGCT bedanken voor de micro-ct-scans. Eveneens wil ik ir. Bram Trachet bedanken voor de flowmetingen op de muizennier. Ik wil ook mijn familie, i.h.b. mijn ouders, bedanken voor hun onvoorwaardelijke steun en vertrouwen. Tenslotte wens ik mijn vrienden te bedanken voor hun steun en voor de nodige afleiding. Nathan De Kock, mei 2010 i

3 Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef. Nathan De Kock, mei 2010 ii

4 3D-reconstructie en modellering van de bloedcirculatie in de nier door NATHAN DE KOCK Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van MASTER IN DE INGENIEURSWETENSCHAPPEN: TOEGEPASTE NATUURKUNDE Academiejaar Promotor: prof. dr. ir. Patrick Segers Begeleiders: ir. Charlotte Debbaut, ir. Bram Trachet Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep Civiele techniek Voorzitter: prof. dr. ir. Julien De Rouck Samenvatting In deze thesis werd een elektrisch model opgesteld voor de bloedcirculatie in de nier. Het inzicht dat we verwierven in de bloedcirculatie doorheen de gehele nier, kan aangewend worden in de studie naar de verbetering van hypothermische machineperfusie (HMP). Deze preservatiemethode boekt betere resultaten dan de klassieke koude bewaring, maar kan nog geoptimaliseerd worden. iii

5 iv Een elektrisch model voor de bloedcirculatie in de nier werd geprogrammeerd in Matlab. Hierbij werd de nier voorgesteld als een elektrisch circuit, dat vervolgens werd opgelost, gebruik makende van de superpositiemethode uit de elektriciteitsleer. De anatomische gegevens die hiervoor nodig waren, werden bekomen uit een combinatie van het castingproces, micro-ct-beeldvorming en beeldverwerking m.b.v. de Mimics-software. Twee varkensnieren werden ons ter beschikking gesteld en doorliepen het beeldvormingsproces. Na de casting werden ze ingescand onder een micro-ct-scanner, met een resolutie van 63.4 µm. Vervolgens werd gebruik gemaakt van Mimics, waar de vasculatuur gesegmenteerd en nadien geïnventariseerd werd. Met behulp van het centerlijnalgoritme en het best fit diameter algoritme konden de nodige data gemeten worden. De gegevens werden in Excel verwerkt en met behulp van trendlijnen werden de gegevens geëxtrapoleerd tot op het niveau van de bloedvaten die we niet konden meten. Voor de kleinste bloedvaten maakten we ook gebruik van de micro-ct-beelden van een muizenglomerulus. De gemeten en geëxtrapoleerde anatomische gegevens werden samen met de randvoorwaarden ingevoerd in het elektrisch model en zo werden de heersende drukken en debieten berekend doorheen de nier. Na enkele aanpassingen, steunend op literatuurwaarden, boekte het model de verwachte resultaten strokend met de fysiologie. Tenslotte werd ook de invloed van de pulsgolfsnelheid op de demping van de druk- en debietamplitudes bestudeerd. Trefwoorden Elektrisch model, renale bloedcirculatie, micro-ct, beeldverwerking, casting

6 3D reconstruction and modelling of the blood circulation in the kidney Nathan De Kock Supervisor(s): Patrick Segers, Charlotte Debbaut, Bram Trachet Abstract This article presents an electrical model of the renal blood circulation. Two porcine kidneys were casted and subsequently scanned using micro-ct imaging. These datasets were segmented to enable measurements of the required anatomical data to construct the model. Our goal was to gain more insight into the renal hemodynamical flow and hypothermic machine perfusion (HMP) as a preservation method for donor kidneys. Keywords Electrical model, renal blood circulation, micro- CT, image processing, casting of blood vessels per generation n and the pulse wave velocity c p. Physically, the serial resistance R s refers to the vascular resistance, the inductance L represents the inertia of blood, the capacitor C stands for the elasticity of the blood vessel and the parallel resistance R p denotes the visco-elasticity. I. INTRODUCTION During the last years, the demand for donor kidneys is constantly increasing. One way to increase the available donor pool is to use suboptimal donor kidneys. This requires the development of better preservation methods such as HMP. HMP has shown better results than classic cold storage, but still requires research to further optimize HMP protocols. In this master thesis, an electrical model of the renal blood circulation is constructed. The main goal of the model is to calculate pressures and flows throughout the entire kidney vasculature. These parameters can enlighten the dynamics of renal blood flow and can eventually be useful to optimize HMP. II. MATERIALS AND METHODS An electrical model of the renal blood circulation was programmed using the Matlab software. Previous studies by De Pater [1], van der Plaats [2] and Debbaut [3] already demonstrated the feasibility of electrical flow models. More specifically, De Pater [1] described the analogy between the blood flow in a cylindrical blood vessel and the current in an electrical π- filter (figure 1). Van der Plaats [2] and Debbaut [3] expanded this analogy to a generation of blood vessels. Hereby, equations 1-4 were obtained for the electrical components of the π-filter. R s = 8µ l πr 4 n L = 1.33ρ l πr 2 n C = 1 l 2 n c 2 pl 2 (1) (2) (3) R p = (4) C n The variables used in these equations are the dynamic viscosity µ of the perfusion fluid, the average length l and radius r of the blood vessels, the number Fig. 1. Electrical π-filter as an analogue of a blood vessel generation. The branching pattern of the kidney vasculature can be approximated as illustrated in figure 2. This way, the vasculature can be seen as a series of blood vessel generations. The renal artery (RA) is the first arterial generation, the renal vein (RV) is the first venous generation and the glomeruli generation connects the arterial vascular tree with the venous tree. The electrical Fig. 2. Branching pattern of the kidney vasculature. circuit representing the entire kidney is shown in figure 3 with every π-filter representing a generation of blood vessels. Fig. 3. Electrical analogue of the kidney. The anatomical data required to numerically solve the electrical model, were obtained by a combination

7 of casting of two porcine kidneys (protocol approved by the Ethical Committee of the University Hospitals of Leuven), high resolution micro-ct imaging and image processing by applying the Mimics software (Materialise, Leuven BE). Several tools such as tresholding, region growing and erode, were applied to segment the vascular beds. Furthermore, the centerline algorithm from the MedCAD module was used to measure the anatomical data. III. RESULTS A. 3D reconstructions and anatomical measurements Using Mimics, renal arterial and venous blood vessels were segmented and separated. In figure 4, the 3D reconstructions of both kidney casts are shown. Fig. 5. Mean radii as a function of generation number, together with the exponential trend line. B. Results of the electrical kidney model Based on the exponential trend line equations, measured data were extrapolated to further generations in order to estimate the anatomical data of generations that couldn t be measured because of resolution and computation limitations. Afterwards, the estimated values were tuned and used as input for the electrical model together with the measured data. Results obtained for mean pressures in the first kidney are shown in figure 6. These results are in good accordance with physiological literature values. Fig. 4. 3D reconstructions of both kidney casts Based on these 3D reconstructions, anatomical data of the first vessel generations were measured in Mimics. The number of measured generations ranged from 5 to 7. In table I, mean measured radii of both the arterial and venous vessel generations are shown for both kidney casts. TABLE I MEAN VALUES OF MEASURED RADII OF BOTH THE FIRST (LEFT) AND THE SECOND (RIGHT) KIDNEY CAST. Generation r 1 [mm] r 2 [mm] RA RA ± ± RA ± ± RA ± ± RA ± ± RA ± ± RV RV ± ± RV ± ± RV ± ± RV ± ± RV ± ± Exponential trend lines were fit to the measured data. As an example, figure 5 shows the mean radii for the arterial vessel generations, together with the exponential trendline. Fig. 6. Calculated mean pressures throughout the first kidney. IV. CONCLUSION The combination of casting, micro-ct-imaging and image processing enables digital reconstruction of the porcine kidney vasculature. Anatomical measurements of obtained 3D reconstructions showed a good correspondence between both kidney casts. Additionally, results were in accordance with literature values and were therefore considered relevant. This suggests that the model has potential to obtain more insight into renal blood circulation and the effects of kidney HMP. REFERENCES [1] L. De Pater. An electrical analogue of the human circulatory system, Ph.D. dissertation, University of Groningen, [2] A. van der Plaats, N.A. t Hart, G.J. Verkerke, H.G.D. Leuvenink, P. Verdonck, R.J. Ploeg and G. Rakhorst. Numerical simulation of the hepatic circulation, International Journal of Artificial Organs, vol. 27, pp , [3] C. Debbaut. 3D-reconstructie en modellering van de bloedcirculatie in de natuurlijke humane lever, Universiteit Gent, 2009.

8 Inhoudsopgave 1 Inleiding 1 2 Anatomie van de nier Macroscopische anatomie Macroscopische structuur Macroscopische renale circulatie Microscopische anatomie Het nefron Microscopische renale circulatie Fysiologie van de nier Glomerulaire ultrafiltratie Principe Ultrafiltratiesnelheid en klaring Tubulaire resorptie en excretie Belangrijkste overige nierfuncties Regeling van de bloeddruk Productie van hormonen Vitamine D-stofwisseling Nierinsufficiëntie Inleiding Acute nierinsufficiëntie Definitie en oorzaken Indeling Chronische nierinsufficiëntie Definitie Diagnose Gevolgen vii

9 Inhoudsopgave viii 5 Nierdialyse Hemodialyse Principes van hemodialyse Aanleggen van een arterioveneuze fistel Verloop van hemodialyse Hemofiltratie Peritoneaaldialyse Principes van peritoneaaldialyse Verloop van peritoneaaldialyse Methodes Keuze van een dialysevorm Niertransplantatie en preservatiemethoden Niertransplantatie Tekort aan donoren Toewijzing van donornieren Verloop van de transplantatie Complicaties bij niertransplantatie Preservatiemethoden Koude bewaring Hypothermische machineperfusie Elektrisch analogon van de nier Orgaanmodellen in de literatuur Levermodel Niermodel voor de rat Elektrisch analogon van de stroming in een bloedvat De Navier-Stokes vergelijkingen Analogie tussen een π-filter en een bloedvat Elektrisch analogon van de nier Elektrisch analogon van een generatie bloedvaten Uitbreiding naar de volledige nier Oplossing van het elektrisch analogon DC-analyse AC-analyse D-reconstructie van de varkensniercasts Gelijkenis tussen varkensnieren en humane nieren

10 Inhoudsopgave ix 8.2 Casting Beeldvorming met micro-ct-scanner Micro-CT-scan Segmentatie van de scans in Mimics Inventarisering van de varkensniercasts Meetmethoden in Mimics Centerlijnalgoritme Meten van de diameter Meetresultaten De resultaten van de twee varkensnieren Verbanden tussen parameters bij gemeten bloedvaten Vergelijking van de data van beide nieren Vergelijking van de gemeten data met data van de rattennier Data van de muizenglomerulus Resultaten van het elektrisch model Data van de varkensnieren Densiteit en viscositeit Randvoorwaarden Geometrische data van de vaatbomen Resultaten Aanpassingen van het elektrische model Aanpassing van de trendlijnen Aanpassing van de data van de glomerulus en van de viscositeit Variatie van de pulsgolfsnelheden Simulaties Conclusie Conclusie Resultaten Limieten van het model Toekomstperspectieven

11 Lijst van afkortingen en variabelen Afkortingen AA ADH APD BUN C CAPD CS EA ESRF GFR HA HMP HV PTH PV RA RV VCI Afferente arteriole Antidiuretisch hormoon Automatische peritoneaaldialyse Blood urea nitrogen Klaring Continue ambulante peritoneaaldialyse Cold storage Efferente arteriole End-stage renal failure Glomerulaire ultrafiltratiesnelheid Hepatische arterie Hypothermische machineperfusie Hepatische vene Parathormoon Portale vene Renale arterie Renale vene Vena cava inferior x

12 Inhoudsopgave xi Variabelen n Aantal bloedvaten per generatie C 1 Condensator [F ] Q of q Debiet [ m3 s ] h Wanddikte [m] P of p Druk [P a] C Elasticiteit [ m5 N ] E Elasticiteitsmodulus [P a] R s1 Elektrische seriële weerstand [Ω] R s Vasculaire seriële weerstand [ N s m 5 ] R p1 Elektrische parallelle weerstand [Ω] R p Vasculaire parallelle weerstand (visco-elasticiteit) [ N s m 5 ] f Frequentie [Hz] L Inertie [ N s2 m 5 ] l Lengte [m] v z Longitudinale snelheidscomponent [ m s ] µ Dynamische viscositeit [P a s] ω Hoeksnelheid [ rad s ] φ Fasehoek [rad] c p Pulsgolfsnelheid [ m s ] v r Radiale snelheidscomponent [ m s ] ρ Densiteit [ kg m 3 ] U of u Spanning [V ] L 1 Spoel [H]

13 Inhoudsopgave xii σ Standaardafwijking I of i Stroom [A] r Straal [m] t Tijd [s] R Vasculaire weerstand [ N s m 5 ] Z Vasculaire impedantie [ N s m 5 ]

14 Hoofdstuk 1 Inleiding Niertransplantatie boekt als nierfunctievervangende therapie de beste resultaten. Een groot probleem is echter de stijgende vraag naar donornieren. Hierdoor wordt het verschil tussen vraag en aanbod van donororganen steeds groter, en staan patiënten gemiddeld meerdere jaren op de wachtlijst voor een donornier. Er is dus nog veel vooruitgang te boeken omtrent het tekort aan donornieren voor niertransplantatie. Eén van de mogelijkheden is het gebruik van donornieren van mindere kwaliteit en de optimalisatie van de preservatie van de donororganen. Door de verdere ontwikkeling van hypothermische machineperfusie (HMP) als alternatieve preservatiemethode kan de periode van bewaring verlengd worden. Gezien HMP betere resultaten boekt dan de klassieke methode van koude bewaring bij suboptimale en bij hartdode donornieren, kan de optimalisatie ervan bovendien een gevoelige uitbreiding van de donorpool opleveren. Essentieel bij optimale HMP-bewaring zijn de ingestelde perfusieparameters. Hierbij moet een compromis gesloten worden: enerzijds moeten de nierfunctie en het nierweefsel zo goed mogelijk bewaard blijven, anderzijds mag er geen beschadiging aan de bloedvaten optreden. Om tot de optimale perfusieparameters te komen, is het belangrijk om eerst voldoende inzicht te krijgen in de bloedstroming doorheen de nier (tot op het microscopische niveau). Dit is dan ook het doel van deze thesis. Aan de hand van een elektrisch model simuleren we de bloedcirculatie in de nier en berekenen we de heersende drukken en debieten doorheen het gehele orgaan. Met de bekomen resultaten krijgen we inzicht in de invloed van o.a. de geometrische eigenschappen van de bloedvaten op de stroming. Hieronder volgt een kort overzicht van de verschillende hoofdstukken in deze thesis. Hoofdstukken 2 tot 6 handelen over de literatuurstudie m.b.t. de nier, nierinsufficiëntie en nierfunctievervangende therapieën. In hoofdstuk 2 wordt de anatomie van de nier beschreven op zowel macroscopisch als microscopisch niveau, waarbij speciale aandacht wordt besteed aan de renale bloedcirculatie, meerbepaald de vasculaire architectuur. Hoofd- 1

15 Hoofdstuk 1. Inleiding 2 stuk 3 behandelt de fysiologie van de nier. Hierin worden de belangrijkste functies van de nier beschreven en worden de verschillende processen die in de nier plaatsvinden, toegelicht. Vervolgens wordt in hoofdstuk 4 gekeken naar de verschillende vormen van acute en chronische nierinsufficiëntie. Bij terminale nierinsufficiëntie moet er overgeschakeld worden op nierfunctievervangende therapieën, die worden beschreven in hoofdstukken 5 en 6. In hoofdstuk 5 worden de twee vormen van dialyse toegelicht, nl. hemodialyse en peritoneaaldialyse. Niertransplantatie en preservatiemethoden zijn het onderwerp van hoofdstuk 6. Bij de sectie over niertransplantatie wordt de problematiek aangekaart betreffende het verschil tussen de donorpool en de vraag naar donoren. Ook worden het verloop van een niertransplantatie en de hiermee gepaard gaande complicaties kort behandeld. In de sectie over preservatiemethoden worden zowel koude bewaring als HMP toegelicht. Nadien worden de huidige resultaten van beide methoden met elkaar vergeleken. Vanaf hoofdstuk 7 wordt de modellering van de hemodynamische stroming doorheen de nier behandeld. In hoofdstuk 7 wordt het elektrisch analogon voor de nier opgesteld, vertrekkende van de analogie tussen de stroming in een bloedvat en de elektrische stroom door een transmissielijn. De volgende twee hoofdstukken handelen over het verwerven van de nodige data om dit model op te lossen. Hoofdstuk 8 behandelt het castingproces en de micro-ct-beeldvorming van twee varkensnieren die ons ter beschikking werden gesteld. Verder wordt er toegelicht hoe we deze beelden verwerkten tot 3D-reconstructies, waarop we vervolgens metingen uitvoerden. De meetmethoden en -resultaten staan beschreven in hoofdstuk 9. Een inventaris wordt er opgemaakt van de data die we uit de 3D-reconstructies haalden. Verder worden de data van de twee varkensnieren onderling vergeleken. Daarnaast worden deze data ook vergeleken met de data van een rattennier uit de literatuur. De resultaten die we bekomen met het elektrisch model, gebaseerd op de gemeten data, worden beschreven in hoofdstuk 10. Daarin wordt ook een parameterstudie uitgevoerd die de invloed van de pulsgolfsnelheid onderzoekt. De conclusie van deze masterproef volgt tenslotte in hoofdstuk 11. De bekomen resultaten worden kort overlopen, de limieten van het model worden toegelicht en tot slot bekijken we de toekomstperspectieven.

16 Hoofdstuk 2 Anatomie van de nier 2.1 Macroscopische anatomie De nieren zijn twee organen gelegen in de buikholte (zie figuur 2.1). Ze liggen binnen het buikvlies, rechts en links van de wervelkolom en ongeveer ter hoogte van de drie laatste lendenwervels. De boonvormige nieren zijn met hun holle kant naar de aorta gericht. De lengte bedraagt bij de mens ongeveer 12 cm, de breedte 7 cm en de dikte 3 cm. Het gewicht van elke nier bedraagt ongeveer 150 g. De asymmetrie in de buikholte veroorzaakt door de aanwezigheid van de lever, zorgt ervoor dat de rechternier iets lager ligt dan de linkernier. De linkernier is mede hierdoor typisch iets groter [1, 2, 3, 4]. Figuur 2.1: Positie van de nier [5]. De nieren zijn omgeven door een bindweefselkapsel (capsula fibrosa) en liggen ingebed in een vetmassa die functioneert als steun en beschermt tegen trillingen [6]. 3

17 Hoofdstuk 2. Anatomie van de nier Macroscopische structuur Macroscopisch kan de nier opgedeeld worden in drie verschillende structuren (figuur 2.2) [1]: De nierschors (cortex renis): de (smalle) buitenste laag van de nier, die de glomeruli en de proximale en distale tubuli bevat. Het niermerg (medulla renis): het middelste gedeelte van de nier. Deze laag bestaat uit 10 tot 20 piramiden (pyramides renales), die met hun toppen, de nierpapillen, radiaal naar het nierbekken gericht zijn. Ze bevatten de lissen van Henle en de verzamelbuizen die uitmonden in de nierkelken. Het nierbekken (pelvis renalis): het nierbekken bestaat uit een aantal nierkelken (calices renales), die de urine opvangen die geproduceerd wordt in de nefronen. Vanuit het nierbekken vertrekt de ureter die op zijn beurt de gevormde urine verder transporteert naar de urineblaas. Figuur 2.2: Macroscopische anatomie van de nier [7] Macroscopische renale circulatie De bloedvoorziening van de nier wordt verzorgd door de renale arterie (arteria renalis) of RA, die een aftakking is van de aorta (figuur 2.3). Deze komt langs de hilus de nier binnen en vertakt zich vervolgens tot aan de glomeruli, waar de filtratie plaatsvindt. Uiteindelijk verlaat het gezuiverde en zuurstofarme bloed de nier via de renale vene (vena renalis) of

18 Hoofdstuk 2. Anatomie van de nier 5 RV, welke uitmondt in de vena cava inferior (VCI) [4]. Figuur 2.3: Bloedtoevoer en -afvoer van de nieren [8]. Figuur 2.4: Drukverloop doorheen de nier. De ingangsdruk aan de RA bedraagt ±100 mmhg en de uitgangsdruk aan de RV 5 à 10 mmhg. De drukval is het grootst aan de AA en de EA [2]. Gezien de nieren gelegen zijn tussen de aorta (waar een hoge bloeddruk heerst: ± 100 mmhg) en de VCI (waar een lage bloeddruk heerst: ± 5-10 mmhg), treedt er een significante drukval op doorheen de nieren (figuur 2.4). Deze drukval is het grootst aan de afferente arteriole (AA) en aan de efferente arteriole (EA). Het totale debiet door de beide nieren bedraagt voor een volwassen persoon ongeveer 1500 ml/min. Dit is ongeveer 25 % van de cardiac output, terwijl de nieren (± 150 g per nier) samen slechts 0.4 % van het totale lichaamsgewicht (± 70 kg) vertegenwoordigen. Dit betekent de grootste ratio van bloeddebiet per massaeenheid weefsel van alle grote organen in het lichaam. Dit hoge de-

19 Hoofdstuk 2. Anatomie van de nier 6 biet is een gevolg van de primaire functie van de nier, nl. de zuivering van het bloed en de daarmee gepaard gaande urineproductie. Gezien de eigenlijke filtratie plaatsgrijpt in de nierschors, gaat 90% van de totale bloedflow daarheen [1, 9]. 2.2 Microscopische anatomie Het nefron Elke nier is bij de mens opgebouwd uit ± 1 miljoen nefronen. eenheden van de nier waar de filtratie plaatsvindt. onderdelen (figuur 2.5) [1, 4, 10]: Dit zijn de functionele Een nefron bestaat uit de volgende Glomerulus: een kluwen van haarvaten (glomerulaire capillairen) die ontspringen uit een aanvoerend bloedvat AA en eindigen in een afvoerend bloedvat EA. Dit vasculaire systeem, waar ultrafiltratie plaatsvindt (zie hoofdstuk 3), wordt omringd door een kapsel van Bowman. Kapsel van Bowman: een reservoir waarin het ultrafiltraat van de glomerulus terechtkomt. Dit ultrafiltraat (ook wel de voorurine) wordt vervolgens vervoerd via het tubulussysteem. De glomerulus en het kapsel van Bowman worden samen ook wel het lichaampje van Malpighi genoemd. Proximale tubulus: het eerste deel van het afvoerbuisje, dat het filtraat draineert afkomstig van het kapsel van Bowman. Het is sterk gekronkeld, bevindt zich in de nierschors en gaat over in de lis van Henle. Lis van Henle: een langgerekte U-vormige lus, die in het niermerg afdaalt en dan terug naar de nierschors stijgt. De lis van Henle valt op te delen in een dalend recht deel (proximale pars recta), een dun intermediair segment en een stijgend recht deel (distale pars recta). Distale tubulus: opnieuw een sterk gekronkeld gedeelte van het afvoerbuisje dat zich in de nierschors bevindt. De distale tubulus leidt naar de verzamelbuis. Verzamelbuis: in deze buis monden verschillende nefronen uit. De urine wordt er gecollecteerd en afgevoerd naar de nierpapillen, die leiden tot de nierkelken en tenslotte het nierbekken, waar de ureter vertrekt. Samenvattend bestaat een nefron uit een lichaampje van Malpighi en een (tubulus)syteem van afvoerbuisjes. De lengte van 1 nefron bedraagt 6 cm, wat betekent dat in beide nieren

20 Hoofdstuk 2. Anatomie van de nier 7 Figuur 2.5: Microscopische anatomie van de nier: het nefron [1]. samen een afstand van ongeveer 120 km beschreven wordt door de nefronen [1]. Er zijn twee verschillende types nefronen (figuur 2.6). Bij corticale nefronen liggen de glomeruli aan de buitenkant van de nierschors. De lis van Henle is vrij kort en daalt slechts af tot in de buitenste mergzone. Bij juxtamedullaire nefronen daarentegen liggen de glomeruli nabij de grens tussen nierschors en niermerg. De lis van Henle is langer en dringt door tot in de binnenste mergzone. Bovendien zijn hun glomeruli groter. Tenslotte kan er nog een derde populatie nefronen met intermediaire kenmerken onderscheiden worden [10] Microscopische renale circulatie Zoals eerder vermeld begint de bloedcirculatie in de nier (figuur 2.3 en 2.6) bij de RA, die de nier binnenkomt via de hilus. Vervolgens splitst de RA zich op in segmentale arteriën. Deze splitsen zich vervolgens op in de interlobaire arteriën, die vanuit het centrum langs de randen van de nierpiramiden opstijgen tot de nierschors. Aan de grens tussen de nierschors en het niermerg geven ze aanleiding tot de boogvormige arteriën. Deze takjes reiken tot aan de nierperiferie en splitsen daar op in de interlobulaire arteriën. Tenslotte is er de AA, die de bloedtoevoer van een glomerulus voor zijn rekening neemt. In het kluwen van haarvaten van de glomerulus wordt het bloed gefilterd en het filtraat wordt opgevangen in het kapsel

21 Hoofdstuk 2. Anatomie van de nier 8 Figuur 2.6: Microscopische bloedcirculatie in de nier + de twee soorten nefronen [11]. van Bowman. Het bloed uit de glomerulus wordt afgevoerd door de EA, die zich vervolgens vertakt en zo een netwerk van peritubulaire capillairen vormt (figuur 2.6). Deze netwerken komen terug samen in de vasa recta, die evenwijdig zijn aan de lissen van Henle (figuur 2.6). Het bloed wordt dan verder afgevoerd door respectievelijk de interlobulaire venen, de boogvormige venen en de interlobaire venen. Deze draineren het bloed tot in de RV, die de nierhilus verlaat tot in de VCI [3, 4, 10].

22 Hoofdstuk 3 Fysiologie van de nier De belangrijkste nierfunctie is het handhaven van de homeostase. Via verschillende mechanismen verwijderen de nieren selectief stoffen uit het bloed. De nieren hebben de volgende functies [1, 10]: Regeling van de vochtbalans Regeling van de bloeddruk Regeling van de mineraalhuishouding Regeling van de zuurtegraad Uitscheiding van stofwisselingsproducten Uitscheiding van lichaamsvreemde stoffen (o.a. medicijnen) Om deze functies te kunnen uitvoeren komen in elk nefron achtereenvolgens drie fundamentele mechanismen aan bod: ultrafiltratie, resorptie en excretie. Deze processen reguleren de hoeveelheid van elke stof die uiteindelijk in de urine terechtkomt. Zo filteren de nieren dagelijks 2000 l bloed, wat resulteert in 180 l ultrafiltraat en uiteindelijk na resorptie en excretie in 1.5 l geconcentreerde urine. Het verlies aan water is op die manier beperkt [1, 12]. 3.1 Glomerulaire ultrafiltratie Principe De glomerulus werkt als een eenvoudige filter, gebaseerd op een zuiver fysisch proces. Een semipermeabele wand waarover een drukverschil staat, zorgt ervoor dat rode bloedcellen, eiwitten en andere grote moleculen worden tegengehouden, terwijl kleine partikels vrijwel 9

23 Hoofdstuk 3. Fysiologie van de nier 10 vrije doorgang hebben. Dit proces heet ultrafiltratie. De samenstelling van het ultrafiltraat is gelijkaardig aan die van bloedplasma, met uitzondering van de eiwitten. Het ultrafiltraat wordt opgevangen in het kapsel van Bowman en doorloopt vervolgens de verschillende onderdelen van de tubulus, die verbonden is met het kapsel van Bowman [1, 2, 12]. De drijvende kracht achter ultrafiltratie is de drukval over het filtratiemembraan [1]. De netto filtratiedruk P F hangt af van drie verschillende componenten (figuur 3.1): Figuur 3.1: Ultrafiltratieproces in het lichaampje van Malpighi en de hierbij heersende drukken [1]. De hydrostatische druk in de capillairen (P B ) van de glomerulus: deze bedraagt ± 46 mmhg en kan door constrictie en dilatatie van de AA gereguleerd worden. Op die manier kan de capillaire druk en dus de glomerulaire filtratie gegarandeerd worden. De hydrostatische druk in het kapsel van Bowman (P K ): dit is de druk die door de voorurine wordt uitgeoefend op de wanden van het kapsel van Bowman, en dus de filtratie tegenwerkt. Deze bedraagt ± 11 mmhg. De colloïd-osmotische druk (π OSM ) van de eiwitten die niet doorheen de filter geraken: ook deze component werkt de filtratie tegen en is afhankelijk van de eiwitconcentratie in het bloed. In de nieren bedraagt deze druk onder normale omstandigheden ± 25 mmhg. Verder is er nog de colloïd-osmotische druk in het kapsel, maar gezien voorurine normaliter amper eiwitten bevat, is deze doorgaans te verwaarlozen [1].

24 Hoofdstuk 3. Fysiologie van de nier 11 Figuur 3.2: Verloop van de filtratiedruk over een glomerulair capillair. De kapseldruk P K (11 mmhg) en de druk in de capillairen P B (46 mmhg) blijven nagenoeg constant terwijl de colloïd-osmotische druk π OSM stijgt naarmate de filtratie vordert. Op een bepaalde plaats in de glomerulus wordt de netto filtratiedruk P F dus 0 en is er geen verdere filtratie [2]. Voor de totale netto filtratiedruk geeft dit: P F = P B P K π OSM (3.1) De hydrostatische druk in het capillair en in het kapsel van Bowman blijven nagenoeg gelijk, terwijl de colloïd-osmotische druk toeneemt (figuur 3.2) naarmate de filtratie vordert en er meer vloeistof naar de kapselholte vervoerd wordt. Op een bepaald moment wordt de totale netto filtratiedruk 0, waardoor er een evenwicht ontstaat en er niet verder gefilterd wordt over het resterende deel van het capillair [1, 2]. Naast de drukval zijn er nog enkele factoren die de glomerulaire ultrafiltratie begunstigen. De hoge doorlaatbaarheid van de glomerulaire filter voor water en opgeloste stoffen en het relatief grote bloeddebiet in de nieren geven aanleiding tot een hoge ultrafiltratiesnelheid. Het filtratieoppervlak wordt gereguleerd door de zogenaamde mesangiumcellen. Deze liggen binnen de glomerulus en kunnen contraheren en relaxeren, hetgeen respectievelijk tot een afname of toename van de filtratieoppervlakte leidt [2].

25 Hoofdstuk 3. Fysiologie van de nier Ultrafiltratiesnelheid en klaring De glomerulaire ultrafiltratiesnelheid (glomerular filtration rate, GFR [ml/min]) is de hoeveelheid primaire urine die per minuut gevormd wordt door alle glomeruli van beide nieren samen. Deze hoeveelheid schommelt bij de mens rond 120 ml/min [2, 10]. De klaring (clearance, C [ml/min]) van een bepaalde stof is de snelheid waarmee deze stof wordt verwijderd uit het bloed. Ze vormt de basis voor de kwantitatieve evaluatie van de nierfunctie. Door kennis ervan kan men de GFR bepalen, meestal aan de hand van de klaring van creatinine, een afvalproduct dat door de spieren wordt aangemaakt met nagenoeg constante snelheid. Om de klaring van een bepaalde stof (hier creatinine) te bepalen zijn enkele parameters nodig: de plasmaconcentratie creatinine (P), het volume aan urine dat per minuut wordt aangemaakt (V) en de concentratie aan creatinine in de urine (U). De klaring is dan eenvoudig te berekenen als volgt [4]: C[ml/min] = U[mg/ml].V [ml/min] P [mg/ml] 3.2 Tubulaire resorptie en excretie (3.2) Om uit het ultrafiltraat (dagelijks ±180 l) uiteindelijk 1.5 l urine over te houden, dient in de rest van het nefron 99% van de voorurine geresorbeerd te worden. Het gaat hier om resorptie van nuttige stoffen zoals glucose, aminozuren en vooral water met opgeloste zouten. Anderzijds vindt er ook excretie plaats: bepaalde stoffen gaan van het bloed naar het tubulussysteem. Op die manier is de uiteindelijke samenstelling van urine grotendeels afhankelijk van de processen van resorptie en excretie. Resorptie en excretie zijn mogelijk dankzij de EA die zich opnieuw vertakt tot haarvaten die zich rondom de tubuli bevinden. Het proces gebeurt gespreid: 80% wordt in de proximale tubulus geresorbeerd, 6% in de lis van Henle en in de distale tubulus en de verzamelbuizen ongeveer 13%. In tegenstelling tot ultrafiltratie zijn bij sommige stoffen de processen van resorptie en excretie actief, m.a.w. er is zuurstof voor nodig [1, 4]. In de proximale tubulus wordt in normale omstandigheden alle glucose volledig geresorbeerd met behulp van zogenaamde carriers, die elk een glucosemolecule aan zich vasthechten en vanuit de voorurine naar de bloedzijde transporteren. In geval van suikerziekte is de glucoseconcentratie in het bloed te groot, zodat de hoeveelheid carriers niet voldoende is en er bijgevolg glucose in de urine achterblijft. In dat geval spreekt men van glucosurie. Verder wordt in de proximale tubulus 65% van de natriumionen geresorbeerd, welke gevolgd worden door de chloride-ionen. Bijgevolg stijgt de osmotische waarde van het bloed en daalt die van

26 Hoofdstuk 3. Fysiologie van de nier 13 Figuur 3.3: De actieve en passieve resorptie en excretie in het nefron [13] de urine. Het hiermee gepaard gaande drukverschil is de drijvende kracht van de resorptie van water, waarvan zo 65% passief wordt geresorbeerd. Tenslotte worden nog verscheidene andere stoffen zoals hormonen, ionen, vitamines en aminozuren uit de proximale tubulus geresorbeerd (zie figuur 3.3) [1, 4]. In het dalende been van de lis van Henle wordt water geresorbeerd, zodat de osmotische waarde van de urinevloeistof toeneemt en een maximum bereikt in het buigpunt van de lis. Uit de sterk hypertone voorurine wordt vervolgens NaCl geresorbeerd in het stijgende gedeelte van de lis van Henle. Vervolgens kan dan weer op passieve wijze water worden gerecupereerd ter hoogte van de distale tubulus en de verzamelbuis, en kan hierdoor de urine sterk geconcentreerd worden. De resorptie in de distale tubulus is, in tegenstelling tot die in de proximale tubulus, variabel en wordt gereguleerd door hormonen. De drie hormonen die de resorptie en excretie in de distale tubulus en de verzamelbuis reguleren zijn aldosteron, PTH en ADH [1, 4, 12]. Aldosteron: wordt geproduceerd in de bijnierschors en stimuleert de resorptie van natrium (Na + ) en de excretie van kalium (K + ). Antidiuretisch hormoon (ADH): ter hoogte van de distale tubulus en de verzamelbuis

27 Hoofdstuk 3. Fysiologie van de nier 14 wordt ten gevolge van de werking van ADH de permeabiliteit voor water verhoogd. Op die manier wordt de resorptie van water sterk bevorderd. Parathormoon (PTH): dit hormoon wordt aangemaakt in de bijschildkliertjes en stimuleert de resorptie van calcium- en magnesiumionen en de excretie van fosfaationen. Samenvattend is het verschil tussen tubulaire resorptie en excretie de richting van het proces. Dit uit zich ook in de relatie tussen de GFR en de klaring: als een stof niet wordt geëxcreteerd of geresorbeerd, is de klaring equivalent aan de GFR. Indien er excretie plaatsvindt, is de klaring groter dan de GFR. Het omgekeerde geldt in geval van resorptie. De klaring wordt nul indien de resorptie volledig is. 3.3 Belangrijkste overige nierfuncties Regeling van de bloeddruk De juxtaglomerulaire cellen die zich vlakbij de glomerulus bevinden, in de wand van de AA, maken het mogelijk om de bloeddruk bij te sturen. Deze gladde spiercellen zijn in staat het enzym renine te produceren. Ze registreren de bloeddruk en in geval van lage arteriële druk verhogen ze hun productie van renine. Dit enzym zet het inactieve plasma-eiwit angiotensinogeen om in het actieve angiotensine, dat de bloeddruk kan verhogen op twee manieren: enerzijds door vasoconstrictie in de arteriolen, anderzijds door de aldosteronproductie in de bijnierschors te verhogen. Dit reeds eerder vermelde hormoon bevordert de resorptie van natrium, wat op zijn beurt leidt tot extra resorptie van respectievelijk chloride en water in de distale tubulus en de verzamelbuis. Hieruit volgt een stijging van de bloeddruk. Bij een stijging van de arteriële druk vindt precies het omgekeerde proces plaats: er wordt minder renine geproduceerd, wat via analoge tussenstappen leidt tot een daling van de bloeddruk [1, 4, 14] Productie van hormonen De nieren staan ook in voor de productie van hormonen, i.h.b. van erytropoëtine (EPO). Bij een daling van de zuurstofconcentratie in het circulerende bloedvolume vindt de productie van EPO plaats, dat de productie van erytrocyten (rode bloedcellen) in het rode beenmerg stimuleert. Dit mechanisme verklaart hoe een langdurig verblijf op grote hoogte een toename van het aantal erytrocyten veroorzaakt [1].

28 Hoofdstuk 3. Fysiologie van de nier Vitamine D-stofwisseling Vitamine D, via voedsel opgenomen of in de huid aangemaakt onder invloed van UV-licht, wordt in de nieren omgezet in de actieve vorm calcitriol. Dit hormoon draagt o.a. bij tot de calciumstofwisseling en het immuunsysteem. De vorming van calcitriol wordt gestimuleerd door de aanwezigheid van PTH, calcium en fosfor [1].

29 Hoofdstuk 4 Nierinsufficiëntie 4.1 Inleiding De toestand waarin de nieren hun normale functies (zie hoofdstuk 3) niet optimaal kunnen uitvoeren, wordt algemeen aangeduid als nierinsufficiëntie. Deze insufficiëntie houdt gewoonlijk een verminderde GFR in: de glomerulusfiltratie haalt niet haar normale waarde van ± 120 ml/min. Nierinsufficiëntie kan worden ingedeeld in twee categorieën, afhankelijk van de duur van het probleem. Indien er in de loop van enkele uren of dagen een plots falen van de nieren waarneembaar is, spreekt men van acute nierinsufficiëntie. In het geval dat er een graduele achteruitgang van de nierfunctie over meerdere jaren wordt waargenomen, spreekt men van chronische nierinsufficiëntie. Als de GFR daalt onder 5 à 10 ml/min, is er sprake van terminale nierinsufficiëntie (end-stage renal failure; ESRF) en is nierfunctievervangende therapie de enige overgebleven oplossing om de patiënt in leven te houden. De mogelijke nierfunctievervangende therapieën voor ESRF zijn nierdialyse en niertransplantatie [2, 15, 16]. 4.2 Acute nierinsufficiëntie Definitie en oorzaken Acute nierinsufficiëntie is een plotse en vaak omkeerbare achteruitgang van de glomerulaire filtratie. In de meeste gevallen gaat acute nierinsufficiëntie gepaard met oligurie, een sterke vermindering van de urineproductie (minder dan 400 ml/dag). Ook vermoeidheid, misselijkheid en hyperventilatie zijn mogelijke symptomen. Door de drastisch verminderde filtratie is er een stijging van de concentraties van creatinine en andere afvalstoffen in het bloed en kan ook de vochtbalans verstoord worden [2, 16]. 16

30 Hoofdstuk 4. Nierinsufficiëntie 17 De oorzaken van acute nierinsufficiëntie kunnen worden ingedeeld in drie categorieën [16]: Prerenaal: ten gevolge van verminderde bloedstroming door de nieren. Dit komt voor bij o.a. bloedverlies en dehydratie. Een andere mogelijke oorzaak is obstructie van de renale bloedvaten. Bij tijdig herstel van de doorbloeding herstelt de nierfunctie zich normaal gezien in de loop van enkele dagen. Renaal: door beschadiging van de nefronen. Mogelijke oorzaken hiervan zijn acute tubulusnecrose (beschadiging van de tubuli door zuurstoftekort of door nefrotoxische stoffen), acute interstitiële nefritis (ontsteking in het interstitium), acute glomerulonefritis (ontsteking van de glomeruli) en cholesterolembolieën. Postrenaal: ten gevolge van obstructie van de afvoerende urinewegen, door bijv. nierstenen, tumoren of fibrose. Figuur 4.1: De RIFLE-indeling van acute nierinsufficiëntie. Alle gevallen worden geclassificeerd aan de hand van criteria m.b.t. serumcreatininegehalte en urine-output [17] Indeling Een vaak gebruikte indelingswijze voor acute nierinsufficiciëntie is de zogenaamde RIFLEtabel (zie figuur 4.1). RIFLE definieert drie graden van ernst - risk (klasse R), injury (klasse I) en failure (klasse F) - en twee klassen van mogelijke uitkomst: loss (klasse L) en ESRF (klasse E). Bij de classificatie wordt zowel naar de GFR (via een equivalent criterium

31 Hoofdstuk 4. Nierinsufficiëntie 18 m.b.t. serumcreatinineconcentratie) als naar de urine-output gekeken om zo het risico van het nierfalen te bepalen. Aan elke graad wordt kwantitatief een minimum opgelegd aan het serumcreatininegehalte en een maximum aan de urine-output. Aan de hand daarvan worden alle gevallen ingedeeld [18, 19]. 4.3 Chronische nierinsufficiëntie Definitie Chronische nierinsufficiëntie wordt gekarakteriseerd door een graduele en vaak onomkeerbare afname van de GFR. Dit verschilt van acute nierinsufficiëntie, waarbij het proces meestal wel omkeerbaar is. De belangrijkste oorzaken van chronische nierinsufficiëntie zijn hypertensie (verhoogde bloeddruk), diabetische nefropathie (beschadiging van de glomeruli ten gevolge van suikerziekte) en glomerulonefritis. De afname van de GFR in geval van een aandoening is per patiënt ongeveer constant, wat een lineaire daling in functie van de tijd oplevert. Tot op een bepaald niveau is er een reservemechanisme ingebouwd, zodat een kleine daling in filtratie niet tot problemen leidt. Bij een daling van de GFR tot 50% spreekt men van vermindere nierfunctie. Is de daling groter, dan overschrijdt men de ingebouwde buffer en is het reservemechanisme ontoereikend. Bij een GFR tussen 30 en 70 ml/min spreekt men van chronische nierinsufficiëntie. Chronisch nierfalen wordt gedefinieerd als een nierfunctiestoornis met een GFR onder 30 ml/min en ESRF geldt voor een GFR van minder dan 10 ml/min [2, 4, 16] Diagnose De GFR wordt doorgaans experimenteel bepaald aan de hand van de klaring van creatinine. Creatinine is een afvalstof die door de spieren wordt aangemaakt en nadien door de nieren dient uitgescheiden te worden. Bij verminderde activiteit van de nieren (dalende GFR) stijgt de creatinineconcentratie in het bloed. Dit gegeven wordt gebruikt om een kwantitatieve meting van de nierfunctie uit te voeren: met de gemeten creatinineconcentratie wordt de GFR bepaald. In figuur 4.2 is de relatie tussen GFR en creatinineconcentratie in het bloed weergegeven. Ook de BUN-concentratie (d.i. Blood Urea Nitrogen) staat aangegeven en is een alternatieve parameter om de GFR te bepalen [15].

32 Hoofdstuk 4. Nierinsufficiëntie 19 Figuur 4.2: Relatie tussen de creatinineconcentratie, de BUN-concentratie en de filtratiesnelheid [20] Gevolgen Verschillende nieraandoeningen hebben een continue vernietiging van functionerend nierweefsel tot gevolg, wat op termijn tot nierinsufficiëntie leidt. Als het aantal werkzame nefronen afneemt, daalt automatisch de GFR, ontstaat er een tekort aan hormonen die normaliter door de nieren worden geproduceerd en is er een afname van de homeostatische functies van de nier. Een belangrijke factor en indicator in de achteruitgang van de nier is de stijging van de druk in de glomeruli. Aanvankelijk wordt de vernietiging van een deel van de nefronen gecompenseerd door een verhoogde druk in de resterende glomeruli, wat daar de filtratie verhoogt. De glomeruli zijn echter niet opgewassen tegen deze drukwaarden en er treedt beschadiging op. Dit leidt op zijn beurt tot proteïnurie (d.i. een te hoog eiwitgehalte in de urine tengevolge van de te hoge filtratiedruk), wat de verdere achteruitgang van de nierfunctie in de hand werkt. Enkele andere factoren die bijdragen tot nierinsufficiëntie zijn genetische kenmerken, hormonale parameters, hyperlipidemie (verhoogd vetgehalte in het bloed) en acidose (abnormale zuurtegraad van het bloed) [2, 14]. Eén van de belangrijkste gevolgen van de GFR-afname is de toename van de concentratie aan uit te scheiden stoffen in het bloed. Opstapeling van toxische stoffen leidt tot verscheidene orgaanstoornissen. De handhaving van de homeostase wordt hierdoor rechtstreeks beïnvloed. Een patiënt met chronische nierinsufficiëntie is bijv. niet in staat om de invloed van een grote variatie in NaCl-concentratie te compenseren. Sterke variaties in zoutinname kunnen dan leiden tot hyper- of hypovolemie (te hoog of te laag circulend

33 Hoofdstuk 4. Nierinsufficiëntie 20 bloedvolume). Bij een dalende GFR wordt ook de balans van waterstof, fosfaat en kalium verstoord, hoewel deze laatste nog lang in evenwicht kan gehouden worden door een toename van de kaliumexcretie in de distale tubulussegmenten, o.a. onder invloed van een gestimuleerde aldosteronproductie. De verhoogde fosfaatconcentratie leidt in combinatie met een hoge calciumconcentratie tot neerslag van calciumfosfaat onder de huid en rond de gewrichten. Hierdoor ontstaan subcutane knobbels, jeuk en gewrichtspijnen. Verder leidt de verminderde aanmaak van het hormoon erytropoëtine tot anemie (te laag gehalte aan hemoglobine in het bloed) [2, 14].

34 Hoofdstuk 5 Nierdialyse Bij het falen of ontoereikend zijn van dieetbeperkingen en behandeling met geneesmiddelen bij chronische nierinsufficiëntie of als de GFR alarmerend lage waarden bereikt, dient er overgeschakeld te worden op nierfunctievervangende therapieën. Deze therapieën kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën, die het onderwerp zijn van de komende twee hoofdstukken: nierdialyse en niertransplantatie. Algemeen betekent dialyse de uitwisseling van in water opgeloste stoffen doorheen een semipermeabel membraan. Dit houdt in dat de functies van de nier kunstmatig worden overgenomen, al dan niet in afwachting van een niertransplantatie. Dialyse kan ingedeeld worden in twee categorieën: hemodialyse en peritoneaaldialyse [2]. 5.1 Hemodialyse Principes van hemodialyse Bij hemodialyse wordt het bloed van de patiënt met behulp van een pomp naar een dialysator of kunstnier geleid (zie figuren 5.1 en 5.2). Deze dialysator bevat een grote hoeveelheid parallelgeschakelde kunststofcapillairen met een semipermeabel membraan. Daar vindt uitwisseling van stoffen plaats met het dialysaat (de dialysevloeistof): eiwitten en bloedcellen worden niet doorgelaten en blijven dus in het bloed, terwijl kleinere moleculen vrije doorgang hebben, net zoals in de glomeruli. De dialysator verwijdert op die manier afvalstoffen zoals ureum en creatinine, alsook overtollig water. Verder kan hij ook de zuurtegraad regelen door bicarbonaat toe te voegen aan het bloed vanuit het dialysaat. De uitwisseling van de verschillende stoffen gebeurt op twee manieren [2, 4, 15, 21]: Diffusie: door de aanwezigheid van concentratiegradiënten kunnen stoffen zich van het bloedcompartiment naar het dialysaat verplaatsen en omgekeerd. Het concentratiever- 21