Individualization of dialysis treatment by continuous monitoring of electrolytes by novel optical sensor technologies

Het ontwikkelen en valideren van nieuwe optische sensoren voor het meten van elektrolytenconcentraties in de dialysevloeistof en het bloed. Uiteindelijk een dialysebehandeling op maat voor iedere patiënt.

Een belangrijke doelstelling van hemodialyse is een normalisering van de mineralenbalans (elektrolytenbalans), die bij patiënten met eindstadium nierfalen ernstig verstoord kan zijn. Bij hemodialyse wordt het bloed via een halfdoorlaatbaar membraan (kunstnier) in contact gebracht met dialysevloeistof, een waterige oplossing met een bepaalde concentratie aan mineralen (zoals natrium, kalium en calcium). Alhoewel de waarden van deze mineralen in het bloed van individuele dialysepatiënten sterk kunnen wisselen, heeft dialysevloeistof over het algemeen een standaard samenstelling. Afhankelijk van de verschillen tussen de waarden van de mineralen in het bloed en de dialysevloeistof kan dit leiden tot een te sterke dan wel een te geringe verwijdering tijdens een dialysebehandeling. Dit kan complicaties zoals hoge of lage bloeddruk, ritmestoornissen, botontkalkingen of vaatverkalkingen tot gevolg hebben.

Een dialysevoorschrift op maat voor iedere patiënt zou kunnen bijdragen tot een afname van deze complicaties. Hiervoor is echter continue monitoring van elektrolytenconcentraties in zowel de dialysevloeistof als het bloed noodzakelijk, hetgeen met de huidige laboratoriumtechnieken niet mogelijk is. Door middel van optische (op lichtstralen gebaseerde) sensoren lijkt het mogelijk te zijn om de waarden van mineralen als natrium, kalium en calcium selectief te meten zonder de noodzaak van bloedafnames.

De hypothese is dat nieuw te ontwikkelen optische sensoren te gebruiken zijn bij dialysetherapie om elektrolytenconcentraties te meten. Hiermee zal het mogelijk zijn om de vochtbalans alsmede de concentraties van elektrolyten in het bloed tijdens de dialysebehandeling bij te sturen.

Vraagstelling:
1. Het ontwikkelen van een optische sensoren voor de technieken PET (photo induced electron transfer) en LIBS (laser induced breakdown spectroscopy).
2. Het valideren van PET en LIBS voor het meten van elektrolytenconcentraties in het dialysaat (statische en dynamische condities).
3. Het valideren van de technieken voor het meten van natrium, kalium en calcium in in- en uitgaand dialysaat ten opzichte van directe metingen in het dialysaat.
4. Het valideren van metingen van elektrolytenconcentraties met behulp van optische sensoren gecombineerd met het bepalen van de snelheid van de verwijdering van afvalstoffen uit het bloed met behulp van een bestaande techniek.
5. Het valideren van metingen in het bloed.

De onderzoekers hebben een optisch sensorsysteem ontwikkeld dat de elektrolytenbalans in het dialysevloeistof real-time kan meten. De sensor bestaat uit een microscopisch klein kanaal, dat bedekt is met sensormoleculen die alleen licht uitzenden wanneer zij in contact zijn met een specifiek zout (bijvoorbeeld natrium). De hoeveelheid uitgezonden licht is een maat voor de zoutconcentratie. Door deze lichtintensiteit te meten, kunnen op een niet-invasieve manier continu de zoutconcentraties in de dialysevloeistof gemeten worden en worden gebruikt om de behandeling indien nodig bij te sturen.
Tijdens het project bleek dat de PET (photo induced electron transfer)- techniek meerdere voordelen heeft ten opzichte van de LIBS (laser induced breakdown spectroscopy)-techniek: a) PET is meer kansrijk voor de detectie van elektrolyten; b) PET is goedkoper om te produceren; c) PET kan makkelijker worden toegepast in bestaande machines dan de LIBS techniek. Hierdoor heeft het project zich vooral gefocust op de PET techniek.
In dit project is voor het eerst een nieuw meetsysteem ontworpen, gebouwd en getest. Hiermee werd aangetoond dat deze nieuwe optische meetmethode inderdaad werkt en niet, zoals bij bestaande methoden, beïnvloed wordt door de aanwezigheid van andere stoffen in de dialysevloeistof. De voordelen van dit apparaatje ter grootte van een luciferdoosje zijn onder andere de lage kosten, de goede stabiliteit en een hoge gevoeligheid.
Deze nieuwe en compacte sensor is een eerste stap naar het personaliseren van dialysebehandelingen. Het heeft een groot potentieel om te worden geïntegreerd in de bestaande dialysemachines. Verder kan een dergelijk sensorsysteem helpen bij de verdere ontwikkeling van een draagbare kunstnier.

Soort: Materiaalonderzoek & -ontwikkeling, toegepast, niet-klinisch.
Onderwerp: optische sensoren, photo-induced electron transfer (PET), laser induced breakdown spectroscopy (LIBS), hemodialyse.