Bygga en implanterbar konstgjord njure

Nästan 400 000 människor i USA – och så många som två miljoner över hela världen – är beroende av dialysmaskiner för att filtrera gifter från deras blod på grund av kronisk njursvikt.

Under press: En biokonstruerad njure drar fördel av kiselmembran som tillåter mycket lågtrycksfiltrering. Membranet i denna bild är skiktat med njurceller. Cellernas kärnor visas i blått, deras mikrotubuli i rött och ett kopplingsprotein som kallas ZO-1 i grönt.

Patienter måste vara bundna till maskiner minst tre gånger i veckan i tre till fem timmar i sträck. Även då är en dialysmaskin bara cirka 13 procent lika effektiv som en funktionell njure, och femårsöverlevnaden för dialyspatienter är bara 33 till 35 procent. För att återställa hälsan behöver patienterna en njurtransplantation, och det finns helt enkelt inte tillräckligt med donatororgan att gå runt. I augusti fanns det 85 000 patienter på USA:s väntelista för en njure i USA, medan endast 17 000 njurtransplantationer ägde rum förra året.

En samverkande, multidisciplinär grupp av laboratorier arbetar för att skapa den första implanterbara konstgjorda njuren. Prototypen, som avslöjades förra veckan, är kompakt, inte större än en soppburk. Det filtrerar inte bara ut gifter ur blodomloppet utan använder också mänskliga njurceller för att utföra andra vitala funktioner, som att reglera blodtrycket och producera D-vitamin.

Dialys är inte bara tidskrävande, utan det är också försvagande. Många patienter mår inte bra, eftersom det inte gör alla funktionerna hos en normal, frisk njure, säger bioingenjör Shuvo Roy , vars labb vid University of California, San Francisco producerade den nya enheten och testar redan den på djur. Njuren filtrerar inte bara gifter. Det har också metaboliska funktioner och hormonella funktioner, och dialys fångar inte dessa förmågor.

Att göra en konstgjord njure tillräckligt liten för att passa in i kroppen är dock en stor utmaning. En frisk njure filtrerar 90 liter vatten varje dag. Nuvarande dialysmaskiner är lika stora som ett litet kylskåp och kräver stort tryck för att pumpa tillräckligt med vatten genom maskinens porösa membran för att tillåta föroreningar att filtreras ut ur blodet.

Det nya implantatet är en sammanslagning av flera forskningslinjer och drar fördel av två nya framsteg på området. University of Michigan nefrolog David hummar har visat att mänskliga njurceller skulle kunna användas i en filtreringsmaskin i rumsstorlek för att avsevärt förbättra hälsan hos patienter vars njurar har slutat fungera. Under tiden Roy och William Fissell , en nefrolog vid Cleveland Clinic, har producerat ett kiselmembran med nanoporer som – med sin täta och exakta porstruktur – kan hjälpa till att miniatyrisera dialysmaskiner.

Prototypen är ett tvådelat system: hälften består av ett toxinavlägsnande filter, i vilket tusentals kiselmembran staplas ihop. Deras nanoporer är så täta och så exakt formade att de kan filtrera mycket exakt med hjälp av bara kraften från kroppens eget blodtryck. Blod strömmar in genom detta filter, där toxiner, sockerarter, vatten och salter avlägsnas som en filtrerad lösning.

Det rena blodet och det vattenhaltiga filtratet shuntas båda in i den andra halvan av systemet: en separat patron. Här flyter de över fler kiselmembran, dessa belagda med en enda typ av mänsklig njurcell, vilket hjälper enheten att återuppta en del av vattnet, socker och salter, samt producera vitamin D och hjälpa till att förhindra att blodtrycket sjunker också låg-normala njurfunktioner som inte erbjuds genom dialys. Avfallet som inte återabsorberas shuntas till ett rör som är fäst vid urinblåsan och tas bort som avfall i urinen - precis som en vanlig njure skulle göra.

Det är långt ifrån ett komplett system, och forskarna noterar att de aldrig förväntar sig att det ska ersätta njurtransplantationer. Din njure har 20 till 30 celltyper i sig, som alla utför olika funktioner. Men vi skulle vilja övervinna ett kritiskt problem som har dykt upp vid njursvikt, säger Fissell. Om du är listad för en njurtransplantation är det mycket mer sannolikt att du dör på väntelistan än att du får en njure. Han säger att enheten kan fungera som en bro för patienter som väntar på transplantation.

Ur ett allmänt perspektiv skulle alla implanterbara enheter kraftigt minska den börda som patienterna nu upplever, säger Glenn Chertow , chefen för nefrologi vid Stanford University School of Medicine. Och om något av den extra magin som en inhemsk njure ger kunde läggas till en implanterbar enhet, skulle vi kunna komma närmare ett återställande av god hälsa.

Forskarna har redan utarbetat några av de svårare frågorna: Humes har utarbetat hur man odlar njurceller i nödvändig skala (han kan odla tillräckligt med celler för 100 000 enheter från en enda njure). Han har också bestämt det bästa sättet att frysa dem för framtida bruk. Och Roy, en TR35-vinnare 2003, har testat implantatet på ett dussin råttor och en handfull grisar. De måste fortfarande skala upp implantatets effektivitet till något som skulle kunna fungera effektivt på människor, men de hoppas kunna starta mänskliga försök om fem till sju år. Just nu kan biopatronen filtrera mellan 30 och 35 liter vatten per dag, och den måste kunna filtrera minst 43. De måste också hitta sätt att säkerställa att enheterna inte orsakar blodproppar eller immunreaktioner.

Andra grupper arbetar också mot alternativ till dialysmöten tre gånger i veckan, även om de flesta koncentrerar sig på bärbara dialysapparater – ett svårt förslag i sig, med tanke på utmaningen med konstant filtrering vid så stora volymer utan en extern pump. En sådan enhet befinner sig redan i det andra steget av kliniska prövningar. Men även konstant dialys kan inte ersätta njurens andra funktioner.

Allen Nissenson, CMO för DaVita , en av landets största dialysleverantörer, säger att det implanterbara konceptet är attraktivt. Det är en bioreaktornjure, ett otroligt innovativt koncept och riktigt spännande om det visar sig fungera i större skala, säger han.

Dölj