Актуальность сорбционных технологий сегодня

Актуальность сорбционных технологий сегодня

Объем диализирующего раствора, производимого из ультрачистой воды, необходимый для работы обычного гемодиализного аппарата - от 30 до 50 л в час, что соответствует 100-200 л на одну процедуру. При проведении же диализа с сорбентом требуется всего 6 литров питьевой водопроводной воды на всю процедуру - для производства и регенерации высококачественного диализирующего раствора. При данном методе диализат не направляется в дренаж, а регенерируется пропусканием через картридж с сорбентом. Для очищения крови от уремических токсинов и регенерации высококачественного бикарбонатного диализирующего раствора в процессе процедуры диализа слои компаундов в картридже используют три базовых физико-химических принципа: сорбцию активированным углем, действие ферментов и ионный обмен.

Сорбционные устройства не требуют для своей работы присоединения к источнику воды и дренажу - таким образом достигается дополнительная мобильность и гибкость при проведении процедур в широком диапазоне условий. Системы на основе сорбционных колонок используются как при остром диализе в отделениях интенсивной терапии, так и вне клиники - например, для домашнего диализа, в полевых госпиталях во время военных действий, при ликвидации последствий стихийных бедствий и катастроф, в реабилитационных центрах и домах престарелых, в отдаленных географических районах и местах, где нет соответствующего медицинского обслуживания. Благодаря возможости работать без подсоединения к водопроводу и канализации, а также приспособления системы электроснабжения под особенности диализной машины сорбционные системы могут использоваться практически где угодно. С ними в сферу диализа приходят инновации, портативность, гибкость и миниатюризация.

I. ПРИНЦИПЫ СОРБЦИОННОГО ДИАЛИЗА

В данном методе диализат пропускается через картридж с сорбентом. Диализный раствор готовится из 6 литров питьевой водопроводной воды и сухих концентратов в отдельной емкости. Перед тем как начать диализ, этот раствор пропускают через картридж с сорбентом в режиме рециркуляции - с целью удаления возможных загрязнений. Такая рециркуляция несколько изменяет состав электролитов раствора, о чем мы поговорим ниже. После того как пациент подключен к экстракорпоральному контуру и диализ начат, диализат направляется из выходного порта диализатора в картридж с сорбентом. В этом картридже продукты метаболизма, растворенные в диализате, адсорбируются и/или заменяются ионами натрия, водорода и бикарбоната. Правда, раствор теряет еще и калий, кальций и магний, поэтому его регенерация завершается восполнением этих веществ с помощью насоса для инфузии на выходе из картриджа.

A. Сорбционный картридж. Картридж с сорбентом (рис. 19.1) содержит 6 слоев материалов, предназначенных для удаления загрязнителей диализирующего раствора и уремических токсинов с одновременным поддержанием его оптимального состава. Диализат проходит через колонку, снизу вверх. Первый и третий слои содержат активированный уголь. Они адсорбируют тяжелые металлы, хлорамины и другие контаминанты, которые могут содержаться в водопроводной воде. Кроме того, активированный уголь поглощает ряд органических среднемолекулярных уремических токсинов, содержащихся в отработанном диализате, включая креатинин и мочевую кислоту. Второй слой содержит иммобилизованный фермент - уреазу, который катализирует превращение мочевины в бикарбонат аммония. Четвертый состоит из фосфата циркония и является катионообменным. Его первичная функция - адсорбция ионов аммония NH/, образующихся при гидролизе мочевины, происходящем во втором слое. Кроме того, данный катионообменный материал адсорбирует другие положительно заряженные ионы, такие как магний, кальций и калий, а также катионы тяжелых металлов, которые могут содержаться в водопроводной воде - например, медь и железо. В обмен на поглощенные катионы фосфат циркония высвобождает водород и натрий. Пятый слой, анионообменный, содержит оксид циркония. Этот материал адсорбирует ионы фосфата, фторида и оксоанионы тяжелых металлов, а в обмен выделяет анионы хлора и гидроксид-ион. Шестой слой содержит бикарбонат натрия. Он ничего не связывает, а выступает источником натрия и бикарбоната.

Исходный раствор для диализирующего раствора («прайм») получают путем смешивания сухих концентратов с 6 (или менее) литрами водопроводной воды. Вода должна соответствовать стандартам ЕРА1 для питьевой воды. Полученная смесь еще не подходит для использования в качестве диализирующего раствора, поскольку может содержать загрязнения. Однако непродолжительная преддиализная рециркуляция такого раствора через сорбент удаляет практически все посторонние вещества, присутствующие в водопроводной воде (при условии что содержание в ней таких веществ не превышает допустимых уровней для питьевой воды, согласно требованиям, приводя их концентрации к значениям, соответствующим требованиям воды для диализа ANSI/AAMI RD525253). Правда, есть исключение: рециркуляция «прайма» через колонку не понижает концентрацию ионов сульфата и нитрата до требуемых значений. Однако если уровни данных ионов ниже их максимальных значений для водопроводной воды (10 мг/л для нитрата и 250 мг/л для сульфата), то опасность перегрузки пациента данными ионами невелика, поскольку воды используется лишь 6 л.

C. Изменение состава электролитов исходного раствора в ходе рециркуляции. Уровни бикарбоната и хлорида натрия в растворе регулируются подбором различных прописей сухого концентрата перед его приготовлением. При первом прохождении раствора через колонку часть ионов натрия будет адсорбирована слоем фосфата циркония в обмен на ионы водорода. Высвобождение этих ионов в раствор понижает начальную концентрацию бикарбоната, так как водород реагирует с бикарбонатом с образованием угольной кислоты (СО2 и воды). Бикарбонат из шестого слоя колонки играет роль буфера и предотвращает падение концентрации бикарбоната в «прайме» в ходе рециркуляции перед диализом. На самом деле, начальная концентрация бикарбоната в «прайме» по окончании рециркуляции обычно оказывается несколько выше, чем сразу после приготовления смеси. Кальций, магний и калий не добавляются в «прайм», поскольку в процессе рециркуляции они могли бы удаляться сорбентом. Вместо этого после начала процедуры они вводятся в поток с оптимальной скоростью на выходе из картриджа. В результате раствор, входящий в диализатор после рециркуляции, имеет нужные концентрации этих веществ.

1. Коррекция уровня натрия в диализирующем растворе. Источники натрия в растворе следующие: натрийсодержащие электролиты, добавляемые к раствору при его приготовлении; поступление из бикарбонатного слоя картриджа вследствие катионного обмена; поступление из крови пациента через мембрану диализатора посредством диффузии. Слой фосфата циркония адсорбирует аммоний, образовавшийся при ферментативном разложении мочевины, а также магний, кальций и калий. В обмен на эти катионы слой фосфата циркония выделяет натрий и водород. Поскольку обмен магния, кальция и калия в растворе обычно происходит с постоянной скоростью, динамика изменения концентрации натрия в нем контролируется в основном адсорбцией аммония, а его уровень может существенно отличаться от процедуры к процедуре и от пациента к пациенту. Аммоний образуется вследствие ферментативного разложения мочевины, а ее количество, попадающее в картридж, зависит от начальной концентрации мочевины в крови, скорости ее перехода из крови в диализат в диализаторе. Скорость удаления мочевины высока в начале диализной процедуры. Поэтому количество образующегося из мочевины аммония максимально именно на этом начальном этапе диализа, и скорость обмена аммония на натрий также наибольшая. Соответственно, повышение концентрации натрия в растворе также будет наибольшим в начале процедуры.

С учетом ожидаемого увеличения уровня натрия на выходе раствора из колонки, особенно в начале процедуры, предотвращение чрезмерного повышения концентрации натрия в крови производится двумя способами. При первом способе содержание натрия на этапе приготовления раствора подбирается несколько меньшим, чем его желаемый уровень на протяжении большей части процедуры. Такое понижение концентрации натрия является кратковременным и быстро компенсируется при рециркуляции раствора в картридже, в начале процедуры, как описано ранее. Второй подход избежать натриевой нагрузки при сорбционном диализе заключается в подмешивании небольших порций воды во время процедуры к диализирующему раствору, учитывая рост концентрации натрия в растворе вследствие натрий-аммо-ниевого обмена в сорбенте. Такое автоматизированное добавление воды к регенерируемому раствору в процессе диализа поддерживает концентрацию натрия на оптимальном уровне и предотвращает избыточный перенос натрия в организм пациента.

РИСУНОК 19.1. Структура сорбционной колонки

2. Коррекция уровня бикарбоната в диализирующем растворе. Источниками бикарбоната в диализирующем растворе являются: концентрат для его приготовления, гидролиз (вследствие которого образуется бикарбонат аммония) и анионный обмен в колонке, а также поступление из бикарбонатного слоя. Гидролитическое разложение мочевины приводит к высвобождению ионов аммония и бикарбоната. На рис. 19.2 показаны изменения концентраций бикарбоната в растворе и в плазме при типичной процедуре диализа с использованием шестислойного картриджа с сорбентом. Уровень бикарбоната в диализирующем растворе несколько повышен в начале процедуры. Гидролиз мочевины во втором слое приводит к образованию бикарбоната аммония. В обмен на ионы натрия слой фосфата циркония высвобождает ионы водорода, которые в сочетании с ионами бикарбоната образуют угольную кислоту и СО2. Разложение 10 г мочевины приводит к образованию примерно 150 мЭкв бикарбоната. Нетто-эффект этого процесса зависит от количества ионов водорода, высвобождаемых в слое фосфата циркония, и от начального уровня азота мочевины крови (BUN), которые регулируют баланс концентраций углекислоты и бикарбоната. В начале уровень бикарбоната может слегка понизиться, но по ходу процедуры нейтрализация ионов водорода приводит к повышению уровня бикарбоната, поступающего в кровеносное русло пациента (рис. 19.2).

РИСУНОК 19.2. Профиль концентраций бикарбоната в плазме in vitro и в диализирующем растворе при использовании шестислойной сорбционной колонки

II. СОРБЦИОННЫЕ ДИАЛИЗНЫЕ АППАРАТЫ

А. Система РЭДИ. В 1973 г. на рынке появился первый аппарат для сорбционного диализа РЭДИ (система с рециркуляцией диализата), положив начало использованию сорбционных картриджей. К 1975 г. примерно 10 000 процедур гемодиализа в год производились с использованием системы РЭДИ. Данная система обеспечивала мобильность, недоступную для систем с «однократным прохождением» диализата. Эта автономная диализная система была достаточно компактной, чтобы транспортировать ее на стандартной больничной тележке, и применялась, как правило, для неотложного или домашнего гемодиализа. Производство данных аппаратов было прекращено в 1994 г.

B. Система «Аллиент». В 2006 г. сорбционная гемодиализная система «Аллиент», разработанная компанией Ринал Солюшн5 (США), получила одобрение FDA США. В данной установке сочетаются сорбционная технология с уникальной, контролируемой давлением системой движения крови. Как и предыдущие системы такого рода, она была полностью автономной и мобильной. Система «Аллиент» так и не стала полностью коммерческой, и Ринал Солюшн была приобретена компанией Фрезениус Медикал Кеа6 в 2007 г.

C. Сорбционная система «Фрезениус 2008». Данная система получила одобрение FDA в августе 2010 г. Она состоит из двух частей: диализного аппарата «Фрезениус 2008К» и модуля СОРБ. Этот модуль представляет собой систему сорбционной регенерации диализата, который располагается сбоку аппарата, заменяя обычную систему подачи диализата. Система «Фрезениус 2008» используется со стандартными кровепроводящими магистралями для диализных машин серии 2008 и обеспечивает такую же скорость потока крови. В модуле СОРБ, как и в других системах такого рода, диализат и ультрафильтрат выходят из диализатора, но часть диализата (эквивалентная объему жидкости, удаленному ультрафильтрацией) направляется в дренаж. Концентрация натрия в оставшемся диализате поддерживается автоматически добавлением либо раствора хлорида натрия, либо воды для достижения предписанного уровня натрия. Сбалансированный по натрию диализат направляется для очистки в сорбционную колонку. Полученный регенерированный диализирующий раствор хранится в одноразовой емкости-мешке, откуда он подается в диализатор по мере необходимости. Интегрированный в систему датчик, измеряющий концентрацию аммиака на выходе из колонки, информирует о степени насыщения сорбента. Врачу, осуществляющему назначения на процедуру, предоставлено специальное руководство, помогающее обеспечить необходимую концентрацию бикарбоната натрия в растворе к концу процедуры и контролировать его перенос в пациента.

D. Портативный аппарат искусственная почка - система Фрезениус РАК. Система РАК, находящаяся пока еще на стадии разработки компанией Фрезениус, является портативной, транспортируемой и простой в использовании установкой для сорбционного диализа, весящей менее 35 кг. Машина включает два блока - насос и резервуар. Блок насоса закреплен на блоке резервуара. Когда система выключена, их можно разъединить для транспортировки. В блоке насоса устанавливается одноразовая кассета, содержащая контуры крови и диализирующего раствора. Она просто защелкивается в месте прикрепления, упрощая подготовку к процедуре. После присоединения к ней диализатора они образуют единый стерильный блок. Одноразовая емкость, рассчитанная на 11 л, располагается на подогреваемом поддоне в блоке резервуара и завершает контур диализирующего раствора. Все поверхности контуров, которые контактируют с кровью и диализатом, являются внешними по отношению к системе - таким образом исключается необходимость любой промывки этой системы или ее дезинфекции между процедурами. Во время процедуры отработанный диализат, содержащий ультрафильтрат, покидает диализатор (рис. 19.3). Вода для его разведения добавляется к нему автоматически, для контроля уровня натрия. Модифицированный таким образом диализат возвращается в сорбционную колонку для регенерации. Возможно достижение скорости потока диализирующей жидкости до 300-400 мл/мин, а скорость потока крови может регулироваться в пределах от 100 до 500 мл/мин.

РИСУНОК 19.3. Схематическое изображение контура диализирующего раствора в портативной установке Фрезениус для сорбентного диализа

Ссылки и рекомендуемая литература

Agar JWM. Review article: understanding sorbent dialysis systems. Nephrology. 2010; 15: 406-411.

Ash SR. The allient dialysis system. Semin Dial. 2004; 17: 164-166.

Hansen SK. Advances in sorbent dialysis. Dial Transplant. 2005; 34: 648-652.

McGill RL, et al. Sorbent hemodialysis: clinical experience with new sorbent cartridges and hemodialyzers. ASAIO J. 2008;54:618-621.

Organon Teknika Corp. Sorbent Dialysis Primer. 3rd ed. Durham, NC: Organon Teknika Corp.; 1991.

Roberts M. The regenerative dialysis (REDY) sorbent system. Nephrology. 1998; 4: 275-278.

Tarrass F, et al. Water conservation: an emerging but vital issue in hemodialysis therapy. Blood Purif. 2010; 30: 181-185.

Welch PG. Deployment dialysis in the U.S. Army: history and future challenges. Military Medicine. 165: 737741.