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Dialyse von A bis Z

Konvek­tion

oder: „Trans­port mit An­schub”

Dialyseverfahren müssen leistungsfähig sein, damit Moleküle, die normalerweise über die Niere ausgeschieden werden, bei deren Versagen effizient entfernt werden. Besonders seit der Einführung der high-flux Dialysatoren in den 1980iger Jahren1 wird der Begriff „Konvektion” immer dann verwendet, wenn es um die Entfernung von größeren Molekülen aus dem Patientenblut geht. Vielfach wird dann „Filtration” mit „Konvektion” gleichgesetzt.

Grafische Darstellung Low Flux - High Flux

Abb. 1 Der Siebkoeffizient einer Membran bestimmt seine Durchlässigkeit für bestimmte Moleküle. Z.B. bedeutet ein Siebkoeffizient von 0,8, dass ein Molekül zu 80% die Membran passieren kann. Somit können Moleküle, die sich mit ihrem Molekulargewicht auf der rechten Seite der Siebkoeffizientenkurve befinden, diese bestimmte Membran nicht passieren. Die Entwicklung moderner Dialysemembranen hat zu einer Verschiebung der Siebkoeffizienten­kurve nach rechts und damit zu höheren Molekulargewichten der zu entfernenden Moleküle geführt.

Was versteht man unter „Konvektion”?

Konvektion steht für die Bewegung von Stoffen in strömenden Gasen oder Flüssigkeiten. In Festkörpern oder im Vakuum ist daher keine Konvektion möglich, da die Gegenwart von Gasen oder Flüssigkeiten die Voraussetzung für diese Bewegung ist. Bekannt sind die Kon­vektoren, die bei der Beheizung von Wohnungen die unterschiedlichen Dichten von warmen und kalten Flüssigkeiten, beziehungsweise von warmer und kalter Raumluft, zum Transport von Wärme ausnutzen. Dass warme Luft immer nach oben steigt, lernt man schon im Kinder­garten. Deshalb sollte auch der Heizkessel in der Wohnung immer im Keller stehen.

Konvektive Bewegungen von Luftmassen sind auch für die schlimmen Hurrikane auf dem amerikanischen Kontinent verantwortlich, wenn Temperaturunterschiede zwischen dem warmen Golf von Mexiko und der kalten Hudson Bay in Kanada hohe Geschwindigkeiten verursachen, die Gegenstände, Häuser und Kraftfahrzeuge „transportierend” durch die Luft schleudern. Wie effizient diese „Konvektion” ist, lässt sich daran erkennen, dass der Ver­stärkungsfaktor für die Luftbewegung von der vierten Potenz des Temperaturunterschieds zwischen kalt und warm (T4) abhängt. In der Hämodialyse findet natürlich keine Luftbewegung statt. Vielmehr nutzt man hier zusätzlich zum bekannten Transportprozess der Diffusion die Bewegung von Flüssigkeiten über die Membran zum Transport von meist großen Mole­külen. Dafür hat sich zusätzlich zur Beschreibung für die Entfernung von Wasser in der Dialyse als Synonym für den konvektiven Transport der Begriff „Ultrafiltration” eingebür­gert.

Konvektion in der Dialyse

Die Bewegung von Molekülen über die Dialysemembran kann spontan durch Diffusion oder erzwungen durch Ultrafiltration verlaufen. Meist finden beide Transportprozesse gleichzeitig statt,2 wobei größere Moleküle wegen ihrer Dimension weniger durch Diffusion, sondern effizient nur mit Hilfe der Ultrafiltration oder konvektiv über die Dialysemembran transpor­tiert werden. Man spricht hier daher auch von einer „Filtratschleppe (solvent drag)”. Aus diesem Grund sind high-flux Membranen mit einem erhöhten UF-Faktor und einer größeren Porengröße in Kombination mit einer Hämodiafiltration besonders geeignet. Man kann hier mit Fug und Recht von einem „Transport mit Anschub” sprechen. Je höher der Fluss über die Membran per Ultrafiltration ist, desto mehr größere Moleküle können transportiert werden. Konvektiver Transport (T) über die Membran kann daher mit einer einfachen Gleichung beschrieben werden, die nur zwei bestimmende Faktoren enthält:

Tkonvektiv = Siebkoeffizient der Membran x Ultrafiltration

Membranhersteller haben daher in den vergangenen Jahren konsequent die Siebkoeffizienten­kurve als Kennlinie einer Dialysemembran hin zu höheren Molekulargewichten verschoben. Dies zeigt Abbildung 1. Parallel dazu sind Membranen mit einem höheren Ultrafiltrations­faktor verfügbar geworden, wie es der Name „high-flux” ja auch verrät. Abbildung 2 zeigt den Unterschied der Ultrafiltration in Abhängigkeit vom Transmembrandruck für low-flux und high-flux Membranen.

Grafische Darstellung Potentieller Gewinn

Abb. 2 Low- und high-flux Membranen unterscheiden sich durch die mögliche Ultrafiltrationsrate, die durch den Transmembrandruck erzeugt wird. Dadurch ist auch der erzielbare konvektive Transport als Filtratschleppe bei high-flux Membranen höher.

Welche Faktoren bestimmen den konvektiven Transport zusätzlich?

Wie man weiß, hängt die Ultrafiltration vom Druckunterschied zwischen der Blut- und der Dialysatseite der Membran, dem Transmembrandruck, ab. Dieser wird standardgemäß von der Blutpumpe ausgeübt. Druckunterschiede (∆P) können durch spezielle Eigenschaften der System- und Therapieparameter verstärkt werden. So führt eine durch das Medikament Erythropoietin (EPO) hervorgerufene höhere Blutviskosität ebenso zu einem höheren „∆P” wie ein erhöhter Blutfluss. Konvektive Therapien mit niedrigem Blutfluss sollten daher der Vergangenheit angehören. Auch geringe geometrische Veränderungen beim Filter sind bestimmende Faktoren, wie eine größere Länge des Filters oder eine Verringerung des Innendurchmessers der Kapillarmembran.

Klinische Bedeutung

Konvektive Therapien haben in den vergangenen Jahren besonders im Zusammenhang mit der Einführung der kostengünstigen online Hämodiafiltration an Bedeutung gewonnen. Es ist nicht mehr das Ziel von modernen dialytischen Therapien, nur einzelne toxische Substanzen wie Harnstoff oder Kreatinin per Diffusion zu entfernen. Mit Hilfe der Filtratschleppe durch eine höhere Ultrafiltration gelingt die Blutreinigung durch die Entfernung von Gruppen von Molekülen mit höheren Molekulargewichten. Positive Ergebnisse in diesem Zusammenhang hat die klinische Studie im spanischen Katalonien gezeigt:3 Bei einer hohen Zahl von Dialysepatienten konnte eine insgesamt bessere Überlebensrate belegt werden. Ein wesentlicher Aspekt dieser Untersuchung war eine Ultrafiltrationsrate von mehr als 20L/Therapie, die auch unter ökonomischen Gesichtspunkten nur mit den entsprechenden großen Mengen einer online hergestellten Substitutionsflüssigkeit aus dem Pool der Dialysierflüssigkeit möglich war. Offenbar ist die Menge an Substitutionsflüssigkeit bei der HDF ein wichtiger Dosisparameter für die Dialyse geworden. Er könnte den klassischen Parameter für die Dialysedosis Kt/V in Zukunft ersetzen. Das alte Dogma von Paracelsus (1493-1541) könnte so auch in der Dialyse wieder eine Rolle spielen:

„Alle Dinge sind Gift, und nichts ist ohne Gift; allein die Dosis machts, daß ein Ding kein Gift sei.”

Wenn Sie mehr zum Thema wissen wollen:

Literatur

  1. Schneider H, Streicher E: Mass transfer characterisation of a new polysulfone membrane. Artif Organs, 9 : 180-83 (1985)
  2. Sargent J, Gotch F. Principles and biophysics of dialysis. In: Replacement of renal function by dialysis. Hrsg.: C Jacobs et al, Springer Verlag, Heidelberg, pp.: 34-77 (1996)
  3. Maduell F, Moreso F, Pons M, Ramos R, Mora-Macià J, Carreras J, Soler J, Torres F, Campistol JM, Martinez-Castelao A; ESHOL Study Group. High-efficiency postdilution online hemodiafiltration reduces all-cause mortality in hemodialysis patients. J Am Soc Nephrol., 24 : 487-497 (2013)
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