Improving model accuracy to study diabetic patients undergoing hemodialysis

Chronic kidney disease (CKD) is characterized by a gradual loss of kidney function. CKD occurs when the glomerular filtration rate is less than 60 mL/min for at least three months. CKD becomes irreversible when the kidney function is below 15% of normal function. This condition is named End Stage Renal Disease (ESRD). Diabetes mellitus, the metabolic disease in which the body is deficient in insulin secretion, insulin action or both, is one of the leading causes of ESRD. ESRD can be treated by dialysis or kidney transplantation. Hemodialysis (HD) replaces the kidney function of filtering the blood. It is a process in which the solute concentration of one solution (blood) is corrected through the exposure to another solution (dialysate) through a semi permeable membrane. HD treatment can be accompanied by various complications that lead to poor long-term health outcomes. Conventional HD treatment is administered using a one size fits all strategy, where the dialysate is usually prescribed without taking into consideration individual patient specific parameters. Mathematical modeling of HD allows clinicians to predict the effect of the procedure and therefore plan the patient’s treatment accordingly. The parametric model developed at the Laboratory of Biological Systems (LaBS) at Politecnico di Milano, is a tool, implemented in Matlab®, to predict the patient specific response to HD treatment, accounting for the electrolyte plasma concentration trends. The model takes into consideration patient data and through the identification of patient specific parameters, simulates the electrolyte and catabolite plasma concentrations as a result of the HD treatment. As the model was not specifically developed for diabetic patients, this work is aimed at understanding the variation of the model’s patient specific parameters due to the presence of diabetes as well as the dependence on exogenous insulin. Diabetes mellitus plays an important role in electrolyte metabolism and capillary permeability: these phenomena should be considered in the model to allow for more appropriate modeling of the HD treatment. It was found that the patient specific parameter settings can be changed based on the type of patient (ex. diabetic or diabetic and insulin dependent) to obtain more accurate results with respect to electrolyte plasma concentrations.

La malattia renale cronica (CKD) è caratterizzata da una graduale perdita della funzione renale. La CKD si verifica quando la velocità di filtrazione glomerulare è inferiore a 60 mL/min per almeno tre mesi. CKD diventa irreversibile quando la funzione renale è inferiore al 15% della funzione normale, questa condizione è chiamata End Stage Renal Disease (ESRD). Il diabete mellito, la malattia metabolica in cui il corpo è carente di secrezione di insulina, azione insulinica o entrambi, è una delle principali cause dell'ESRD. L'ESRD può essere trattato per dialisi o trapianto di rene. L'emodialisi (ED) sostituisce la funzione renale del filtraggio del sangue. È un processo in cui la concentrazione di soluto di una soluzione (sangue) viene corretta attraverso l'esposizione a un'altra soluzione (dialisato) attraverso una membrana semi permeabile. Il trattamento con MH può essere accompagnato da varie complicazioni che portano a scarsi risultati di salute a lungo termine. Il trattamento HD convenzionale viene somministrato utilizzando una taglia unica adatta a tutte le strategia, in cui il dialisato viene solitamente prescritto senza prendere in considerazione singoli parametri specifici del paziente. La modellazione matematica della MH consente ai medici di prevedere l'effetto della procedura e quindi pianificare il trattamento del paziente di conseguenza. Il modello parametrico sviluppato presso il Laboratorio di Sistemi Biologici (LaBS) del Politecnico di Milano, è uno strumento, implementato in Matlab®, per prevedere la risposta specifica del paziente altrattamento ED, che rappresenta le tendenze della concentrazione plasmatica elettrolitica. Il modello prende in considerazione i dati dei pazienti e attraverso l'identificazione di parametri specifici del paziente, simula le concentrazioni plasmatiche di elettroliti e cataboliti a seguito del trattamento con ED. Poiché il modello non è stato sviluppato specificamente per i pazienti diabetici, questo lavoro è volto a comprendere la variazione dei parametri specifici del paziente del modello a causa della presenza di diabete e della dipendenza dall'insulina esogena. Il diabete mellito svolge un ruolo importante nel metabolismo degli elettroliti e nella permeabilità capillare: questi fenomeni dovrebbero essere considerati nel modello per consentire una modellazione più appropriata del trattamento con ED. Si è riscontrato che le impostazioni dei parametri specifici del paziente possono essere modificate in base al tipo di paziente (ad esempio diabetico o diabetico e insulino-dipendente) per ottenere risultati più accurati rispetto alle concentrazioni plasmatiche di elettroliti.