211service.com
Odłączono dializę
Dializa konwencjonalna, podczas której krew pacjenta jest przepompowywana przez filtr zewnętrzny w celu usunięcia nagromadzonych toksyn, jest daleka od ideału dla 1,4 miliona osób z chorobami nerek na całym świecie, których życie od tego zależy. Wspólny schemat trzech półdniowych sesji oczyszczania krwi w tygodniu usuwa średnio tylko 17% toksyn, które oczyściłaby zdrowa nerka, tak że tylko jedna trzecia wszystkich pacjentów dializowanych przeżywa dłużej niż pięć lat leczenia.
Według nefrologa nanotechnologia może stanowić alternatywę William Fissell na Uniwersytecie Michigan. Wraz ze współpracownikami pracuje nad membranami z nanoporami, które umożliwią miniaturyzację dializy do postaci wszczepialnych urządzeń, które zapewnią całodobowe usuwanie toksyn, uwalniając pacjentów dializowanych od nieporęcznych pomp i klinik. To fundamentalnie wyzwalająca technologia, mówi Fissell.
Fissell i jego kolega Shuvo Roy, inżynier biomedyczny w Fundacja Cleveland Clinic twierdzą, że rozwiązali połowę problemu: zaprojektowali nanomembrany, które są wystarczająco wydajne, aby wspierać kompaktowy implant o małej mocy. Zespół uzyskał patent na koncepcję na początku tego roku. Jednak inżynieria porów z wymaganą selektywnością – pory, które odprowadzają najgorsze toksyny bez pozbawiania organizmu kluczowych białek, takich jak albumina, czynniki krzepnięcia krwi i przeciwciała – okazuje się trudniejsza niż oczekiwano.
Jak się obecnie praktykuje, dializa jest procedurą prymitywną. Pacjenci są podłączani dożylnie do potężnej pompy, która przepuszcza ich krew przez wkład z porowatych włókien plastikowych. Płyny, rozpuszczone toksyny i sole przechodzą przez włókna i są odrzucane, podczas gdy białka i krwinki złapane na sicie są uzupełniane elektrolitem przed powrotem do pacjenta. Słaba dynamika płynów filtrów jest funkcją ich niedokładności: produkcja filtrów wytwarza szeroki zakres porów, więc aby uniknąć zbyt dużych porów, które mogłyby wyssać cenne białka, włókna muszą być wytwarzane z przewagą bardzo małych porów. Pompa maszyny stanowi różnicę, wtłaczając krew przez te nieefektywne sita.
W przeciwieństwie do tego Fissell i Roy z litograficzną precyzją trawią pory w ultracienkich waflach krzemu. Rezultatem jest jednorodny układ porów, z których każdy jest zdolny do przepływu o kilka rzędów wielkości wyższych niż przeciętny por w konwencjonalnym filtrze. Pory naśladują niezwykle precyzyjne, ale wydajne membrany, które filtrują krew w ludzkiej nerce, przypominając panel żaluzji weneckich, mówi Fissell.
Według Fissella obecne prototypy zawierają około 10 000 porów na milimetr kwadratowy. Membrany nowej generacji, obecnie opracowywane, będą miały ponad 100 000 porów lub szczelin na milimetr kwadratowy i zapewnią ponad 10-krotny przepływ. Fissell szacuje, że wszczepione urządzenie zawierające kilkaset centymetrów kwadratowych tej błony nowej generacji powinno filtrować co najmniej 30 mililitrów krwi na minutę przy średnim ciśnieniu krwi – około jednej trzeciej normalnej funkcji nerek. Implant zostałby wsunięty pod skórę; małe worki z płynem noszone zewnętrznie mogą odbierać ultrafiltrat i dostarczać elektrolity zastępcze.
Problemem pozostaje jednak kontrolowanie tego, co przechodzi przez szczeliny. Podczas gdy nawet największe toksyny krwi z łatwością przedostają się przez szczeliny błony, eksperymenty z prototypami sugerują, że przedostanie się przez nią również najmniejsze z cennych białek, albumina. Dekstran, złożony cukier używany jako surogat albuminy w testach filtracji, przelatuje przez prototypowe pory, mimo że ma średnicę około 40 nanometrów, czyli trzy do czterech razy większą niż pory. Fissell uważa, że dekstran, długołańcuchowa cząsteczka zwykle zgnieciona jak zwitek papieru, rozciąga się, gdy napotyka pory szczelinowe i węże – coś, co może również zrobić łańcuch białkowy, taki jak albumina.
Zespół Fissella testuje, czy nerka sortuje się nie tylko pod względem wielkości, ale także poprzez generowanie ładunków elektrycznych, które odpychają łańcuchy białkowe, które również są naładowane. Modelują różne modyfikacje chemiczne, aby wprowadzić ładunki na powierzchnię porów krzemu.
Aby system był praktyczny, konieczne będzie uczynienie membran biokompatybilnymi. Niemodyfikowany krzem silnie przyciąga białka, a zatem krzemowa membrana z nanoporami szybko by się zatkała po wszczepieniu do organizmu. Kolega Fissella z University of Michigan, David Humes, zainicjował badania na zwierzętach z nanomembranami, aby zidentyfikować sposoby obróbki powierzchni lub alternatywne materiały membranowe, które zapobiegają zatykaniu się implantów.
Humes ma nadzieję wykorzystać membrany do stworzenia bardziej wyrafinowanej wersji implantu, który zawierałby żywe komórki nerki – analogicznie do jego biosztucznego urządzenia wspomagającego nerki, które jest obecnie w fazie drugiej badań klinicznych (patrz Ratowanie życia za pomocą żywych maszyn, lipiec/sierpień 2003). W wszczepianej wersji bio-sztucznej nerki błony nanoporowe chroniłyby żywe komórki nerki przed komórkami odpornościowymi i przeciwciałami, które do tej pory udaremniały większość implantów bio-sztucznych narządów. Z kolei żywe komórki nerki poprawiłyby funkcję implantu poprzez ponowne wchłonięcie i zawrócenie do krwiobiegu niektórych płynów i soli, które przechodzą przez błonę nanoporową. Ostatecznie bio-sztuczne implanty, które odzyskują płyny i sole oraz kierują pozostały ultrafiltrat do pęcherza, mogą nawet wyeliminować potrzebę stosowania zewnętrznych worków z elektrolitem i ultrafiltratem.
Nefrolog z UCLA Medical School Allen Nissenson, który intensywnie pracował nad rozwojem przenośnych urządzeń do dializy, mówi, że okaże się, czy naukowcy z University of Michigan będą w stanie zmieścić swoje systemy filtracyjne w opakowaniu wystarczająco małym i wytrzymałym do implantacji. Ale mówi, że ich cel, jakim jest dokładniejsze naśladowanie funkcji nerek, jest słuszny – i jest pożądaną alternatywą dla stopniowych ulepszeń w bardziej konwencjonalnych technologiach, które zdominowały rozwój dializ przez ostatnie 20 lat. Mówi, że innowacje, które bardziej naśladują sposób, w jaki funkcjonują naturalne nerki, są naprawdę przełomowe dla przyszłości terapii.
30 mililitrów filtracji Fissella na minutę zapewniłoby ponad 30 procent normalnej funkcji nerek – według Williama Harmona, dyrektora nefrologii w Szpitalu Dziecięcym w Bostonie, jest to ogromna poprawa. Mówi, że jest to ważny próg, powyżej którego wiele objawów choroby nerek zniknie: jeśli masz 30 procent, radzisz sobie całkiem dobrze.