DE19543371C2

DE19543371C2 - Vorrichtung zur endotoxinfreien Blutreinigung durch Dialyse

Info

Publication number: DE19543371C2
Application number: DE19543371A
Authority: DE
Inventors: Peter Konstantin; Hans-Heinrich Hoerl; Dietmar Nusbaumer; Wolfgang Demmer
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2015-11-22
Also published as: DE19543371A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur endotoxinfreien Blutreinigung durch Dialyse.

Die Vorrichtung kann zur endotoxinfreien Blutreinigung durch Dialyse bei der Behandlung nierenkranker Patienten eingesetzt werden. Sie verhindert das Einschleppen von Endotoxinen in den Blutkreislauf des Patienten und zeichnet sich durch vereinfachten Aufbau und eine hohe Leistung aus.

Vorrichtungen zur Blutreinigung durch Dialyse sind bekannt. Bei derartigen Vorrichtungen wird in einem Blutfilter eine Dialysierflüssigkeit an der einen Seite einer Membran und Blut an der anderen Seite dieser Membran entlanggeführt. Die Membran sperrt aufgrund ihrer Porengröße den Blutkreislauf steril gegen die Umgebung ab und verhindert so das Eindringen von Bakterien in den Blutkreislauf. Allerdings kann die Membran Endotoxine, die aus Bruchstücken von Bakterien entstehen, nicht zurückhalten. Dringen Endotoxine in den Blutkreislauf ein, so verursachen sie Fieberreaktionen beim Patienten. Sie können im Blut außerdem zur Freisetzung von Interleukin-1 und des Tumor-Nekrose-Faktors, beides körpereigene Gifte, führen. Zur Beseitigung des Auftretens bakterieller Verunreinigungen im Dialysierflüssigkeitssystem hat man Sterilfilter beziehungsweise auch für Endotoxine undurchlässige Ultrafilter in einen geschlossenen Dialysierflüssigkeitskreislauf geschaltet (EP 0 189 561 A1). Aus der DE 41 18 625 C1 ist eine Vorrichtung bekannt, durch welche eine Kontamination eines Dialysierflüssigkeitssystems im Bereich des Blutfilters mit Bakterien und gegebenenfalls mit Endotoxinen vermieden werden soll. Dazu werden zwei Filter in den Dialysierflüssigkeitsstrom geschaltet, einen ersten Filter vor Eintritt der Dialysierflüssigkeit in den Blutfilter mit einer Porengröße < 0,22 µm zur Abtrennung von Bakterien und einen zweiten Filter im Ultrafiltrationsbereich nach Austritt der Dialysierflüssigkeit aus dem Blutfilter zur Abtrennung von Endotoxinen.

R. Bambauer, J. Walther und W. K. Jung ("Ultrafiltration of Dialysis Fluid to Obtain a Steril Solution during Hemodialysis", Blood Purif. 1990, Seite 309 bis 317) verwenden nur ein Filter aus Polyamidhohlfasermembranen im Ultrafiltrationsbereich, mit dem sowohl Bakterien als auch Endotoxine vor Eintritt der Dialysierflüssigkeit in den Blutfilter zurückgehalten werden.

Nachteilig ist bei den vorstehend genannten Lösungen, daß aufgrund der geringen Durchlässigkeit der Ultrafilter die Dialysierflüssigkeit mit einer Druckdifferenz von bis zu 10 bar durch den Ultrafilter gepumpt oder eine vergrößerte Filterfläche verwendet werden muß. Neben den dadurch verursachten höheren Betriebskosten und Energieeinträgen kann es zu Passagen an Endotoxinen durch den Filter aufgrund von Porenerweiterungen oder Leckagen kommen.

Nach der WO 93/08894 ist es auch bekannt, daß man bis zu ungefähr 98% an Endotoxinen aus wässrigen Pufferlösungen und wässrigen biologisch/pharmazeutischen Lösungen mittels Filtration durch mehrere Lagen Membranadsorber mit einer Porengröße von 0,2, 0,1 und 0,04 µm entfernen kann. Bei den Membranadsorbern handelt es sich um Membranen, die mit Diethylaminoethyl-Cellulose (DEAE), quarternären Aminoethyl-Salzen (QAE) oder quarternären Aminomethyl-Salzen (QAM) beschichtet sind oder um Membranen, wo diese Stoffe direkt an den Membranen gebunden sind.

Würde man derartige Lagen Membranadsorber zur Endotoxinabtrennung aus der Dialysierflüssigkeit verwenden, käme es auch hier aufgrund der bis auf 0,04 µm abnehmenden Porengröße zu einer starken Durchflußminderung. Zum Ausgleich müßte man auch hier die Druckdifferenz stark erhöhen oder sehr große Filterflächen wählen, was zu den gleichen Nachteilen, wie oben erwähnt, führt.

Gemäß JP 07 116 484 A wird eine poröse Mikrofiltrationsmembran mit einem kationischen Harz, wie Polyamid-Epichlorhydrin behandelt, um der Membran ein positives Zeta-Potential an ihrer Oberfläche zu verleihen, welche eine endotoxin adsorptive Kraft aufweisen soll. Die elektrokinetische Adsorptionskapazität dieser Membranen ist gegenüber Endotoxinen gering, weshalb solche Membranen mit einem positiven Zeta-Potential nicht für die Entfernung von Endotoxinen aus Dialysierflüssigkeiten eingesetzt werden können. Ihre geringe elektrokinetische Adsorptionskraft würde bei derartig sensiblen Anwendungen ein zu großes Risiko für die Passage von Endotoxinen durch die Membran in sich bergen, und damit Patienten unmittelbar gefährden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bekannte Vorrichtungen zur Blutreinigung durch Dialyse so zu verbessern, daß Endotoxine aus der Dialysierflüssigkeit mit geringem Aufwand und bei Anwendung üblicher Druckdifferenzen sicher entfernt werden können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Dialysierflüssigkeit durch eine Filtrationseinheit filtriert wird, die Endotoxine zurückhaltende Anionenaustauschermembranen als Membranadsorber enthält mit Porengrößen ≧ 0,22 µm. Mit derartigen Membranadsorbern bestückte Filtrationseinheiten können mit für die Mikrofiltration üblichen Druckdifferenzen von < 2 bar betrieben werden und erfordern keine gesonderten Maßnahmen zur Umrüstung üblicher Geräte zur Hämodialyse.

Als Membranadsorber, die eine ausreichende Adsorptionkapazität für Endotoxine aufweisen, werden Anionenaustauschermembranen verwendet, vorzugsweise stark basische und schwach basische Anionenaustauschermembranen mit Porengrößen im Bereich von 0,22 µm bis 5 µm und einer Adsorptionskapazität für Endotoxine von mindestens 4 µg/cm², vorzugsweise von mindestens 10 µg/cm². Filtrationseinheiten, die Anionenaustauschermembranen mit einer derartig hohen Adsorptionskapazität aufweisen, können für in der Praxis eingesetzte Blutdialysatoren flächenmäßig relativ klein ausgeführt werden und verursachen deshalb nur einen geringen zusätzlichen Aufwand. Es hat sich beispielsweise als ausreichend erwiesen, Filtrationseinheiten mit einer Membranfläche von ungefähr 25 bis ungefähr 100 cm² zu verwenden. Aus Sicherheitsgründen sollten dabei 2 bis 10, vorzugsweise 3 bis 5 Lagen hintereinanderliegender, an ihren Rändern fluiddicht verbundener flächiger Membranadsorber verwendet werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, Anionenaustauschermembranen einzusetzen, die für isotone Kochsalzlösungen (0,16 Mol/l NaCl) einen hohen Durchfluß aufweisen. Als besonders geeignet haben sich Anionenaustauschermembranen der Sartorius AG Sartobind 100 Q (stark basisch) und Sartobind 100 D (schwach basisch) erwiesen, die bei einer Porengröße ≧ 0,22 µm eine Flußrate von < 12000 l/h × m² × h für 0,9% NaCl in Wasser aufweisen. Sie gewährleisten bei Druckdifferenzen von < 2 bar und Filterflächen von etwa 25 bis etwa 100 cm² eine für die Blutdialyse ausreichende Flußrate an Dialysierflüssigkeit.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindungen wird zur Erreichung einer großen Sicherheit in der Abtrennung von Endotoxinen aus der Dialysierflüssigkeit eine Dead- End-Filtrationseinheit verwendet, die einen Stapel flächiger Membranadsorber enthält. Sollte eine Membran eine Leckage in Form einer mechanische Beschädigung aufweisen, so werden die Endotoxine von der nachfolgenden intakten Membran adsorbiert.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die verwendeten stark basischen und schwach basischen Anionenaustau schermembranen vor Erschöpfung ihrer Adsorptionskapazität separat regeneriert und sterilisiert werden kön nen. Es wurde gefunden, daß die Anionenaustauschermembranen der Sartorius AG Sartobind Q (stark basisch) und Sartobind D (schwach basisch) diese Anforderungen erfüllen. Die Regenerierung kann mit konzentrierten Salzlösungen oder Laugen vorgenommen werden.

Die Erfindung wird anhand der Figur und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt die Figur schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

In der Figur ist eine Vorrichtung zur endotoxinfreien Blutreinigung durch Dialyse mit einem Blutfilter 1 dargestellt, der durch mindestens eine Dialysemembran 2 in eine Blutkammer 3 und eine Dialysierflüssigkeits kammer 4 geteilt ist. Durch die Blutkammer 3 ist ein durch Pfeile angedeuteter Blutkreislauf gelegt. Eine Dialysierflüssigkeitsquelle 5 ist über eine Dead-End-Filtrationseinheit 6 mit der Dialysierflüssigkeitskammer 4 des Blutfilters 1 verbunden. Eine Dialysierflüssigkeitsableitung 7 führt aus der Dialysierflüssigkeitskammer 4 heraus. Die Dead-End-Filtrationseinheit 6 enthält Endotoxine zurückhaltende Filtermembranen 8 mit Porengrö ßen ≧ 0,22 µm.

Zur Blutreinigung wird die Dialysierflüssigkeit aus der Dialysierflüssigkeitsquelle 5 mit einer Druckdifferenz < 2 bar durch die Endotoxine zurückhaltenden Filtermembranen 8 der Dead-End-Filtrationseinheit 6 in die Dialysierflüssigkeitskammer 4 gepumpt und verläßt nach Überströmen der Dialysemembran 2 den Blutfilter 1 über die Dialysierflüssigkeitsableitung 7. Die die Dead-End-Filtrationseinheit 6 verlassende Dialysierflüssigkeit ist frei von Endotoxinen.

Beispiele 1 bis 4

An folgenden Beispielen soll die Adsorptionskapazität von Endotoxinen aus wäßrigen Lösungen gezeigt werden.

In den Beispielen wird Endotoxin der Firma Pyroquant eingesetzt und die quantitative Bestimmung erfolgt mit dem Limulus Amoebo-Lysat Test (LAL-Test) der Firma Pyrogent mit einer Empfindlichkeit von 6 pg/ml.

Als Membranen werden stark basische Anionaustauschermembranen Sartobind Q mit einer Flußleistung von 140 ml/min.cm².bar und schwach basische Anionenaustauschermembranen Sartobind D mit einer Flußleistung von 104 ml/min.cm².bar der Sartorius AG verwendet.

5 cm² der Anionenaustauschermembran wurden in api (Aqua pro injectione) eine Stunde lang heftig geschüt telt, mit 20 ml api gespült und der LAL-Test durchgeführt. Das Spülwasser wurde untersucht. Das Ergebnis zeigte keine Anwesenheit von Endotoxinen bis zu einer Empfindlichkeit von 6 pg/ml. Die Membranen wurden nun in einen endotoxinfreien Edelstahlvorsatz eingelegt, und anschließend wurden 50 ml einer Lösung von 1 µg/ml Endotoxin in api oder endotoxinfreier isotoner Kochsalzlösung (0,16 Mol/l) mit einer frischen endotox infreien Plastik-Spritze durch die Membran hindurchfiltriert. Die Filtrate wurden reihenweise im Verhältnis 1 : 10 verdünnt und mit dem LAL-Test auf Anwesenheit von Endotoxin geprüft. Beispiele 1 bis 4.

Die folgende Tabelle 1 gibt die Adsorptionskapazität wieder:

Beispiele 5 und 6 Regenerierbarkeit mit Lauge

Durch jede Membran der Beispiele 1 und 3 wurden 10 ml 1 N NaOH filtriert und die Membranen für 30 min in Kontakt mit dieser Lauge belassen. Danach wurden 3 × 10 ml api und 10 ml endotoxinfreie isotone Kochsalzlö sung (0,16 Mol/l) mit einer frischen endotoxinfreien Plastik-Spritze durch die Membranen hindurchfiltriert und der LAL-Test durchgeführt. Das Spülwasser wurde untersucht. Das Ergebnis zeigte keine Anwesenheit von Endotoxinen. Anschließend wurden 50 ml einer Lösung von 1 µg/ml Endotoxin in api oder endotoxinfreier isotoner Kochsalzlösung (0,16 Mol/l) mit einer frischen endotoxinfreien Plastik-Spritze durch die Membran hindurchfiltriert. Die Filtrate wurden reihenweise im Verhältnis 1 : 10 verdünnt und mit dem LAL-Test auf Anwesenheit von Endotoxin geprüft.

Die folgende Tabelle 2 gibt die Adsorptionskapazität wieder:

Das Erreichen der gleichen Bindekapazität für das verwendete Endotoxin zeigt, daß sich die Membranen mit 1 normaler NaOH regenerieren lassen.

In den folgenden Beispielen wird Endotoxin der Firma Pyroquant eingesetzt und die quantitative Bestimmung erfolgt mit dem Limulus Amoebo-Lysat Test (LAL-Test) von Bio Whittaker mit einer Empfindlichkeit von 6 pg/ml.

Beispiel 7

Reduktion des Endotoxingehaltes in Lösungen durch Filtration über Sartobind Q. Mehrere Lagen 5 cm² große Anionenaustauschermembranen (Sartobind Q in Beispiel 5; Sartobind D in Beispiel 6) wurden in api (Aqua pro injectione) eine Stunde lang heftig geschüttelt, jede Lage mit 20 ml api gespült und der LAL-Test durchgeführt. Das Spülwasser wurde untersucht. Das Ergebnis zeigte keine Anwesenheit von Endotoxinen. Nun wurden 1 Lage Membran in einen endotoxinfreien Edelstahlvorsatz an den Rändern fluiddicht eingespannt, und anschlie ßend wurden eine Lösung von 1 µg/ml Endotoxin in endotoxinfreier isotoner Kochsalzlösung (0,16 Mol/l) mit einer frischen endotoxinfreien Plastik-Spritze in 5 ml Portionen durch die Membran hindurchfiltriert und als 5 ml Fraktionen A-D aufgefangen. Die Filtrate wurden reihenweise im Verhältnis 1 : 10 verdünnt und auf Anwesen heit von Endotoxin geprüft. Das Ergebnis ist in folgender Tabelle 3 aufgeführt:

Tabelle 3

Reduktion des Endotoxingehaltes durch Filtration über Sartobind Q

Es erfolgte eine Reduktion des Endotoxingehaltes in den Frationen A und B um mindestens 3 Zehnerpoten zen.

Alle Versuche wurden mindestens zweimal durchgeführt.

Beispiel 8 Elution von Endotoxinen von Sartobind Q durch konzentrierte Salzlösungen

Mehrere Lagen 5 cm² große Anionenaustauschermembranen (Sartobind Q in Beispiel 5; Sartobind D in Beispiel 6) wurden in api (Aqua pro injectione) eine Stunde lang heftig geschüttelt, jede Lage mit 20 ml api gespült und der LAL-Test durchgeführt. Das Spülwasser wurde untersucht. Das Ergebnis zeigte keine Anwesen heit von Endotoxinen. Nun wurden 1 Lage Membran in einen endotoxinfreien Edelstahlvorsatz an den Rändern fluiddicht eingespannt, und anschließend wurden 50 ml einer Lösung von 1 µg/ml Endotoxin, entsprechend einer Gesamtmenge von 50 µg Endotoxin, in endotoxinfreier isotoner Kochsalzlösung (0,16 Mol/l) mit einer frischen endotoxinfreien Plastik-Spritze durch die Membran hindurchfiltriert. Danach wurde die Membrane mit 20 ml endotoxinfreier isotoner Kochsalzlösung (0,16 Mol/l) gespült. Danach wurde mit 20 ml einer endotoxinfreien Lösung von 1 M KCl in 0,01 M Kalium-Phosphat-Puffer pH 7,0 eluiert. Das Eluat wurde reihenweise im Verhältnis 1 : 10 verdünnt und auf Anwesenheit von Endotoxin geprüft. Es wurde gefunden, daß < 48 µg Endotoxin von der Membrane eluiert wurde. Der Versuch wurde mit gleichem Ergebnis wiederholt.

Claims

1. Vorrichtung zur Blutreinigung durch Dialyse mit einem Blutfilter, der durch mindestens eine Dialysemembran in mindestens eine Blutkammer und in mindestens eine Dialysierflüssigkeitskammer geteilt ist, einem Blutkreislauf, der durch die Blutkammern gelegt ist, einer Dialysierflüssigkeitsquelle, die über eine Filtrationseinheit mit den Dialysierflüssigkeitskammern des Blutfilters verbunden ist und einer von den Dialysierflüssigkeitskammern abgehenden Dialysierflüssigkeitsableitung, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtrationseinheit Endotoxine zurückhaltende Anionenaustauschermembranen mit Porengrößen ≧ 0,22 µm enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anionenaustauschermembranen eine Adsorptionskapazität für Endotoxine von mindestens 4 µg/cm² aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anionenaustauschermembranen stark basische oder schwach basische Anionenaustauschermembranen sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtrationseinheit als Dead-End-Filtrationseinheit ausgebildet ist und einen Stapel flächiger Anionenaustauschermembranen enthält.