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. / 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.

Eine Erhöhung der Ionenstärke im Plasma durch Steigerung der [Na+] schwächt die Bindung proteingebundener Urämietoxine im Plasma, erhöht die Konzentration freier Toxine und macht sie auf diese Weise zugänglich für eine dialytische Elimination. Basierend auf diesen Zusammenhängen wurde ein bestehendes Prädilutions-Hämodiafiltrationsverfahren modifiziert (HDF-IPIS), indem NaCl hyperosmolar der verwendeten Infusionslösung zugesetzt wurde und eine regionale Hypernatriämie im Plasma resultierte. Die klinische Anwendbarkeit, Verträglichkeit und Effizienz der HDF-IPIS wurde in der vorliegenden Studie an acht Dialysepatienten randomisiert, kontrolliert und cross-over im Vergleich zur Hämodialyse (HD) und unmodifizierter Hämodia-filtration (HDF) demonstriert. Bei fehlenden klinischen Symptomen der Unverträglichkeit erzielte die HDF-IPIS verglichen mit der HD eine um 39 % größere Reduktionsratio für freies IS. Im Vergleich zu HD und normaler HDF war die dialytische Clearance von freiem IS bei der HDF-IPIS ebenfalls signifikant größer. Sämtliche Parameter der Hämokompatibilität, einschließlich der Hämolyseparameter, verhielten sich im Wesentlichen nicht anders als bei den Vergleichsbehandlungen. Über die Behandlungsdauer kam es jedoch beim modifizierten HDF-Verfahren zu einer unzureichenden Netto-Na+-Entfernung mit Anstieg der [Na+] im arteriellen Plasma von 132 ± 2 mmol/l auf 136 ± 3 mmol/l. Die vorliegende Pilotstudie zeigt die prinzipielle technische und klinische Durchführbarkeit der HDF-IPIS. Eine effektivere HDF-IPIS mit einer weiteren Steigerung der Toxinentfernung könnte durch eine stärkere Erhöhung der [Na+] im Plasma erzielt werden. Hierfür bedarf es jedoch weiterer Anpassungen am Dialysegerät, wie etwa einer geringeren [Na+] im Dialysat, um eine Kontrolle der Na+-Bilanz zu ermöglichen. / Content: Haemodiafiltration at increased plasma ionic strength for improved protein-bound toxin removal