Nanotechnologie und Dialyse

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1 Nanotechnologie und Dialyse Jörg Vienken BioSciences Department Fresenius Medical Care Bad Homburg Nanotechnologie und Dialyse Hemodialyse: Prinzip und Anwendung Membranen und Poren Membranen und Oberflächen: Biokompatibilität Schlußfolgerungen 1

2 Lebenserwartung bei der Geburt Westl. Industrienationen (Jahre) Einfluß der High-Tech Medizin Man lebt heute eben etwas länger! Lebenserwartung bei der Geburt, Deutschland 2005 Südd. Zeitung, Zum Vergleich: Lebenserwartung im Alten Rom: ~ 30 Jahre 75,9 81, Hemodialyse Patienten Weltweite Entwicklung Patientenzahl x 1, Hemodialysepatienten Steigerungsrate: 6% / Jahr Jahr 2004:

3 Nanotechnologie und Dialyse Hemodialyse: Prinzip und Anwendung Membranen und Poren Membranen und Oberflächen: Biokompatibilität Schlußfolgerungen Das Nephron Funktionseinheit der Niere Glomerulus (1 Mio / Niere): Filtration 150 L / Tag Tubulus: Rückresorption 99 % des Wassers, 90% der Proteine, etc 3

4 Glomerulus- Membran in der Niere: Filter für H 2 O und uremische Toxine Innenseite der Membran - Blutseite - Kapillarwand -Filter- Außenseite der Membran - Urinseite µm 4 nm 150 L Wasser täglich 1932 Hemodialyse für r 1,3 Millionen Patienten Prinzipskizze Blut >200ml/min Kapillarmembran Dialysator Dialysat + Ultrafiltrat >0,5l/min Dialysat Blut 0,5l/min Dialysat Abfluß 4

5 Kapillarmembran-Dialysator "künstliche Niere" Polyurethan ca Kapillarmembranen 0,5 l/min 0,2 l/min Dialysat aus + Filtrat Blut Dialysat in 0315 Kapillar-Membran Fresenius Polysulfon 200 µm

6 Ein Meisterwerk der Präzision: Spinndüse für Kapillar- Membranen für die Hemodialyse 10 mm Jahr 2004 Jährliche Produktion von Kapillarmembranen weltweit: ca Km 3x Entfernung zwischen Erde und Sonne, oder x Erdumfang

7 Nanotechnologie und Dialyse Hemodialyse: Prinzip und Anwendung Membranen und Poren Membranen und Oberflächen: Biokompatibilität Schlußfolgerungen Porengröß ößen von Dialysemembranen 1,3 nm low flux 3,1 nm high flux 3,3 nm Helixone Cellulosische Membranen Synthetische Membranen

8 Dialysemembranen, Permeabilität t und Überleben UF-Koeffizient: HighFlux: >20 ml/h mmhg Patienten: years Dialysedauer: Monate Follow up 2 Jahre Kumulatives Überleben LowFlux Dialysatoren HighFlux Dialysatoren P Chauveau et al, Am J Kidney Dis, 45: (2005) Neuentwicklung bei FMC: Helixone - Membran: Nano-controlled spinning Technologie Mittlerer Porendurchmesser: High-flux Polysulfon: Helixone: 3.1 nm 3.3 nm (klassische Dialysemembran) Größere mittlere Porengröße Erhöhung um 0.2 nm - ohne Erhöhung der Anzahl der für Albumin permeablen Poren. Höhere Anzahl größerer Poren: Verbesserung der ß 2 -m Elimination Engere Verteilung der Porendurchmesser 8

9 Größere Porendichte = höhere Effizienz (dadurch geringere Fläche möglich) F60S Clearance (ml/min) Vitamin B12 FX Phosphate 170 Creatinine 172 Urea Phosphate 165 Creatinine Clearance (ml/min) Vitamin B Klassisch: Polysulfone Polysulfone 1.3 m2 170 Urea neu: Helixone 1.0 m2 Membranen aus Polysulfon : Multifunktionale Oberflächen und Poren Fresenius PSu Innere Oberflä Oberfläche Äußere Oberflä Oberfläche 9

10 Nanotechnologie und Dialyse Hemodialyse: Prinzip und Anwendung Membranen und Poren Membranen und Oberflächen: Biokompatibilität Schlußfolgerungen Polymeroberflächen und Biokompatibilität Zelle Adsorbierte Proteinschicht -OH HO- -OH -CH 2 - -CH 2 - -CH 2 - -CH 2 - Hydrophobe/ hydrophile Balance Kristallinität Domänen, Phasentrennung "Rauhigkeit", Oberflächentopographie Adsorbiertes Wasser und Ionen Zusammensetzung Morphologie Grenzflächenaspekte Topographie Adsorption

11 Proteine mit amphiphilen Oberflächenstrukturen ß 2 - Microglobulin Dimension : 4,5 x 2,5 x 2,0 nm Mol.- Gew : nm 10-9 Meter Ziel der Membranentwicklung: Geringe Wechselwirkung von Blutproteinen mit Oberflächen Abstimmung von - Rauhigkeit - hydrophilen / hydrophoben Zonen - Ladungsverteilung Biokompatibilität: Oberflächenrauhigkeit Atomic Force Mikroskopie Helixone Fresenius Polysulfone Klassische Dialysemembrane 11

12 Biokompatibilität t der Materialoberfläche bestimmt durch chemische Struktur. Blutproteine Faktor XII, Kinine Albumin, Fibrinogen > 2-10 nm Heparin Synthetische Polymere H H H Heparin O O O DEAE DEAE O O OH OH OH Biomaterial 0011 Hydrophile Biomaterialien Hydrophobe Biomaterialien Optimierte Hemokompatibilität Modifikation mit hydrophoben Substitutenten Modifikation mit hydrophilen Komponenten

13 Domainen- Strukturen moderner Dialysemembranen Polyamid Polyethersulfon (DIAPES ) G. Mishkin Sem Dial, 14: (2001) Cellulose-Äther Hemophan LSM Reduzierte C5a-Generation durch Cellulose Ester Flachmembranen, in vitro Aktivierung C5 % unmod. cellulose n = 9 Stearat Butyrat Propionat Acetat Acetat: Propionat: Butyrat: Stearat: O O C CH 3 O O O C (CH ) 2 O C (CH ) 2 O O C (CH ) 2 CH 1 3 CH CH Substitutionsgrad DS Diamantoglou & Vienken Int J Artif Organs, 17: (1994)

14 Blutdruckregulation nach Aktivierung der Kontaktphase negativ geladene Oberflächen Prekallikrein Faktor XIIa HMW Kininogen Kallikrein ACE-Hemmer Bradykinin XStop Phospholipide Prostaglandine (PgE 2, Pgl 2 ) ACE (Angiotensin converting enzyme, ACE aus Lunge und Gewebe) Blutdruck- Regulation Bradykinin Generation im Plasma Durch Negativ-geladene geladene Oberflächen Bradykinin fmol/ml min nach Beginn der Dialyse Mean + SEM n = arteriell venös Ohne Ladung +Ladung - Ladung Ohne Ladung Normalwert Cuprophan GFE 18 Hemophan GFS Plus 16 AN69 Biospal 3000S Polysulfon F60 Verresen et al, Kidney Int; 45: (1994)

15 Bradykinin Generation und Membranmaterialien Bradykinin fmol/ml 1,200 1, PAN-3 PAN-2 PAN-1 Cellulose n=9 in vitro, Plasma 0.1 µg/ml Captopril 0.38 % Citrat Kapillarmembranen Inkubationszeit min H Lemke & E Fink, EDTA Zeta-Potential von PSu-Membranen Isoelektrische Punkte ζ mv ,0 3,5 4,0 4,5 5,0 ph n KCl APS 150 (Asahi) CF 609 (Nipro) BS (Toray) F 60S (Fresenius Medical Care) Membran Isoelektr.Punkt (ph Wert) %-Anteil saurer Oberflächenstellen F 60 (FMC) CF 609 (Nipro) BS 1.6 (Torray) APS 150 (Asahi) C Werner et al Nephrol Dial Transpl; 13:A220 (1998)

16 Nanotechnologie und Dialyse Hemodialyse: Prinzip und Anwendung Membranen und Poren Membranen und Oberflächen: Biokompatibilität Schlußfolgerungen Entwicklungsschritte von Dialysatoren: Small is beautiful! T. Graham, Glasgow, 1861 H. Necheles, Beijing, 1927 W. Kolff, NL, 1945 F. Kiil, S, 1960 J. Abel, USA, 1914 R. Stewart, USA, 1968 G. Haas, Giessen, 1923 FMC, D,

17 Zusammenfassung Vorgabe der Nanodimension durch Feinstruktur der Niere Neue Membranen mit verbesserter Leistung durch Kontrolle der Membraneigenschaften im Nanomaßstab enge Verteilung der Porengröße angepaßter Radius bei hoher Porendichte Oberflächen mit Domänenstruktur für optimierte Biokompatibilität Proteinfunktionen biologischer Membranen Defizite moderner Dialysemembranen Sieb Tor Pumpe Carrier Rezeptor Ca 2+ Glukose Na+ Na + Na + K + K + K + K + K + K + Na + Na + + Glukose Im Vergleich: Dicke biologischer Membranen: Dicke von Dialysemembranen: 10 nm nm J Vienken & S Bowry Artif Organs, 26: (2002)