Hintergrund: Akute Nierenschädigung (AKI) nach einem herzchirurgischen Eingriff unter Einsatz der Herz-Lungenmaschine ist eine häufige und schwerwiegende Komplikation und erhöht die Morbidität und Mortalität. NGAL (Neutrophiles Gelatine-assoziiertes Lipocalin) und Hämoxygenase-1 (HO-1) sind renale Biomarker mit protektiver Wirkung. Ziel der Studie war, um den Zusammenhang zwischen NGAL und HO-1 und der Inzidenz von AKI nach Herzoperationen zu untersuchen. Patienten und Methode: In dieser prospektiven Kohortenstudie wurden 150 erwachsene herzchirurgische Patienten untersucht. HO-1- und NGAL-Messungen wurden mittels ELISA durchgeführt. In uni- und multivariaten Analysen wurde der Zusammenhang zwischen Biomarkern und AKI untersucht. Ergebnisse: Insgesamt 35 Patienten (23,5%) entwickelten AKI in den ersten 48 postoperativen Stunden. Die Konzentrationen von NGAL und HO-1 waren bei ICU-Ankunft im Vergleich zum Ausgangswert höher (p<0.001 für NGAL bzw. HO-1). Bei Patienten, die AKI entwickelten, wurde 24 Stunden nach der Operation ein zusätzlicher Anstieg der Serum-HO-1-Konzentration beobachtet, während bei Patienten, die später keine AKI entwickelten, die Serum-HO-1-Konzentrationen abnahmen (AKI: 12.75 [8.69-34-35] vs. keine AKI: 8.30 [4.13-15.60] ng/ml, p=0.031). In der multivariaten Analyse wurde eine unabhängige Beziehung der Serum-HO-1-Konzentration 24 Stunden nach der Operation mit der Entwicklung einer AKI innerhalb 48 Stunden postoperativ gefunden (p=0.043, OR 1.053, 95% CI: 1.002-1.007). Zusammenfassung: Die Kinetik der HO-1-Serumkonzentrationen nach einer Herzoperation und der Zusammenhang der HO-1-Konzentration mit der Entwicklung von AKI liefert neue Informationen über die potenzielle Nützlichkeit von HO-1 als Biomarker. / Background: Acute kidney injury (AKI) is a serious complication after cardiac surgery that is associated with increased mortality and morbidity. Neutrophil gelatinase-associated lipocalin (NGAL) and heme oxygenase-1 (HO-1) are renal biomarkers with protective, anti-inflammatory properties. The aim of the study was to evaluate the association between NGAL and HO-1 and the incidence of AKI after cardiac surgery. Patients and methods: In the present study, we used data from a prospective cohort study of 150 adult cardiac surgical patients. HO-1 and NGAL measurements were performed by ELISA. In univariate and multivariate analyses, the association between biomarkers and AKI was investigated. Results: In total, 35 patients (23,5%) developed AKI during the first 48 hours after surgery. NGAL and HO-1 levels were higher at ICU arrival as compared to baseline (P<0.001 for NGAL and HO-1). NGAL levels were significantly higher in patients who developed AKI within 48 hours (960 [614–1,262] pg/mL vs 600 [461–783] pg/mL, P<0.001), while HO-1 levels did not differ (P=0.88) at this time point. In patients developing AKI, an additional increase of serum HO-1 levels 24 hours after surgery was observed, whereas in patients who subsequently did not develop AKI, serum HO-1 levels decreased (AKI: 12.75 [8.69–34.35] ng/mL vs no AKI: 8.30 [4.13–15.60] ng/mL, P=0.031). We found an independent relationship of serum HO-1 levels 24 hours after surgery with the development of AKI (P=0.043, OR 1.053, 95% CI: 1.002–1.107). Conclusion: The association of the second HO-1 burst 24 hours after CBP might help to distinguish between the causality of AKI in patients undergoing CBP, thus helping to adapt patient stratification and management.

Die Breite der Wirkungen von Aldosteron auf Nierenzellen wurde lange Zeit unterschätzt. Inzwischen zeigte sich ein nicht unerheblicher Anteil des Hyperaldosteronismus an arterieller Hypertonie und ebenso mehren sich die Hinweise auf damit assoziierter erhöhter Inzidenz für maligne Entartung von Nierengewebe. In dieser Arbeit wurde der Effekt von Hyperaldosteronismus auf Nierenzellen von Ratten in vivo untersucht. Mittels real time quantitative PCR wurden die relative Expressionsveränderungen der mRNA von validierten Nierenschädigungsmarkern im Hyperaldosteronismusmodell kontrolliert beobachtet und statistisch ausgewertet. Anders als im analog durchgeführten Vorversuch mit DOCA an der Stelle von Aldosteron, ließ sich größtenteils kein über der natürlichen Streuung der Daten liegender, signifikanter Effekt der Nierenschädigung durch überhöhte Aldosteronspiegel nachweisen. Hierfür kommen vielfältige Gründe in Frage. Neben der technischen Variabilität, der Beschaffenheit der internen Kontrolle, potentiell vorhandenen Inhibitoren und der Qualität der mRNA, konnten eine Reihe von weiteren Gründen als Ursache für die Diskrepanz zu den Ergebnissen der mit DOCA behandelten Tiere ausgeschlossen werden. Neben der theoretischen Möglichkeit inter-methodischer Differenzen und sich daraus ergebender Variationen, sowie der noch weiter zu untersuchenden Rolle des Glukokortikoidrezeptors durch dessen variable gleichzeitige Aktivierung, ist die Interpretation im Sinne eines zu gering ausgeprägten Schädigungseffektes durch den Hyperaldosteronismus für den gewählten Stichprobenumfang naheliegend. Hiermit stimmt auch die Tatsache überein, dass der Effekt der Behandlung mit Aldosteron im Vergleich zur Behandlung mit DOCA von vorne herein deutlich geringer ausfallend erwartet wurde. / The broad spectrum of effects of aldosterone on renal cells has been underestimated for a long time. Meanwhile it has been shown that hyperaldosteronism has a considerable share of all cases of arterial hypertension, and the indications for an associated higher incidence of malignant transforming of kidney tissue are also increasing. The subject of this study was to investigate the effect of Hyperaldosteronism on kidney cells in rats. By means of real-time quantitative PCR, the change in the relative expression of mRNA of validated kidney cell damage markers in the hyperaldosteronism model were monitored and statistically evaluated under controlled conditions. In contrast to the previous pre-test with DOCA instead of aldosterone, a significant effect of renal impairment due to excessive aldosterone levels could not be detected. Numerous reasons are conceivable for that. In addition to the technical variability, the nature of the internal control, potentially present inhibitors and the quality of the mRNA, a number of further reasons could be excluded as a cause of the discrepancy with the results of the animals treated with DOCA. Besides the theoretical possibility of inter-methodical differences and resulting variations, as well as the role of the glucocorticoid receptor, which is still to be investigated, the closest interpretation is a damage effect too small to be detected by the given sample size. This is also in agreement with the fact that the effect of the treatment with aldosterone compared with the treatment with DOCA was expected to be significantly lower from the outset.

Die erweiterte Leberteilresektion wird gegenwärtig als kurative Therapie verschiedenster Erkrankungen der Leber durchgeführt, zumeist bei primären oder sekundären Lebertumoren. Perioperativ erleiden die Patienten häufig eine akute Nierenschädigung mit erhöhter Morbidität und Mortalität nach dem operativen Eingriff. Dies hat gravierende Auswirkungen auf den Patienten und bei einer intensivmedizinisch notwendigen Versorgung auch auf unser Gesundheitssystem. Um dies abzumildern ist die Früherkennung der Nierenschädigung essentiell. Die derzeit etablierte Therapie fungiert nur supportiv bis hin zum Einsatz von Nierenersatzverfahren und ist zeit- und kostenintensiv. Die Suche nach neuen innovativen Therapieansätzen gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. In einem Tiermodell am Schwein wurde nach erweiterter Leberteilresektion und 150 min Ischämiezeit bei Kontrolltieren eine akute Leberschädigung mit Anzeichen einer akuten Nierenschädigung beobachtet. Innerhalb von 24 Stunden stieg die Konzentration des Biomarkers NGAL (Neutrophilen Gelatinase-assoziiertes Lipocalin), der für die frühzeitige Diagnostik einer akuten Nierenschädigung verwendet wird, signifikant im Urin und Blut an. Dies erfolgte noch bevor Veränderungen des Routineparameters Kreatinin im Serum erfasst werden konnten. Nach intravenöser Transplantation mesenchymaler Stromazellen (MSC) aus dem Knochenmark von Spendertieren wurde eine signifikant verringerte Konzentration von NGAL im Blut und Urin von Versuchstieren im Beobachtungszeitraum von 24 Stunden gemessen. Somit konnte eine Abschwächung der entstandenen Nierenschädigung durch MSC-Transplantation gezeigt werden. Auf der Suche nach der Wirkungsweise der Stromazellen wurde eine signifikant erhöhte Konzentration von 14 verschiedenen Zytokinen im Serum und Nierengewebe nach MSC-Transplantation festgestellt. Im Blut wurde vermehrt zirkulierendes PDGF gemessen, welches die Blutdruck-Stabilität optimierte und somit für eine verbesserte Organperfusion sorgte. Im Nierengewebe wurden immunmodulierende und regenerationsfördernde sowie die Differenzierung und das Wachstum von Zellen regulierende Zytokine vermehrt exprimiert. Auf zellulärer Ebene konnte eine veränderte Expression des Zelladhäsionsmoleküls N-Cadherin identifiziert werden. Nach akuter Nierenschädigung reduzierte sich dessen Expression in den betroffenen Zellmembranen der proximalen Nierentubuli, wohingegen die im distalen unberührt blieb. Nach MSC-Transplantation normalisierte sich die Expression wieder. Somit trugen die MSC zum Erhalt der epithelialen Integrität und Funktionalität bei. Konstatiert werden kann daher, dass eine akute Nierenschädigung nach einer erweiterten Leberteilresektion durch die Transplantation von MSC abgemildert wurde. Eine Behandlung mit MSC scheint ein vielversprechender neuer Therapieansatz zur Behandlung einer akuten Nierenschädigung zu sein. Weiterführende klinische Untersuchungen zur Überprüfung der Sicherheit, Durchführbarkeit und Wirksamkeit sollten sich anschließen, um den Weg der MSC-basierten Therapie bei Nierenerkrankungen zu ebnen.:Inhaltsverzeichnis ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 3 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 5 TABELLENVERZEICHNIS 7 1 EINFÜHRUNG 8 1.1 Niere 8 1.1.1 Anatomie und Physiologie 8 1.1.2 Akute Nierenschädigung 9 1.1.3 Diagnostik 12 1.1.4 Komplikationen 14 1.1.5 Therapeutische Möglichkeiten und Prognose 15 1.2 Erweiterte Leberteilresektion 16 1.3 Mesenchymale Stromazellen 17 1.3.1 Definition 17 1.3.2 Potential 18 1.3.3 Anwendung 18 1.3.4 Zytokine 19 1.4 Tiermodell 20 2 AUFGABENSTELLUNG 22 3 MATERIAL UND METHODEN 23 3.1 Versuchsgruppenplanung 23 3.2 Gewinnung der MSC 24 3.2.1 Isolation der MSC 24 3.2.2 Kultivierung 24 3.2.3 Zellernte 25 3.2.4 Bestimmung der Vitalität und Kryokonservierung 25 3.3 Hepatogene Differenzierung 26 3.4 Tierversuche 27 3.4.1 Vorbereitung der Versuchstiere 27 3.4.2 Durchführung der Leberteilresektion 29 3.4.3 Probengewinnung 30 3.4.4 Organentnahme und Euthanasie der Versuchstiere 31 3.4.5 Probenaufarbeitung 31 3.5 Statistische Auswertung 38 4 ERGEBNISSE 39 4.1 Postoperative Leberschädigung nach erweiterter Leberteilresektion 39 4.2 Makroskopische Untersuchung der Nieren und Urinproduktion 40 4.3 Kreatinin-Konzentration im Serum 42 4.4 Kim-1-Konzentration im Urin 43 4.5 Wirkung der MSC-Transplantation auf die NGAL-Konzentration im Urin 44 4.6 Wirkung der MSC-Transplantation auf die NGAL-Konzentration im Blut 45 4.7 Histologische Veränderungen 46 4.8 Veränderte Zytokinexpression durch MSC-Transplantation 49 5 DISKUSSION 54 5.1 Akute Nierenschädigung nach erweiterter Leberteilresektion 54 5.1.1 Serum-Kreatinin, KIM-1 und NGAL als Marker der akuten Nierenschädigung 54 5.1.2 Zusammenhang der Leber- und Nierenschädigung 57 5.2 Wirkung der MSC auf die akute Nierenschädigung 59 5.2.1 Biomarker und Urinproduktion diagnostizieren Verbesserung der Nierenfunktion durch MSC 59 5.2.2 MSC-Wirkung in der Niere durch Verbesserung der epithelialen Integrität 60 5.2.3 MSC zeigen organprotektive Eigenschaften nach großen chirurgischen Eingriffen 62 5.2.4 Wirkungsweise der MSC über Zytokine 63 5.2.5 Verbesserung der Blutdruck-Stabilität durch MSC mittels PDGF 68 5.2.6 VEGF als protektiver Faktor für die Nierenfunktion 71 5.3 Ausblick 73 6 ZUSAMMENFASSUNG DER ARBEIT 75 7 LITERATURVERZEICHNIS 77 8 ERKLÄRUNG ÜBER DIE EIGENSTÄNDIGE ABFASSUNG DER ARBEIT 91 9 CURRICULUM VITAE 92 10 PUBLIKATIONEN 93 11 DANKSAGUNG 94

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Die akute Nierenschädigung nach herzchirurgischen Eingriffen ist eine häufige und schwerwiegende Komplikation. Eine Verbesserung der intraoperativen Myokardprotektion und dadurch eine mögliche Reduktion der Nierenschädigung kann unter anderem durch die Wahl einer geeigneten Kardioplegielösung beeinflusst werden. Bisher gibt es jedoch keine Untersuchungen hinsichtlich des Effekts verschiedener eingesetzter Kardioplegielösungen auf die Niere. Im Rahmen dieser Studie wurden drei Kardioplegielösungen hinsichtlich des Effekts auf die akute Nierenschädigung im kardialen Ischämie-Reperfusions-Modell untersucht. Deutsche Landrassenschweine (50-60 kg) wurden nach 40-minütiger Äquilibrierung und medianer Sternotomie für 90 min einem elektiven Herzstillstand bei Hypothermie (34°C) ausgesetzt. Es erfolgte eine Randomisierung in drei Gruppen zu je 10 Tieren. Zur Initiierung der Kardioplegiephase erhielten die Tiere entweder Custodiol®, die neuere Custodiol® N-Lösung oder Custodiol® supplementiert mit 1,2 mg/L Ciclosporin A. Nach 120 min Reperfusion wurden Serum und Nierenbiopsien entnommen. Über den gesamten Versuchsablauf wurden die Versuchstiere mittels hämodynamischen Monitorings und Blutgasanalysen engmaschig überwacht. Das Nierengewebe wurde histologisch, immunhisto- und proteinbiochemisch hinsichtlich morphologischer Veränderungen, hypoxischem und nitrosativem Stress und Apoptose analysiert. In Serum- und Nierenzelllysaten wurden Biomarker der akuten Nierenschädigung mittels ELISA quantifiziert. Weiterhin wurde die Aktivität verschiedener Enzyme bestimmt, die an der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies beteiligt sind. Die hämodynamischen Parameter wie Blutdruck und Herzfrequenz waren in allen drei Versuchsgruppen vergleichbar. Die Hämoglobinkonzentration war in allen drei Gruppen nach Beginn der Kardioplegie niedriger als zu Versuchsbeginn, kehrte in der Custodiol® N- und Custodiol®/Ciclosporin-A-Gruppe jedoch nach der Reperfusion wieder auf das jeweilige Ausgangsniveau zurück, während die Konzentration in der Custodiol®-Gruppe bis zum Versuchsende niedriger war. In der Custodiol® N-Gruppe kam es später als in den beiden anderen Gruppen zu einem Anstieg der Laktatkonzentration. In allen Gruppen war ab der Gabe der Kardioplegielösung eine Hyponatriämie und eine Hyperkaliämie zu verzeichnen. Die Chloridkonzentration sank in der Custodiol®- und der Custodiol®/Ciclosporin-A-Gruppe ab Kardioplegiebeginn, in der Custodiol® N-Gruppe erst nach der Kardioplegiephase. Die Calciumkonzentration war in der Custodiol® N-Gruppe den gesamten Versuch über konstant, während sie in der Custodiol®- und der Custodiol®/Ciclosporin-A-Gruppe sank. Die histologische Untersuchung des Nierengewebes ergab keine Unterschiede zwischen den Gruppen hinsichtlich der glomerulären Morphologie, während die Zellgröße der proximalen Tubuli in der Custodiol®/Ciclosporin-A-Gruppe kleiner war als in der Custodiol®-Gruppe. Es zeigte sich außerdem ein statistischer Trend für kleinere Durchmesser der proximalen Tubuli in der Custodiol® N- und Custodiol®/Ciclosporin-A-Gruppe im Vergleich zur Custodiol®-Gruppe. Hinsichtlich hypoxischer und nitrosativer Effekte gab es keine Unterschiede zwischen den Gruppen. Es war jedoch ein statistischer Trend für eine niedrigere Nitrotyrosinkonzentration in den Glomeruli bzw. eine höhere Konzentration in den Intermediärtubuli der Custodiol® N-Gruppe im Vergleich zur Custodiol®-Gruppe erkennbar. Die Enzymaktivitäten der NADPH-Oxidase, der Superoxiddismutase und der Katalase zeigten keine signifikanten Unterschiede im Vergleich der Gruppen. Auch die Konzentration der Biomarker der akuten Nierenschädigung Neutrophilengelatinase-assoziiertes Lipocalin, Fettsäurebindungsprotein-1 und Cystatin C waren zwischen den Gruppen vergleichbar. Der bezüglich der Caspase-unabhängigen Apoptose quantifizierte Apoptose-induzierende Faktor zeigte keine Unterschiede zwischen den Gruppen auf, während die Konzentration des an der Caspase-abhängigen Apoptose beteiligten Cytochrom C in der Custodiol® N-Gruppe signifikant niedriger war als in der Custodiol®-Gruppe. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen vergleichbare Effekte der drei untersuchten Kardioplegielösungen. Es ist möglich, dass im Rahmen einer akuten Nierenschädigung bei herzchirurgischen Eingriffen die Herzfunktion und die daraus resultierende Endorganperfusion die entscheidenden Faktoren darstellen. Es gibt jedoch Hinweise dafür, dass im Vergleich zu Custodiol® die neue Custodiol® N-Lösung bzw. die Supplementierung von Custodiol® mit Ciclosporin A bessere Auswirkungen auf die Myokardprotektion und dadurch indirekt auch auf die Niere hat.:I Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 1 1.1 Entwicklung und Bedeutung der extrakorporalen Zirkulation in der Herzchirurgie 1 1.2 Kardioplegie und kardioplegische Lösungen 1 1.3 Eigenschaften der verwendeten Kardioplegielösungen 3 1.3.1 Custodiol® 3 1.3.2 Custodiol® N 4 1.3.3 Custodiol® plus Ciclosporin A 6 1.4 Pathophysiologie der Schädigung durch extrakorporale Zirkulation 6 1.5 Akute Nierenschädigung bei herzchirurgischen Operationen 7 1.5.1 Definition und Inzidenz der akuten Nierenschädigung 7 1.5.2 Assoziation der intraoperativen Nierenschädigung mit Mortalität 8 1.5.3 Pathophysiologie der akuten Nierenschädigung 8 1.5.4 Biomarker einer akuten Nierenschädigung 10 1.5.5 Ansätze zur Prävention einer akuten Nierenschädigung 11 2 Fragestellung und Zielsetzung 12 3 Materialien und Methoden 13 3.1 Materialien und Geräte 13 3.2 Versuchstiere 16 3.3 Studiendesign 16 3.4 Versuchsablauf 17 3.4.1 Anästhesie, Beatmung und Medikation 17 3.4.2 Operative Vorbereitung und Äquilibrierungsphase 20 3.4.3 Einleitung der Kardioplegie 20 3.4.4 Extrakorporale Zirkulation mit Herz-Lungen-Maschine – Ischämiephase 20 3.4.5 Reperfusionsphase 21 3.4.6 Intraoperatives Monitoring 21 3.4.7 Probenentnahme und Konservierung 22 3.5 Probenaufbereitung 23 3.5.1 Histologie 23 3.5.2 Proteinextraktion von Nierengewebe in RIPA-Puffer 24 3.5.3 Proteinextraktion von Nierengewebe in Proteasepuffer 24 3.5.4 Proteinkonzentrationsbestimmung von Nierengewebelysaten 25 3.6 Hämatoxylin-Eosin-Färbung 26 3.7 Immunhistochemie 26 3.8 Analyse der histologischen Präparate 28 3.9 Enzymgekoppelter Immunadsorptionstest (ELISA) 28 3.10 Natriumdodecylsulfat-Polyacrylamidgelelektrophorese (SDS-PAGE) 30 3.11 Western Blot 32 3.11.1 Blotting 32 3.11.2 Applikation der Antikörper 33 3.11.3 Chemilumineszenzdetektion 34 3.11.4 Stripping und Blocken einer Membran 34 3.11.5 Referenzprotein und densitometrische Auswertung 35 3.12 Enzymaktivitätsbestimmungen 35 3.12.1 NADPH-Oxidase 36 3.12.2 Superoxiddismutase (SOD) 36 3.12.3 Katalase 37 3.13 Statistische Analysen 38 4 Ergebnisse 39 4.1 Gruppencharakteristika und Hämodynamik 39 4.2 Hämoglobinkonzentration 41 4.3 Laktatkonzentration 42 4.4 Elektrolyte 43 4.4.1 Natrium 43 4.4.2 Kalium 43 4.4.3 Calcium 44 4.4.4 Chlorid 45 4.5 Histologische Veränderungen 46 4.5.1 Histologie der Glomeruli 46 4.5.2 Histologie der proximalen Tubuli 48 4.6 Translokation des Hypoxie-induzierten Faktors 1 (HIF-1) 49 4.7 Expression von Nitrotyrosin 50 4.8 Quantifizierung von Enzymaktivitäten 51 4.8.1 Aktivität der NADPH-Oxidase 51 4.8.2 Aktivität der Superoxiddismutase 52 4.8.3 Aktivität der Katalase 53 4.9 Quantifizierung von Biomarkern einer Nierenschädigung im Serum 53 4.9.1 Neutrophilengelatinase-assoziiertes Lipocalin (NGAL) 53 4.9.2 Fettsäurebindungsprotein 1 (FABP-1) 54 4.9.3 Cystatin C 55 4.10 Induktion der Caspase-abhängigen Apoptose 55 4.10.1 Expression von Cytochrom C in Nierengewebe 55 4.10.2 Konzentration von Cytochrom C im Nierengewebe 56 4.11 Induktion der Caspase-unabhängigen Apoptose 57 4.11.1 Translokation des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) 57 4.11.2 Expression des Apoptose-induzierenden Faktors (AIF) im Nierengewebe 58 5 Diskussion 60 5.1 Pathophysiologie der akuten Nierenschädigung im Rahmen von herzchirurgischen Eingriffen 60 5.2 Evaluation der akuten Nierenschädigung im Rahmen von herzchirurgischen Eingriffen durch Transfer in ein Großtiermodell 61 5.3 Elektrolyt- und Hämoglobinkonzentrationen im zeitlichen Verlauf 62 5.4 Hypoxie und Zellschädigung 63 5.5 Oxidativer und nitrosativer Stress 65 5.6 Apoptose 66 5.7 Limitationen 66 5.8 Fazit und Ausblick 67 6 Zusammenfassung 69 7 Literaturverzeichnis 71 8 Anlagen 80 9 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 84 10 Lebenslauf 85 11 Publikation 87 12 Vorträge 87 13 Danksagung 88

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Signaling pathways of regulated necrosis, such as necroptosis and ferroptosis, contribute to acute kidney injury (AKI), but the role of pyroptosis is unclear. Pyroptosis is mediated by the pore-forming protein gasdermin D (GSDMD). Here, we report a specific pattern of GSDMD-protein expression in the peritubular compartment of mice that underwent bilateral ischemia and reperfusion injury (IRI). Along similar lines, the GSDMD-protein expression in whole kidney lysates increased during the first 84 h following cisplatin-induced AKI. Importantly, unlike whole kidney lysates, no GSDMD-protein expression was detectable in isolated kidney tubules. In IRI and cisplatin-induced AKI, GSDMD-deficient mice exhibited hypersensitivity to injury as assessed by tubular damage, elevated markers of serum urea, and serum creatinine. This hypersensitivity was reversed by a combined deficiency of GSDMD and the necroptosis mediator mixed lineage kinase domain-like (MLKL). In conclusion, we demonstrate a non-cell autonomous role for GSDMD in protecting the tubular compartment from necroptosis-mediated damage in IRI.

The progressively increasing prevalence of the Metabolic Syndrome (MetS) has emerged as a major global health concern since the MetS is associated with an increased risk for cardiovascular morbidity and mortality. Central obesity represents a key feature of the MetS and is strongly related to all MetS comorbidities. Dysregulation of adipose tissue-derived proteins, so called adipokines, has been implied to partially contribute to these effects. Recently, fibroblast growth factor-21 (FGF-21) has been introduced as a novel insulin sensitizing and weight reducing adipokine with potential therapeutic properties. However, data on FGF-21 elimination are rather limited. Therefore, FGF-21 regulation in relation to renal function has been investigated in a patient population with chronic kidney disease (CKD, study population 1), as well as one with acute kidney impairment (study population 2). In study population 1 (n = 499), patients were distributed into five CKD subgroups according to estimated glomerular filtration rate (eGFR). Median FGF-21 serum concentrations progressively increased from CKD stage 1 to stage 5 and highest values of FGF-21 were detected in stage 5 (1: 86.4 ng/l; 2: 206.4 ng/l; 3: 289.8 ng/l; 4: 591.3 ng/l; 5: 1918.1 ng/l). Furthermore, eGFR remained the strongest predictor for FGF-21 levels in multivariate analysis. For study population 2 (n = 32), blood samples were obtained before elective unilateral partial or total nephrectomy, as well as within 30 hours after surgery. In this population FGF-21 levels significantly increased after surgery (325.0 ng/l) as compared to before surgery (255.5 ng/l). Furthermore, relative changes of FGF-21 were independently and positively predicted by relative changes of creatinine in this cohort. These results are in accordance with the hypothesis that FGF-21 is eliminated by the kidneys and that the extent of kidney dysfunction substantially contributes to serum FGF-21 levels. However, additional animal experiments and prospective clinical studies are needed to further elucidate the role of the kidneys in FGF-21 physiology.

In dieser Dissertation wurden am Ferkelmodell (8-15 kg, drei Gruppen: „Kontrolle“ n=7, „Herz-Lungen-Maschine (HLM)“ n=10, „(-)-Epigallocatechin-3-Gallat (EGCG)“ n=6, die Kontrollgruppe wurde thorakotomiert, die HLM- und die EGCG-Gruppe wurden thorakotomiert und für 90 Minuten an eine HLM angeschlossen, die EGCG-Gruppe erhielt vor und nach der HLM-Zeit EGCG) drei Fragestellungen behandelt: Erstens wurde untersucht, ob die Verwendung einer HLM während eines kardiochirurgischen Eingriffes unter hypothermen Bedingungen mit nicht-pulsatilem Blutfluss und Kardioplegie die Niere schädigte. Dafür wurden Paraffinschnitte der Niere aus der Kontroll- und der HLM-Gruppe mit Hämatoxylin-Eosin (HE) angefärbt und unterschiedliche Strukturen betrachtet, wobei histopathologische Veränderungen in der HLM-Gruppe auffielen. Paraklinisch fanden sich erhöhte nierenspezifische Blutwerte (Serumkreatinin und -harnstoff) in der HLM-Gruppe. Diese Ergebnisse waren hinweisend für eine funktionell relevante Schädigung der Niere durch die HLM. Unterstützend kam ein Absinken des Gesamteiweißes im Serum der HLM-Gruppe hinzu, was auf eine generelle Schädigung des Organismus durch die HLM hindeutete. Zweitens wurde betrachtet, ob die gesetzten Schäden die Merkmale eines Ischämie-Reperfusionsschadens aufwiesen. Hierzu wurden Paraffinschnitte der Niere aus der Kontroll- und der HLM-Gruppe immunhistochemisch (Hypoxie-induzierter-Faktor-1-alpha-Tyramide- Signal-Amplification (HIF-1-alpha-TSA)-, Nitrotyrosin-3-Amino-9-Ethylcarbazol (Nitrotyrosin-AEC)- und Apoptose-induzierender-Faktor-Tyramide-Signal-Amplification (AIF-TSA)-Färbung) angefärbt. Dabei zeigte sich, dass sich die HLM-Gruppe in einer hypoxischen Situation befand (HIF-1-alpha Akkumulation in den Zellkernen), nitrosativem Stress ausgesetzt war (Nitrotyrosin in den Tubuli) und dass sie teilweise so stark geschädigt wurde, dass Apoptose induziert wurde (AIF in Zellkernen) – alle drei Färbungsergebnisse waren hinweisend für einen ischämischen Zustand, in dem sich die HLM-Gruppe befunden hat. Auch die Ergebnisse der durchgeführten renalen Reversed Phase High Performance Liquid Chromatography (RP-HPLC) deuteten auf ebendies hin. Unterstützend wirkten die Ergebnisse des arteriellen Laktats – die HLM-Gruppe zeigte eine Hyperlaktämie – und die Tatsache, dass einige der histologischen Merkmale für eine frühe Schockniere (welche ischämischen Ursprungs sein kann) in der HLM-Gruppe gefunden wurden. Dies alles zeigte, dass der HLM-assoziierte Nierenschaden vorrangig die Natur eines Ischämie-Reperfusionsschadens aufwies. Drittens wurde untersucht, ob EGCG diese HLM-assoziierte Schädigung abmildern konnte. Dafür wurden bei der EGCG-Gruppe alle oben genannten Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass EGCG in der Dosierung 10 mg/kg eine renoprotektive Wirkung gegen die HLM-assoziierten Schäden hatte, und diese abmildern bzw. ihnen entgegenwirken konnte. Diese Ergebnisse sind für die pädiatrische Kardiochirurgie interessant, welche zum Beispiel bei der Korrektur angeborener Herzdefekte auf die Verwendung der HLM angewiesen ist. Komplikationen wie eine Nierenschädigung post operationem sind nicht selten und verkomplizieren den Verlauf. Die vorliegende Dissertation zeigt das renoprotektive Potential des in grünem Tee vorkommenden Katechins EGCG im Umfeld eines kardiochirurgischen Eingriffes mit Verwendung einer HLM. Die Wirksamkeit dieser Substanz ist wahrscheinlich darin begründet, dass sie mehr als ein Antioxidans ist. Neben seiner Radikalfänger- und Stickstoffmonoxidscavenger-Fähigkeiten ist EGCG außerdem antiapoptotisch wirksam. Derzeit wird die Kardiochirurgie mit Verwendung einer HLM in der Veterinärmedizin nur in wenigen Zentren angewendet. Es besteht für die Zukunft jedoch die Hoffnung, dass gerade für Kleintierbesitzer, die ihre Tiere als Familienmitglied betrachten, und auch für zoologische Einrichtungen bei der Diagnose eines Herzfehlers die Kardiochirurgie mit Verwendung einer HLM als Therapiemöglichkeit eine interessante und realistische Alternative zur bislang angewandten palliativen medikamentösen Therapie darstellen kann. / In this dissertation a piglet model (8-15 kg, three groups: “control” n=7, “extracorporeal circulation (EC)” n=10, “EGCG” n=6, the control-group was thoracotomized, the EC- and the EGCG-group were thoracotomized and underwent cardiopulmonary bypass (CPB) for 90 minutes, and the EGCG-group received EGCG before and after the CPB) is presented. Three questions were raised and answered: Firstly, it was investigated if the use of a CPB during cardiac surgery with hypothermia, non-pulsatile blood flow and cardioplegia caused damage to the kidney. In order to answer this question, paraffin slices of the kidney of the control- and the EC-group were stained with hematoxylin-eosin (HE), and different structures were evaluated – this staining showed histopathological changes in the EC-group. Paraclinical, the EC-group showed elevated kidney-specific blood parameters (serumcreatinine and -urea). These findings indicated a functionally relevant impairment of the kidney caused by the CPB. Supporting this, the EC-group also showed a decline of the total amount of proteins in the serum, which was suggestive of a generalized injury of the body by the CPB. Secondly, it was investigated whether the injury of the kidney might have been caused by an ischemia/reperfusion injury. Therefore, paraffin slices of the kidney of the control- and the EC-group were immunhistochemically stained (hypoxia-induced-factor-1-alpha-tyramidesignal-amplification (HIF-1-alpha-TSA)-, nitrotyrosine-3-amino-9-ethylcarbazole (nitrotyrosine-AEC)- and apoptosis-inducing-factor-tyramide-signal-amplification (AIF-TSA)-staining). These stainings revealed, that the EC-group had suffered from a hypoxemic situation (accumulation of HIF-1-alpha in the nuclei), from nitrosative stress (presence of nitrotyrosine in the tubuli), and that the kidney was partly damaged to the point of an induction of apoptosis (presence of AIF in the nuclei) – all three of these findings indicated, that the kidneys of the EC-group were put into an ischemic situation. The findings of the renal reversed phase high performance liquid chromatography (RP-HPLC) indicated the same thing. This was also supported by the blood parameter of lactate – the EC-group showed a hyperlactemia – and by some histological findings in the EC-group, which were characteristical for an early shock-kidney (which may be caused by ischemia). Taken together, these findings showed that the CPB-associated kidney injury was primarily caused by an ischemia/reperfusion injury. Thirdly, it was investigated, whether EGCG might attenuate the CPB-associated kidney injury. For that purpose, all of the investigation methods mentioned above were carried out with the samples of the EGCG-group. The findings showed that EGCG (dose: 10 mg/kg) had a protective effect on the kidney, protecting it against the damage caused by the CPB, and was able to partly attenuate this damage and partly even fully counteract it. These findings are of interest for pediatric cardiac surgery, which for example for the correction of innate heart defects depends on the use of CPB. Complications – like acute renal injury post operationem – occur frequently and complicate the recovery. This dissertation demonstrates the renoprotective potential of the natural compound EGCG in the setting of cardiac surgery with the use of CPB. The reason for the effectiveness of EGCG in this situation probably is that EGCG is more than an antioxidant. EGCG not only works as a radical- and nitric-oxide-scavenger, but also is antiapoptotic. In veterinary medicine cardiac surgery with CPB is done by few centers only. However for the future there is hope that people – especially pet owners who view their companion animals as family members, and zoos – become more and more willing to and interested in having an animal diagnosed with a heart defect treated with cardiac surgery including the use of an CPB, instead of – like its usually done nowadays – only giving palliative medication to the animal.