Die extrakorporale Nierenersatztherapie ist gegenwärtig das Verfahren der Wahl zur Behandlung von chronischen Nierenversagen, sofern kein Spenderorgan zu Verfügung steht und somit eine Nierentransplantation nicht möglich ist. Rezente Nierenersatztherapie-Verfahren nutzen diffusive und konvektive Filtrationsprozesse zur Reinigung des Blutes. Allen Verfahren gemein ist, dass sie auf die Abtrennung von wasserlöslichen und niedermolekularen Substanzen optimiert sind und durch die Limitierung der Porengrößen der Dialysemembranen und die Verwendung wässriger Dialysate hydrophobe, proteingebundene Urämie- Toxine nur unzureichend entfernen können. Chronisch-niereninsuffiziente Patientenpopulationen weisen aufgrund der unzureichenden Abtrennung von proteingebundenen Urämie-Toxinen eine vermehrte kardiovaskuläre Morbidität und Mortalität auf. Proteingebundene Urämie-Toxine wie Phenylessigsäure, Indoxylsulfat und p-Kresylsulfat führen zum Beispiel zu Veränderungen der Gefäßtonus-Regulation, Artheriosklerose und zu endothelialer Dysfunktion. Um das Leben und Überleben dieser Patientengruppe zu verbessern, ist die Entwicklung von neuartigen und ergänzenden Verfahren zur verbesserten Abtrennung dieser proteingebundenen Urämie-Toxine von besonderer Relevanz. Für die Entwicklung von Therapieverfahren, die verbesserte Abtrennraten proteingebundener Urämie-Toxine im Vergleich zu konventionellen Verfahren aufweisen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit physikochemische Methoden entwickelt, die die Assoziation zwischen Protein und Urämie-Toxin vermindern und dadurch den dialysierbaren ungebundenen Anteil dieser Substanzen vergrößern. In einem neu entwickelten Dialyseverfahren wurde die Wechselwirkung proteingebundener Urämie-Toxine mit Plasmaproteinen durch eine erhöhte Ionenstärke vermindert, wodurch der ungebundene Anteil der Urämie- Toxine vergrößert wurde. Die ungebundenen Urämie-Toxine wurden dialytisch entfernt, sodass verbesserte Abtrennraten proteingebundener Urämie-Toxine ermöglicht wurden. Da die Ionenstärke in einem Maße erhöht wurde, ohne Plasmaproteine und Blutzellen zu schädigen, wurden die Grundlagen für ein sicheres und den konventionellen Verfahren überlegenes Hämodialyseverfahren etabliert. In Adaptierung wurde aus den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit ein Behandlungsverfahren entwickelt, bei dem durch die Infusion einer hypertonen Kochsalzlösung die Ionenstärke innerhalb des Hämodialysators erhöht wird und proteingebundene Urämie-Toxine im Vergleich zu konventionellen Dialyseverfahren verbessert abgetrennt werden. Das neu entwickelte Verfahren wird gegenwärtig im Tiermodell validiert und stellt somit ein alternatives Hämodialyseverfahren mit vermehrter Abtrennung proteingebundener Urämie-Toxine dar. Weiterhin wurde mit Hilfe hochfrequenter elektromagnetischer Felder die Wechselwirkung zwischen Urämie-Toxinen und Plasmaproteinen vermindert, wodurch ein größerer Anteil der proteingebundenen Urämie-Toxine im ungebundenen Zustand vorlag und dialytisch abtrennbar war. Um elektromagnetische Feldfrequenzen zu identifizieren, in deren Anwesenheit proteingebundene Urämie-Toxine vermehrt aus der Proteinassoziation freigesetzt werden, wurde ein Testsystem entwickelt, bei den konventionelle Dialysatoren und Schlauchsysteme verwendet werden, um das Verfahren der klinischen Verwendung zugänglich zu machen. Durch die entwickelte Automatisierung Versuchdurchführungen konnten die Versuchsparameter optimiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass in Anwesenheit hochfrequenter elektromagnetischer Felder proteingebundene Urämie-Toxine innerhalb eines konventionellen Hämodialysators aus der Proteinbindung freigesetzt und dialytisch abgetrennt werden. Dies führte zu einer erhöhten Abtrennrate der proteingebundenen Urämie-Toxine. Darüber hinaus konnte die verwendeten HF-Felder dieses Verfahrens als biologisch unbedenklich verifiziert werden, da keine Beeinflussung der Funktionalität und Strukturintegrität der Plasmaproteine auftrat. Das neu etablierte Dialyseverfahren in Anwesenheit elektromagnetischer HF-Felder wird gegenwärtig in einem weiteren Entwicklungsschritt im Tiermodell validiert und verifiziert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein drittes Verfahren entwickelt, das ein extrakorporales, adsorber-basiertes Verfahren darstellt. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung hydrophober Neutral-Adsorber und kationischer Anionenaustauscher aromatische und anionische proteingebundene Urämie-Toxine effektiv aus einer Proteinlösung entfernt. Daher wurde der Einsatz eines adsorber-basierten Verfahrens im Rahmen einer klinischen Studie in der extrakorporalen Nierenersatztherapie validiert. Das FPAD-Verfahren, das aus einer Kombination eines Adsorberkreislaufs und einer konventionellen Hämodialyse aufgebaut ist, konnte die proteingebundenen Urämie-Toxine Phenylessigsäure, Indoxylsulfat und p-Kresylsulfat signifikant verbessert abtrennen als eine konventionelle Hämodialyse. Der Adsorberkreislauf des FPAD- Verfahrens, der aus einem hydrophoben Neutral-Adsorber und einem kationischen Anionenaustauschers aufgebaut ist, war dabei maßgeblich für die gesteigerte Abtrennung von Phenylessigsäure, Indoxylsulfat und p-Kresylsulfat im Vergleich zur konventionellen Hämodialysetherapie. Die folgende konventionelle Hämodialyse des FPADVerfahrens hatte einen untergeordneten Einfluss auf die Abtrennung die proteingebundenen Urämie-Toxine. Zur weiteren Validierung wird aktuell eine weitere klinische Studie an der Charité durchgeführt, bei der bisher zwei von 10 chronisch-niereninsuffizienten Patienten über eine sechswöchigen Behandlungszeitraum einmal wöchentlich mit dem FPADVerfahren behandelt wurden, um die Trennleistung des FPAD-Verfahrens in einem größeren Patientenkollektiv zu bestimmen und langfristige Effekte der verbesserten Abtrennung proteingebundener Urämie-Toxine auf das klinische Langzeitergebnis der Patienten zu untersuchen. Da die proteingebundenen Urämie-Toxine einen großen Einfluss auf die Morbidität und Mortalität von chronisch- niereninsuffizienten Patienten ausüben, ist die Entwicklung von extrakorporalen Verfahren voranzutreiben, um proteingebundene Urämie-Toxine verbessert abtrennen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit konnten drei Verfahren, die im Vergleich zu den konventionellen Verfahren über überlegende Abtrennraten von proteingebundenen Urämie-Toxinen verfügen, entwickelt und zur klinischen Anwendung gebracht werden.
Conventional extracorporeal renal replacement therapies are currently the major treatment forms of chronic kidney disease (CKD), if either kidney transplantations are not possible or to bridge the time gap until a donor organ is available. Extracorporeal blood-cleaning is based on diffusive and convective processes through the dialysis membrane. Conventional methods have in common that they are optimized on removal of water-soluble and low molecularweight substances. Whereas water-soluble and low molecular-weight uremic toxins are cleared sufficiently by conventional dialysis, the removal of middle-molecular uremic toxins and hydrophobic protein-bound uremic toxins is insufficient. While the clearance of middlemolecular uremic toxins has been improved during the recent years by increasing the pore sizes of the dialysis membranes, the removal of hydrophobic protein-bound uremic toxins, which show macromolecules characteristics, is still deficient. Protein-bound uremic toxins accumulate in patients with chronic kidney diseases and seem to have a major impact on the progression of chronic kidney disease and cardiovascular disease (CVD). Renal failure patients have an increased cardiovascular morbidity and mortality due the inadequate clearance of protein-bound uremic toxins. Protein-bound uremic toxins induce changes in the vascular tone regulation, atherosclerosis and promote endothelial dysfunction. In order to improve live and survival of these patients the development of novel dialysis treatments for an enhanced removal of hydrophobic protein-bound uremic toxins is of high relevance. The novel dialysis treatments that have been developed in the present thesis are based on physicochemical methods, focusing on the reduction of the binding between proteins and uremic toxins. In a novel dialysis procedure the association of protein-bound uremic toxins to plasma proteins was reduced by an increased ionic strength, in order to increase the unbound fraction of uremic toxins. The unbound uremic toxins were removed by dialysis, so improved removal rates of protein-bound uremic toxins were realized. While the ionic strength was increased to an extent without inducing damages to plasma proteins and blood cells, the foundations for a secure method were developed with superior characteristics compared to conventional hemodialysis. In adaptation of the results of the present study, a treatment method was developed, in which a hypertonic saline infusion is used to increase the ionic strength within the hemodialyzer in order to remove protein-bound uremic toxins superior to conventional dialysis. The novel treatment method is evaluated next in an animal model, before a clinical application is realized. Therefore this novel dialysis procedure with improved removal of protein-bound uremic toxins represents an alternative to conventional treatment forms. In addition, high-frequency electromagnetic fields were used to reduce the association between proteins and uremic toxins. Thereby the unbound state of protein-bound uremic toxins was increased and was separated by dialysis. A test system was developed and established to identify high-frequency electromagnetic field-frequencies, that release proteinbound uremic toxins from protein-binding. This test system is based on conventional dialyzers and tubing, to make the novel method accessible to clinical treatment of chronic kidney diseases patients. These studies were automated to identify high-frequency electromagnetic fields and optimize the experimental parameters. To validate the separation efficiency of this novel method in a clinical scale, conventional hemodialyzer are inserted into the high frequency electromagnetic fields. In presence of high-frequency electromagnetic fields within a conventional hemodialyzer protein-bound uremic toxins were released from their protein bindings and were increasingly removed by dialysis. This in turn led to improved separation rate of protein-bound uremic toxins. Moreover, it was shown that high frequency electromagnetic fields are biologically safe, since they had no effect on the function and structure integrity of the plasma proteins. This novel dialysis method with improved removal of protein-bound uremic toxins in presence of high frequency electromagnetic fields will be validated and verified in an animal model as a further development step. A third method was developed, representing an extracorporeal adsorber-based therapy. It has been shown that the use of a hydrophobic neutral adsorbent and a cationic anion exchanger effectively removes anionic, aromatic and protein- bound uremic toxins from a protein solution. Hence an adsorber-based method was validated in renal replacement within a clinical study. It has been shown that the FPAD-therapy, which is a combination of a adsorber-circuit and a conventional hemodialysis, removes protein-bound uremic toxins like phenylacetic acid, indoxyl sulfate and p-cresyl sulfate significantly better than conventional renal replacement. The adsorber circuit of the FPAD, consisting of a hydrophobic neutral adsorber and a cationic anion exchanger, had the major impact on the improved removal of protein-bound uremic toxins in comparison to conventional dialysis therapy. The hemodialysis unit of the FPAD had a minor impact on the removal of protein-bound uremic toxins. For further validation, a clinical study is performed within the Charité: Two of ten patients with chronic renal failure have been treated so far once the week with FPAD-therapy during a six-week time period in order to evaluate the removal rates of protein-bound uremic toxins in a larger patient collective. Thus long-term effects of improved removal of uremic toxin are investigated on the clinical outcome of these patients. Since protein-bound uremic toxins exert major impacts on the morbidity and mortality of chronic renal failure patients, the development of improved extracorporeal methods with enhanced removal of protein-bound uremic toxins has to be promoted. In the present thesis, three methods were described from the development to clinical applications that have superior removal rates of protein-bound uremic toxins, in comparison to the conventional dialysis.
