Штучна нирка часто використовується як синонім гемодіалізу, але також може відноситись, у більш загальному значенні, до замісної ниркової терапії (не враховуючи ниркову трансплантацію), що використовуються на даний момент, і/або в процесі розробки.
Штучну нирку використовують для очищення крові від продуктів обміну, корекції електролітно-водневого та кислотно-лужного балансів при гострій та хронічній нирковій недостатності. При цьому об'єм крові в межах організму залишається постійним.
У цій статті розглядаються біоінженерні нирки/біоштучні нирки, що були вирощені з ниркових клітинних ліній чи ниркової тканини.
Історія створення
Розвиток біоштучної нирки знаходиться на перетині регенеративної медицини та замісної ниркової терапії.
Біоштучна нирка має поєднувати в собі гемофільтри, що використовуються в звичайному діалізі, та біореакторний блок, що містить клітини первинних ниркових проксимальних канальців людини.Tasnim F, Deng R, Hu M, Liour S, Li Y, Ni M, Ying JY, Zink D. Achievements and challenges in bioartificial kidney development. Fibrogenesis Tissue Repair. 2010 Aug 10;3:14. doi: 10.1186/1755-1536-3-14. Додавання біореактора призначено для забезпечення гомеостазу, резорбтивної, метаболічної, ендокринної та імуномодулюючої функції нирок, що відсутні в поточній замісній нирковій терапії. Крім того, ці пристрої можуть бути портативними чи імплантованими, що забезпечує постійну підтримку функції хворих нирок.
1913 року американський вчений Джон Абель створив апарат для гемодіалізу, що є прообразом штучної нирки. Відколи біо-штучна нирка була вперше запропонована у 1987 році Патріком АебішеромAebischer P, Ip TK, Panol G, Galletti PM. The bioartificial kidney: progress towards an ultrafiltration device with renal epithelial cells processing. Life Support Syst. 1987 Apr-Jun;5(2):159-68. PMID 3669723, технологія визріла від концепції до клінічних випробувань.
Перший апарат імплантованої штучної нирки був протестований в лабораторних умовах 2004 року вченим Чарльзом Джеггінсом. Тоді ж, в 2004 році, Девідом Хюмесом з Мічиганського університету було повідомлено про безпечне та ефективне використання біо-штучної нирки у хворих з гострою нирковою недостатністю в умовах інтенсивної терапії.Humes HD, Weitzel WF, Bartlett RH, Swaniker FC, Paganini EP, Luderer JR, Sobota J. Initial clinical results of the bioartificial kidney containing human cells in ICU patients with acute renal failure. Kidney Int. 2004 Oct;66(4):1578-88. PMID 15458454 Біо-штучна нирка показала метаболічну, ендокринну та імуномодулюючу активність, в тому числі й деградацію глутатіону та зниження прозапальних цитокінів. Наступні стадії досліджень показали підвищення якості життя хворих, лікування яких проводилось із застосуванням біо-штучної нирки, у порівнянні з використанням традиційної замісної ниркової терапії.Tumlin J, Wali R, Williams W, Murray P, Tolwani AJ, Vinnikova AK, Szerlip HM, Ye J, Paganini EP, Dworkin L, Finkel KW, Kraus MA, Humes HD. Efficacy and safety of renal tubule cell therapy for acute renal failure. J Am Soc Nephrol. 2008 May;19(5):1034-40. doi: 10.1681/ASN.2007080895. PMID 18272842 Проте пізніше дані цих клінічних випробувань було поставлено під сумнів.Tasnim F, Deng R, Hu M, Liour S, Li Y, Ni M, Ying JY, Zink D. Achievements and challenges in bioartificial kidney development. Fibrogenesis Tissue Repair. 2010 Aug 10;3:14. doi: 10.1186/1755-1536-3-14. PMID 20698955
У 2010 році в США було розроблено імплантований в організм хворого апарат для гемодіалізу. Апарат, розроблений в Каліфорнійському університеті в Сан-Франциско, має розміри, що відповідають розмірам людської нирки. Імплантат, окрім традиційної системи мікрофільтрів, містить біореактор з культурою тканин ниркових канальців, здатних виконувати метаболічні функції нирки. Прилад не потребує енергозабезпечення та працює за рахунок тиску крові пацієнта. Даний біореактор імітує принцип роботи нирки за рахунок того, що культура клітин ниркових канальців знаходиться на полімерному носію та забезпечує зворотну реабсорбцію води та корисних речовин, як це відбувається в нормі. Це дозволяє значно підвищити ефективність діалізу і повністю відмовитись від трансплантації донорської нирки.https://www.ucsf.edu/news/2010/09/4450/ucsf-unveils-model-implantable-artificial-kidney-replace-dialysis
2013 року група вчених під керівництвом Харольда Отто з Центру регенеративної медицини при лікарні м. Массачусетс повідомила про створення штучної нирки біоінженерним методом. Для створення нирки було взято орган мертвого щура, з якого, за допомогою спеціальних розчинів, вимивались клітини та створювався каркас, що складався зі сполучної тканини. Для створення кровоносних судин та фільтрувальних клітин нирки в каркас розміщували клітини, що були отримані з ембріонів щурів. Дослідження показало, що отриманий таким чином штучний орган функціонував та був здатний фільтрувати кров та утворювати сечу як поза тілом, так і після імплантації тваринам. Але він працював значно гірше, ніж нормальна нирка. Аналогічним способом вчені отримали штучну нирку свині та людини, та сподіваються, що в майбутньому буде можливим створення функціонального органу з власних клітин пацієнта. Song JJ, Guyette JP, Gilpin SE, Gonzalez G, Vacanti JP, Ott HC. Regeneration and experimental orthotopic transplantation of a bioengineered kidney. Nat Med. 2013 May;19(5):646-51. doi: 10.1038/nm.3154. PMID 23584091
Показання до застосування
Ниркова недостатність
Нирки — це парний життєво-важливий орган, розташований позаду черевної порожнини, приблизно на рівні нижньої частини грудної клітки, що відповідає Т12-L3 хребців хребта. Вони виконують десяток функцій та легко вразливі до пошкоджень. Деякі з цих функцій: фільтрація та виведення продуктів обміну речовин, регуляція кількості електролітів, рідини, стимуляція синтезу еритроцитів, тощо.http://emedicine.medscape.com/article/1948775-overview Нирка фільтрує близько 120—150 літрів крові за добу для виготовлення від 1 до 2 літрів сечі, що складається з відходів та додаткової рідини. Результатом ниркової недостатності є повільне накопичення продуктів азотистого обміну, солей, води, порушення нормального балансу рН крові.
Потреба в біоінженерній нирці
За інформацією Інституту нефрології, смертність серед пацієнтів, що лікуються перитонеальним діалізом впродовж року лікування становила 18,45 %, впродовж 3 років лікування — 54,37 %, впродовж 4-5 років лікування — 11,65 %, впродовж 6-10 років лікування -12,62 % і впродовж 11-15 років — 0,97 %.http://www.unn.com.ua/uk/news/1563046-bilshe-polovini-khvorikh-yaki-likuyutsya-peritonealnim-dializom-pomirayut-protyagom-3-rokiv-statistika
Діаліз, який потрібно робити цілу ніч шість разів на тиждень, є економічно затратним для більшості країн. Це, а також гостра недостатність донорських органів для трансплантації нирки, спонукали до досліджень в області розробки альтернативних методів лікування, що включають в себе розробку переносних та біоінженерних нирок.Fissell W, Manley S, Westover A, Humes HD, Fleischman AJ, Roy S (2006). «Differentiated Growth of Human Renal Tubule Cells on Thin-Film and Nanostructured Materials». ASAIO Journal 2006 52 (3): 221—227. doi:10.1097/01.mat.0000205228.30516.9c. PMID 16760708
Запропоновані рішення
Штучна нирка
Гемодіаліз — спосіб видалення продуктів метаболізму, таких як креатиніну та сечовини, а також вільної води з крові, при гострій нирковій недостатності. Механічний пристрій, що використовується для очищення крові пацієнтів, називається діалізатор, також відомий як штучна нирка. Сучасні діалізатори містять напівпроникні мембрани, що відділяють кров пацієнта, яку потрібно очистити, від очисного розчину. Мембрана представлена капілярними волокнами, всередині яких протікає кров, а ззовні їх омиває очисний розчин. Комбінована площа волокон зазвичай становить 1-2 квадратних метри. Було проведено багато інтенсивних досліджень з метою оптимізації діалізаторів для того, щоб домогтись ефективної передачі метаболітів та відходів з крові в діалізат. Але, на жаль, діалізатор моделює лише першу фазу роботи нирок — фільтрацію. Тому проникність діалізної мембрани обмежується певною розумною величиною, яка дуже відрізняється від проникності природного ниркового фільтра.
Переносна штучна нирка
Переносна штучна нирка — це термінальний апарат, який хворий може використовувати щодня або безперервно. До листопада 2008 року препарати переносної штучної нирки не були широко доступними, але багато дослідницьких груп працювали в напрямку розробки таких пристроїв. На даний час створено такий пристрій, що може використовуватись замість пошкодженої нирки. В США FDA ухвалила перші клінічні випробовування переносної штучної нирки на людях, що була розроблена Blood Purification Technologies Inc. в Беверлі-Хіллз, Каліфорнія. Принцип її дії подібний до діалізатора, але побічні продукти можуть вводитись з тіла з сечею.Keating T. The future's present: the artificial wearable kidney. Nephrol News Issues. 2010 Jan;24(1):32, 35-7. PMID 20196501Rambod E, Beizai M, Rosenfeld M. An experimental and numerical study of the flow and mass transfer in a model of the wearable artificial kidney dialyzer. Biomed Eng Online. 2010 May 24;9:21. doi: 10.1186/1475-925X-9-21. PMID 20497572
Імплантований нирковий переносний пристрій
На даний час не існує життєздатних біоінженерних нирок. І хоча велика кількість досліджень йде повним ходом, існують численні бар'єри для їх створення.Saito A, Aung T, Sekiguchi K, Sato Y, Vu D, Inagaki M, Kanai G, Tanaka R, Suzuki H, Kakuta T (2006). «Present status and perspectives of bioartificial kidneys». J Artif Organs 9 (3): 130–5. doi:10.1007/s10047-006-0336-1. PMID 16998696Saito A, Aung T, Sekiguchi K, Sato Y (2006). «Present status and perspective of the development of a bioartificial kidney for chronic renal failure patients». Ther Apher Dial 10 (4): 342–7. doi:10.1111/j.1744-9987.2006.00387.x. PMID 16911187Wang P, Takezawa T (2005). «Reconstruction of renal glomerular tissue using collagen vitrigel scaffold». J Biosci Bioeng 99 (6): 529–40. doi:10.1263/jbb.99.529. PMID 16233828 Проте, виготовлення мембрани, що імітує здатність фільтрувати кров, а потім виводити з організму токсини, і в той же час реабсорбувати воду та сіль, дозволить здійснити прорив у розробці переносних та/або імплантованих штучних нирок. Розробка мембрани з використанням технології мікроелектромеханічних систем — це лімітуючий крок у створенні імплантованих, біоштучних нирок.
Сучасні патрони для діалізу занадто великі та вимагають супер-фізіологічного тиску для циркуляції крові, і пори в полімерних мембранах на даний час надто широкі для розподілу речовин за розмірами. Виготовлення кремнієвої, нанопористої мембрани з вузьким розподілом за розмірами пори покращує здатність мембрани до розподілу відфільтрованих та невідфільтрованих молекул. Це також збільшує гідравлічну проникність, дозволяючи порам середнього розміру наблизитися до бажаної здатності мембрани до розподілу.Fissell W, Fleischman AJ, Roy S, Humes HD (2007). «Development of continuous implantable renal replacement: past and future». Translational Research 150 (6): 327—336. doi:10.1016/j.trsl.2007.06.001. PMID 18022594
У недавніх дослідженнях клітини нирок людини збирали з донорських органів, непридатних для трансплантації, та вирощували їх на цих мембранах. Культивовані клітини покривали мембрану та зберігають всі властивості здорових ниркових клітин. Диференційоване зростання ниркових епітеліальних клітин на основі мікроелектромеханічних систем наводить на думку про те, що найближчим часом придатний для імплантації пристрій може бути створено. Під керівництвом Університету Каліфорнії в Сан-Франциско прикладено зусилля для створення імплантованої штучної нирки для пацієнтів, що знаходяться на діалізі, та було обрано як один з проектів першої необхідності.