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Dialyse von A bis Z

Sieb­koeffizient

Die Dialyse­membran ist das Herz­stück des Dialy­sators.

Sie ist während der Behandlung im steten Kontakt mit dem Blut des Patienten und bestimmt die Leistungsfähigkeit des Blutreinigungsverfahrens. Diese wird in erster Linie durch die Filtration von solchen Molekülen bestimmt, die bei einer kranken Niere nicht ausgeschieden werden können (Retentionsprodukte). Folglich ist die Größe bzw. der Durchmesser von Poren in der Dialysemembran eine entscheidende Größe. Sie bestimmen die Ausschlussgrenze für die zu filtrierenden Atome und Moleküle. So liegt der Porendurchmesser bei low-flux Membranen zwischen 1,5 und 1,8 Nanometern und bei den typischen high-flux Membranen zwischen 3,5 und 4,0 Nanometern.

Ein Nanometer (nm) entspricht einem millionsten Millimeter. Dimensionen dieser Größenordnung werden erst verständlich, wenn man zum Vergleich die Größe des Durchmessers von solchen Molekülen heranzieht, die über Dialysemembranen filtriert werden. Die Durchmesser der Natrium- und Kalziumionen sind sich ähnlich und betragen zum Beispiel nur ~ 0,2 nm. Der Durchmesser des am häufigsten im Blut vorkommenden Proteins, Albumin, wurde mit etwa 5,4 nm bestimmt. Das bedeutet, dass Natrium- und Kalziumionen die Dialysemembranen passieren können, das Eiweiß Albumin unter normalen Bedingungen aber nicht.

Entscheidende Größen

Dialysemembranen werden üblicherweise anhand ihrer Durchlässigkeit für Wasser und Moleküle charakterisiert. Der Ultrafiltrationsfaktor (UF-Faktor) und der Siebkoeffizient sind hier die entscheidenden Größen. Der UF-Faktor bezieht sich auf die Menge des gefilterten Wassers in [ml/h] bezogen auf den applizierten Transmembrandruck in [mmHg], der durch die von der Dialysemaschine gesteuerten Blutpumpen ausgeübt wird. Er hat daher die Einheit [ml/h x mmHg].

Der Siebkoeffizient einer Membran (SK) entspricht der entfernten Menge eines bestimmten Atoms oder Moleküls. Damit gibt es für jedes einzelne Atom oder Molekül für eine Membran einen individuellen Siebkoeffizient, der sich wie folgt berechnen lässt:

Formel

Dabei entspricht CF der Konzentration eines im Filtrat gefundenen Moleküls und CBlut ein und CBlut aus der jeweiligen Konzentration dieses Moleküls beim Bluteinlass bzw. Blutauslass des Dialysators. Im Nenner der Gleichung steht daher der Mittelwert der Konzentrationen von Bluteingang und -ausgang. Wenn eine Membran zu 100% für ein Atom oder Molekül durchlässig ist, hat der Siebkoeffizient den Wert „1“. Ein Siebkoeffizient von 0.6 entspricht dagegen einer nur 60%igen Durchlässigkeit. Die Verschiebung der Siebkoeffizientenkurve in Richtung höherer Molekulargewichte geht daher auch mit einem Gewinn in der Clearance einher, wie es für low- und high-flux Dialysemembranen gezeigt werden kann.

Ausschlussgrenze

Zur Charakterisierung einer Dialysemembran spielt ein zweiter Faktor, der Cut-off oder die Ausschlussgrenze, eine wichtige Rolle. Er entspricht der Trenngrenze für bestimmte Moleküle und wird einem Siebkoeffizienten von 0.1 gleichgesetzt.

Die Siebkoeffizientenkurve (Abbildung 1) ist daher ein sehr wichtiges Gestaltungsmerkmal für die Charakterisierung einer Dialysemembran. Sie zeigt die Effizienz einer Membran bestimmte Molekülgrößen aus dem Blut des Patienten herauszufiltern.

Graphische Darstellung

Abb. 1 Siebkoeffizientkurve zeigt die Effizienz einer Membran bestimmte Molekülgrößen aus dem Blut des Patienten herauszufiltern.

 

Membranhersteller stellen für den Nephrologen je nach klinischen Anforderungen low-flux oder high-flux Membranen bereit (siehe oben). Diese unterscheiden sich in der Durchlässigkeit für Atome und Moleküle mit steigendem Molekulargewicht. Diejenigen Moleküle, die sich aufgrund ihres Molekulargewichts links von der Siebkoeffizientenkurve befinden, liegen in der Zone der Durchlässigkeit, wohingegen größere Moleküle rechts von der Siebkoeffizientenkurve in der Zone der Undurchlässigkeit liegen.

Trotz dieser sehr eindeutigen Definition zur Funktion der Siebkoeffizientenkurve kann man von Fall zu Fall auch Eiweiße im Filtrat von Dialysemembranen finden, die eigentlich aufgrund ihrer molekularen Größe von der Membran zurückgehalten werden sollten. Sie haben dann einen Siebkoeffizienten unter dem Wert von 0.1, welcher der Trenngrenze entspricht.

Wie kann man sich das erklären?

Hierzu ist anzumerken, dass Eiweiße nur näherungsweise definierte geometrische Formen, wie Kugeln oder Zylinder, und damit festgelegte Durchmesser haben.

Werte für einen Durchmesser, z.B. für Albumin, entsprechen nur annähernd der realen Größe. Sie werden meist mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse bestimmt. Ein so gewonnener Wert entspricht aber nicht der Situation eines Eiweißes in einer Lösung, wie es Blut eine ist. Abbildung 2 zeigt als Beispiel das Tumorsuppressor-Protein p53.

Man erkennt, dass das Eiweiß einen Kernbereich aufweist, der von Ketten aus Aminosäuren umgeben ist. Diese äußeren Bereiche des Proteins sind flexibel, beweglich und bestimmen am Ende die geometrischen Dimensionen des Proteins.

Je nach Rahmenbedingungen kann daher die Dialysemembran ein solches Protein in geringem Maße durchlassen (Siebkoeffizient unterhalb der Trenngrenze) oder ganz zurückhalten. Man sollte ein Protein in Lösung mit einer Amöbe vergleichen, denn dieser Einzeller kann seine Form den vorliegenden Rahmenbedingungen aktiv anpassen.

 

Es gilt auch die altbekannte Hausfrauenweisheit für Proteine und die Poren von Dialysemembranen:

Anfuehrungszeichen

Wo eine Maus mit ihrem Kopf durchpasst, passt auch ihr ganzer Körper hindurch!

 

Abb. 2 Tumorsupressor-Protein p53 mit einem von Ketten aus Aminosäuren umgebenen Kernbereich aus Eiweiß.

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