Hjem » Væske og elektrolytter » Starlingkræfter og Starlings filtrationsligning
Starling-kræfter og Starlings filtrationsligning
Der er skrevet rigtig meget og rigtig godt om Starlings filtrationsprincip. Til en indledende gennemgang af princippet og hvorfor det er nødvendigt med nogle tilføjelser, kan jeg anbefale Michel et al. (2020) alternativt Michel i en anden konstellation med Levick (2010). Woodcock & Woodcock (2012) handler primært om tilføjelserne og understreger, hvorfor man ikke kan (og bør) bruge kolloider til at behandle og revertere ødemer.
Der er også flere gode online-ressourcer. Som sædvanlig Yartsev, men også Brandis kan være med.
Den historisk interesserede læser kan starte med Starlings oprindelige studie fra 1896. Bemærkelsesværdigt nok må man lede længe efter nogen ligning eller noget mere omfattende princip. Starling selv kendte ikke til Starlings princip eller Starlings filtrationsligning; princippet opstod først da en ung amerikaner Eugene Landis brugte det i sine undersøgelser af kapillærtryk og væskepermeabilitet 30 år efter Starlings studie.
Starling gav hunde ødem, infunderede dem arterielt med blod med en kendt hæmatokrit og konstaterede, at hæmatokritværdien på den venøse side var faldet. Altså måtte der være en form for væskebevægelse over karvæggen, også selvom væskerne var isotone: “Salt solutions, isotonic with the blood-plasma, can be and are absorbed directly by the blood vessels“. (Starling, 1896: p. 325).
Det følgende handler om:
- Starlings filtrationsprincip
- Starlings filtrationsligning
- Det hydrostatiske tryk i kapillærer og intersticium
- Det kolloidosmotiske tryk i kapillærer og intersticium
- Problemer med den klassiske forståelse af væskefiltration og Starling-ligningen
Starlings filtrationsprincip
Starlings filtrationsprincip beskriver væskeflow over kapillærvægge. Kapillærvægge er semipermeable membraner, der tillader passage af vand, mindre molekyler, men er impermeabelt for store molekyler. Kapillærerne indeholder erytrocytter i en suspension af plasma bestående af elektrolytter og makromolekyler, kolloider, den mest dominerende heraf er albumin. Kapillæret har et hydrostatisk tryk og et osmotisk tryk forårsaget af kolloider, det vil sige et kolloid-osmotisk tryk. Kapillærvæggen adskiller kapillærerne fra intersticielvæsken. Intersticielvæsken har også et hydrostatisk tryk og et kolloidosmotisk tryk, der ikke er det samme som kapillærernes tryk.
De hydrostatiske tryk i kapillærerne er større end i intersticiet, sådan at det hydrostatiske tryk presser væske ud i intersticiet. Omvendt er det kolloidosmotiske tryk større i kapillærerne end i intersticiet, sådan at væske suges fra intersticiet ind i kapillærerne.
Nettofiltrationen er forskellen imellem filtrationen forårsaget det udadvendte hydrostatiske tryk og filtrationen forårsaget af det indadvendte kolloidosmotiske tryk.
Man kan også finde ordet onkotisk tryk anvendt. Det refererer til, at det kolloidosmotiske tryk giver anledning til en hævelse, en tumor på latin, eller onkos på græsk.
Ét billede kan sige mere end ovenstående 170 ord, således:
Starlings filtrationsligning
Man kan også udtrykke Starlings filtrationsprincip som en ligning og derved ved algebra på meget lidt plads sige det samme som ord ovenfor sagde på meget mere plads:
Jv = Kf · [(Pc – Pi) – σ · (πc + πi)] = Kf · (Δ P – σ · Δ π )
Hvor:
- Jv: Netto væskebevægelse på tværs af kapillærvæggen
- Kf: Filtrationskoefficienten
- (Pc – Pi): Den hydrostatiske trykgradient over kapillærvæggen
- Pc: Hydrostatisk tryk i kapillærerne
- Pi: Hydrostatisk tryk i intersticiet
- σ: Refleksionskoefficient
- (πc + πi): Den kolloidosmotiske trykgradient over kapillærvæggen
- πc: Osmotisk tryk i kapillærerne
- πi: Osmotisk tryk i intersticiet
Filtrationskoefficienten, Kf, er produktet af permeabiliteten for væske og overfladearealet af den kapillærvæg, der er tale om. Et meget, meget lille kapillær har et lavt overfladeareal, og nettofiltrationen kan derfor ikke være stor. Omvendt kan nettofiltrationen over et stort kapillær, eller en stor gruppe af kapillærer, være meget stor. En kapillær med meget lav permeabilitet for vand, lader ikke meget passere, hvor et gennemfenestreret kapillær omvendt gør. En situationen, hvor man universelt oplever en pludselig stigning i væskepermeabiliteten og derfor en potentielt fatal øget filtrationskoefficient kan kaldes anafylaktisk shock.
Refleksionskoefficienten, σ, betegner kapillærets permeabilitet for kolloider. Absorptionen fra en kolloidosmotiske trykforskel er Δ π, hvis en semipermeabel membran er fuldstændigt impermeabel for protein, men hvis protein kan løbe med væske som følge af permeabilitet, falder effekten af det kolloidosmotiske tryk. Det effektfald udtrykket ved refleksionskoefficienten. Hvis alle kolloider reflekteres er koefficienten 1, og hvis alle kolloider flyder frit (dvs. hvis membranen er fuldt permeabel), er koefficienten 0.
Hydrostatisk tryk i kapillærer og intersticium
Så hvad er egentlig det hydrostatiske tryk? Helt grundlæggende er der jo tale om blodtrykket fratrukket det fald, der skyldes arteriolerne. Brandis angiver det hydrostatiske tryk ved arterioleenden af kapillæret til omtrent 25 mmHg, mens det ved venoleenden er faldet til omtrent 10 mmHg. Det er klart, at står man oprejst er trykket i bunden af den væskesøjle, som ens blodkar udgør, altså trykket ved blodkarrene i fødderne, højere. Kan man huske sin basale gymnasiefysik, vil man erindre noget i retning af lineær proportionalitet imellem tryk, væskedensitet, tyngdekonstanten og højden. Kan man ikke huske sin basale gymnasiefysik, kan man en varm sommeraften mærke på sine småhævede fødder. Er det en kold vinterdag, kan du prøve at stikke hovedet mellem benene og forestille dig, at du er en giraf.
For enkelte væv gælder særlige forhold, mest prominent nyrerne, hvor den stramme regulering af afferente og efferente arteriole fastholder et relativt konstant og højt tryk omkring 60 mmHg i hele den glomerulære kapillærs længde.
Intersticiet er formentlig en væsentlig mere heterogen størrelse, hvor forskellige typer af væv og forskellige typer af patoanatomiske væv har forskellige grader af hydrostatisk tryk. Brandis angiver et intersticielt tryk på -6 mmHg, men det finder man formentlig kun i intersticiet i bløddelsvæv. Auckland & Reed (1993), der desværre er bag paywall, angiver et bløddelstryk mellem 0 og -4 mmHg. Det negative tryk produceres formentlig af suget fra lymfekarrene.
Omvendt har indkapslede organer (lever, nyre, hjerne) typisk et positivt hydrostatisk tryk. Patologiske væv kan præstere helt andre tryk. Mest markant maligne, solide tumorer, hvor Boucher et al. (1990) finder tryk over 30 mmHg i mamma adenokarcinomer, og i brandsår kan man finde intersticielle tryk ned mellem -20 til -40 mmHg (Demling, 2005).
Kolloid-osmotisk tryk i kapillærer og intersticium
Det kolloid-osmotiske tryk, eller det onkotiske tryk, skyldes plasmakolloider. Et kolloid er en homogen opløsning af meget små molekyler i et medium, fx vand. De primære osmolytter i plasma er elektrolytter, særligt natrium, klorid og bikarbonat, men på grund af deres vage størrelse passerer de relativt nemt over kapillærmembranerne og findes ligeligt fordelt i hele ekstracellulærfasen. Det vil sige, at grundlæggende er plasma-natrium lig med intersticiel natrium. Omvendt er det for kolloiderne, der i begrænset omfang passerer igennem kapillærerne og som derfor giver anledning til et osmotisk tryk.
Det mest dominerende kolloid i kroppen er albumin efterfulgt af immunoglobuliner. Patienter med den alvorligt sjældne autosomalt recessive sygdom analbuminæmi opretholder deres kolloidosmotiske tryk ved en kompensatorisk opregulering af plasmakoncentrationen af immunoglobuliner og er derfor relativt asymptomatiske.
Brandis angiver det kolloidosmotiske tryk i plasma til 25 mmHg og i intersticiet til 5 mmHg, hvilket giver en trykforskel på 20 mmHg.
En vigtig undtagelse til det er det kolloidosmotiske tryk i Bowmans rum som nærmer sig 0 mmHg på grund af podocytternes fintmaskede net.
Problemer med den klassiske Starling hypotese
Den klassiske Starling-hypotese er let at forklare og let at forstå og man kunne foranlediges til at tro, at man kan udlede relevante kliniske interventioner af den (listen nedenfor fra Woodcock & Woodcock, 2012: 388):
- Hypoalbuminæmi er et hyppigt klinisk problem, men er ofte ikke forbundet med ødemer og korrektion af albumin retter ikke den kliniske tilstand.
- ARDS-patienter med lungeødem har ingen gavn af infusion af kolloider
- Septiske patienter med store ødemer har samme kolloidosmotiske tryk som ikke-septiske patienter uden ødem
- Man kan kun i meget begrænset omfang “rehydrere” en chokeret patient ved at trække intersticialvæske til blodbanen ved hjælp af kolloider (og så kommer væsken slet ikke fra intersticiet).
- Helt generelt er væsketerapi baseret på kolloider ikke bedre end væsketerapi baseret på krystalloider (se indledningen af Woodcock & Woodcock).
.
Og i øvrigt viser det sig, at der helt grundlæggende ikke er et flow tilbage i blodbanen fra intersticiet. Det meste af den filtrerede væske kommer tilbage til blodbanen via lymfebanerne, ikke som følge af kolloidosmotiske trykforskelle med enkelte undtagelser (de renale kar).
De reviderede Starling-principper
Fra en god videnskabelig teori kan man udlede gode hypoteser, der kan efterprøves, og hvis man ikke kan afvise hypoteserne, må man give opbakning til sin teori. Alternativt er der noget galt med teorien. I lyset af empirien har man derfor revideret den simple Starling-ligning. Woodcock driver en hjemmeside, FluidPhysiology.org med 11 nye Starling-koncepter. Principperne er de samme som i tabel 1 i Woodcock & Woodcock (2012).
I stedet for at betragte karlumen, endothel og intersticium som to kompartments adskilt af en væg, må man i stedet tænke, at et kapillær består af en indre plasmafase, mellem endotel og plasma et tyndt lag af ultrafiltrerende glykocalyx, der i normale tilfælde er nærmest proteinfri. Imellem de enkelte endothelceller findes en intracellulær kløft, der også er relativt proteinfri på grund af væskefiltration som følge af den hydrostatiske trykforskel, men som i takt med at den hydrostatiske trykforskel mindskes, kan blive tiltagende fyldt med proteinfyldt. Den relevante kolloidosmotiske trykforskel er imellem plasma og rummet under glycocalyx. Det vil sige, at en revideret Starling-ligning lyder:
Jv = Kf · [(Pc – Pi) – σ · (πc + πsubglykocalyx)]
Helt generelt modvirker det kolloidosmotiske tryk væskeabsorptionen, men den reverterer den ikke. I starten af kapillærer, hvor den hydrostatiske trykforskel er stor, er der en stor ultrafiltration af væske, og det store flow gør subglykocalyx derfor relativt proteintom. Det vil sige, at den modvirkende effekt af den kolloidosmotiske trykforskel er stor.
I takt med at den hydrostatiske trykforskel falder, falder ultrafiltrationen også og proteiner fra intersticiet kan diffundere ind i subglykocalyx og den kolloidosmotiske trykforskel bliver derfor mindre.
Infusion af kolloider sænker Jv, men det gør den ikke negativ, og kolloidinfusion trækker derfor ikke væske til blodbanen fra intersticiet. Når man infunderer kolloider hos lavtrykkede patienter ser man godt nok en ekspansion af plasmavolumen, men det skyldes et væskesug fra den relativt proteinfrie, men trods alt væskefyldte glykocalyx og ikke fra intersticiet.
Ved fald i den hydrostatiske trykforskel kan der fra glykocalyx og intersticielvæsken ske en autoinfusion af væske til plasma på omtrent 500 mL. Det ændrer imidlertid den kolloidosmotiske trykforskel til fordel for filtration og effekten er derfor kortvarig. Se fx figur 3 og 4 i Woodcock & Woodcock, 2012.
Kilder
Yartsev A (2023). Starling forces and fluid exchange in the microcirculation. På DerangedPhysiology.com. Tilgået d. 13/1-2024.
Michel CC, Woodcock TE, Curry FE. Understanding and extending the Starling principle. Acta Anaesthesiol Scand. 2020 Sep;64(8):1032-1037. doi: 10.1111/aas.13603. Epub 2020 Apr 27. PMID: 32270491.
Levick JR, Michel CC. Microvascular fluid exchange and the revised Starling principle. Cardiovasc Res. 2010 Jul 15;87(2):198-210. doi: 10.1093/cvr/cvq062. Epub 2010 Mar 3. PMID: 20200043.
Woodcock TE, Woodcock TM. Revised Starling equation and the glycocalyx model of transvascular fluid exchange: an improved paradigm for prescribing intravenous fluid therapy. Br J Anaesth. 2012 Mar;108(3):384-94. doi: 10.1093/bja/aer515. Epub 2012 Jan 29. PMID: 22290457.
Aukland K, Reed RK. Interstitial-lymphatic mechanisms in the control of extracellular fluid volume. Physiol Rev. 1993 Jan;73(1):1-78. doi: 10.1152/physrev.1993.73.1.1. PMID: 8419962.
Demling RH. The burn edema process: current concepts. J Burn Care Rehabil. 2005 May-Jun;26(3):207-27. PMID: 15879742.
Boucher Y, Baxter LT, Jain RK. Interstitial pressure gradients in tissue-isolated and subcutaneous tumors: implications for therapy. Cancer Res. 1990 Aug 1;50(15):4478-84. PMID: 2369726.
Brandis, K. 4.2 Starling’s Hypotheses. Fluid Book. På anaesthesiamcq.com/FluidBook/. Tilgået d. 13/1-2024.