Opbygning af en implanterbar kunstig nyre

Næsten 400.000 mennesker i USA – og så mange som to millioner på verdensplan – er afhængige af dialysemaskiner til at filtrere toksiner fra deres blod på grund af kronisk nyresvigt.

Under pres: En biokonstrueret nyre udnytter siliciummembraner, der tillader filtrering med meget lavt tryk. Membranen på dette billede er lagdelt med nyreceller. Cellernes kerner er vist i blåt, deres mikrotubuli i rødt og et krydsprotein kaldet ZO-1 i grønt.

Patienter skal være bundet til maskiner mindst tre gange om ugen i tre til fem timer ad gangen. Selv da er en dialysemaskine kun omkring 13 procent så effektiv som en funktionel nyre, og den femårige overlevelsesrate for patienter i dialyse er kun 33 til 35 procent. For at genoprette sundheden har patienter brug for en nyretransplantation, og der er bare ikke nok donororganer til at gå rundt. I august var der 85.000 patienter på den amerikanske venteliste til en nyre i USA, mens der kun fandt 17.000 nyretransplantationer sted sidste år.

En samarbejdende, tværfaglig gruppe af laboratorier arbejder på at skabe den første implanterbare kunstige nyre. Prototypen, der blev afsløret i sidste uge, er kompakt, ikke større end en suppedåse. Det filtrerer ikke kun toksiner ud af blodbanen, men bruger også menneskelige nyreceller til at udføre andre vitale funktioner, såsom at regulere blodtrykket og producere D-vitamin.

Dialyse er ikke kun tidskrævende, men det er også invaliderende. Mange patienter har det ikke godt, fordi det ikke udfører alle funktionerne i en normal, sund nyre, siger bioingeniør Shuvo Roy , hvis laboratorium ved University of California, San Francisco producerede den nye enhed og allerede tester den på dyr. Nyren filtrerer ikke kun giftstoffer. Det har også metaboliske funktioner og hormonelle funktioner, og dialyse fanger ikke disse evner.

At gøre en kunstig nyre lille nok til at passe ind i kroppen er dog en stor udfordring. En sund nyre filtrerer 90 liter vand hver dag. De nuværende dialysemaskiner er på størrelse med et lille køleskab og kræver et betydeligt tryk for at pumpe nok vand gennem maskinens porøse membraner til at tillade forurenende stoffer at blive filtreret ud af blodet.

Det nye implantat er en sammensmeltning af flere forskningslinjer og drager fordel af to nyere fremskridt på området. Nefrolog ved University of Michigan David nynner har vist, at menneskelige nyreceller kunne bruges i en filtreringsmaskine i rumstørrelse for i høj grad at forbedre sundheden for patienter, hvis nyrer er holdt op med at fungere. I mellemtiden har Roy og William Fissell , en nefrolog ved Cleveland Clinic, har fremstillet en nano-pore siliciummembran, der – med sin tætte og præcise porestruktur – kunne hjælpe med at miniaturisere dialysemaskiner.

Prototypen er et todelt system: halvdelen består af et toksin-fjernende filter, hvori tusindvis af siliciummembraner er stablet sammen. Deres nano-porer er så tætte og så præcist formet, at de kan filtrere meget præcist ved kun at bruge kraften fra kroppens eget blodtryk. Blod strømmer ind gennem dette filter, hvor toksiner, sukkerarter, vand og salte fjernes som en filtreret opløsning.

Det rene blod og det vandige filtrat bliver begge shuntet ind i den anden halvdel af systemet: en separat patron. Her flyder de over flere siliciummembraner, disse er belagt med en enkelt type menneskelig nyrecelle, som hjælper enheden med at reabsorbere noget af vandet, sukker og salte, samt producerer D-vitamin og hjælper med at forhindre blodtrykket i at synke også lav-normal nyrefunktion, som ikke tilbydes ved dialyse. Det affald, der ikke genabsorberes, shuntes til et rør, der er fastgjort til blæren og fjernes som affald i urinen - ligesom en normal nyre ville gøre.

Det er langt fra et komplet system, og forskerne bemærker, at de aldrig forventer, at det erstatter nyretransplantationer. Din nyre har 20 til 30 celletyper i sig, som alle udfører forskellige funktioner. Men vi vil gerne overvinde et kritisk problem, der er dukket op i nyresvigt, siger Fissell. Hvis du er opført til en nyretransplantation, er der langt større sandsynlighed for, at du dør på ventelisten, end du er for at få en nyre. Han siger, at enheden kan fungere som en bro for patienter, der venter på transplantation.

Fra et generelt perspektiv ville enhver implanterbar enhed kraftigt reducere den byrde, som patienter nu oplever, siger Glenn Chertow , chef for nefrologi ved Stanford University School of Medicine. Og hvis noget af den ekstra magi, som en indfødt nyre giver, kunne føjes til en implanterbar enhed, kunne vi komme tættere på en genoprettelse af et godt helbred.

Forskerne har allerede udarbejdet nogle af de mere vanskelige problemer: Humes har fundet ud af, hvordan man dyrker nyreceller i den nødvendige skala (han kan dyrke nok celler til 100.000 enheder fra en enkelt nyre). Han har også bestemt den bedste måde at fryse dem på til fremtidig brug. Og Roy, en TR35-vinder i 2003, har testet implantatet i et dusin rotter og en håndfuld grise. De skal stadig opskalere implantatets effektivitet til noget, der kunne fungere effektivt på mennesker, men de håber at starte forsøg med mennesker om fem til syv år. Lige nu kan biopatronen filtrere mellem 30 og 35 liter vand om dagen, og den skal kunne filtrere mindst 43. De skal også finde måder at sikre, at apparaterne ikke forårsager blodpropper eller immunreaktioner.

Andre grupper arbejder også hen imod alternativer til dialyseaftaler tre gange om ugen, selvom de fleste koncentrerer sig om dialyseudstyr, der kan bæres – et vanskeligt forslag i sig selv i betragtning af udfordringen med konstant filtrering ved så store mængder uden en ekstern pumpe. En sådan enhed er allerede i anden fase af kliniske forsøg. Men selv konstant dialyse kan ikke træde i stedet for nyrens andre funktioner.

Allen Nissenson, CMO for DaVita , en af ​​landets største dialyseudbydere, siger, at det implanterbare koncept har appel. Det er en bioreaktornyre, et utroligt innovativt koncept, og virkelig spændende, hvis det viser sig at være brugbart i større skala, siger han.

skjule