Искусственная почка
 | Эту статью необходимо обновить . ( февраль 2017 г. ) |
Искусственная почка часто является синонимом гемодиализатора, 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 биоискусственных почках, включающих клетки, выращенные 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. [1]
Некоторые из коммерческих компаний-производителей искусственных почек — Hospal, Asahi Kasei, Medtronic, Baxter, Nipro, Fresenius и многие другие.
Медицинское использование
[ редактировать ]Почечная недостаточность
[ редактировать ]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 обмена веществ, регуляцию необходимых электролитов и жидкости и стимуляцию производства эритроцитов. [2] Эти органы обычно фильтруют от 100 до 140 литров крови в день, производя от 1 до 2 литров мочи, состоящей из отходов и лишней жидкости. [3]
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 значительно 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. [4] Диабет и высокое кровяное давление считаются двумя наиболее распространенными причинами почечной недостаточности. [5] Эксперты прогнозируют, что спрос на диализ будет расти по мере увеличения распространенности диабета. [6] До Второй мировой войны почечная недостаточность обычно означала смерть пациента. Во время войны было сделано несколько открытий о функции почек и острой почечной недостаточности. [7]
Каждый третий взрослый американец подвержен риску развития заболеваний почек. Более 26 миллионов взрослых американцев страдают заболеванием почек, и большинство из них не знают об этом. Более 661 000 из них страдают почечной недостаточностью, а 468 000 находятся на диализе. Большое количество людей с почечной недостаточностью способствует постоянному развитию технологии искусственных почек, чтобы больше людей могли иметь доступ к лечению. [8]
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%. [9]
Согласно отчету Организации экономического сотрудничества и развития за 2011 год, Соединенные Штаты Америки занимают второе место по уровню диализа среди развитых стран после Японии. В Соединенных Штатах самый высокий уровень смертности среди пациентов с ТХПН. В среднем ежегодно умирают 20% пациентов с ТПН в Америке, что более чем в два раза больше, чем в Японии. Рост диализных центров 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. В 2001 году только 296 000 американцев находились на той или иной форме диализа. Десять лет спустя это число увеличилось до более чем 430 000 в результате развития хронических заболеваний, таких как диабет и гипертония. [6]
Потребность в биоискусственной почке
[ редактировать ]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). [10] 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. [11] Введение диализа шесть раз в неделю и всю ночь 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. [12]
Предлагаемые решения
[ редактировать ]Имплантируемая биоискусственная почка
[ редактировать ]Имплантируемая биоискусственная почка — это проект, который разрабатывается совместно нефрологом Уильямом Х. Фисселлом IV из Медицинского центра Университета Вандербильта с профессором Шуво Роем , биоинженером из Калифорнийского университета в Сан-Франциско . Целью этого проекта является создание биогибридного устройства, которое сможет удалять продукты жизнедеятельности из кровотока, чтобы избавить пациента от необходимости диализа или трансплантации почки, а также имитировать функции здоровой почки, улучшая качество жизни и продолжительность жизни.
Ключом к успеху этого устройства является использование кремниевой нанопористой мембраны (SEM), изготовленной по технологии MEMS, аналогичной процессу производства полупроводников. Эти СЭМ имеют поры, которые достаточно велики, чтобы обеспечить перенос жидкости и электролитов, но слишком малы, чтобы иммунная система могла взаимодействовать с живыми клетками почек, содержащимися в устройстве.
Соответственно, СЭМ будет функционировать не только как гемофильтры, но и как платформа, на которой живые клетки почек смогут жить и процветать внутри отделения. Таким образом, эти клетки могут выполнять метаболические и эндокринные функции здоровой почки. Благодаря защите с помощью СЭМ клетки почек останутся здоровыми и жизнеспособными внутри устройства. Дополнительным преимуществом iBAK является то, что пациентам, использующим это устройство, не нужно будет пожизненно принимать препараты для подавления иммунитета, как это необходимо реципиентам почечного трансплантата. Кроме того, поскольку клетки почек в iBAK будут выполнять функции гормональной регуляции, как и естественная почка, реципиенты будут здоровее и будут страдать от меньшего количества заболеваний, чем пациенты на диализе. Устройство будет достаточно маленьким, чтобы поместиться внутри тела пациента, и будет питаться от естественного кровотока. Другими словами, устройство не требует батарей, электроники или обслуживания. Устройство также будет генерировать мочу, как естественная почка, и будет подключено к мочевому пузырю; реципиенты вновь обретут способность мочиться естественным путем.
В 2020 году эксперимент по проверке концепции показал, что прототипы устройств iBAK не имеют тромбов и отторжений. Прототипы содержали человеческие почечные клетки, которые оставались здоровыми в течение 7-дневной пробной имплантации здоровым молодым свиньям Юкатана (n=5). Потребуются дальнейшие испытания с большим количеством клеток почек в устройствах на свиньях с почечной недостаточностью, чтобы показать, что биореактор может выполнять физиологически сходные функции с естественной почкой. проф. Рой, Фисселл и исследовательская группа продолжают добиваться прогресса и надеются, что устройство пройдет испытания FDA к 2030 году. [13]
Носимая искусственная почка
[ редактировать ]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 требуется большое количество диализата для его хранения и утилизации . 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 пациентов с терминальная стадия болезни почек (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. Прототип WAK представляет собой 10-фунтовое устройство, питающееся от девятивольтовых батарей, которое подключается к пациенту через катетер и следует 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]
Эксперименты с носимой искусственной почкой
[ редактировать ]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. [14]
В одном эксперименте участвовали восемь человек, которые носили WAK в течение четырех-восьми часов. Когда участники носили WAK, произошло несколько результатов. Например, одним из результатов эксперимента было то, что удаление жидкости для WAK правильно контролировалось ультрафильтрационным насосом. Другой результат, который произошел во время этого эксперимента, заключался в том, что игла, подключенная к WAK, в конечном итоге отключилась. Когда это произошло, WAK смог это распознать, и кровь перестала качать. Когда кровь перестанет перекачиваться, иглу можно будет ввести снова, при этом организм не потеряет 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 эксперименте, упомянутом выше. 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 значительного объема 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] Хотя исследователи утверждают, что использование девятивольтовых батарей недостаточно эффективно для WAK, поскольку оно не питает устройство достаточно долго и косвенно делает WAK менее доступным, когда приходится постоянно менять батареи. [18] В связи с этим исследуются другие источники энергии, например, исследователи выясняют, 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. [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]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Твардовский, Збылут Дж. (2008). «История создания гемодиализаторов» . Международный гемодиализ . 12 (2): 173–210. дои : 10.1111/j.1542-4758.2008.00253.x . ISSN 1492-7535 .
- ^ Анатомия почки в eMedicine
- ^ «Почки и как они работают» . www.niddk.nih.gov . Проверено 30 ноября 2015 г.
- ^ «Обзор почек» . ВебМД . Проверено 2 декабря 2015 г.
- ^ «Ключевые моменты: о диализе при почечной недостаточности» . www.kidney.org . Национальный фонд почек. 2016.
- ^ Jump up to: а б Джонсон, Стивен (11 октября 2014 г.). «Потребность в диализе растет по мере роста заболеваемости почек» . www.modernhealthcare.com . Современное здравоохранение.
- ^ Байуотерс Э.Г.Л., Билл Д. (1941). «Размозжение с нарушением функции почек» . Британский медицинский журнал . 1 (4185): 427–32. дои : 10.1136/bmj.1.4185.427 . ПМК 2161734 . ПМИД 20783577 .
- ^ «Быстрые факты» . Национальный фонд почек . Национальный фонд почек. 12 августа 2014 г. Получено 13 ноября 2016 г. - через почку.org.
- ^ Твардовский, Збылут Дж. (9 августа 1994 г.). «Искусственная почка для частого (ежедневного) гемодиализа» . Патент США .
- ^ Фиссел WH, Хьюмс HD, Флейшман AJ, Рой С (2007). «Диализ и нанотехнологии: сейчас, 10 лет или никогда?». Очищение крови . 25 (1): 12–17. дои : 10.1159/000096391 . ПМИД 17170531 . S2CID 42050968 .
- ^ Линдси Р.М., Леитч Р., Хайденхэм А.П., Кортас С. (2003). «Лондонское исследование ежедневного / ночного гемодиализа: дизайн исследования, результаты заболеваемости и смертности». Am J Kidney Dis . 42 Доп. 1 (1 Доп.): S5–S12. дои : 10.1016/S0272-6386(03)00531-6 . ПМИД 12830437 .
- ^ Фиссел В., Мэнли С., Вестовер А., Хьюмс Х.Д., Флейшман А.Дж., Рой С. (2006). «Дифференцированный рост клеток почечных канальцев человека на тонкопленочных и наноструктурированных материалах» . Журнал АСАИО . 52 (3): 221–227. дои : 10.1097/01.mat.0000205228.30516.9c . ПМИД 16760708 . S2CID 9494223 .
- ^ Ким, Ын Юнг; Чен, Каресса; Гологорский, Ребекка; Сантандреу, Ханна; Торрес, Алонсо; Райт, Натан; Гудин, Марк С.; Мойер, Джарретт; Чуй, Бенджамин В.; Блаха, Чарльз; Брейкман, Пол; Вартанян, Шант; Тан, Цичжи; Дэвид Хьюмс, Х.; Фиссел, Уильям Х.; Рой, Шуво (29 августа 2023 г.). «Возможность имплантируемого биореактора для почечно-клеточной терапии с использованием кремниевых нанопоровых мембран» . Природные коммуникации . 14 (1): 4890. Бибкод : 2023NatCo..14.4890K . дои : 10.1038/ s41467-023-39888-2 ПМЦ 10465514 . ПМИД 37644033 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Ронко, Клаудио; Давенпорт, Эндрю; Гура, Виктор (01 июля 2008 г.). «На пути к носимой искусственной почке». Международный гемодиализ . 12 : S40–S47. дои : 10.1111/j.1542-4758.2008.00295.x . ISSN 1542-4758 . ПМИД 18638240 . S2CID 5721553 .
- ^ Jump up to: а б Гура, Виктор; Ривара, Мэтью Б.; Бибер, Скотт; Мунши, Радж; Смит, Нэнси Колобонг; Линке, Лори; Кундзинс, Джон; Бейзай, Масуд; Эзон, Карлос (2016). «Переносная искусственная почка для пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности» . JCI-инсайт . 1 (8). doi : 10.1172/jci.insight.86397 . ISSN 2379-3708 . ПМЦ 4936831 . ПМИД 27398407 .
- ^ Jump up to: а б Гура, Виктор; Мэйси, Александра С.; Бейзай, Масуд; Эзон, Карлос; Голпер, Томас А. (07 декабря 2016 г.). «Технические прорывы в области портативных искусственных почек (WAK)» . Клинический журнал Американского общества нефрологов . 4 (9): 1441–1448. дои : 10.2215/CJN.02790409 . ISSN 1555-9041 . ПМЦ 2736696 . ПМИД 19696219 .
- ^ Маркович, М.; Рапин, М.; Корревон, М.; Перриар, Ю. (1 сентября 2013 г.). «Проектирование и оптимизация кровяного насоса для носимого устройства искусственной почки». Транзакции IEEE для промышленных приложений . 49 (5): 2053–2060. дои : 10.1109/TIA.2013.2260851 . ISSN 0093-9994 . S2CID 16399324 .
- ^ Jump up to: а б Ким, Чон Чул; Гарцотто, Франческо; Налессо, Федерико; Круз, Динна; Ким, Джи Хён; Кан, Ынгтэк; Ким, Хи Чан; Ронко, Клаудио (2011). «Носимая искусственная почка: технические требования и возможные решения». Экспертиза медицинских изделий . 8 (5): 567–579. дои : 10.1586/erd.11.33 . ПМИД 22026622 . S2CID 38028816 .