Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Искусственные почки часто является синоним для гемодиализа , но также может, обратитесь к заместительной почечной терапии (с исключением трансплантации почки ), которые используются и / или в процессе разработки. В этой статье рассматриваются биоинженерные почки / биоискусственные почки, выращенные из почечных клеточных линий / почечной ткани.

Первая успешная искусственная почка была разработана Виллемом Колффом в Нидерландах в начале 1940-х годов. Колфф первым сконструировал рабочий диализатор в 1943 году.

Медицинское использование [ править ]

Почечная недостаточность [ править ]

Почки - это парные жизненно важные органы, расположенные за брюшной полостью в нижней части грудной клетки, соответствующие уровням T12-L3 позвонков позвоночника. Они выполняют около десятка физиологических функций и довольно легко повреждаются. Некоторые из этих функций включают фильтрацию и выведение продуктов метаболизма, регулирование необходимых электролитов и жидкостей и стимуляцию выработки красных кровяных телец. [1] Эти органы обычно фильтруют от 100 до 140 литров крови в день, чтобы произвести 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 происходит в течение длительного периода времени, и, когда функция почек пациента значительно снижается в течение болезни, обычно называют терминальной стадией почечной недостаточности (ТПН), которая также известна как заболевание почек 5 или 6 уровня, в зависимости от используется ли диализ или заместительная почечная терапия). Выявление болезни почек до того, как почки начнут отключаться, встречается редко, при этом высокое кровяное давление и снижение аппетита являются симптомами, указывающими на проблему. [3] Диабет и высокое кровяное давление считаются двумя наиболее частыми причинами почечной недостаточности. [4]Эксперты прогнозируют, что потребность в диализе будет расти по мере увеличения распространенности диабета. [5] До Второй мировой войны почечная недостаточность обычно означала смерть пациента. Во время войны было сделано несколько исследований функции почек и острой почечной недостаточности. [6]

Каждый третий взрослый американец подвержен риску развития болезни 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 технологий искусственных почек, чтобы большее количество людей могло получить доступ к лечению.

Домашний гемодиализ стал редкостью из-за его недостатков. Это дорого, требует много времени и занимает мало места. В 1980 году 9,7% диализного населения находилось 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 США самый высокий уровень смертности среди пациентов с ТПН. В среднем 20% американских пациентов с ТПН умирают ежегодно, что более чем вдвое больше, чем в Японии. [5] Рост числа диализных центров в Соединенных Штатах является результатом того, что у большего числа американцев развивается терминальная стадия почечной недостаточности. С 2001 по 2011 год это число увеличилось примерно на 49,7% с 411 000 до 615 000 граждан. [5] В 2001 году только 296 000 американцев находились на диализе в той или иной форме. [5]Десять лет спустя это число увеличилось до более чем 430 000 в результате развития хронических заболеваний, таких как диабет и гипертония. [5]

Потребность в биоискусственной почке [ править ]

Более 300 000 американцев зависят от гемодиализа в качестве лечения почечной недостаточности, но, согласно данным USRDS 2005 г., 452 000 американцев страдают терминальной стадией болезни почек (ESKD). [9] Интригующие исследования групп из Лондона, Онтарио и Торонто, Онтарио, показали, что диализное лечение, продолжающееся в два-три раза дольше, и проводимое чаще, чем обычное лечение трижды в неделю, может быть связано с улучшенными клиническими результатами. [10] Внедрение круглосуточного диализа шесть раз в неделю приведет к перегрузке имеющихся ресурсов в большинстве стран. Это, а также нехватка донорских органов для трансплантации почки побудили к исследованиям в области разработки альтернативных методов лечения, включая разработку носимых или имплантируемых устройств.[11]

Предлагаемые решения [ править ]

Искусственная почка [ править ]

Диализатор, используемый при гемодиализе

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 пациентов, называется диализатором, также известным как искусственная почка. Современные диализаторы обычно состоят из цилиндрической жесткой оболочки, в которой заключены полые волокна, отлитые или экструдированные из полимера или сополимера, который обычно представляет собой запатентованный состав. Общая площадь полых волокон обычно составляет 1-2 квадратных метра. Многие группы проводили интенсивные исследования по оптимизации потоков крови и диализата в диализаторе, чтобы добиться эффективного переноса отходов из крови в диализат.

Имплантируемая искусственная почка [ править ]

Имплантируемая искусственная почка - это второй проект, который разрабатывается совместно нефрологом по имени Уильям Х. Фиссел IV, доктором медицины, из Медицинского центра Университета Вандербильта, 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 разработки проекта. Цель этого проекта - создать биогибридное устройство, которое может имитировать функции здоровой почек, удаляя достаточно продуктов жизнедеятельности, чтобы пациенту не требовалось лечение диализом. Залог успеха этого устройства - использование кремниевых нанотехнологий.и микрочип, который является пористым и может действовать как естественный фильтр. Фиссел 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 имитации естественных функций почек. Биогибридное устройство будет недоступно для иммунного ответа организма, что позволит защитить его от отторжения организмом пациента. Устройство будет спроектировано таким образом, чтобы оно было достаточно маленьким, чтобы поместиться в теле пациента, которое будет успешно работать с естественным кровотоком пациента. Фиссел и его исследовательская группа продолжают добиваться прогресса, и они ожидали, что имплантируемая искусственная почка будет запущена в испытания на людях к 2017 году. [12] [13]

Носимая искусственная почка [ править ]

Носимая искусственная почка является носимым диализный аппаратом , что человек с терминальной стадией заболевания почекможно использовать ежедневно или даже постоянно. Носимая искусственная почка (WAK) недоступна, но исследовательские группы разрабатывают такое устройство. 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 эффективное носимое устройство для гемодиализа стала реальностью. Некоторые пациенты уже получают непрерывный перитонеальный диализ, который позволяет им оставаться амбулаторно. Однако лишь небольшая часть диализных пациентов использует перитонеальный диализ, поскольку для этого требуется большое количество диализата.хранить и утилизировать. Почки здорового человека фильтруют кровь 24 часа в сутки, 168 часов в неделю по сравнению с человеком с терминальной стадией почечной недостаточности, план лечения диализом которого составляет примерно 12 часов в неделю. Лечение приводит к более низкому качеству жизни, а также более высокому уровню смертности пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности (ТПН). Следовательно, существует потребность в круглосуточном устройстве, которое позволит пациентам с ESRD непрерывно получать диализ, сохраняя при этом нормальный образ жизни. [14] [15] [16]FDA одобрило первое в США клиническое испытание носимой искусственной почки, разработанной Blood Purification Technologies Inc., на людях. Прототипом WAK является 10-фунтовое устройство, работающее от девятивольтовых батарей, которое подключается к пациенту через катетер, и следует использовать менее 500 мл диализата. [14] Он разработан для непрерывной работы от батарей, что позволяет пациентам оставаться в амбулаторных условиях при ношении устройства, что способствует повышению качества жизни. Устройство предназначено для улучшения других физиологических аспектов здоровья пациента, таких как улучшенный контроль объема, снижение гипертонии и задержки натрия, а также снижение частоты сердечно-сосудистых заболеваний и инсульта . [14] [15][16]

Эксперименты с носимой искусственной почкой [ править ]

Носимая искусственная почка (WAK) на протяжении многих лет постоянно модифицировалась в лучшую сторону для людей с почечной недостаточностью. Чтобы попытаться сделать WAK пригодным для использования, было проведено несколько экспериментов. Проводя эти эксперименты для WAK, мы пытаемся достичь схожих целей. Например, основная цель этих экспериментов - убедиться, что WAK может функционировать как обычная почка.

В одном из проведенных экспериментов участвовали восемь человек, которые носили WAK от четырех до 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] Другой результат, который произошел во время этого эксперимента, заключался в том, что игла, подключенная к WAK, в конечном итоге отключилась. [14] Когда это произошло, WAK смог распознать это, и кровь перестала перекачиваться. [14] Когда кровь перестала перекачиваться, иглу можно было повторно ввести, не теряя при этом 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 перистальтического насоса вместо этого позволит человеку узнать скорость кровотока без датчика, который необходим в ультрафильтрационном насосе, используемом в вышеупомянутом эксперименте. [17] Изменение типа насоса, используемого для WAK, может иметь решающее значение, поскольку оно может помочь сделать устройство более дешевым и надежным для населения, поскольку не будет иметь датчика. [17]

Проведя много исследований WAK, мы получили ответы на несколько исследовательских вопросов. Например, исследователи выяснили, что WAK может работать без розетки, потому что он может работать от девятивольтовой батареи . [14] Хотя исследователи утверждали, что использование девятивольтовых батарей недостаточно эффективно для WAK, потому что оно не обеспечивает питание устройства достаточно долго и косвенно делает WAK менее доступным, когда приходится постоянно менять батареи. [18] В связи с этим изучаются другие источники энергии, например, исследователи видят, могут ли топливные элементы, беспроводная передача энергии от активного источника или сбор энергии из окружающей среды были бы лучшими способами питания WAK в течение более длительных периодов времени. [18] Были даны ответы на несколько вопросов о WAK, но многие исследовательские вопросы все еще остаются без ответа. Исследователи все еще пытаются выяснить, может ли WAK быть энергоэффективным, доступным и может ли он повторно использовать небольшие количества диализата . [14]

Имплантируемое почечное вспомогательное устройство (IRAD) [ править ]

В настоящее время жизнеспособных биоинженерных почек не существует. Несмотря на то, что ведется большое количество исследований, на пути их создания существует множество препятствий. [19] [20] [21]

Однако изготовление мембраны, которая имитирует способность почек фильтровать кровь и впоследствии выводить токсины, реабсорбируя воду и соль, позволит создать носимую и / или имплантируемую искусственную почку. 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 клиники Кливленда сосредоточились на развитии мембранных технологий для разработки имплантируемой или носимой терапии терминальной стадии болезни 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 характеристики. Производство кремниевой нанопористой мембраны с узким распределением пор по размеру улучшает способность мембраны различать отфильтрованные и задержанные молекулы. Это также увеличивает гидравлическую проницаемость, позволяя среднему размеру пор приблизиться к желаемой отсечке мембраны. Использование процесса серийного производства позволяет строго контролировать распределение пор по размерам и геометрию.[22]

Исследования показывают, что клетки почек человека были взяты из донорских органов, непригодных для трансплантации, и выращены на этих мембранах. Культивированные клетки покрывали мембраны и, по-видимому, сохраняли черты взрослых клеток почек. Дифференцированный рост почечных эпителиальных клеток на материалах MEMS предполагает, что возможно создание миниатюрного устройства, подходящего для имплантации.

Усилия под руководством UCSF по созданию имплантируемой искусственной почки для диализных пациентов были выбраны в качестве одного из первых проектов, прошедших более своевременную совместную проверку в Управлении по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов.

9 апреля 2012 года FDA объявило, что оно выбрало три проекта почечных устройств для пилотной программы одобрения регулирующих органов под названием Innovation Pathway 2.0, предназначенной для более быстрого и эффективного внедрения передовых медицинских технологий для пациентов.

Проект искусственной почки, клинические испытания которого запланированы на 2017 год, был выбран из-за его трансформирующего потенциала в лечении терминальной стадии почечной недостаточности, а также из-за его способности извлекать выгоду из раннего взаимодействия с FDA в процессе утверждения.

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 и создания дорожной карты для утверждения проекта. Цель состоит в том, чтобы повысить общие шансы проектов на успех, сократив время и стоимость проверки FDA и поддерживая безопасность. По словам агентства, уроки будут способствовать утверждениям в других областях.

Проект почек - это национальная исследовательская инициатива, направленная на разработку и тестирование имплантированной автономной биоартификационной почки. [23] Проект «Почки» получил шесть миллионов долларов в виде государственных субсидий. [24]

См. Также [ править ]

  • Искусственный орган
  • Почка
  • Диализ
  • Тканевая инженерия
  • Микроэлектромеханические системы
  • Нанотехнологии
  • Гемодиализ
  • Гемофильтрация

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Анатомия почек: Обзор, Макро-анатомия, Микроскопическая анатомия» . 2017-08-29. Cite journal requires |journal= (help)
  2. ^ "Почки и как они работают" . www.niddk.nih.gov . Проверено 30 ноября 2015 .
  3. ^ "Обзор почек" . WebMD . Проверено 2 декабря 2015 .
  4. ^ «Ключевые моменты: о диализе при почечной недостаточности» . www.kidney.org . Национальный фонд почек. 2016 г.
  5. ^ Б с д е е Johnson, Steven (2014-10-11). «Спрос на диализ растет по мере роста заболеваний почек» . www.modernhealthcare.com . Современное здравоохранение.
  6. ^ Bywaters EGL, Beall D (1941). «Размозки с нарушением функции почек» . Британский медицинский журнал . 1 (4185): 427–32. DOI : 10.1136 / bmj.1.4185.427 . PMC 2161734 . PMID 20783577 .  
  7. ^ a b c "Быстрые факты" . Национальный фонд почек . Национальный фонд почек. 2014-08-12 . Проверено 13 ноября 2016 г. - через kidney.org.
  8. ^ Твардовский, Zbylut J. (9 августа 1994). «Искусственная почка для частого (ежедневного) гемодиализа» . Патент США .
  9. ^ Fissell WH, Хумс HD, Флейшман AJ, Рой S (2007). «Диализ и нанотехнологии: сейчас, 10 лет или никогда?». Очищение крови . 25 (1): 12–17. DOI : 10.1159 / 000096391 . PMID 17170531 . S2CID 42050968 .  
  10. ^ Линдси RM, Le itch R, Heidenham AP, Kortas C (2003). «Лондонское исследование ежедневного / ночного гемодиализа: дизайн исследования, результаты заболеваемости и смертности». Am J Kidney Dis . 42 Дополнение 1 (1 Дополнение): S5 – S12. DOI : 10.1016 / S0272-6386 (03) 00531-6 . PMID 12830437 . 
  11. ^ Fissell W, S Мэнли, Уэстовер A, Хумс HD, Флейшман AJ, Рой S (2006). «Дифференцированный рост клеток почечных канальцев человека на тонкопленочных и наноструктурированных материалах». Журнал ASAIO . 52 (3): 221–227. DOI : 10.1097 / 01.mat.0000205228.30516.9c . PMID 16760708 . S2CID 9494223 .  
  12. ^ «Успешный проект по имплантации искусственной почки - Новости и проблемы нефрологии» . Новости и проблемы нефрологии . 2016-02-25 . Проверено 7 декабря 2016 .
  13. ^ «Первая в мире имплантируемая искусственная почка может войти в испытания на людях к 2017 году» . Med Device Online . Проверено 7 декабря 2016 .
  14. ^ a b c d e f g h i j Ронко, Клаудио; Давенпорт, Эндрю; Гура, Виктор (01.07.2008). «К носимой искусственной почке». Международный гемодиализ . 12 : S40 – S47. DOI : 10.1111 / j.1542-4758.2008.00295.x . ISSN 1542-4758 . PMID 18638240 . S2CID 5721553 .   
  15. ^ a b Гура, Виктор; Ривара, Мэтью Б .; Бибер, Скотт; Мунши, Радж; Смит, Нэнси Колобонг; Линке, Лори; Кундзиньш, Джон; Бейзаи, Масуд; Эзон, Карлос (2016). «Носимая искусственная почка для пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности» . JCI Insight . 1 (8). DOI : 10,1172 / jci.insight.86397 . ISSN 2379-3708 . PMC 4936831 . PMID 27398407 .   
  16. ^ a b Гура, Виктор; Macy, Александра S .; Бейзаи, Масуд; Эзон, Карлос; Голпер, Томас А. (07.12.2016). «Технические прорывы в носимой искусственной почке (WAK)» . Клинический журнал Американского общества нефрологов . 4 (9): 1441–1448. DOI : 10,2215 / CJN.02790409 . ISSN 1555-9041 . PMC 2736696 . PMID 19696219 .   
  17. ^ a b Маркович, М .; Рапин, М .; Корревон, М .; Перриар, Ю. (01.09.2013). «Дизайн и оптимизация кровяного насоса для носимого устройства искусственной почки». IEEE Transactions по отраслевым приложениям . 49 (5): 2053–2060. DOI : 10.1109 / TIA.2013.2260851 . ISSN 0093-9994 . S2CID 16399324 .  
  18. ^ а б Ким, Чон Чхоль; Гарзотто, Франческо; Налессо, Федерико; Круз, Динна; Ким, Джи Хён; Канг, Ынгтэк; Ким, Хи Чан; Ронко, Клаудио (2011). «Носимая искусственная почка: технические требования и возможные решения». Экспертиза медицинских изделий . 8 (5): 567–579. DOI : 10.1586 / erd.11.33 . PMID 22026622 . S2CID 38028816 .  
  19. ^ Сайто А, Аунг Т, Сэкигучи К., Сато Й, Ву Д., Инагаки М, Канаи Г, Танака Р, Сузуки Х, Какута Т (2006). «Современное состояние и перспективы биоискусственных почек». J Artif Organs . 9 (3): 130–5. DOI : 10.1007 / s10047-006-0336-1 . PMID 16998696 . S2CID 19908009 .  
  20. Перейти ↑ Saito A, Aung T, Sekiguchi K, Sato Y (2006). «Современное состояние и перспективы развития биоискусственной почки для пациентов с хронической почечной недостаточностью». Ther Apher Dial . 10 (4): 342–7. DOI : 10.1111 / j.1744-9987.2006.00387.x . PMID 16911187 . S2CID 6460237 .  
  21. ^ Ван Р, Т Takezawa (2005). «Реконструкция почечной клубочковой ткани с использованием коллагенового витригеля». J Biosci Bioeng . 99 (6): 529–40. DOI : 10,1263 / jbb.99.529 . PMID 16233828 . 
  22. ^ Fissell W, Флейшман AJ, Roy S, Хумс HD (2007). «Развитие непрерывной имплантационной замены почек: прошлое и будущее». Трансляционные исследования . 150 (6): 327–336. DOI : 10.1016 / j.trsl.2007.06.001 . PMID 18022594 . 
  23. ^ "Главная | Проект почек | UCSF" . Pharm.ucsf.edu . Проверено 11 декабря 2018 .
  24. ^ «Искусственные почки исключают диализ» . 2017-11-09.

Внешние ссылки [ править ]

  • Тканевая инженерия и почки - umich.edu.
  • BioMEMS и нанотехнологии -lerner.ccf.org/bme/mems/
  • https://pharm.ucsf.edu/kidney