Биоизкуствен бъбрек е в състояние да замени хемодиализата

Изследователите от Калифорнийския университет в Сан Франциско създават устройство, което ще позволи на хората, страдащи от бъбречна недостатъчност да се освободят от хемодиализата. Имплантируемият биоизкуствен бъбрек е поредната алтернатива, създадена по Kindey Project – национален изследователски проект, чиято основна цел е търсенето на ново лечение за бъбречната недостатъчност. Проектът се осъществява от 45 учени под ръководството на проф. Шуго Руй от Калифорнийския университет и нефролога д-р Уилям Фисел от Медицинския център на Университета „Вандербилд“ в Нешвил.

Изкуственият бъбрек

Имплантируемият биоизкуствен бъбрек пречиства кръвта на два етапа. Първо използва силата са сърцето на пациента, за да изпомпва кръв през филтър за отделяне на токсините като произвежда воднист ултрафилтрат. Той от своя страна преминава през биореактор, в който има клетки от бъбречни тубули, които абсорбират отново електролитите и по-голямата част от водата, а след това изпращат токсините и излишната вода към пикочния мехур.

Два са основните компоненти на устройството – хемофилтър и клетъчен биореактор

Хемофилтърът

За първия етап на пречистване на кръвта учените използват хемофилтър, който е направен от мембрани от силициеви нанопори с миниатюрни филтриращи пори, които представляват изключително фино сито. Дупките в техните мембрани не са кръгли, а нарязани и наподобяват системата за филтриране на храна при усатите китове. Проф. Рой пояснява, мембраните са толкова ефективни, че са в състояние да филтрират кръвта при много ниска енергия, която се захранва от кръвното налягане на пациента и не се нуждаят от механична помпа.

Едно от големите предизвикателства пред екипа е свързано с това, че мащабът, в който се работи е изключително малък. За да бъдат направени милионите пори, нужни за хемофилтъра на изкуствения бъбрек, трябва да се приложи по-бърз и по-евтин подход от съществуващите. Така изследователите разработват нов процес на нанопроизводство.

„Измислихме начин да използваме стандартни техники за оптична литография и ецване като ги прилагаме по различен начин, за да създадем пори под десет нанометра по надежден начин за производство“, обяснява проф. Шуго Руй. Разликата между устройството и силициевите електронни чипове е, че повечето от електрониката, която се имплантира в човешкото тяло, е затворена херметично, като пейсмейкър.

„Ние излагаме силиция на кръв, която тече, и на пулсациите на сърце, което бие върху него 50-60 пъти в минута. Той обаче има някои доста аткрактивни свойства. Устойчив е и повърхността му може да бъде модифицирана така, както искаме“, допълва специалистът.

От огромно значение е, подчертават учените, да бъде гарантирано, че хемофилтърът издържа на абсорбация на протеини, защото иначе порите на мембраната могат да бъдат запушени и да се образува кръвен съсирек. За да бъде предотвратена абсорбацията на протеини изследователите използват различни видове филмови покрития. Тъй като те не са проектирани за прилагане в толкова малък мащаб, сега екипът усъвършенства метода за присаждане на слоеве с дебелина от една или две молекули върху мембраната.

Клетъчният биореактор

Втората важна част от изкуствения бъбрек е биореактор, който е пълен с култивирани бъбречни клетки, които са от донор. Клетките на бъбречните тубули реабсорбират повечето от полезните компоненти, например, соли, захар и вода, обратно в кръвния поток и в същото време изпращат отпадъците и излишната течност в пикочния мехур, за да бъдат екскретирани като урина.

Екипът е изправен пред изключително сложна задача, свързана с проектирането на устройство, което е в състояние да организира определянето на точните концентрации на електролити, за което са нужни безброй сензори и значителна процесорна мощност.

„Имплантираните клетки правят това естествено, проектирани са за това от еволюцията. Всъщност, клетките на бъбречните тубули изпълняват туболи, към които е трудно да се приложи инженерство“, казва проф. Рой.

Заедно с колеги от Университета в Мичиган учените събират клетки от бъбречни тубули от донорен бъбрек. Култивира ги, за да могат да доставят множество биореактори.

Статията с пълното изследване и резултатите от него е публикувана в списанието Nature Communications.

Предимствата за пациента

Най-голямото предимство е, че пациентите няма да имат нужда от имуносупресори, с които се предотвратява отхвърлянето на имплантираните клетки. Дължи се на това, че бъбречните клетки са обвити в силициеви мембрани, които са изолирани от имунната система на тялото, тъй като различните протеини са твърде големи, за да се поберат в нанопорите.

За пациента ползите от клетките на биореактора са много повече в сравнение с диализата. Например, клетките на бъбречните тубули помагат за производството на хормони, за ребалансирането на pH на кръвта и за регулиране на кръвното налягане. Когато са на диализа, това може да стане чрез лекарства и промени в начина на живот.

>>>Генна терапия може да предпази деца с нефротичен синдром от диализа

Хората с бъбречна недостатъчност са привързани към диализния апарат няколко пъти седмично, докато при поставянето на биоизкуствения бъбрек това не се налага. След имплантирането му той обработва кръвта непрекъснато в продължение на 24 часа.

И още едно сравнение: устройството филтрира отпадъците чрез конвекция като използва кръвното налягане на пациента, за да отдели кръвни клетки, протеини и други по-големи компоненти от малките токсини и отпадъчни продукти, които могат да преминат през порите на хемофилтъра. Хемодиализата използва дифузията за филтриране на кръвта, а този процес изисква около 120 литра диализна течност на едно вливане, която след това се изхвърля.

Както подчертават учените комбинацията между силициевия наномембранен хемофилтър и биореактора с човешки бъбречни клетки са комбинация между най-доброто от двата свята на биохибридния подход. Затова и екипът нарича устройството биоизкуствен бъбрек – съчетание между биологични и синтетични компоненти.

Изпитванията

Устройството е поставено успешно в тялото на прасета и не е отхвърлено от имунната система. „Целта на опитите, които проведохме, беше да произведем безопасно ключовите функции на бъбреците.

>>>Свинският бъбрек, трансплантиран на изпадналия в мозъчна смърт Морис Милър, работи в продължение на 32 дни

Създаденият от нас биоизкуствен бъбрек се свърза успешно с кръвоносната и отделителна системи на животните, започна да филтрира кръвта без да предизвика реакция на отхвърляне повече от седмица след имплантирането“, съобщава проф. Шубо Руй.

За партньорството

По време на няколкогодишната работа екипът си партнира с различни специалисти, защото това е единственият начин да се постигнат реални резултати. Заедно с екипа работи хирургът д-р Уилифърд Моузес.

„Той ни помогна да определим оптималното разположение и размера на устройството и какви типове връзки можем да направим между него и тялото“, казва проф. Руй. Когато инженерите разработват прототип от титан, д-р Моузес и колегите му клиницисти веднага реагират и казват, че то е тежко и буквално ще издърпа кръвоносните съдове,с които е свързано. Именно д-р Моузес обяснява, че ако бъде прикрепено по начина, по който е проектирано, устройството ще причини прегъване на връзките, което ще прекъсне кръвоснабдяването и доведе до съсиреци. „Благодарение на него ние преработихме бъбрека така, че да бъде по-лек и да го свържем по съвместим начин“, споделя още проф. Шуго Руй.

Д-р Моузес работи съвместно с експерти от различни области, за да разработи механиката на свързване на биоизкуствения бъбрек с кръвоносните съдове, ръководи и ин виво предклиничните проучвания.

За проекта

Крайната цел на екипа е създаването на устройство, което е еквивалент на напълно здрав бъбрек. Междинната е такова, което е алтернатива на хемодиализата и трансплантацията.

Важно е, защото както подчертава и проф. Руй, ако не бъде намерен донор или не може да бъда извършена хемодиализа при петия етап на бъбречно заболяване, то човекът умира.

„Но ако сме в състояние да създадем нещо, което подобрява състоянието до стадии трети и четвърти, така че диализата да спре, това ще бъде от огромна полза за болните“, съобщава професорът. Той определя Kindey Project като уникален проект, защото чрез него ще бъде осигурена терапия, за която в момента няма еквивалент.

„Проектът не би бил възможен, ако го нямаше сътрудничеството и общата работа на биоинженери, хирурзи и други учени. Нито един от нас не би могъл да направи това поотделно“, категоричен е проф. Руй.