Neue Wege in der Blutreinigung

Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart hat jetzt gemeinsam mit der Firma Gambro Dialysatoren GmbH aus Hechingen und dem Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik IGVT der Universität Stuttgart eine neuartige Hohlfasermembran für die Blutreinigung entwickelt. Deren besondere Qualität besteht darin, dass die Blutzellen vor der Reinigung des Plasmas nicht mehr gesondert abgetrennt werden müssen, was bisher häufig bei Apheresebehandlungen (Blutwäsche) notwendig ist. Die Laborphase des neuen Systems ist weitgehend abgeschlossen, klinische Tests sind nun der nächste Schritt.

Blutreinigungsverfahren, die außerhalb des Körpers vorgenommen werden, stellen in der modernen Medizin eine unverzichtbare Therapieform dar. Angesichts von weltweit jährlich circa 150 Millionen Dialyse-Patienten mit chronischem oder akutem Nierenversagen und jährlich etwa 200.000 Menschen allein in Deutschland, die eine oft tödlich verlaufende Blutvergiftung (Sepsis) erleiden, wird das mehr als deutlich. Nun sind neben dem konventionellen Verfahren der Nierendialyse neue Therapien, die so genannten Apherese-Verfahren entwickelt worden. Diese können spezifisch giftige Substanzen aus dem Blut entfernen. Gemeinsam mit der Hechinger Gambro Dialysatoren GmbH und dem Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik IGVT der Universität Stuttgart arbeiten die Forscher des Fraunhofer IGB an neuartigen Hohlfasermembranen für die Blutreinigung. Mit diesem neuen medizintechnischen Verfahren sollen Giftstoffe aus dem Blut herausgefiltert werden, ohne dass das Blutbild verändert wird.

Ein Problem bei der Blutreinigung bestand bisher darin, dass häufig vor dem eigentlichen Filtervorgang die empfindlichen Blutkörperchen in einem apparativ aufwändigen und somit teuren zweistufigen Prozess vom Blutplasma getrennt werden mussten. Ziel der beteiligten Wissenschaftler war es nun, eine Membranstruktur zu schaffen, die beide Schritte integrieren kann. In einem dreijährigen Entwicklungsprojekt gelang es, mittels eines trockenen Niederdruckplasma-Gasphasenverfahrens, die Oberfläche einer Hohlfasermembran so zu modifizieren, dass das Plasma ohne einen vorgeschalteten Plasmafilter in einem Prozessschritt abgetrennt werden kann und Giftstoffe spezifisch herausgefiltert werden können. „Der revolutionäre Schritt dabei ist, dass nicht die Gesamtoberfläche der Filtermembran verändert wird, sondern eine regioselektive Modifizierung erfolgt“, erklärt Projektleiter Dr. Michael Müller vom Fraunhofer IGB. Nur so könne die Blutverträglichkeit der von Gambro speziell für diese Anwendung entwickelten Hohlfasermembran erhalten bleiben. „Oberflächen, die Giftstoffe binden, sind häufig nicht blutverträglich.“ Deshalb sei in der herkömmlichen medizinischen Verfahrenstechnik bei der Apherese die Trennung und gesonderte Behandlung von Blutzellen und Plasma meist erforderlich. „Dieser Widerspruch wird aufgelöst durch den Erhalt der Blutverträglichkeit für die Bereiche der Membran, die in Kontakt mit den Blutzellen stehen. Die Oberfläche wird nur dort funktionalisiert, wo ausschließlich das Blutplasma strömt“, so Müller.

Dazu wurde am Fraunhofer IGB ein trocken arbeitendes plasmachemisches Behandlungsverfahren entwickelt, durch das ausschließlich die Oberfläche der Außenwand der Hohlfaser und die innere Oberfläche der Membranporen funktionalisiert wird, die Oberflächeneigenschaften des Lumens, des inneren Kanals der Hohlfaser, aber unverändert bleiben: Wenn im Filterprozess das Blut durch die porösen Hohlfasern fließt, dringt nur das Plasma durch die feineren Poren. Die empfindlichen größe-ren Blutzellen bleiben im blutverträglichen Lumen, so dass Zellen und Plasma getrennte Wege gehen. An den durch das spezielle Gasphasenverfahren funktionalisierten Oberflächenbereichen ziehen Bindemoleküle die Giftstoffe aus dem Plasma. Am Ende jeder Faser werden das entgiftete Plasma und die Blutzellen aus dem Lumen wieder zusammengeführt. Eine wichtige Voraussetzung für diese Erfindung ist die Niederdruckplasmatechnologie des Fraunhofer IGB für die chemische Oberflächenmodifizierung der Membran. Mit dieser Technologie kommt ein weiterer großer Vorteil dieses Verfahrens zum Tragen: die Möglichkeit, innerhalb sehr kurzer Zeit auf umweltverträgliche Weise große Oberflächen funktionalisieren zu können.

In der Laborphase hat das neuartige Blutwäschesystem einen Großteil der Tests erfolgreich bestanden. „Im nächsten Schritt geht es darum, den Laborbetrieb in eine vorhandene Produktionslinie zu integrieren“, sagt Müller. Von der Membranherstellung über die Integration der Niederdruckplasmabehandlung bis zum fertigen Modul muss alles automatisch in einer vorgegebenen Geschwindigkeit ablaufen. Nach der chemischen Ausrüstung werden die hauchdünnen Kapillarmembranen in einem Kunststofffiltermodul mit circa fünf Zentimeter Durchmesser zusammen geführt, das dann bis zu 3.000 der parallel angeordneten Fasern enthalten kann. Klinische Tests des neuen Apherese-Verfahrens sind dann der nächste Schritt.

Die medizintechnische Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist stets langwierig und teuer, in der Regel verstreichen von der ersten Idee bis zum zugelassenen Produkt rund zehn Jahre. Das Marktpotenzial für das neue Blutwäscheverfahren schätzt Dr. Michael Müller indes als sehr gut ein. Das Spektrum der potenziellen Anwendungen für die neuartige modifizierte Hohlfasermembran ist immens. Der neue Filterungsprozess könnte über die Blutvergiftung hinaus auch bei Medikamentenvergiftungen, Leukämie oder anderen Immunkrankheiten Anwendung finden. Grundsätzlich sei die enge Zusammenarbeit von Forschung, Industrie und Kliniken in der medizinischen Entwicklungsarbeit unerlässlich, so Müller. „Wir haben zwar die modifizierte Hohlfaser entwickelt, aber damit ein Mediziner etwas damit anfangen kann, braucht er das fertige, in eine Apparatur integrierte Modul.“ Kooperationen wie die zwischen dem Fraunhofer IGB, der Gambro Dialysatoren GmbH und einer medizinischen Einrichtung sind typisch für die BioRegion STERN und für Dr. Müller ideal: „In dieser Region haben wir optimale Synergien, da wir in allen Bereichen das nötige Know-how vorfinden und die Wege kurz sind.“