TY - THES A1 - Devine, Eric T1 - Increased removal of protein bound uremic toxins through reversible modification of the ionic strength during hemodiafiltration T1 - Erhöhte Elimination proteingebundener Urämietoxine durch reversible Modifikation der Ionenstärke während der Hämodiafiltration N2 - A large number of metabolic waste products accumulate in the blood of patients with renal failure. Since these solutes have deleterious effects on the biological functions, they are called uremic toxins and have been classified in three groups: 1) small water soluble solutes (MW < 500 Da), 2) small solutes with known protein binding (MW < 500 Da), and 3) middle molecules (500 Da < MW < 60 kDa). Protein bound uremic toxins are poorly removed by conventional hemodialysis treatments because of their high protein binding and high distribution volume. The prototypical protein bound uremic toxins indoxyl sulfate (IS) and p-cresyl sulfate (pCS) are associated with the progression of chronic kidney disease, cardiovascular outcomes, and mortality of patients on maintenance hemodialysis. Furthermore, these two compounds are bound to albumin, the main plasma protein, via electrostatic and/or Van-der-Waals forces. The aim of the present thesis was to develop a dialysis strategy, based on the reversible modification of the ionic strength in the blood stream by increasing the sodium chloride (NaCl) concentration, in order to enhance the removal of protein bound substances, such as IS and pCS, with the ultimate goal to improve clinical patient outcomes. Enhancing the NaCl concentration ([NaCl]) in both human normal and uremic plasma was efficient to reduce the protein bound fraction of both IS and pCS by reducing their binding affinity to albumin. Increasing the ionic strength was feasible during modified pre-dilution hemodiafiltration (HDF) by increasing the [NaCl] in the substitution fluid. The NaCl excess was adequately removed within the hemodialyzer. This method was effective to increase the removal rate of both protein bound uremic toxins. Its ex vivo hemocompatibility, however, was limited by the osmotic shock induced by the high [NaCl] in the substituate. Therefore, modified pre-dilution HDF was further iterated by introducing a second serial cartridge, named the serial dialyzers (SDial) setup. This setting was validated for feasibility, hemocompatibility, and toxin removal efficiency. A better hemocompatibility at similar efficacy was obtained with the SDial setup compared with the modified pre-dilution HDF. Both methods were finally tested in an animal sheep model of dialysis to verify biocompatibility. Low hemolysis and no activation of both the complement and the coagulation systems were observed when increasing the [NaCl] in blood up to 0.45 and 0.60 M with the modified pre-dilution HDF and the SDial setup, respectively. In conclusion, the two dialysis methods developed to transitory enhance the ionic strength in blood demonstrated adequate biocompatibility and improved the removal of protein bound uremic toxins by decreasing their protein bound fraction. The concepts require follow-on clinical trials to assess their in vivo efficacy and their impact on long-term clinical outcomes. N2 - Eine große Zahl von Stoffwechselprodukten akkumuliert im Blut urämischer Patienten mit Nierenversagen. Da diese Moleküle schädliche Wirkungen auf die biologischen Funktionen haben, werden sie als Urämietoxine bezeichnet. Man teilt sie in drei Gruppen ein: 1) kleine wasserlösliche Substanzen (MG < 500 Da), 2) kleine, proteingebundene Substanzen (MG < 500 Da), 3) Mittelmoleküle (500 Da < MG < 60 kDa). Proteingebundene Urämietoxine werden wegen ihrer starken Proteinbindung und ihres Verteilungsvolumen durch klassische Hämodialyseverfahrens nur schlecht entfernt. Die prototypischen proteingebundenen Urämietoxine Indoxylsulfat (IS) und p-Cresylsulfat (pCS) sind bei chronischen niereninsuffizienten Patienten mit dem Fortschreiten der Niereninsuffizienz, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und der Mortalität verbunden. Außerdem sind diese beiden Toxine an Albumin, dem wichtigsten Plasmaprotein, durch elektrostatische und/oder Van-der-Waals-Kräfte gebunden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Dialyseverfahren basierend auf einer reversiblen Modifikation der Ionenstärke im Blut durch Erhöhung der Natriumchlorid (NaCl)-Konzentration zu entwickeln, um die Entfernung von proteingebundenen Molekülen wie IS und pCS zu erhöhen und dadurch eine Verbesserung des klinischen Verlauf der Patienten zu erreichen. Die Erhöhung der NaCl-Konzentration ([NaCl]) sowohl in normalem als auch in urämischem menschlichem Plasma war geeignet, um den proteingebundenen Anteil von IS und pCS durch Schwächung ihrer Bindungsaffinität zu Albumin zu verringern. Die Erhöhung der Ionenstärke während einer modifizierten Prädilutions-Hämodiafiltration (HDF) konnte durch eine Erhöhung der [NaCl] in der Substitutionslösung umgesetzt werden; dabei wurde der NaCl-Überschuss innerhalb des Dialysators vollständig entfernt. Dieses Verfahren war effektiv, um die Entfernungsrate beider proteingebundenen Urämietoxine zu steigern; seine Ex-vivo-Hämokompatibilität war allerdings aufgrund des osmotischen Schocks infolge der hohen [NaCl] im Substituat begrenzt. Deshalb wurde eine Iteration der modifizierten Prädilutions-HDF durch Einbau eines zweiten, seriellen Dialysators vorgenommen, bezeichnet als serielles Dialysator System (SDial). Diese letzte Methode wurde dann bezüglich der Durchführbarkeit, der Hämokompatibilität und Toxinentfernung validiert. Durch das SDial-System konnte, verglichen mit der modifizierten Prädilutions-HDF, eine bessere Hämokompatibilität bei ähnlicher Wirksamkeit erzielt werden. Beide Methoden, modifizierte Prädilutions-HDF und SDial System, wurden abschließend in ein Tierdialysemodell mit Schafen transferiert, wobei eine zufriedenstellende Biokompatibilität demonstriert werden konnte. Beide, zur vorübergehenden Erhöhung der Ionenstärke im Blut entwickelten Dialyseverfahren zeigten bei zufriedenstellender Biokompatibilität eine verbesserte Entfernung proteingebundener Urämietoxine durch Reduktion ihrer proteingebundenen Fraktion. In einem nächsten Schritt sind klinische Studien erforderlich, die diese Konzepte bezüglich ihrer In-vivo-Wirksamkeit und ihrer langfristigen Wirkung auf den Krankheitsverlauf untersuchen. KW - Hämodiafiltration KW - Ionenstärke KW - Proteinbindung KW - Urämietoxine KW - Hämodialyse KW - Biokompatibilität KW - Ionic strength KW - protein binding KW - uremic toxin KW - hemodialysis KW - biocompatibility KW - Urämie KW - Toxin KW - Ionenstärke KW - Blut Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-83583 ER - TY - JOUR A1 - Devine, Eric A1 - Krieter, Detlef H. A1 - Rüth, Marieke A1 - Jankovski, Joachim A1 - Lemke, Horst-Dieter T1 - Binding Affinity and Capacity for the Uremic Toxin Indoxyl Sulfate JF - Toxins N2 - Protein binding prevents uremic toxins from removal by conventional extracorporeal therapies leading to accumulation in maintenance dialysis patients. Weakening of the protein binding may enhance the dialytic elimination of these toxins. In ultrafiltration and equilibrium dialysis experiments, different measures to modify the plasma binding affinity and capacity were tested: (i), increasing the sodium chloride (NaCl) concentration to achieve a higher ionic strength; (ii), increasing the temperature; and (iii), dilution. The effects on the dissociation constant K-D and the protein bound fraction of the prototypical uremic toxin indoxyl sulfate (IS) in plasma of healthy and uremic individuals were studied. Binding of IS corresponded to one site binding in normal plasma. K-D increased linearly with the NaCl concentration between 0.15 (K-D = 13.2 +/- 3.7 mu M) and 0.75 M (K-D = 56.2 +/- 2.0 mu M). Plasma dilution further reduced the protein bound toxin fraction by lowering the protein binding capacity of the plasma. Higher temperatures also decreased the protein bound fraction of IS in human plasma. Increasing the NaCl concentration was effective to weaken the binding of IS also in uremic plasma: the protein bound fraction decreased from 89% +/- 3% to 81% +/- 3% at 0.15 and 0.75 M NaCl, respectively. Dilution and increasing the ionic strength and temperature enhance the free fraction of IS allowing better removal of the substance during dialysis. Applied during clinical dialysis, this may have beneficial effects on the long-term outcome of maintenance dialysis patients. KW - protein binding KW - hemodialysis KW - human serum albumin KW - dialyzer membrane KW - P-cresyl sulfate KW - removal KW - dialysate KW - progression KW - clearance KW - kidney disease; KW - protein-bound solutes KW - chronic kidney-disease KW - ionic strength KW - uremic toxin Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-117486 VL - 6 IS - 2 ER -