Жалған бүйрек және бүйрек жеткіліксіздігінің жаңа шешімдері

Кіріспе

Табиғи ағзадан басқа бүйрек. Жасанды бүйрек көбінесе гемодиализбен синоним ретінде қолданылады, бірақ қолданыстағы және/немесе әзірлену үстіндегі басқа бүйрек алмастыру терапияларын (бүйрек трансплантациясын қоспағанда) да білдіруі мүмкін. Бұл мақала негізінен бүйрек жасушаларының/бүйрек тіндерінен өсірілген биоинженерленген бүйректерге/биожасанды бүйректерге арналған. Алғашқы жасанды бүйректі 1940 жылдардың басында Нидерландыда Виллем Колф жасады: Колф 1943 жылы жұмыс істейтін диализерді алғаш құрастырды.

Бүйрек жетіспеушілігі

Бүйректер – омыртқа омыртқаларының T12-L3 деңгейіне сәйкес келетін қабырға қуысының төменгі жағында, құрсақ қуысының арт жағында орналасқан жұптасқан, өмірлік маңызды органдар. Олар оннан астам физиологиялық функцияларды атқарады және салыстырмалы түрде оңай зақымдалады. Осы функциялардың ішінде метаболизм қалдықтарын сүзу және шығару, қажетті электролиттер мен сұйықтықтарды реттеу, сондай-ақ қызыл қан жасушаларының өндірісін стимуляциялау бар. Бұл органдар күніне 100-140 литр қанды сүзіп, 1-2 литр несеп шығарады, ол қалдықтар мен артық сұйықтықтан тұрады. Бүйрек жеткіліксіздігі азотты қалдықтардың, тұздардың, судың баяу жиналуына және организмнің қалыпты pH тепе-теңдігінің бұзылуына әкеледі. Бұл жеткіліксіздік көбінесе ұзақ уақыт бойы дамиды, ал науқастың бүйрек функциясы ауру барысында жеткілікті деңгейге төмендеген кезде, бұл соңғы сатыдағы бүйрек ауруы (ESRD; диализ немесе бүйрек алмастыру терапиясы қолданылған-қолданылмағанына байланысты 5- немесе 6-деңгейлі бүйрек ауруы деп те аталады) ретінде белгілі. Бүйрек ауруын бүйрек тоқтау алдында анықтау сирек кездеседі, жоғары қан қысымы мен аштық жоғалтуы – мәселенің бар екенін көрсететін белгілер. Диабет және жоғары қан қысымы бүйрек жеткіліксіздігінің ең көп таралған екі себебі болып саналады. Сарапшылар диабеттің таралуының артуымен диализке деген сұраныс та артатынын болжайды. Екінші дүниежүзілік соғысқа дейін бүйрек жеткіліксіздігі науқас үшін өлім жазасы болды. Соғыс кезінде бүйрек функциясы және жедел бүйрек жеткіліксіздігі туралы бірнеше маңызды жаңалықтар ашылды. Американдық ересектердің үштен бірі бүйрек ауруын дамыту тәуекеліне тап болады. 26 миллионнан астам американдық ересектер бүйрек ауруымен ауырады, ал көпшілігі осы фактінің өзінен хабарсыз. 2011 жылғы Экономикалық ынтымақтастық және даму ұйымының баяндамасына сәйкес, Америка Құрама Штаттары дамыған елдер арасында диализдің екінші ең жоғары деңгейін көрсетіп отыр (Жапониядан кейін). Лондон, Онтарио және Торонто, Онтарио қалаларындағы зерттеу топтарының қызықты зерттеулері көрсеткендей, аптасына үш рет жүргізілетін дәстүрлі емдеуге қарағанда екі-үш есе ұзақ және жиі жүргізілетін диализ емдері клиникалық нәтижелерді жақсартумен байланысты болуы мүмкін. Аптасына алты рет, түнде диализ жүргізу көптеген елдердегі қолда бар ресурстарды басып тастайды. Бұл, сондай-ақ бүйрек трансплантациясы үшін донорлық органдардың жетіспеушілігі баламалы емдеу әдістерін, соның ішінде киілетін немесе имплантацияланатын құрылғыны әзірлеуге ынталандырады.

Kidneys are paired vital organs located behind the abdominal cavity at the bottom of the ribcage corresponding to the levels T12 L3 of the spine vertebrae. They perform about a dozen physiologic functions and are fairly easily damaged. Some of these functions include filtration and excretion of metabolic waste products, regulation of necessary electrolytes and fluids and stimulation of red blood cell production. These organs routinely filter about 100 to 140 liters of blood a day to produce 1 to 2 liters of urine, composed of wastes and excess fluid. Kidney failure results in the slow accumulation of nitrogenous wastes, salts, water, and disruption of the body's normal pH balance. This failure typically occurs over a long period of time, and when the patient's renal function declines enough over the course of the disease, is commonly known as end stage renal disease (ESRD; which is also known as Level 5 or 6 kidney disease, depending on whether dialysis or renal replacement therapy is used). Detecting kidney disease before the kidneys start to shut down is uncommon, with high blood pressure and decreased appetite being symptoms that indicate a problem. Diabetes and high blood pressure are seen as the 2 most common causes of kidney failure. Experts predict that the demand for dialysis will increase as the prevalence of diabetes increases. Until the Second World War, kidney failure generally meant death for the patient. Several insights into kidney function and acute kidney failure were made during the war. One in three American adults are at a risk for developing kidney disease. Over 26 million American adults have kidney disease and most are not aware of it. According to a 2011 report by the Organization for Economic Cooperation and Development, the United States of America has the second highest rate of dialysis among advanced countries after Japan. Intriguing investigations from groups in London, Ontario and Toronto, Ontario have suggested that dialysis treatments lasting two to three times as long as, and delivered more frequently than, conventional thrice weekly treatments may be associated with improved clinical outcomes. Implementing six times weekly, all night dialysis would overwhelm existing resources in most countries. This, as well as scarcity of donor organs for kidney transplantation has prompted research in developing alternative therapies, including the development of a wearable or implantable device.

Жасанды бүйрек

Гемодиализ – бүйрек жеткіліксіздігі кезінде қаннан креатинин және мочевина сияқты зиянды заттарды, сондай-ақ еркін суды алып тастау әдісі. Пациенттің қанын тазартатын механикалық құрылғы диализер деп аталады, ол жасанды бүйрек ретінде де белгілі. Қазіргі заманғы диализерлер әдетте полимерден немесе сополимерден жасалған қуыс талшықтарды қамтитын цилиндрлі қатты қаптамадан тұрады, бұл әдетте авторлық құқықпен қорғалған формула болып табылады. Қуыс талшықтардың жалпы ауданы әдетте 1-2 шаршы метрді құрайды. Қан мен диализат ағынын диализерде оңтайландыру үшін, қалдықтарды қаннан диализатқа тиімді түрде беру мақсатында көптеген топтар қарқынды зерттеулер жүргізіп келеді.

Имплантацияланатын жасанды бүйрек

Имплантацияланатын жасанды бүйрек – екінші жоба, оны Вандербильт университетінің медициналық орталығының нефрологы Уильям Х. Фисселл IV, доктор, Сан-Францискодағы Калифорния университетінің профессоры Шуво Роймен бірлесіп әзірлеуде. Фисселл және оның әріптестері имплантацияланатын жасанды бүйрекке он жылдан астам уақыттан бері жұмыс істеп келеді, бірақ 2015 жылдың қараша айында жобаның зерттеулерін және дамуын одан әрі жалғастыру үшін 6 миллион долларлық грант алды. Бұл жобаның мақсаты – сау бүйректің функцияларын имитациялайтын биогибридтік құрылғы жасау, организмнен жеткілікті мөлшерде зиянды заттарды шығарып, пациентке диализ қажеттігін болдырмау. Бұл құрылғының табысқа жетуінің кілті – кремний нанотехнологиясын және кеуекті, табиғи сүзгі ретінде жұмыс істей алатын микрочипті пайдалану. Фисселл және оның командасы әрбір кеуекті (сүзгінің) белгілі бір функцияны немесе міндетті орындау үшін жобалады. Микрочиптер сонымен қатар тірі бүйрек жасушаларының сүзгілерде және олардың айналасында орналасып, өсуі үшін платформа болып қызмет етеді, мақсаты – бүйректің табиғи функцияларын имитациялау. Биогибридтік құрылғы организмнің иммундық жауабына қол жеткізе алмайды, бұл оны пациенттің организмінен қабылданудан қорғайды. Құрылғы пациенттің денесіне сыйып, оның табиғи қан ағынымен сәтті жұмыс істейтіндей етіп жасалады. Фисселл және оның зерттеу тобы прогресс жасай беруде және 2017 жылға қарай имплантацияланатын жасанды бүйрек адамдарда сынақтан өтеді деп күтілуде.

Жасанды бүйрек

Киімге арналған жасанды бүйрек – бұл соңғы сатыдағы бүйрек жеткіліксіздігі бар адамның күнделікті немесе тіпті үздіксіз пайдалана алатын диализ машинасы. Киімге арналған жасанды бүйрек (WAK) әзірге қолжетімді емес, бірақ зерттеу топтары мұндай құрылғыны жасау үстінде. Мақсаты – қалыпты бүйректің жұмысын имитациялай алатын портативті құрылғыны жасау. Бұл құрылғы науқасқа тәулігіне жиырма төрт сағат ем алуға мүмкіндік береді. Миниатюралық сорғылардың дамуының арқасында тиімді гемодиализ құрылғысын жасау үміті іске асырылды. Кейбір науқастар қазірдің өзінде үздіксіз перитонеалдық диализбен емделуде, бұл оларға жүруге мүмкіндік береді. Дегенмен, диализдік ем алатын науқастардың аз бөлігі ғана перитонеалдық диализді пайдаланады, себебі ол үшін үлкен көлемдегі диализдік ерітіндіні сақтау және жою қажет. Денсау адамның бүйректері қанды тәулігіне 24 сағат, аптасына 168 сағат сүзіп тазартады, ал соңғы сатыдағы бүйрек жеткіліксіздігімен ауыратын адамның диализдік ем жоспары аптасына шамамен 12 сағатты құрайды. Емдеу соңғы сатыдағы бүйрек жеткіліксіздігі (ESRD) бар науқастарда өмір сапасын төмендетіп, өлім-жітім деңгейін арттырады. Сондықтан, ESRD науқастарына үздіксіз диализ алуға және қалыпты өмір салтын сақтауға мүмкіндік беретін тәулік бойы жұмыс істейтін құрылғы қажет. FDA Blood Purification Technologies Inc. компаниясы жасаған киімге арналған жасанды бүйректің адамдарға клиникалық сынауын АҚШ-та алғаш рет мақұлдады. WAK прототипі – 10 фунт салмақты, тоғыз вольттық батареялармен қуатталатын, науқасқа катетер арқылы қосылатын және 500 мл-ден аз диализдік ерітіндіні пайдалануға тиіс құрылғы. WAK үшін қолданылатын сорғының түрін өзгерту маңызды болуы мүмкін, өйткені ол құрылғыны сенсорсыз арзан және сенімді етуге көмектеседі. Осыған байланысты басқа энергия көздері де зерттелуде, мысалы, зерттеушілер отын ұяшықтарын, белсенді көзден энергияны сымсыз беруді немесе қоршаған ортадан энергияны жинаудың WAK-ты ұзақ уақыт бойы қуаттандырудың жақсырақ жолдары болатынын қарастыруда. Дегенмен, бүйректің қанды сүзіп, уларды шығарып, су мен тұзды қайта сіңіру қабілетін имитациялайтын мембрананы жасау киімге арналған және/немесе имплантацияланатын жасанды бүйректі жасауға мүмкіндік береді. Микроэлектромеханикалық жүйелер (MEMS) технологиясын қолдана отырып мембрана жасау имплантацияланатын биожасанды бүйректі жасаудағы шектеулі қадам болып табылады. Кливленд клиникасының Лернер зерттеу институтындағы BioMEMS және Бүйрек нанотехнологиясы зертханалары соңғы сатыдағы бүйрек ауруына (ESKD) имплантацияланатын немесе киілетін терапияны әзірлеу үшін мембраналық технологияны жетілдіруге бағытталған. Қазіргі диализ картридждері тым үлкен және қан айналымы үшін қалыпты емес қысымды қажет етеді, ал қазіргі полимерлі мембраналардағы тесіктердің мөлшері тым кең және формасы ерекше. Кремнийлі, нанопорозды мембрананы тар тесік өлшемдерімен жасау мембрананың сүзгіленген және сақталған молекулаларды ажырата білу қабілетін жақсартады. Сонымен қатар, ол гидравликалық өткізгіштікті арттырады, өйткені орташа тесік өлшемі мембрананың қажетті кесуіне жақындауға мүмкіндік береді. Топтық өндіріс процесін пайдалану тесік өлшемі мен геометриясын қатаң бақылауға мүмкіндік береді. Зерттеулер көрсеткендей, адам бүйрегінің жасушалары трансплантацияға жарамсыз донорлық органдардан алынып, осы мембраналарда өсірілген. Өсірілген жасушалар мембраналарды жауып, ересектердегі бүйрек жасушаларының ерекшеліктерін сақтайтын сияқты. MEMS материалдарында бүйрек эпителий жасушаларының дифференциацияланған өсуі имплантацияға қолайлы шағын құрылғыны жасау мүмкін екенін көрсетеді. Диализбен емделетін науқастарға имплантацияланатын жасанды бүйрек жасау үшін UCSF бастаған жоба Азық-түлік және дәрі-дәрмек басқармасында жылдам және бірлескен қараудан өтетін алғашқы жобалардың бірі ретінде таңдалды. FDA 2012 жылдың 9 сәуірінде инновациялық жол 2.0 деп аталатын нормативтік-құқықтық бағдарламаны пилоттық жүргізу үшін бүйрекке арналған үш жобаны таңдағанын мәлімдеді. 2017 жылы клиникалық сынақтарға бағытталған жасанды бүйрек жобасы соңғы сатыдағы бүйрек ауруларын емдеудегі трансформациялық әлеуеті үшін және FDA-мен келісу процесінде ерте араласудан пайда көру мүмкіндігі үшін таңдалды. FDA-ның бұл әрекеті даму процесінің басында федералдық агенттік пен құрылғы әзірлеушілердің арасындағы тығыз байланысты қамтиды, бұл әлеуетті ғылыми және нормативтік кедергілерді анықтау және шешу үшін және жобаны мақұлдаудың жол картасын жасау үшін. Мақсаты – жобалардың жалпы сәттілік мүмкіндігін арттыру, сонымен қатар FDA қарау уақытын және құнын азайту және қауіпсіздікті сақтау. Агенттік мәлімдегендей, алынған сабақтар басқа салалардағы мақұлдауларға да әсер етеді. The Kidney Project – имплантацияланатын, автономды биожасанды бүйректі әзірлеу және сынауға бағытталған ұлттық зерттеу бастамасы.

A wearable artificial kidney is a wearable dialysis machine that a person with end stage kidney disease could use daily or even continuously. A wearable artificial kidney (WAK) is not available, but research teams are in the process of developing such a device. The goal is to develop a portable device that will be able to imitate the functions of the regular kidney. This device would allow for a patient to be treated twenty four hours a day. With the development of miniature pumps, the hope of an effective wearable hemodialysis device has become realizable. Some patients already receive continuous peritoneal dialysis treatment which allows them to remain ambulatory. However, only a small portion of dialysis patients use peritoneal dialysis treatment because it requires large amounts of dialysate to be stored and disposed. A healthy individual's kidneys filter blood 24 hours/day, 168 hours/week compared to an individual with end stage renal disease whose dialysis treatment plan is approximately 12 hours a week. The treatment results in a lower quality of life as well as a higher mortality rate for patients with end stage renal disease (ESRD). Therefore, there is a need for an around the clock device that will allow ESRD patients to receive dialysis continuously while maintaining a normal life. The FDA approved the first human clinical trial in the United States for a wearable artificial kidney designed by Blood Purification Technologies Inc. The prototype of the WAK is a 10 pound device, powered by nine volt batteries, which connects to a patient via a catheter, and should use less than 500mL of dialysate. A change in the type of pump used for the WAK may be crucial because it could help make the device cheaper and more reliable for the public by not having a sensor. Due to this, other energy sources are being explored, for example, researchers are seeing if fuel cells, wireless transmission of energy from an active source, or harvesting energy from the environment would be better ways to power the WAK for longer periods of time. However, manufacturing a membrane that mimics the kidney's ability to filter blood and subsequently excrete toxins while reabsorbing water and salt would allow for a wearable and/or implantable artificial kidney. Developing a membrane using microelectromechanical systems (MEMS) technology is a limiting step in creating an implantable, bioartificial kidney. The BioMEMS and Renal Nanotechnology Laboratories at the Cleveland Clinic's Lerner Research Institute have focused on advancing membrane technology to develop an implantable or wearable therapy for end stage kidney disease (ESKD). Current dialysis cartridges are too large and require superphysiologic pressures for blood circulation, and pores in current polymer membranes have too broad of a size distribution and irregular features. Manufacturing a silicon, nanoporous membrane with narrow pore size distributions improves the membrane's ability to discriminate between filtered and retained molecules. It also increases hydraulic permeability by allowing the mean pore size to approach the desired cutoff of the membrane. Using a batch fabrication process allows for strict control over pore size distribution and geometry. Studies show human kidney cells were harvested from donated organs unsuitable for transplantation, and grown on these membranes. The cultured cells covered the membranes and appear to retain features of adult kidney cells. The differentiated growth of renal epithelial cells on MEMS materials suggests that a miniaturized device suitable for implantation may be feasible. A UCSF led effort to create an implantable artificial kidney for dialysis patients has been selected as one of the first projects to undergo more timely and collaborative review at the Food and Drug Administration. The FDA announced on April 9, 2012, that it had chosen three renal device projects to pilot a regulatory approval program called Innovation Pathway 2.0, intended to bring breakthrough medical device technologies to patients faster and more efficiently. The artificial kidney project, which is targeted for clinical trials in 2017, was selected for its transformative potential in treating end stage kidney disease and for its potential to benefit from early interactions with the FDA in the approval process. The FDA effort will involve close contact between the federal agency and device developers early in the development process to identify and address potential scientific and regulatory hurdles and create a roadmap for project approval. The goal is to improve the projects' overall chance of success, while reducing the time and cost of FDA review and maintaining safety. Lessons, the agency said, will inform approvals in other areas. The Kidney Project is a national research initiative that focuses on the development and testing of an implanted, freestanding bioartificial kidney.