BIOCOMPATIBILITE DES MEMBRANES DE DIALYSE le rôle de l’adsorption Professeur Jacques Chanard CHU Reims « Inflammation en dialyse » Troyes, 28-29 novembre 2002

À la recherche d’une définition BIOCOMPATIBILITE À la recherche d’une définition Son domaine: L’étude des réactions physico-chimiques et de leurs conséquences cliniques qui surviennent du fait du contact du sang avec un circuit extra-corporel qui comprend la membrane de dialyse et le dialysat.

À la recherche d’une définition BIOCOMPATIBILITE À la recherche d’une définition Les contraintes d’une définition: Toute définition doit inclure une perspective clinique destinée à justifier un choix thérapeutique: mortalité, morbidité à court et/ou long terme; Aucune définition restreinte à la seule dimension thermodynamique, physique, chimique ou biologique n’est complète, malgré l’accessibilité à la mesure scientifique de ces dimensions techniques. En pratique, toute évaluation ne pourra être que comparative entre deux membranes et généralement basée sur la mesure d’objectifs intermédiaires.

Une définition à trois composantes BIOCOMPATIBILITE Une définition à trois composantes Le patient « tampon » Structure et composition de la membrane de dialyse Modifications du plasma et des cellules sanguines

Perspectives cliniques: * Nutrition/Energétique PARAMETRES CLINIQUES ET BIOLOGIQUES GENERALEMENT UTILISES POUR EVALUER LA BIOCOMPATIBILITE Perspectives cliniques: * Nutrition/Energétique * Risque cardio-vasculaire * Amylose ostéo-articulaire des dialysés * Susceptibilité aux infections Les mécanismes de l’Inflammation: * Activation du complément * Activation leucocytaire/stress oxydatif * Molécules d’adhésion * Cytokines Coagulation/fibrinolyse

PARAMETRES CLINIQUES IMPUTABLES A DES REACTIONS DE BIOINCOMPATIBILITE Des critères indubitables: Coagulation du circuit extracorporel Réactions d’hypersensibilité dites « anaphylactoïde » Amylose associée à des dépôts de 2-microglobuline Dénutrition / Inflammation

PARAMETRES CLINIQUES IMPUTABLES A DES REACTIONS DE BIOINCOMPATIBILITE Des critères indubitables: Coagulation du circuit extracorporel Réactions d’hypersensibilité dites « anaphylactoïde » Amylose associée à des dépôts de 2-microglobuline Dénutrition / Inflammation

REAL-TIME in vivo IMAGING OF THROMBUS FORMATION Platelet Fibrin Co-localization THROMBUS FLURESCENCE (A.U.) Tissue Factor 0 15 30 45 60 TIME (seconds) S. Falati, Nature Med 2002; 8: 1175-80

PARAMETRES CLINIQUES IMPUTABLES A DES REACTIONS DE BIOINCOMPATIBILITE Des critères indubitables: Coagulation du circuit extracorporel Réactions d’hypersensibilité dites « anaphylactoïde » Amylose associée à des dépôts de 2-microglobuline Dénutrition / Inflammation

ACTIVATION DU COMPLEMENT EN HEMODIALYSE 5000 4000 3000 2000 1000  C3a veineux (ng/ml)   CUPROPHANE   AN 69            0 15 30 60 120 180 240 Durée de l ’Hémodialyse (mn) D.E. CHENOWETH, AJKD, 1983

BIOCOMPATIBILITE EN HEMODIALYSE: RELATIONS ENTRE LEUCOPENIE ET ACTIVATION DU COMPLEMENT Modifications maximales POLYNUCLEAIRES (% initial) C3d (mg / %) 25 50 75 100 2.0 1.5 1.0 0.5 CUPROPHANE POLYSULFONE ACETATE CELLULOSE AN 69

Kininogène de haut poids moléculaire ACTIVATION DE LA PHASE CONTACT DE LA COAGULATION ET DU SYSTEME KALLIKREIN-KININE PAR LA MEMBRANE DE DIALYSE SURFACE ELECTRONEGATIVE XII activé Thrombinoformation Kallikréine Kininogène de haut poids moléculaire Bradykinine tPA NO PGI2 CK1 uPAR gC1qR BKB2R PRCP Prékallikréine MEMBRANE CELLULAIRE

Inhibiteurs de l’enzyme de conversion

PARAMETRES CLINIQUES IMPUTABLES A DES REACTIONS DE BIOINCOMPATIBILITE Des critères indubitables: Coagulation du circuit extracorporel Réactions d’hypersensibilité dites « anaphylactoïde » Amylose associée à des dépôts de 2-microglobuline Dénutrition / Inflammation

AMYLOSE 2-MICROGLOBULINE: EFFETS DE LA NATURE CHIMIQUE DE LA MEMBRANE D’HEMODIALYSE SUR LA SURVENUE DU SYNDROME DU CANAL CARPIEN 100 80 60 40 20 AN 69 PATIENTS NON OPERES DU SCC (%) CUPROPHANE Mantel-Cox, p=0.0118 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ANNEES D’HEMODIALYSE J. Chanard BMJ 1989, 298: 867-868

PERMEABILITY OF DIALYSIS MEMBRANES Inulin 2-m RBP OM Albumin 1 .8 .6 .4 .2 AN 69 HF SIEVING COEFFICIENT POLYSULFONE PAN 200 CUPROPHANE 103 104 105 MOLECULAR WEIGHT (Daltons) J. Chanard KI ,1989

COEFFICIENT DE TAMISAGE DE LA 2-MICROGLOBULINE 60 50 40 30 20 10 AN 69 HF COEFFICIENT DE TAMISAGE DE LA 2-MICROGLOBULINE Polysulfone HF 0 60 120 180 DUREE DE L’HEMODIALYSE (mn)

PARAMETRES CLINIQUES IMPUTABLES A DES REACTIONS DE BIOINCOMPATIBILITE Des critères indubitables: Coagulation du circuit extracorporel Réactions d’hypersensibilité dites « anaphylactoïde » Amylose associée à des dépôts de 2-microglobuline Dénutrition / Inflammation

EFFECTS OF SHAM HEMODIALYSIS ON AMINO ACID RELEASE IN HEALTHY SUBJECTS AMINO ACIDS (µg/mL) 250 200 150 100 50 P<0.01 CU CA AN69 CU CA AN69 BASAL FINAL A. GUTIEREZ, ISBP, 1988

(pmols/mg protein/min) Effect of CRP on eNOS enzymatic activity and bioactivity NOS Activity (pmols/mg protein/min) cGMP (fmols/mg protein) Human aortic endothelial cells Control CRP 5µg/ml CRP 10µg/ml CRP 50µg/ml S.K. Venugopal, Circulation, 2002, 106: 1439

POLYSULFONE microporeuse POLYACRYLONITRILE polygel

POLYMERS (1) Un hydrogel est un réseau tridimentionel de chaînes polymèriques ayant des domaines dibloc hydrophiles et hydrophobes, qui gonfle mais ne se dissoud pas dans l’eau. Un copolymer est tribloc l’arrangement d’unités monomériques en chaines formant des diblocs , triblocs ou distribuées au hasard hasard

HYDROGELS (2) Micelle : arrangement d’un copolymer amphiphilique ( dibloc ) en fonction de ses domaines hydrophiliques et hydrophobiques . Hydrophilique Hydrophobique Nature 2002, 417: 388

HYDROGEL (3) ˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜ ˜ Structure tridimentionnelle de l’ résultant de réactions croisées entre chaines polymériques . La probabilité d’interaction entre molécule filtrée et membrane implique l’ensemble des domaines de la surface et du corps de la membrane accessibles dans le compartiment hydrique Domaine hydrophobe ˜ ˜ ˜ Molécule se Domaine hydrophile déplaçant dans un gradient de pression ˜ ˜ ˜ hydraulique et osmotique ˜ ˜ ˜

MECANISMES PHYSICO-CHIMIQUES D ’ADSORPTION MEMBRANAIRE Domaine hydrophile (polaire) + - - - Interactions ioniques - - - PROTEINE EN SOLUTION MEMBRANE POLYMERIQUE - + + + - + + + Domaine hydrophobe (lipidique) + D ’après J.D. ANDRADE, Biomedical Polymers, 2, 1985

Activation de la Kallikréine et formation de Bradykinine par différentes membranes de dialyse Potential Zeta Plasma kallikréine Génération de BK Membrane mV U/L fmol/mL AN69 - 70  5 60  15 32100 (26500-41200) PANDX - 60  4 80  20 28983 (22600-36150) PMMA - 25  2 10  5 130 (50-250) CT - 20  2 <5 65 (25-100) CUP - 10  1 <5 78 (25-50) PS - 5  1 <5 62 (25-120) AN69-ST - 3  1 <5 150 (30-450) JL Renaux,KI,1999

(CO)POLYMERE POREUX : POLYSULFONE Les conditions de fabrication des copolymères neutres (extrusion en présence de solvant) conditionnent les caractéristiques physiques de la membrane. Tamisage Support Molécule protéique se déplaçant dans un gradient de pression hydraulique et osmotique La filtration est conditionnée par la taille des pores. L’adsorp tion est passive associée à la polarisation des protéines

CONCENTRATION POLARIZATION OF PLASMA PROTEINS IN HEMODIALYSIS SYNTHETIC MEMBRANE Protein gel layer Fluid boundary layer flux Average protein concentration Ultrafiltratio n BLOOD DIALYSATE CONCENTRATION POLARIZATION OF PLASMA PROTEINS IN HEMODIALYSIS L.W. Henderson, 1975

ADSORPTION IS THE MAIN MECHANISM UNDERLYING MEMBRANE BIOCOMPATIBILITY BLOOD LEUKOCYTES O, OH proteases COMPLEMENT cytokines groth factors Membrane C3a, C5a, H, ... binding DIALYSATE acetate endotoxines

HEPARINOIDES : VARIANTS ELECTRONEGATIFS ( SO ) - ) 3 Anti - Xa CH O SO 2 3 (U/mg) O O COO Héparine (n=3) 149 O O OH OX O SO NH SO 3 3 CH O SO O 2 3 COO Héparine O O sursulfatée (n=5) 12,5 O SO OSO 3 3 O SO NH SO 3 3 CH OH 2 O O COO Héparine 6 - O - O O 0,1 désulfatée (n=2) OH OX O SO NH SO 3 3

INFLAMMATOIRES DE L’HEPARINE médiés par les sélectines EFFETS ANTI - INFLAMMATOIRES DE L’HEPARINE médiés par les sélectines (L. Wang JCI, 2002; 110: 127 - 136) INHIBITION DE L’ADHESION INHIBITION DE L’ADHESION A sLex - Polyacrylonitrile ( Elisa ) INTERCELLULAIRE (U937/ cell . endothéliale de poumon) 100 n l P - selectine 100 P - selectine n l n l n l 80 80 n n u l INHIBITION (%) 60 l INHIBITION (%) 60 n u u l 40 40 n n u u 20 l l u 20 u n u u n u n l l u l n u n l l u u 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 HEPARINOID (µg/mL) HEPARINOID (µg/mL) Héparine non fractionnée l Héparine sursulfatée n u Héparine 6 - O - désulfatée

BIOCOMPATIBILITY and ADSORPTION BIOCOMPATIBILITY and ADSORPTION During During hemodialysis hemodialysis , activated complement and , activated complement and coagulation proteins, and various leukocytes factors coagulation proteins, and various leukocytes factors such as such as proteases, proteases, chemokines chemokines and reactive oxygen and reactive oxygen species, species, bind to biocompatible negatively charged bind to biocompatible negatively charged membranes but not to membranes but not to bio bio in in compatible compatible and neutral and neutral membranes. This binding capacity modulates the membranes. This binding capacity modulates the proinflammatory proinflammatory effect of blood effect of blood - - membrane contact. membrane contact. Membrane binding capacity ( Membrane binding capacity ( adsorption adsorption ) rather than ) rather than membrane permeability ( membrane permeability ( sieving sieving coefficient coefficient ) appears of ) appears of paramount importance in defining biocompatibility. paramount importance in defining biocompatibility.

TRANSPORT MECHANISMS THROUGH TRANSPORT MECHANISMS THROUGH DIALYSIS MEMBRANES DIALYSIS MEMBRANES diffusion Non permeable membrane blood Non permeable membrane dialysate ex. : ex. : cuprophan cuprophan convection Highly permeable membrane ex. : polysulfone convection + adsorption Highly efficient ( reactive ) membrane ex. : polyacrylonitrile AN69

VERS UNE MEMBRANE PLUS HEMOCOMPATIBLE axes de recherche Modifications physiques: * atténuer la rugosité de surface * diminuer l’électronégativité de surface *rendre la membrane plus hydrophile (gel) Modifications chimiques: * fixer un anticoagulant (héparine) sur la surface * fixer un antioxydant sur la surface Réseau de fibrine fixant les cellules sanguines sur une membrane de CP