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Dialysemembran aus modifizierter Cellulose
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mit verbesserter Biokompatibilität Wuppertal Die Erfindung betrifft
eine Dialysemembran für die Hämodialyse in Form von Flachfolien, Schlauchfolien
oder Hohlfäden aus durch Substitution modifizierter Cellulose.
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Dialysemembranen aus Cellulose für die Hämodialyse in Form von Flachfolien,
Schlauchfolien oder Hohlfäden sind bereits seit längerem bekannt und werden nach
wie vor bevorzugt in künstlichen Nieren eingesetzt. Einige Beschwerden verursachende
Eigenschaften ließen sich jedoch noch nicht beseitigen.
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So ist aus der DE-PS 27 05 735 eine Dialysemembran für die Hämodialyse,
mit verminderter thrombogener Wirkung aus Cellulose, mit daran chemisch gebundenen
antithrombogenen Verbindungen bekannt, wobei die Dialysemembran aus zwei oder
mehreren
Schichten einer aus Cuaxamceliuloselösunqen regenerierten Cellulose besteht, die
jeweils aus getrennt gespeisten Schlitzen einer Spinndüse erhalten worden sind,
wobei die auf der Blutseite angeordnete Celluloseschicht ganz oder teilweise eine
modifizierte Cellulose ist, die antithrombogene Wirkstoffe chemisch gebunden enthält.
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Es ist aber auch bereits schon in der DE-OS 17 20 087 vorgeschlagen
worden, dadurch daß das Polymermaterial der Membran mit einem Alkylhalogenid umgesetzt
und danach das erhaltene Material mit einem Alkalisalz einer antithrombogenen Verbindung
mit kationischen Rest (z.B. Heparin oder eine Heparinoidverbindung) umgesetzt wird,
die Gefahr der Gerinnung des Blutes zu verringern. Zu den möglichen Alkylhalogeniden
werden dabei auch Halogenalkyldialkylamine gerechnet. Auch Cellulose, jedoch im
wesentlichen Celluloseacetat, zählt zu den möglichen Polymeren.
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Eine antithrombogene Wirkung dieser bekannten Dialysemembranen wird
nur beobachtet, wenn der Substitutionsgrad der modifizierten Cellulose hoch ist,
d.h. größer als mindestens 0,1, und in einem gesonderten Schritt eine Vorheparinisierung
mit relativ hohen Heparinkonzentrationen (0,1 bis 1 Gew.-% Lösungen) durchgeführt
wird.
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Neben dem Umstand, daß Dialysemembranen aus synthetischen bzw. natürlichen
Polymeren bei ihrem Einsatz in künstlichen Nieren sehr leicht eine Gerinnung des
Blutes hervorrufen können, die durch entsprechende medikamentöse Behandlung
weitgehend
verhindert wird, tritt bei Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose häufig ein
weiteres Problem auf, das bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte
und zwar war festgestellt worden, daß bei der Behandlung eines Nierenkranken mit
Dialysatoren mit Cellulose-Membranen in der ersten Zeit der Dialysebehandlung ein
vorübergehender Leukozytenabfall stattfinden kann. Dieser Effekt wird als Leukopenie
bezeichnet.
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Leukopenie ist eine Erniedrigung der Leukozytenzahl (weiße Blutkörper)
im Blutkreislauf. Die Zahl der weißen Blutkörper beim Menschen beträgt ca. 4000
bis 12000 Zellen/mm3#.
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Die Leukopenie bei Dialyse ist am stärksten ausgeprägt 15 bis 20 Min.
nach Beginn, wobei die Neutrophilen (das sind die mit neutralen oder gleichzeitig
mit sauren und basischen Farbstoffen anfärbbaren Leukozyten) fast vollständig verschwinden
können. Danach erholt sich die Zahl der Leukozyten innerhalb etwa einer Stunde wieder
auf fast den Ausgangswert oder übersteigt diesen.
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Wird nach Erholung der Leukozyten ein neuer Dialysator angeschlossen,
tritt wieder Leukopenie im gleichen Ausmaß ein.
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Cellulose-Membranen verursachen eine ausgeprägte Leukopenie.
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Auch wenn die klinische Bedeutung der Leukopenie wissenschaftlich
nicht geklärt ist, besteht doch der Wunsch nach einer Dialysemembran für die Hämodialyse,
die den Effekt der Leukopenie nicht zeigt, ohne daß dadurch die anderen
sehr
erwünschten Eigenschaften von Dialysemembranen aus regenerierter Cellulose beeinträchtigt
werden.
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Bei der Hämodialyse mittels Membranen aus regenerierter Cellulose
hat man neben der Leukopenie auch eine deutliche Komplement-Aktivierung festgestellt.
Das Komplement-System innerhalb des Blutserums ist ein komplexes, aus vielen Komponenten
bestehendes Plasmaenzym-System, das auf verschiedene Weise der Abwehr von Schädigungen
durch eindringende fremde Zellen (Bakterien u.a.) dient. Wenn Antikörper gegen den
eindringenden Organismus vorhanden sind, kann komplementspezifisch durch den Komplex
der Antikörper mit antigenen Strukturen der Fremdzellen aktiviert werden, anderenfalls
erfolgt auf einem Alternativ-Weg durch besondere Oberflächenmerkmale der Fremdzellen
die Komplement-Aktivierung. Das Komplement-System beruht auf einer Vielzahl von
Plasma-Proteinen. Nach Aktivierung reagieren diese Proteine spezifisch in einer
bestimmten Reihenfolge miteinander und am Ende wird ein zellschädigender Komplex
gebildet, der die Fremdzelle zerstört.
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Aus einzelnen Komponenten werden Peptide freigesetzt, die Entzünduggserscheinungen
auslösen und gelegentlich auch unerwünschte pathologische Folgen für den Organismus
haben können. Es wird angenommen, daß die Aktivierung bei Hämodialysemembranen aus
regenerierter Cellulose über den alternativen Weg erfolgt. Objektiv festgestellt
werden diese Komplement-Aktivierungen durch eine Bestimmung der Komplement-Fragmente
C3a und C5a.
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In diesem Zusammenhang wird auf folgende Arbeiten hingewiesen: D.E.
Chenoweth et al, Kidney International Vol. 24, Seite 764 ff, 1983, und D.E. Chenoweth,
Asaio-Journal Vol. 7, Seite 44 ff, 1984.
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Obwohl die klinische Bedeutung der Komplement-Aktivierung noch nicht
geklärt ist, ist man bestrebt diese bei der Hämodialyse möglichst auszuschließen.
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Diese drei Faktoren Blutgerinnung, Leukopenie und Komplement-Aktivierung
betrachtet man heute als wesentliche Parameter für die Biokompatibilität von Dialysemembranen.
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Es war Aufgabe der vorliegenden Erfindung unter Beibehaltung der relativ
günstigen Eigenschaften der Cellulosemembran hinsichtlich der Blutgerinnung eine
Dialysemembran zur Verfügung zu stellen, die die Effekte der Komplement-Aktivierung
und Leukopenie deutlich verringert.
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Es wurde festgestellt, daß eine Dialysemembran für die Hämodialyse
in Form von Flachfolien, Schlauchfolien oder Hohlfäden durch Substitution modifizierter
Cellulose die gestellte Aufgabe löst, wenn bei einer solchen Dialysemembran der
mittlere Substitutionsgrad der modifizierten Cellulose im engen Bereich von 0,02
bis 0,07 liegt.
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Unter dem mittleren Substitutionsgrad der durch Substitution modifizierten
Cellulose soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung die mittlere Anzahl der Substituenten
pro 1 Glucoseanhydrideinheit der die Membran bildenden Cellulose verstanden werden.
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Die Einstellung des gewünschten mittleren Substitutionsgrades kann
durch die Mengenverhältnisse bei der Substitution oder durch Vermischung von unterschiedlich
substituierten Cellulosen bzw. substituierter mit nichtsubstituierter Cellulose
erfolgen.
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Geeignete durch Substitution modifizierte Cellulosen sind veresterte
oder verätherte Cellulosen. Verätherte Cellulosen sind bevorzugt. Besonders geeignet
aber sind durch Substitution modifizierte Cellulosen, die im Substituenten tertiäre
Aminogruppen und/oder Carboxygruppen enthalten.
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Zu den besonders bevorzugten Substituenten gehören Dialkylaminoalkyl
und/oder Carboxyalkyl. Bei solchen Dialysemembranen sind die Alkylgruppen vorzugsweise
Äthyl und/oder Methylgruppen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde die Komplement-Aktivierung
anhand der Fragmente C3a beurteilt. Dazu wurden in vitro 300 ml heparinisiertes
Blutplasma über einen Zeitraum von 4 Std. mit einem Plasmafluß von 200 ml/min.
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durch einen Dialysator mit 1 m2 effektiver Austauschfläche rezirkuliert.
In dem Plasma wurden die C3a-Fragmente mit Hilfe der RIA-Methode (Upjohn-Test) bestimmt.
Die relative Komplement-Aktivierung für den jeweiligen Meßzeitpunkt wurde durch
Bildung des Verhältnisses der Konzentration zum Zeitpunkt der Probenahme mit dem
Anfangswert in Prozent errechnet. Zur Bewertung wurde der Meßwert nach 4 Std.
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Rezirkulationszeit herangezogen. In der Fig. 1 sind derartige Messungen
in ihrem zeitlichen Verlauf graphisch dargestellt, und zwar zeigt die Kurve a das
mit einer üblichen Cellulose-Membran erhaltene Ergebnis und die Kurve b das mit
einer Erfindungsmembran erhaltene Ergebnis, bei der als modifizierte Cellulose Diäthylaminoäthylcellulose
mit einem Substitutionsgrad von 0,04 verwendet worden war.
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Als weiteres Maß für die Biokompatibilität wird die Leukopenie herangezogen.
Bestimmt wurde sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung in vivo an Schafen. Dazu
werden Dialysatoren mit ein Quadratmeter effektiver Austauschfläche eingesetzt.
Der Blutfluß betrug 200 ml/min.Die Leukozytenzahl wurde in bestimmten Zeitabständen
über einen Zeitraum von insgesamt 2 Std. gezählt. Zur Auswertung wurde die prozentuale
Änderung, um die die Leukozytenzahl sich zum jeweiligen Meßzeitpunkt verändert hatte,
bezogen auf den Anfangswert, herangezogen. Die bei einer solchen Messung erhaltenen
Werte sind in der Fig. 2 graphisch dargestellt und zwar zeigt die Kurve a das mit
einer üblichen Cellulosemembran erhaltene Ergebnis und die Kurve b das mit einer
erfindungsgemäßen Membran erhaltene Ergebnis, bei der als modifizierte Cellulose
Diäthylaminoäthylcellulose mit einem Substitutionsgrad von 0,04 verwendet worden
war.
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Zur Bewertung wurde der Meßwert im Minimum der Kurve herangezogen.
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Als Meßgröße für die Blutgerinnung wurde der prozentuale Druckanstieg,
bezogen auf den Anfangsdruck, vor dem Dialysator nach 2 Std. gewählt.
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Um diese drei Parameter für die Beurteilung der Biokompatibilität
zusammenzufassen, wird ein Unverträglichkeitsindex gebildet. Wird die Maßzahl für
die Komplement-Aktivierung mit K bezeichnet, die Maßzahl für die Leukopenie mit
L und die Maßzahl für die Blutgerinnung mit C, so errechnet sich der Unverträglichkeitsindex
(UI) gemäß der folgenden Formel
UI = 0,1 x K - L + C Je besser
die Biokompatibilität ist, desto geringer ist der Wert für den Unverträglichkeitsindex
UI.
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Im nachfolgenden Beispiel 1 wird die Erfindung näher erläutert: Zur
Herstellung der zu vergleichenden Dialysemembranen wird von einer Cuoxamlösung A
ausgegangen, die 9 Gew.-% Diäthylaminoäthylcellulose mit einem mittleren Substitutionsgrad
von 0,4 enthält. Eine 9 Gew.-%ige Cellulose (Baumwollinters) enthaltende Cuoxamlösung
B wird in solchen Verhältnissen mit der Cuoxamlösung A gemischt, daß der gewünschte
mittlere Substitutionsgrad(DS)eingestellt wird.
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Dazu werden die Cuoxamlösungen A und B nach FiStrationim vorgesehenen
Verhältnis einem wirksamen Mischer, der eine homogene Mischung gewährleistet, zudosiert.
Für das vorliegende Beispiel wurden Mischungen hergestellt, wie sie in der Tabelle
1 einschließlich der jeweils erhaltenen mittleren Substitutionsgrade DS aufgeführt
sind.
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Tabelle 1 Versuch Gewichtsteile Gewichtsteile Substitutions-Cuoxam-Lösung
A Cuoxamlösung B grad (DS) a 0 1 0 b 1 40 0,01 c 1 15 0,026 d 1 10 0,04 e 1 7,3
0,55 f 1 5 0,08 g 1 4 0,1 Die in der Tabelle 1 aufgeführten Gemische a - g wurden
dem ringförmigen Schlitz einer Hohlfadenspinndüse mit einer zentralen Bohrung für
eine hohlraumbildende Flüssigkeit zugeführt, gemeinsam mit Isopropylmyristat als
hohlraumbildender Flüssigkeit ausgepreßt und in einem üblichen Fällbad koaguliert.
Die erhaltenen Hohlfäden wurden in der für das Kupferammoniakverfahren hinreichend
bekannten Arbeitsweise gewaschen, getrocknet und aufgewickelt.
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Mit den erhaltenen Fäden wurden Dialysatoren hergestellt und indiesen
die Biokompatibilität untersucht. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.
Es zeigt sich dabei deutlich, daß die Versuche c, d und e mit erfindungsgemäßen
Dialysemembranen
einen deutlich geringeren Unverträglichkeitsindex aufweisen als die Vergleichsversuche
a, b, f und g und damit die erwünschte Biokompatibilität zeigen.
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Tabelle 2 Versuch Parameter a b c d e f g C3a[%] 2500 2300 500 200
180 150 150 Leukoz. po - 80 -70 -10 -5 - 5 - 5 - 5 Druckanstieg [%] 40 35 50 60
90 400 500 Unverträgl.- 370 335 110 85 113 420 520 Index UI