LiSA-H Eine neue Heparinmessmethode in der klinischen Anwendung Prof. Dr. Werner Mäntele Institut für Biophysik, Fachbereich Physik Goethe-Universität Frankfurt am Main Max von Laue-Straße 1 D-60438 Frankfurt am Main, Germany [email protected] http://www.biophys.uni-frankfurt.de 1 6. Frankfurter Gerinnungssymposium 04.09.2015 Nachdosierungen von Heparin bei längeren chirurgischen Eingriffen Universitätsklinikum Basel, 875 Patienten (2002 - 2004) 20 % Quelle: PD Dr. Doan Baykut 27.500 -150.000 IE 0 IE 20.000 -25.000 IE 17.500 IE 15.000 IE 12.500 IE 5.000 IE 10.000 IE 7.500 IE Eines der meistverwendeten Medikamente zum Gerinnungsmanagement • Thromboseprophylaxe (oft auch bei Langstreckenflügen) • Hämodialyse • Lungenembolien • Herzinfarkt • Herzchirurgie, Bypassoperationen • Gefäßoperationen • Operationen mit Einsatz der Herz-Lungen-Maschine (HLM) Nachteile: • keine Analytik • nur indirekte Dosiskontrolle • Gerinnungsmessung hängt von vielen Parametern ab • keine individuelle Dosierung möglich Dosierungskontrolle bei Heparin/Protamin: Gerinnungsmessungen: • Activated Clotting Time (ACT) • Activated Partial Thromboplastin Time (aPTT) • Heparin/Protamin Titration: Hepcon HMS-plus® • ITC-Hemochron Response Analyzer® Probleme mit: • Temperatur, Medikamenten • Individuelle Heparin-Response • Thrombozytenfunktionsstörungen • Vorheparinisierung Keine präzisen und quantitativen Informationen Journal of Cardiothoracic and Vascular Anaestesia 11 (1997), pp 24-28) 4 Antagonisierung der Heparinwirkung durch Protamin Protamin: Protamin • Peptid (32 AA) aus dem Lachssperma ProArg4Ser3ArgProValArg5ProArgValSerArg6Gly2Arg4 • Positiv geladen (21 Arginine) • Bindet spezifisch und sehr stark an Heparin Niedermolekulares Heparin (4-6 kDa, bis zu 30 %) Hochmolekulares Heparin (12-30 kDa) Unfraktioniertes Heparin Nanopartikel aus Heparin und Protamin Heparin-Protamin-Bindung ist elektrostatisch: + + + + + + + + Heparin ProArg4Ser3ArgProValArg5ProArgValSerArg6 – Gly2Arg4 Protamin Nach dem Binden der positiven Ladungen des Protamins an die negativen Ladungen des Heparins: • Löslichkeit des Komplexes sinkt • der Komplex kondensiert zu Nanopartikeln 6 Zugabe von Protamin in heparinisiertes Blutplasma führt zur Bildung von Nanopartikeln, die durch Lichtstreuung nachgewiesen werden Blutplasma Heparin Protamin 7 Light Scattering Assay for Heparin: Ein neues Verfahren zum Blutgerinnungsmanagement • Direkte Bestimmung der Heparinkonzentration im Blut • Schnelles point-of-care Verfahren • Präzise Dosierung von Heparin • Kontrollierte Nachdosierung von Heparin • Präzise Dosierung von Protamin Maurer, Haselbach, Klein, Baykut, Vogel, Mäntele (2011) Analysis of the Complex Formation of Heparin with Protamine by Light Scattering and Analytical Ultracentrifugation: Implications for Blood Coagulation Management. J. Am. Chem. Soc. 133, 1134 – 1140 8 Wer misst, hat recht……….. „Das Wichtigste aber ist die Gewinnung der Data“ (Schopenhauer) Laserdiode 9 Technische Daten: • Kalibrierung für Heparinkonzentrationen 0…..10 IU/ml • Meßzeit ca. 5 Minuten (abhängig von der Heparinkonzentration) • gute Prognose der Heparinkonzentration schon nach 1-2 Minuten • Menüführung/benutzerfreundliche Software auf Tablet-PC • Netzbetrieb/netzunabhängiger Betrieb • Speicher für mehrere Heparinmessungen während einer Operation • Ausgabe der Daten für die Patienten über USB-Schnittstelle • Integrierter Bar-Code-Leser für die Patientenakte 10 Point-of-Care Heparinanalytik • Blutprobe (< 0.5 ml) • schnelle Plasmapräparation • Zugabe von Protamin im Überschuss (immobilisiert im Deckel des Probenröhrchens) • Bildung von Nanopartikeln (< 5 Minuten) • Lichtstreumessung • Ausgabe der aktuellen Heparin-Konzentration (in IU/ml) • ggf. Dosierungsempfehlung für Protamin 11 Sättigungswert Heparin-Protamin-Nanopartikel bilden sich → Streuintensität steigt Blutplasma zeigt eine bestimmte Streuintensität I Zugabe von Protamin Grundstreuung Änderung der Streuintensität nach Protaminzugabe liefert Heparin-Konzentration in der Plasmaprobe 12 Kalibrierung des Prototyps für den klinischen Einsatz …..viele Blutproben von gesunden Freiwilligen 13 Klinische Tests der neuen Heparinmessung • Prospektive Studien bei Herz- und Gefäßchirurgischen Eingriffen mit der Herz-Lungenmaschine (HLM) • Parallelmessung der Heparinkonzentration und der etablierten Gerinnungsverfahren • Klinikum der Goethe-Universität Herz-Thorax-Chirurgie (Prof. Moritz) 50 Patienten • Universitätsklinikum Gießen-Marburg Kinderherzchirurgie (Prof. Böning) 30 Patienten • Evangelisches und Johanniter Klinikum Duisburg Herz-Thorax-Chirurgie (Prof. Scherer) Haselbach , Maurer, Vogel, Harder, Weber, Baykut, Meininger, Keller, Moritz, & Mäntele (2013) A novel method for the direct determination of heparin concentration during cardiopulmonary bypass surgery. Clin Chem Lab Med. 51(10):2037-43. 14 100 Patienten Die während der Operation erfassten Daten werden als Chronogramm dargestellt: Heparin-Konzentration ACT ACT-Wert Heparin-Konzentration Ziel-ACT HLMAbschluss HLMAnschluss Initiale Heparinisierung 15 Heparin Heparin + Antithrombin Protamingabe Zeit Zwei Gruppen von OP-Verläufen bilden sich heraus: 16 Aktuelle Heparinkonzentration korreliert mit ACT Aktuelle Heparinkonzentration und ACT sind disjunkt: „synchrone Verläufe“ Gefahr von Fehldosierungen ! Beispiel aus der Kinder-Herzchirurgie Universitätsklinikum Gießen-Marburg Heparinkonzentration kann noch verlässlich bestimmt werden, wenn ACT bereits außerhalb des Messbereichs liegt ab hier: unbeeinflusster Heparinabbau Kinetik des Heparin-Abbaus lässt sich beobachten und charakterisieren: Extreme Variation von Patient zu Patient 17 OP-Verläufe wie dieser zeigen den unmittelbaren Nutzen eines Blutgerinnungsmanagements mit einer direkten Heparinmessung: An Ende der Operation von Patient X: • normaler ACT-Wert • hoher gemessener Heparinwert • postoperativ starke diffuse Blutungen • kritische, Hb-relevante Blutungen • instabiler Blutkreislauf • Gabe von mehreren Blutkonserven Vermeidbare Komplikationen 18 Die Phasen des Projekts: • Grundlagenforschung • Charakterisierung der Nanopartikel 2005-2009 • Entwicklung der Lichtstreuanalytik • Patentanmeldung, Patentierung (DE, EP, US, JP) • Publikationen 2015: Nominierung • Entwicklung eines Funktionsmusters • Erhöhen der Empfindlichkeit 2009-2011 • Tests zu Querempfindlichkeiten • Erste prospektive klinische Tests • Einbeziehung der künftigen Nutzer • Entwicklung mehrerer Prototypen • Weitere klinische Tests • Zulassung als Medizingerät (2015) • Lizenzeinnahmen der Goethe-Universität • Markteinführung (Oktober 2015) 2011-2015 Heparinanalytik einmal anders………. Tatort München 20 Die „Todes-Hebamme“ von Großhadern….. Klinikum Großhadern Anklage wegen Mordversuchs gegen Ex-Hebamme Gegen eine frühere Hebamme des Klinikums Großhadern ist Anklage erhoben worden. Ihr wird versuchter Mord und gefährliche Körperverletzung in neun Fällen vorgeworfen. Sie soll Patientinnen lebensgefährliche Medikamente verabreicht haben. Bayerischer Rundfunk, 22.07.15 Mordversuch im Kreißsaal Klinikum Großhadern: Mordanklage gegen Hebamme Vor rund einem Jahr wurde im Klinikum Großhadern ein unglaublicher Skandal aufgedeckt: Eine Hebamme hatte versucht, schwangere Frauen umzubringen. Jetzt erhebt die Staatsanwaltschaft Anklage wegen neunfachen versuchten Mordes. Abendzeitung, 22.07.15 Todes-Hebamme wegen versuchten Mordes angeklagt München – Mordversuch im Kreißsaal! Die Nachricht von der Todes-Hebamme in Großhadern schockte vor einem Jahr ganz München. Regina K. (34) soll vier schwangeren Frauen vor ihren Kaiserschnitt-Operationen ein blutverdünnendes Mittel gespritzt haben. Die Folge: Die Frauen wären beinahe verblutet! Nur knapp konnten die vier Opfer gerettet werden. Die neugeborenen Babys blieben unverletzt. Jetzt hat die Staatsanwaltschaft die Ermittlungen gegen die Hebamme abgeschlossen und Anklage erhoben. Regina K. wird der Prozess gemacht wegen versuchten Mordes und gefährlicher Körperverletzung. Bild, 22.07.15 21 Was war passiert ? • April bis Juni 2014, Klinikum Großhadern: Auffällig starke, lebensgefährliche Blutungen bei vier Gebärenden mit Kaiserschnitt; die Frauen konnten gerettet werden. • Verdacht auf manipulierte Infusionen von Cefuroxim: möglicherweise mit Heparin versetzt; • Asservieren von Infusionsflaschen und Schläuchen; Kontaktaufnahme der Ärzte in Großhadern mit uns; • am Institut für Biophysik: Nachweis von Heparin in den Resten der Infusionslösungen mittels LiSA-H; Quantitative Bestimmung ergibt bis zu ca. 250 IE/mL in den manipulierten Infusionslösungen; • Konzentration entspricht dem Einbringen des Inhalts einer 5 ml Heparin-Ampulle (5000 IE) in die 100 ml-Cefuroxim -Infusionslösung; • Verdacht fällt aufgrund des Dienstplans auf eine Hebamme; • Die Hebamme Regina K. (34) kommt am 18.Juli 2014 in U-Haft; • weitere, ähnliche Vorgänge an früheren Arbeitsplätzen der Hebamme werden bekannt, u.a. in Bad Soden (MTK); • 22.07.2015: Anklage gegen die Hebamme wegen neunfachen versuchten Mordes und gefährlicher Körperverletzung durch die Staatsanwaltschaft München. 22 LiSA-H Verbessertes Blutgerinnungsmanagement durch eine direkte Bestimmung der Heparinkonzentration: • Individuelle Heparindosierung für jeden Patienten • Präzise, rationale Heparin-Nachdosierungen während des Eingriffs • „Punktlandung“: Präzise Wiederherstellung der Gerinnungsfähigkeit bei der Protamindosierung am Ende des Eingriffs - Weniger postoperative Blutungen - Erhöhte Patientensicherheit - Kostenreduktion 23 Das Team am IfB: Dr. Jürgen Maurer Optik/Verfahren Projektleitung Dr. Gernot Köhler Frauke Köhler Dr. Andreas Roth Elektronik Steuerung Viktor Gesiarz Software Benutzeroberfläche Stephanie Haselbach Ernst Schmidt Thomas Ullsperger in Kooperation mit: Klinik für Thorax-, Herz- und Thorakale Gefäßchirurgie Universitätsklinik Frankfurt /Main (Prof. Moritz) Klinische Tests Dr. Vitali Vogel Labortests Validierung Herz-, Kinderherz- und Gefäßchirurgie Universitätsklinikum Gießen und Marburg (Prof. Böning) Evangelisches und Johanniter Klinikum Duisburg Herz-Thorax-Chirurgie (Prof. Scherer) Ernst Winter Mechanische Komponenten Gesellschaft für innovative Technologien und F&E-Dienstleistungen der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main mbH 24
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