TY  - THES
A1  - Devine, Eric
T1  - Increased removal of protein bound uremic toxins through reversible modification of the ionic strength during hemodiafiltration
T1  - Erhöhte Elimination proteingebundener Urämietoxine durch reversible Modifikation der Ionenstärke während der Hämodiafiltration
N2  - A large number of metabolic waste products accumulate in the blood of patients with renal failure. Since these solutes have deleterious effects on the biological functions, they are called uremic toxins and have been classified in three groups: 1) small water soluble solutes (MW < 500 Da), 2) small solutes with known protein binding (MW < 500 Da), and 3) middle molecules (500 Da < MW < 60 kDa). Protein bound uremic toxins are poorly removed by conventional hemodialysis treatments because of their high protein binding and high distribution volume. The prototypical protein bound uremic toxins indoxyl sulfate (IS) and p-cresyl sulfate (pCS) are associated with the progression of chronic kidney disease, cardiovascular outcomes, and mortality of patients on maintenance hemodialysis. Furthermore, these two compounds are bound to albumin, the main plasma protein, via electrostatic and/or Van-der-Waals forces. The aim of the present thesis was to develop a dialysis strategy, based on the reversible modification of the ionic strength in the blood stream by increasing the sodium chloride (NaCl) concentration, in order to enhance the removal of protein bound substances, such as IS and pCS, with the ultimate goal to improve clinical patient outcomes. Enhancing the NaCl concentration ([NaCl]) in both human normal and uremic plasma was efficient to reduce the protein bound fraction of both IS and pCS by reducing their binding affinity to albumin. Increasing the ionic strength was feasible during modified pre-dilution hemodiafiltration (HDF) by increasing the [NaCl] in the substitution fluid. The NaCl excess was adequately removed within the hemodialyzer. This method was effective to increase the removal rate of both protein bound uremic toxins. Its ex vivo hemocompatibility, however, was limited by the osmotic shock induced by the high [NaCl] in the substituate. Therefore, modified pre-dilution HDF was further iterated by introducing a second serial cartridge, named the serial dialyzers (SDial) setup. This setting was validated for feasibility, hemocompatibility, and toxin removal efficiency. A better hemocompatibility at similar efficacy was obtained with the SDial setup compared with the modified pre-dilution HDF. Both methods were finally tested in an animal sheep model of dialysis to verify biocompatibility. Low hemolysis and no activation of both the complement and the coagulation systems were observed when increasing the [NaCl] in blood up to 0.45 and 0.60 M with the modified pre-dilution HDF and the SDial setup, respectively. In conclusion, the two dialysis methods developed to transitory enhance the ionic strength in blood demonstrated adequate biocompatibility and improved the removal of protein bound uremic toxins by decreasing their protein bound fraction. The concepts require follow-on clinical trials to assess their in vivo efficacy and their impact on long-term clinical outcomes.
N2  - Eine große Zahl von Stoffwechselprodukten akkumuliert im Blut urämischer Patienten mit Nierenversagen. Da diese Moleküle schädliche Wirkungen auf die biologischen Funktionen haben, werden sie als Urämietoxine bezeichnet. Man teilt sie in drei Gruppen ein: 1) kleine wasserlösliche Substanzen (MG < 500 Da), 2) kleine, proteingebundene Substanzen (MG < 500 Da), 3) Mittelmoleküle (500 Da < MG < 60 kDa). Proteingebundene Urämietoxine werden wegen ihrer starken Proteinbindung und ihres Verteilungsvolumen durch klassische Hämodialyseverfahrens nur schlecht entfernt. Die prototypischen proteingebundenen Urämietoxine Indoxylsulfat (IS) und p-Cresylsulfat (pCS) sind bei chronischen niereninsuffizienten Patienten mit dem Fortschreiten der Niereninsuffizienz, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und der Mortalität verbunden. Außerdem sind diese beiden Toxine an Albumin, dem wichtigsten Plasmaprotein, durch elektrostatische und/oder Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Dialyseverfahren basierend auf einer reversiblen Modifikation der Ionenstärke im Blut durch Erhöhung der Natriumchlorid (NaCl)-Konzentration zu entwickeln, um die Entfernung von proteingebundenen Molekülen wie IS und pCS zu erhöhen und dadurch eine Verbesserung des klinischen Verlauf der Patienten zu erreichen. Die Erhöhung der NaCl-Konzentration ([NaCl]) sowohl in normalem als auch in urämischem menschlichem Plasma war geeignet, um den proteingebundenen Anteil von IS und pCS durch Schwächung ihrer Bindungsaffinität zu Albumin zu verringern. Die Erhöhung der Ionenstärke während einer modifizierten Prädilutions-Hämodiafiltration (HDF) konnte durch eine Erhöhung der [NaCl] in der Substitutionslösung umgesetzt werden; dabei wurde der NaCl-Überschuss innerhalb des Dialysators vollständig entfernt. Dieses Verfahren war effektiv, um die Entfernungsrate beider proteingebundenen Urämietoxine zu steigern; seine Ex-vivo-Hämokompatibilität war allerdings aufgrund des osmotischen Schocks infolge der hohen [NaCl] im Substituat begrenzt. Deshalb wurde eine Iteration der modifizierten Prädilutions-HDF durch Einbau eines zweiten, seriellen Dialysators vorgenommen, bezeichnet als serielles Dialysator System (SDial). Diese letzte Methode wurde dann bezüglich der Durchführbarkeit, der Hämokompatibilität und Toxinentfernung validiert. Durch das SDial-System konnte, verglichen mit der modifizierten Prädilutions-HDF, eine bessere Hämokompatibilität bei ähnlicher Wirksamkeit erzielt werden. Beide Methoden, modifizierte Prädilutions-HDF und SDial System, wurden abschließend in ein Tierdialysemodell mit Schafen transferiert, wobei eine zufriedenstellende Biokompatibilität demonstriert werden konnte. Beide, zur vorübergehenden Erhöhung der Ionenstärke im Blut entwickelten Dialyseverfahren zeigten bei zufriedenstellender Biokompatibilität eine verbesserte Entfernung proteingebundener Urämietoxine durch Reduktion ihrer proteingebundenen Fraktion. In einem nächsten Schritt sind klinische Studien erforderlich, die diese Konzepte bezüglich ihrer In-vivo-Wirksamkeit und ihrer langfristigen Wirkung auf den Krankheitsverlauf untersuchen.
KW  - Hämodiafiltration
KW  - Ionenstärke
KW  - Proteinbindung
KW  - Urämietoxine
KW  - Hämodialyse
KW  - Biokompatibilität
KW  - Ionic strength
KW  - protein binding
KW  - uremic toxin
KW  - hemodialysis
KW  - biocompatibility
KW  - Urämie
KW  - Toxin
KW  - Ionenstärke
KW  - Blut
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-83583
ER  - 
TY  - THES
A1  - Goldau, Rainer
T1  - Clinical evaluation of novel methods to determine dialysis parameters using conductivity cells
T1  - Klinische Untersuchung neuer Methoden zur Ermittlung von Dialyseparametern mit Hilfe von Leitfähigkeits-Messzellen
N2  - During the last two decades an ongoing discussion about the necessary dose of dialysis brought the result that the urea based Kt/V value is significantly correlated to morbidity of the end stage renal disease (ESRD) patients. Even if it is not completely accepted, it seems to be more and more agreement of the nephrological community that for good dialysis practice Kt/V should be kept above 1.2 to 1.3 in the usual 3X4 hours per week dialysis schedule for patients without own residual clearance to assure long term quality of life, low morbidity and mortality. K is the clearance of urea the dialysis system can apply, t is the treatment time and V is the urea distribution volume of the patient, which is nearly equal to total body water. Kt/V has the unit of a drug dose (ml of drug per ml of patient volume) and therefore sometimes is called dialysis 'dose', even if this is subject of discussion because it implies that the dose can be described with only one urea related number. This work does not participate in this discussion. The premise of this work is more technical: Whatever the final result of the above discussion will be, a patient-friendly, precise cost-neutral and handy technical solution should be given to the hand of the interested nephrologist to continuously supervise the urea based Kt/V that is applied to the patient. Of course this is combined with the hope that the long term mortality can be decreased if a covering online dialysis success control is facilitated. The technical solution that has been chosen is based on the equivalence of the diffusion coefficients of sodium chloride and urea. It is central subject of the investigation if the diffusive behaviour of sodium is equal to that of urea crossing the dialysis filter membrane. The advantage that makes the principle so handy is that sodium can be measured very precise by standard conductivity cells as they are implemented in dialysis machines in large numbers. The only necessary hardware modification is a second conductivity cell downstream the dialyser to be able to measure the mass balance over the filter. This is more complicated with urea that can only be measured undergoing an enzymatic conversion to ammonium ions. The ammonium ions induce a membrane potential, which is measured with very sensitive amplifiers. A cooling chain for the enzyme must be maintained. To find and approve the conductivity based technical solution two in-vivo studies have been conducted. In the first study a conductivity step profile, varying the conductivity in static levels in a baseline - 7 min high - 7min low- baseline shape, was applied that can be utilised to measure the urea clearance very accurate. This principle has been described in 1982 in a patent application. In a sequence of 206 computer recorded dialysis sessions with 22 patients it was found that urea clearance could be electrolytically measured with a mean error+/-standard deviation of -1.46+/-4.75% , n=494. The measurement of Kt/V according to a single pool model was of similar accuracy: 2.88+/-4.15% . Although in accordance with other studies these findings at an average confirmed the high correlation of ionic and urea based clearance measurements, an effect was found that was not consistent with the theory that was existent so far. It was found in the first study that the accuracy of the step profile measurements were dependent of the size of the patient, in particular of the urea distribution volume. Moreover it was of relevance which part of the step profile was used: the high-low states, the baseline- low or the baseline-high states. This was a theoretical lack. Careful analysis led to the result that sodium transfer from and into the patient was the reason for the dependence. This led to the enhancement of the theory that seems to correctly describe the nature of the effect. A new demand now was to minimise the sodium transfer. This was limited using static step profiles because in the time it needs to become stable sodium is shifted. In consequence non-stable, dynamic short conductivity boli were developed that allowed to minimise the amount of sodium to be shifted to the limits of the technical resolution of the measurement systems. Also the associated mathematical tools to evaluate the boli had to be suited to the problem. After termination of this process a second study was conducted to approve the new method found. In this study with 10 patients and 93 sessions, 264 step profile measurements and 173 bolus ionic dialysance measurements it was found that the bolus measurements matched their related blood side urea clearance references with the outstanding accuracy of (error+/-SD) 0.06+/-4.76%. The result was not significantly different (p=0.87) from the reference by student's t-test for paired data. The Kt/V reference according to the single pool variable volume urea kinetic model (sPVVUKM) was found to be matched by the bolus principle with 5.32+/-3.9% accuracy and a correlation of 0.98. The remaining difference of 5.32% can be attributed to the neglect of the urea generation rate. Also the step profile was found to be very precise here. The error versus sPVVUKM was 0.05%+/-5%, r=0.96. However it did not image the neglect of urea generation correctly. Also a two pool modelling that comprises an internal compartimentation of the fluid pools of the patient was applied to the continuously recorded data. This two pool urea kinetic model (2PUKM) is regarded to be a more precise theoretical approach and now includes the urea generation. It found the bolus principle to deviate -3.04 +/- 14.3%, n.s., p=0.13. The high standard deviation is due to the complexity of the model. Further from the developed theory a simplified method to roughly measure the sodium distribution volume could be derived. This method was tested in-vitro versus a container with dialysate of known volume and in-vivo versus the urea distribution volume. The in-vitro results were -19.9+/-34%, r=0.92, n.s, p=0.916. In-vivo they were found to be -7.4+/-23.2%, r=0.71, n.s., p=0.39. Due to dilution theory the sodium and urea distribution volumes virtually appear to be very similar using this method, although they absolutely differ significantly. Facing the strong simplifications that were made before applying this theory these results seem to be very encouraging that it could be possible to develop a principle to measure not only K but also V electrolytically. This would allow a true Kt/V measurement. The empirical urea distribution volume measurement using anthropometrical formulas has been compared to analytical methods. It has been found that the use Watson's formula with a -13% correction gives good results. The correction should be applied with great care because it increases Kt/V just on a arithmetical base to the disadvantage of the patient. Also electrolytical plasma sodium measurement was evaluated and can be measured using a mixed analytic-empirical formula with an accuracy of 4.3+/-1.2%. In summary, conductivity based methods seem to be a convenient method to measure several dialysis parameters of some clinical interest without effort. The results of this work meanwhile are implemented with substantial numbers into commonly available dialysis machines and the experience of the first time shows that the principle is well accepted by the clinicians.
N2  - Eine die letzten beiden Jahrzehnte anhaltende Diskussion über die erforderliche Dosis Dialyse, die ein Patient benötigt, ergab, daß der Harnstoff-basierte Kt/V-Wert signifikant mit der Morbidität von ‚end stage renal deasease' (ESRD)- Patienten korreliert. Wenn auch nicht vollständig akzeptiert, so scheint es doch zunehmende Übereinkunft zwischen Nephrologen, daß eine angemessene Dialysebehandlung von Patienten ohne Restdiurese im Rahmen eines 3x4 Stunden pro Woche- Schemas mindestens einen Kt/V-Wert von 1.2 bis 1.3 ergeben sollte, um auf lange Sicht die Lebensqualität zu sichern und die Morbidität und Mortalität niedrig zu halten. K ist die vom Dialysesystem erbrachte Clearance, t die Behandlungszeit und V das Harnstoff-Verteilungsvolumen, welches dem Gesamt-Körperwasser nahezu gleicht. Kt/V wird in der Dosiseinheit (ml Medikament pro ml Körperwasser) ausgedrückt und daher auch häufig als Dialyse-‚Dosis' bezeichnet, auch wenn darüber wegen der Zusammenfassung in nur einer Harnstoff-korrelierten Zahl konträr diskutiert wird. Diese Arbeit besitzt eine eher technische Prämisse und möchte sich nicht an dieser Diskussion beteiligen. Sie möchte dem interessierten Nephrologen lediglich eine patientenfreundliche, präzise, kostenneutrale und leicht zu handhabende technische Lösung an die Hand geben, um kontinuierlich die in Kt/V ausgedrückte Dialysedosis zu überwachen. Natürlich ist damit auch die Hoffnung verbunden, daß die Langzeit-Sterblichkeit verringert werden kann, wenn eine flächendeckende, zeitnahe Erfolgskontrolle der Dialyse ermöglicht wird. Die gewählte technische Lösung basiert auf der Äquivalenz der Diffusionskoeffizienten von gelöstem Harnstoff und Natriumchlorid. Es ist das zentrale Anliegen dieser Studie, festzustellen, ob das Diffusionsverhalten von NaCl und Harnstoff beim Durchtritt durch die Membran des Dialysefilters gleich ist. Der entscheidende Vorteil, der das Verfahren so leicht handhabbar macht, besteht darin, daß NaCl-Konzentrationen sehr genau durch die ohnehin in großer Zahl in Dialysegeräten verwendeten Leitfähigkeitsmeßzellen bestimmt werden können. Um die NaCl-Massenbilanz über den Dialysefilter zu bestimmen, benötigt man lediglich eine weitere Meßzelle, die stromab des Filters zu installieren ist. Die Messung von Harnstoff, die indirekt über die enzymatische Zerlegung in Ammonium-Ionen und das anschließende Erzeugen eines hoch zu verstärkenden elektrischen Potentials an einer Membran geschieht, ist komplizierter. Zudem ist eine geschlossene Kühlkette für das Enzym sicher zu stellen. Um eine leitfähigkeitsbasierte technische Lösung abzusichern, wurden zwei klinische Studien durchgeführt. In der ersten Studie wurde die Leitfähigkeit in Form von konstanten Stufenprofilen variiert. Sie wurde ausgehend von der Grundlinie für 7 min erhöht und anschließend für 7 min erniedrigt. Das Prinzip einer solchen Messung wurde erstmals 1982 in einer Patentschrift beschrieben. In einer Sequenz von 494 solchen Messungen in 206 automatisch aufgezeichneten Dialysesitzungen an 22 Patienten wurde gefunden, daß sich die Harnstoff- Clearance elektrolytisch mit einer Genauigkeit von -1.46+/-4.75% (Fehler+/-Standardabweichung) messen ließ. Die Messung von Kt/V gemäß dem Ein-Kompartment-Modell ergab eine ähnliche Genauigkeit von 2.88+/-4.15%. Obgleich diese Ergebnisse in Übereinstimmung mit anderen Studien stehen, wurde ein Effekt bemerkt, der nicht in Einklang mit der zunächst bestehenden Theorie zu bringen war. Dieser Effekt besteht darin, daß die Genauigkeit der elektrolytischen Clearancemessung vom beim Patienten vorhandenen Harnstoff-Verteilungsvolumen abhängig war. Weiter war es nicht bedeutungslos, welchen Teil des dreiteiligen Stufenprofils man zur Auswertung heranzog: Den Grundlinie-Hoch- Übergang, den von der Grundlinie zum Niedrig-Nieveau oder den Hoch-Niedrig- Übergang. Dies deutete auf einen Mangel an theoretischem Verständnis hin. Eine genaue weitere Untersuchung führte zu dem Ergebnis, daß unerwünschter NaCl-Transfer vom und zum Patienten die Ursache für die Abhängigkeit vom Verteilungsvolumen war. Es wurde daraufhin die Theorie dahingehend erweitert, daß dieser Effekt korrekt und plausibel beschrieben werden konnte. Aus dieser Erweiterung ergab sich die neue Forderung, den NaCl-Transfer bei der Messung weitestgehend zu minimieren. Die Benutzung von Stufenprofilen stellte hier jedoch an sich eine Limitierung dar, da in der zum Einnehmen eines stabilen Zustandes erforderlichen Zeit zuviel NaCl über die Membran transferiert wurde. Die Konsequenz war, von den Stufenprofilen auf kurze, dynamische Leitfähigkeitsboli überzugehen, die erlaubten, die NaCl-Gabe auf das Maß zu verringern, welches aufgrund der technischen Auflösung erforderlich war. Hierzu mußten jedoch die notwendigen mathematischen Algorithmen neu zugeschnitten werden. Nach diesem Schritt wurde eine weitere klinische Studie gestartet, die den Zweck verfolgte, das neue Verfahren am Patienten zu verifizieren. In dieser Studie mit 10 Patienten und 93 Dialysesitzungen, 264 Stufenprofil- und 173 Bolus-Dialysancemesssungen wurde gefunden, daß die Bolus-Messungen ihre zugehörigen blutseitigen Referenzmessungen mit außergewöhnlicher Genauigkeit von 0.06+/-4.76% trafen. Student's t-Test für gepaarte Daten ergab, daß sich die Datensätze nicht signifikant unterschieden (p=0.87). Die blutseitige Kt/V-Referenz auf der Basis des equilibrierten Einkompartment-Modells mit variablem Volumen wurde mit 5.32+/-3.9% getroffen, wobei eine Korrelation von 0.98 erzielt wurde. Die verbleibende Differenz von 5.32% wird der Vernachlässigung der Harnstoff-Erzeugung während der Messung zugeschrieben. Auch das Stufenprofil zeigte trotz seiner Abhängigkeit vom Verteilungsvolumen gegenüber dem gleichen Modell einen mittleren Fehler von 0.05+/-5% bei einer Korrelation von 0.96. Jedoch konnte es die Vernachlässigung der Harnstoff-Erzeugung nicht korrekt abbilden. Die kontinuierlich aufgenommenen Daten wurden auch nach dem 2-pool Modell untersucht, welches auch die Harnstoff-Erzeugung enthält sowie eine innere Kompartimentierung des Patienten annimmt und damit die tatsächlichen Verhältnisse besser beschreibt. Danach weicht das Bolus-Meßprinzip -3.04+/-14.3% von der Referenz ab (n.s.,p=0.13). Die relativ hohe Standardabweichung wird mit der Komplexität des Modells erklärt. Weiter ist aus der Theorie zum Na-Transfer eine vereinfachende Methode zur Messung des Na-Verteilungsvolumens abgeleitet worden. Diese Methode wurde in-vitro gegen ein Behältnis mit einer bekannten Menge an Dialysat geprüft. Es wurde ein mittlerer Fehler von -19.9+/-34% gefunden. Die Korrelation war 0.92 (n.s., p=0.916). Die gleiche Prüfung fand in-vivo gegen das Harnstoff-Verteilungsvolumen statt und ergab einen mittleren Fehler von -7.4+/-23.2% (r=0.71, n.s., p=0.39). Es hat den Anschein, als würden sich gemäß der Theorie der Dilution die Verteilungsvolumina für Natrium und für Harnstoff scheinbar nur wenig unterscheiden, obwohl sie sich absolut natürlich deutlich unterscheiden. In Anbetracht der erheblichen Vereinfachungen, die bei der Ableitung dieses Ansatzes gemacht wurden, scheint es ausgesprochen ermutigend, auf diesem Weg möglicherweise ein Verfahren entwickeln zu können, welches auf rein elektrolytischem Wege nun nicht mehr nur K, sondern auch V und damit alle zur Quantifizierung gesuchten Größen analytisch ermitteln kann. Weiter wurde im Rahmen dieser Arbeit anhand der analytisch ermittelten Volumina verglichen, ob man mit Hilfe anthropometrischer Formeln zur Ermittlung des Harnstoff-Verteilungsvolumens zu einer guten Abschätzung kommen kann. Es wurde gefunden, daß man das Ergebnis der Watson-Formel um ca. 13% vermindern kann und dann zu einem recht guten Wert für das tatsächliche Harnstoff-Verteilungsvolumen gelangt. Dies ist jedoch mit Vorsicht und Erfahrung zu tun, da sich damit Kt/V rechnerisch zum Nachteil des Patienten verändert. Auch ein elektrolytisches Verfahren mit empirischen Komponenten zur Ermittlung des Plasma-Natriums des Patienten wurde erprobt und konnte mit einer Genauigkeit von 4.3+/-1.2% den Laborwert vorhersagen. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß sich im Rahmen dieser Arbeit die leitfähigkeitsbasierten Methoden zur Messung von einigen wichtigen Dialyseparametern als sehr nützlich für die klinische Praxis erwiesen haben und zudem mit keinem Zusatzaufwand für die Beteiligten verbunden sind. Das Ergebnis dieser Arbeit ist mittlerweile in größeren Stückzahlen in frei erhältliche Dialysegeräte implementiert worden. Die Erfahrung der ersten Zeit zeigt, daß das verwendete Prinzip von den Klinikern gut angenommen wird.
KW  - Hämodialyse
KW  - Erfolgskontrolle
KW  - Natriumchlorid
KW  - Membran
KW  - Diffusion
KW  - Harnstoff
KW  - Messung
KW  - Bolus
KW  - Clearance
KW  - Leitfähigkeit
KW  - Kt/V
KW  - Harnstoffverteilungsvolumen
KW  - Harnstoff-Natrium- Clearance Verhältnis
KW  - Bolus
KW  - Clearance
KW  - Conductivity
KW  - Kt/V
KW  - Urea distribution volume
KW  - urea- sodium- clearance relation
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3125
ER  -