Искусственная почка часто является синонимом гемодиализа , но может также относиться к другим методам заместительной почечной терапии (за исключением трансплантации почки ), которые используются и/или разрабатываются. В этой статье речь идет главным образом о биоинженерных почках /биоискусственных почках, выращенных из линий почечных клеток /почечной ткани.
Первая успешная искусственная почка была разработана Виллемом Колффом в Нидерландах в начале 1940-х годов: Колфф первым сконструировал работающий диализатор в 1943 году.
Почки — парные жизненно важные органы, расположенные позади брюшной полости в нижней части грудной клетки, соответствующие уровням T12–L3 позвонков. Они выполняют около десятка физиологических функций и довольно легко повреждаются. Некоторые из этих функций включают фильтрацию и выведение продуктов метаболизма, регуляцию необходимых электролитов и жидкости и стимуляцию производства эритроцитов. [1] Эти органы обычно фильтруют от 100 до 140 литров крови в день, образуя от 1 до 2 литров мочи, состоящей из отходов и лишней жидкости. [2]
Почечная недостаточность приводит к медленному накоплению азотистых отходов, солей, воды и нарушению нормального баланса pH в организме. Эта недостаточность обычно возникает в течение длительного периода времени, и когда функция почек пациента существенно снижается в течение заболевания, это обычно известно как терминальная стадия почечной недостаточности (ТПН; которая также известна как болезнь почек 5 или 6 уровня, в зависимости от от того, используется ли диализ или заместительная почечная терапия). Выявление заболевания почек до того, как почки начинают отключаться, встречается редко: повышенное кровяное давление и снижение аппетита являются симптомами, указывающими на проблему. [3] Диабет и высокое кровяное давление считаются двумя наиболее распространенными причинами почечной недостаточности. [4] Эксперты прогнозируют, что спрос на диализ будет расти по мере увеличения распространенности диабета. [5] До Второй мировой войны почечная недостаточность обычно означала смерть пациента. Во время войны было сделано несколько открытий о функции почек и острой почечной недостаточности. [6]
Каждый третий взрослый американец подвержен риску развития заболеваний почек. [7] Более 26 миллионов взрослых американцев страдают заболеванием почек, и большинство из них не знают об этом. [7] Более 661 000 из них страдают почечной недостаточностью, а 468 000 находятся на диализе. [7] Большое количество людей с почечной недостаточностью способствует постоянному развитию технологии искусственных почек, чтобы больше людей могли иметь доступ к лечению. [ нужна цитата ]
Домашний гемодиализ стал редкостью из-за его недостатков. Это дорого, отнимает много времени и неэффективно занимает пространство. В 1980 году 9,7% диализного населения находились на домашнем гемодиализе, но к 1987 году эта доля упала до 3,6%. [8]
Согласно отчету Организации экономического сотрудничества и развития за 2011 год, Соединенные Штаты Америки занимают второе место по уровню диализа среди развитых стран после Японии. [5] В Соединенных Штатах самый высокий уровень смертности среди пациентов с ТХПН. В среднем 20% американских пациентов с ТПН умирают ежегодно, что более чем в два раза больше, чем в Японии. [5] Рост диализных учреждений в Соединенных Штатах является результатом того, что у большего числа американцев развивается терминальная стадия почечной недостаточности. С 2001 по 2011 год их число увеличилось примерно на 49,7% с 411 000 граждан до 615 000 граждан. [5] В 2001 году только 296 000 американцев находились на той или иной форме диализа. [5] Десять лет спустя это число увеличилось до более чем 430 000 в результате развития хронических заболеваний, таких как диабет и гипертония. [5]
Более 300 000 американцев зависят от гемодиализа в качестве лечения почечной недостаточности, но, согласно данным USRDS 2005 года, 452 000 американцев страдают терминальной стадией заболевания почек (ESKD). [9] Интригующие исследования, проведенные группами в Лондоне, Онтарио и Торонто, Онтарио, показали, что лечение диализом, продолжающееся в два-три раза дольше и проводимое чаще, чем обычное лечение трижды в неделю, может быть связано с улучшением клинических результатов. [10] Введение шестиразового ночного диализа в неделю приведет к перегрузке существующих ресурсов в большинстве стран. Это, а также нехватка донорских органов для трансплантации почек побудили исследования по разработке альтернативных методов лечения, включая разработку носимых или имплантируемых устройств. [11]
Гемодиализ — это метод удаления продуктов жизнедеятельности, таких как креатинин и мочевина, а также свободной воды из крови при почечной недостаточности. Механическое устройство, используемое для очистки крови пациента, называется диализатором, также известным как искусственная почка. Современные диализаторы обычно состоят из цилиндрического жесткого корпуса, содержащего полые волокна, отлитые или экструдированные из полимера или сополимера, который обычно представляет собой запатентованную рецептуру. Общая площадь полых волокон обычно составляет 1-2 квадратных метра. Многие группы провели интенсивные исследования по оптимизации потоков крови и диализата внутри диализатора, чтобы добиться эффективного переноса отходов из крови в диализат. [ нужна цитата ]
Имплантируемая искусственная почка — это второй проект, который разрабатывается совместно нефрологом Уильямом Х. Фисселлом IV из Медицинского центра Университета Вандербильта совместно с профессором Шуво Роем из Калифорнийского университета в Сан-Франциско . Фиссел и его коллеги работали над имплантируемой искусственной почкой более десяти лет, но недавно, в ноябре 2015 года, получили грант в размере 6 миллионов долларов для дальнейшего продолжения исследований и разработок проекта. Цель этого проекта — создать биогибридное устройство, которое сможет имитировать функции здоровой почки, удаляя достаточное количество отходов, чтобы пациенту не требовалось лечение диализом. Ключом к успеху этого устройства является использование кремниевых нанотехнологий и пористого микрочипа, способного действовать как естественный фильтр. Фисселл и его команда разработали каждую пору (фильтра) для выполнения определенной функции или задачи. Микрочипы также будут выступать в качестве платформы, на которой живые клетки почек будут жить и расти на фильтрах и вокруг них с целью имитировать естественные функции почек. Бигибридное устройство не будет в зоне досягаемости иммунного ответа организма, что позволит защитить его от отторжения организмом пациента. Устройство будет спроектировано так, чтобы быть достаточно маленьким, чтобы поместиться внутри тела пациента и успешно работать с естественным кровотоком пациента. Фисселл и его исследовательская группа продолжают добиваться прогресса и ожидают, что имплантируемая искусственная почка поступит в испытания на людях к 2017 году. [12] [13]
Носимая искусственная почка — это портативный аппарат для диализа , который человек с терминальной стадией заболевания почек может использовать ежедневно или даже постоянно. Носимой искусственной почки (WAK) не существует, но исследовательские группы находятся в процессе разработки такого устройства. Цель — разработать портативное устройство, которое сможет имитировать функции обычной почки. Это устройство позволит лечить пациента двадцать четыре часа в сутки. С развитием миниатюрных насосов надежда на создание эффективного носимого устройства для гемодиализа стала реальностью. Некоторые пациенты уже получают постоянное лечение перитонеальным диализом, что позволяет им оставаться амбулаторными. Однако лишь небольшая часть пациентов, находящихся на диализе, используют перитонеальный диализ, поскольку для его хранения и утилизации требуется большое количество диализата . Почки здорового человека фильтруют кровь 24 часа в сутки, 168 часов в неделю по сравнению с человеком с терминальной стадией почечной недостаточности, план лечения которого диализом составляет примерно 12 часов в неделю. Лечение приводит к снижению качества жизни, а также к более высокому уровню смертности у пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности (ТПН). Поэтому существует потребность в круглосуточном устройстве, которое позволит пациентам с ТХПН непрерывно получать диализ, сохраняя при этом нормальную жизнь. [14] [15] [16] FDA одобрило первое в США клиническое испытание на людях носимой искусственной почки, разработанной компанией Blood Purification Technologies Inc. Прототипом WAK является 10-фунтовое устройство, питающееся от девятивольтовой сети. батареи, которые подключаются к пациенту через катетер и должны использовать менее 500 мл диализата. [14] Он предназначен для непрерывной работы от батарей, что позволяет пациентам оставаться в амбулаторном режиме при ношении устройства, что приводит к повышению качества жизни. Устройство предназначено для улучшения других физиологических аспектов здоровья пациента, таких как улучшение контроля объема, снижение гипертонии и задержки натрия, а также снижение частоты сердечно-сосудистых заболеваний и инсультов . [14] [15] [16]
Носимая искусственная почка (WAK) на протяжении многих лет постоянно модифицировалась для улучшения состояния людей, страдающих почечной недостаточностью. Чтобы попытаться сделать WAK пригодным для использования, было проведено несколько экспериментов. При проведении этих экспериментов для WAK пытаются достичь аналогичных целей. Например, основная цель этих экспериментов — убедиться, что WAK может функционировать как обычная почка. [ нужна цитата ]
В одном эксперименте участвовали восемь человек, которые носили WAK в течение четырех-восьми часов. [14] Когда участники носили WAK, произошло несколько результатов. Например, одним из результатов эксперимента было то, что удаление жидкости для WAK правильно контролировалось ультрафильтрационным насосом. [14] Еще один результат, который произошел во время этого эксперимента, заключался в том, что игла, подключенная к WAK, в конечном итоге отключилась сама. [14] Когда это произошло, WAK смог это распознать, и кровь перестала качать кровь. [14] Когда кровь переставала перекачиваться, иглу можно было вставить повторно, при этом организм не терял большого количества крови. [14] Поскольку были проведены другие исследования, утверждалось, что использование ультрафильтрационного насоса может быть не лучшим насосом для WAK. Например, исследования показали, что использование вместо этого перистальтического насоса позволит человеку узнать скорость кровотока без использования датчика, который необходим в ультрафильтрационном насосе, использованном в упомянутом выше эксперименте. [17] Изменение типа насоса, используемого для WAK, может иметь решающее значение, поскольку оно может помочь сделать устройство более дешевым и надежным для населения за счет отсутствия датчика. [17]
После долгих исследований WAK были получены ответы на несколько исследовательских вопросов. Например, исследователи выяснили, что WAK может работать без розетки, поскольку он способен работать от девятивольтовой батареи . [14] Однако исследователи утверждают, что использование девятивольтовых батарей недостаточно эффективно для WAK, поскольку оно не обеспечивает питание устройства достаточно долго и косвенно делает WAK менее доступным, когда приходится постоянно менять батареи. [18] В связи с этим исследуются другие источники энергии, например, исследователи видят, будут ли топливные элементы , беспроводная передача энергии от активного источника или сбор энергии из окружающей среды лучшими способами обеспечения питания WAK в течение более длительных периодов времени. времени. [18] На несколько вопросов о WAK были даны ответы, но многие исследовательские вопросы до сих пор остаются без ответа. Исследователи все еще пытаются выяснить, может ли WAK быть энергоэффективным, доступным по цене и может ли он повторно использовать небольшие количества диализата . [14]
В настоящее время не существует жизнеспособных биоинженерных почек. Несмотря на то, что ведется большое количество исследований, на пути их создания существует множество препятствий. [19] [20] [21]
Однако изготовление мембраны, имитирующей способность почек фильтровать кровь и впоследствии выделять токсины, одновременно реабсорбируя воду и соль, позволило бы создать носимые и/или имплантируемые искусственные почки. Разработка мембраны с использованием технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС) является ограничивающим шагом в создании имплантируемой биоискусственной почки.
Лаборатории BioMEMS и почечной нанотехнологии в Научно-исследовательском институте Лернера при клинике Кливленда сосредоточили свои усилия на продвижении мембранных технологий для разработки имплантируемых или носимых средств терапии терминальной стадии заболевания почек (ESKD). Современные диализные картриджи слишком велики и требуют сверхфизиологического давления для кровообращения, а поры в современных полимерных мембранах имеют слишком широкое распределение по размерам и нерегулярные особенности. Изготовление кремниевой нанопористой мембраны с узким распределением пор по размеру улучшает способность мембраны различать отфильтрованные и удерживаемые молекулы. Это также увеличивает гидравлическую проницаемость, позволяя среднему размеру пор приблизиться к желаемому отсечению мембраны. Использование процесса серийного производства позволяет строго контролировать распределение пор по размерам и геометрию. [22]
Исследования показывают, что клетки почек человека были собраны из донорских органов, непригодных для трансплантации, и выращены на этих мембранах. Культивируемые клетки покрывают мембраны и, по-видимому, сохраняют черты клеток взрослых почек. Дифференцированный рост почечных эпителиальных клеток на материалах МЭМС позволяет предположить, что миниатюрное устройство, подходящее для имплантации, может оказаться возможным.
Проект под руководством UCSF по созданию имплантируемой искусственной почки для пациентов, находящихся на диализе, был выбран в качестве одного из первых проектов, прошедших более своевременную и совместную проверку в Управлении по контролю за продуктами и лекарствами.
9 апреля 2012 года FDA объявило, что выбрало три проекта почечных устройств для пилотной программы одобрения регулирующих органов под названием Innovation Pathway 2.0, призванной быстрее и эффективнее донести до пациентов революционные технологии медицинского оборудования.
Проект искусственной почки, клинические испытания которого намечены на 2017 год, был выбран из-за его преобразующего потенциала в лечении терминальной стадии заболевания почек, а также из-за его потенциала получить выгоду от раннего взаимодействия с FDA в процессе одобрения.
Усилия FDA будут включать тесный контакт между федеральным агентством и разработчиками устройств на ранних этапах процесса разработки для выявления и устранения потенциальных научных и нормативных препятствий, а также создания дорожной карты для утверждения проекта. Цель состоит в том, чтобы повысить общие шансы проектов на успех, одновременно сократив время и стоимость проверки FDA и сохранив безопасность. Уроки, по словам агентства, послужат основой для одобрений в других областях.
Проект «Почки» — это национальная исследовательская инициатива, направленная на разработку и тестирование имплантированной отдельной биоискусственной почки. [23]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )