211service.com
Een implanteerbare kunstmatige nier bouwen
Bijna 400.000 mensen in de Verenigde Staten - en maar liefst twee miljoen wereldwijd - vertrouwen op dialysemachines om gifstoffen uit hun bloed te filteren vanwege chronisch nierfalen.
Onder druk: Een bio-engineered nier maakt gebruik van siliconenmembranen die filtratie onder zeer lage druk mogelijk maken. Het membraan in deze afbeelding is gelaagd met niercellen. De kernen van de cellen worden weergegeven in blauw, hun microtubuli in rood en een verbindingseiwit genaamd ZO-1 in groen.
Patiënten moeten minstens drie keer per week drie tot vijf uur aan een stuk aan machines worden vastgemaakt. Zelfs dan is een dialyseapparaat slechts ongeveer 13 procent zo effectief als een functionele nier, en de vijfjaarsoverleving van dialysepatiënten is slechts 33 tot 35 procent. Om de gezondheid te herstellen, hebben patiënten een niertransplantatie nodig, en er zijn gewoon niet genoeg donororganen om rond te komen. In augustus stonden er 85.000 patiënten op de Amerikaanse wachtlijst voor een nier in de VS, terwijl vorig jaar slechts 17.000 niertransplantaties plaatsvonden.
Een samenwerkende, multidisciplinaire groep laboratoria werkt aan de ontwikkeling van de eerste implanteerbare kunstnier. Het vorige week onthulde prototype is compact, niet groter dan een soepblik. Het filtert niet alleen gifstoffen uit de bloedbaan, maar gebruikt ook menselijke niercellen om andere vitale functies uit te voeren, zoals het reguleren van de bloeddruk en het produceren van vitamine D.
Dialyse is niet alleen tijdrovend, maar ook slopend. Veel patiënten voelen zich niet goed, omdat het niet alle functies van een normale, gezonde nier vervult, zegt bio-ingenieur Shuvo Roy , wiens laboratorium aan de Universiteit van Californië, San Francisco het nieuwe apparaat produceerde en het al op dieren test. De nier filtert niet alleen gifstoffen. Het heeft ook metabolische functies en hormonale functies, en dialyse omvat deze vermogens niet.
Een kunstnier klein genoeg maken om in het lichaam te passen, is echter een grote uitdaging. Een gezonde nier filtert dagelijks 90 liter water. De huidige dialysemachines zijn zo groot als een kleine koelkast en vereisen een aanzienlijke druk om voldoende water door de poreuze membranen van de machine te pompen om verontreinigingen uit het bloed te filteren.
Het nieuwe implantaat is een samensmelting van meerdere onderzoekslijnen en maakt gebruik van twee recente ontwikkelingen in het veld. Nefroloog van de Universiteit van Michigan David Humes heeft aangetoond dat menselijke niercellen kunnen worden gebruikt in een filtratiemachine ter grootte van een kamer om de gezondheid van patiënten van wie de nieren niet meer werken aanzienlijk te verbeteren. Ondertussen, Roy en William Fissell , een nefroloog in de Cleveland Clinic, hebben een siliciummembraan met nanoporiën geproduceerd dat - met zijn dichte en nauwkeurige poriestructuur - zou kunnen helpen bij het miniaturiseren van dialysemachines.
Het prototype is een tweedelig systeem: de helft bestaat uit een toxineverwijderend filter, waarin duizenden siliciummembranen op elkaar zijn gestapeld. Hun nanoporiën zijn zo dicht en zo precies gevormd dat ze heel precies kunnen filteren met alleen de kracht van de lichaamseigen bloeddruk. Door dit filter stroomt bloed naar binnen, waar de gifstoffen, suikers, water en zouten als een gefilterde oplossing worden verwijderd.
Het schone bloed en het waterige filtraat worden beide naar de andere helft van het systeem geleid: een aparte cartridge. Hier stromen ze over meer siliciummembranen, deze bedekt met een enkel type menselijke niercel, die het apparaat helpt een deel van het water, suikers en zouten opnieuw te absorberen, evenals vitamine D te produceren en te voorkomen dat de bloeddruk ook daalt laag-normale nierfuncties die niet door dialyse worden geboden. Het afval dat niet opnieuw wordt opgenomen, wordt naar een buis geleid die aan de blaas is bevestigd en als afval in de urine verwijderd, net zoals een normale nier zou doen.
Het is verre van een compleet systeem en de onderzoekers merken op dat ze nooit verwachten dat het niertransplantaties zal vervangen. Uw nier heeft 20 tot 30 celtypen, die allemaal verschillende functies vervullen. Maar we willen een kritiek probleem oplossen dat is ontstaan bij nierfalen, zegt Fissell. Als u op de lijst staat voor een niertransplantatie, is de kans veel groter dat u op de wachtlijst komt te staan dan dat u een nier krijgt. Hij zegt dat het apparaat kan dienen als een brug voor patiënten die wachten op een transplantatie.
Vanuit een algemeen perspectief zou elk implanteerbaar apparaat de last die patiënten nu ervaren sterk verminderen, zegt Glenn Chertow , het hoofd van de nefrologie aan de Stanford University School of Medicine. En als een deel van de extra magie die een inheemse nier biedt, zou kunnen worden toegevoegd aan een implanteerbaar apparaat, zouden we dichter bij een herstel van een goede gezondheid kunnen komen.
De onderzoekers hebben al enkele van de moeilijkere problemen uitgewerkt: Humes heeft uitgewerkt hoe niercellen op de noodzakelijke schaal kunnen worden gekweekt (hij kan genoeg cellen kweken voor 100.000 apparaten van een enkele nier). Hij heeft ook bepaald wat de beste manier is om ze in te vriezen voor toekomstig gebruik. En Roy, een TR35-winnaar in 2003, heeft het implantaat getest bij een tiental ratten en een handvol varkens. Ze moeten de efficiëntie van het implantaat nog opschalen naar iets dat effectief zou kunnen werken bij mensen, maar ze hopen over vijf tot zeven jaar met menselijke proeven te beginnen. Op dit moment kan de biocartridge tussen de 30 en 35 liter water per dag filteren en moet hij minimaal 43 liter water kunnen filteren. Ze moeten ook manieren vinden om ervoor te zorgen dat de apparaten geen bloedstolsels of immuunreacties veroorzaken.
Andere groepen werken ook aan alternatieven voor driewekelijkse dialyse-afspraken, hoewel de meeste zich concentreren op draagbare dialyse-apparaten - een moeilijk voorstel op zich, gezien de uitdaging van constante filtratie bij zulke grote volumes zonder een externe pomp. Een dergelijk apparaat bevindt zich al in de tweede fase van klinische proeven. Maar zelfs constante dialyse kan de andere functies van de nier niet vervangen.
Allen Nissenson, CMO van DaVita , een van de grootste dialyseleveranciers van het land, zegt dat het implanteerbare concept aantrekkelijk is. Het is een bioreactornier, een ongelooflijk innovatief concept, en heel spannend als het op grotere schaal werkbaar blijkt te zijn, zegt hij.