dc.contributor.author
Böhringer, Falko
dc.date.accessioned
2018-06-07T17:09:42Z
dc.date.available
2014-06-10T13:46:42.598Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/3493
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-7693
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
en
dc.format.extent
III, 124 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Extrakorporale Therapie
dc.subject
proteingebundene Urämie-Toxine
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::572 Biochemie
dc.title
Entwicklung klinischer Methoden zur vermehrten Abtrennung proteingebundener
Urämie-Toxine im Rahmen einer extrakorporalen Therapie
dc.contributor.contact
falko.boehringer@charite.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. rer. nat. J. Jankowski
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. rer. nat. V. Haucke
dc.date.accepted
2014-04-30
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000096691-7
dc.title.translated
Development of clinical methods for increased removal of protein-bound uremic
toxins in the context of an extracorporeal therapy.
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000096691
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000015268
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free
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open access