211service.com
Dialyse niet aangesloten
Conventionele dialyse, waarbij het bloed van een patiënt door een extern filter wordt gepompt om opgehoopte gifstoffen af te voeren, is verre van ideaal voor de 1,4 miljoen mensen met een nierziekte wereldwijd wiens leven ervan afhangt. Het gebruikelijke regime van drie bloedzuiveringssessies van een halve dag per week verwijdert gemiddeld slechts 17 procent van de gifstoffen die een gezonde nier zou verwijderen, zodat slechts een derde van alle dialysepatiënten meer dan vijf jaar behandeling overleeft.
Nanotechnologie zou volgens nefroloog een alternatief kunnen bieden William Fissell aan de Universiteit van Michigan. Hij en zijn collega's werken aan membranen met nanoporiën waarmee dialyse kan worden geminiaturiseerd tot implanteerbare apparaten die de klok rond gifstoffen verwijderen en dialysepatiënten losmaken van omvangrijke pompen en klinieken. Dit is een fundamenteel bevrijdende technologie, zegt Fissell.
Fissell en collega Shuvo Roy, een biomedisch ingenieur bij de Stichting Cleveland Clinic , beweren de helft van de uitdaging te hebben opgelost: nanomembranen ontwerpen die efficiënt genoeg zijn om een compact implantaat met een laag vermogen te ondersteunen. Het team kreeg eerder dit jaar patent op het concept. Het construeren van poriën met de vereiste selectiviteit - poriën die de ergste gifstoffen afvoeren zonder het lichaam te beroven van essentiële eiwitten zoals albumine, bloedstollingsfactoren en antilichamen - blijkt echter moeilijker dan verwacht.
Zoals momenteel in de praktijk wordt gebracht, is dialyse een ruwe procedure. Patiënten worden intraveneus aangesloten op een krachtige pomp die hun bloed door een patroon van poreuze plastic vezels laat circuleren. Vloeistoffen, opgeloste gifstoffen en zouten gaan door de vezels en worden weggegooid, terwijl de eiwitten en bloedcellen die in de zeef worden opgevangen, worden aangevuld met elektrolyt voordat ze terugkeren naar de patiënt. De slechte vloeistofdynamica van het filter is een functie van hun onnauwkeurigheid: filterproductie produceert een breed scala aan poriën, dus om te voorkomen dat er te veel grote poriën zijn, die waardevolle eiwitten zouden opzuigen, moeten de vezels worden vervaardigd met een overwicht van zeer kleine poriën. De pomp van de machine maakt het verschil en dwingt bloed door deze inefficiënte zeven.
Daarentegen etsen Fissell en Roy poriën in ultradunne wafels van silicium met lithografische precisie. Het resultaat is een homogene reeks poriën, elk in staat tot stroomsnelheden die enkele orden van grootte hoger zijn dan de gemiddelde porie in een conventioneel filter. De poriën bootsen de buitengewoon precieze maar efficiënte diafragma's na die het bloed in een menselijke nier filteren, en lijken op een paneel van jaloezieën, zegt Fissell.
De huidige prototypes bevatten volgens Fissell ongeveer 10.000 poriën per vierkante millimeter. Membranen van de volgende generatie, die nu worden ontwikkeld, zullen meer dan 100.000 poriën of spleten per vierkante millimeter hebben en meer dan 10 keer de stroom leveren. Een geïmplanteerd apparaat dat enkele honderden vierkante centimeters van dit membraan van de volgende generatie draagt, zou, schat Fissell, ten minste 30 milliliter bloed per minuut moeten filteren bij gemiddelde bloeddruk - ongeveer een derde van de normale nierfunctie. Het implantaat zou onder de huid worden weggestopt; kleine vloeistofzakken die extern worden gedragen, kunnen het ultrafiltraat opnemen en vervangende elektrolyten leveren.
Het blijft echter een probleem om te controleren wat er door de spleten gaat. Terwijl zelfs de grootste bloedtoxines gemakkelijk door de sleuven van het membraan glijden, suggereren experimenten met prototypes dat de kleinste van de waardevolle eiwitten, albumine, er ook doorheen zal stromen. Dextran, een complexe suiker die wordt gebruikt als surrogaat voor albumine in filtratietests, vliegt dwars door de prototypeporiën, ondanks een diameter van ongeveer 40 nanometer, die drie tot vier keer breder is dan de poriën. Fissell denkt dat het dextran, een molecuul met een lange keten dat normaal samengeknepen wordt als een prop papier, zich uitrekt wanneer het de spleetporiën tegenkomt en er doorheen kronkelt - iets wat een eiwitketen zoals albumine ook zou kunnen doen.
Het team van Fissell test of de nier niet alleen op grootte sorteert, maar ook door elektrische ladingen te genereren die eiwitketens afstoten, die ook worden opgeladen. Ze modelleren verschillende chemische modificaties om ladingen op het oppervlak van de siliciumporiën te introduceren.
Om het systeem praktisch te maken, moeten de membranen biocompatibel worden gemaakt. Ongemodificeerd silicium trekt eiwitten sterk aan, en dus zou een silicium nanoporiënmembraan snel verstopt raken als het in het lichaam wordt geïmplanteerd. Fissells collega aan de Universiteit van Michigan, David Humes, is begonnen met dierstudies met de nanomembranen om oppervlaktebehandelingen of alternatieve membraanmaterialen te identificeren die verstopping van implantaten voorkomen.
Humes hoopt de membranen te gebruiken om een meer geavanceerde versie van het implantaat te maken die levende niercellen zou bevatten - analoog aan zijn bioartificiële nierhulpapparaat dat zich momenteel in fase twee klinische proeven bevindt (zie Levens redden met levende machines, juli/augustus 2003). In een implanteerbare versie van de bio-kunstmatige nier, zouden nanoporiënmembranen de levende niercellen beschermen tegen immuuncellen en antilichamen, die tot nu toe de meeste bio-kunstmatige orgaanimplantaten hebben gedwarsboomd. De levende niercellen zouden op hun beurt de functie van het implantaat verbeteren door een deel van de vloeistoffen en zouten die door het nanoporiënmembraan gaan, opnieuw te absorberen en terug te brengen in de bloedbaan. Uiteindelijk kunnen bio-kunstmatige implantaten die vloeistoffen en zouten terugwinnen en het resterende ultrafiltraat naar de blaas leiden, zelfs de noodzaak voor externe elektrolyt- en ultrafiltraatzakken elimineren.
UCLA Medical School-nefroloog Allen Nissenson, die uitgebreid heeft gewerkt aan de ondersteuning van de ontwikkeling van draagbare dialyse-apparaten, zegt dat het nog te bezien is of de onderzoekers van de Universiteit van Michigan hun filtratiesystemen in een pakket kunnen persen dat klein en robuust genoeg is voor implantatie. Maar hij zegt dat hun doel om de functie van de nier nauwkeuriger na te bootsen juist is - en een welkom alternatief voor de stapsgewijze verbeteringen in meer conventionele technologieën die de dialyse-ontwikkelingen de afgelopen 20 jaar hebben gedomineerd. Innovaties die de manier waarop natuurlijke nieren werken beter nabootsen, zijn echt de voorhoede voor de toekomst van therapie, zegt hij.
Fissell's 30 milliliter per minuut filtratie zou zorgen voor meer dan 30 procent van de normale nierfunctie - een enorme verbetering, volgens William Harmon, directeur nefrologie van het Children's Hospital in Boston. Het is een belangrijke drempel, zegt hij, waarboven veel symptomen van een nierziekte zouden verdwijnen: als je 30 procent hebt, doe je het best goed.