Как вы думаете, много ли людей в мире нуждается в имплантации искусственных почек? Много — около 10% взрослого населения планеты страдают хронической болезнью почек, которая входит в 20 основных причин смерти во всем мире.

Простой поиск Google по запросу «искусственная почка» содержит множество статей из популярных новостных СМИ (Wired.com, Healthline.com, NephrologyNews.com, MedDeviceOnline.com, IFLscience.com), описывающих достижения науки в создании искусственной почки и преимуществах, которые такая технология может предоставить пациентам с заболеванием почек во всем мире. Веб-сайт проекта UCSF «The Kidney Project», включающий раздел, посвященный часто задаваемым вопросам, также входит в число первых результатов по запросу «искусственная почка» в Google. На страницу этого научного проекта в Facebook подписано около 22 000 человек.

Что такое «The Kidney Project»?

Это научное сотрудничество между биоинженерией и нефрологией под руководством докторара Шуво Роя, биомедицинского инженера в UCSF и доктора Уильяма Фисселла, нефролога Университета Вандербильта, целью которого является разработка полноценной имплантируемой искусственной почки. The Kidney Project был рожден последователями учёного Х. Дэвида Хьюмса, нефролога из Мичиганского университета, который использовал обычный гемофильтр CRRT (непрерывная почечная терапия) и облицовал его монослоями почечных клеток, чтобы создать то, что он назвал вспомогательным устройством для почечной трубки (RAD). Хотя д-р Хьюмс и его коллеги не обнаружили статистически значимой разницы в эффективности при первичном тестировании с использованием устройства RAD в течение 28 дней по сравнению с обычной CRRT, зато они обнаружили значительное улучшение во время второго тестирования, которое проводилось в течение 180 дней, то есть в более долгосрочном периоде. Так выяснилось, что критически больные пациенты склонны к более раннему восстановлению почек с подсоединенными аппаратами RAD, нежели во время традиционной терапии CRRT.

По итогам проведенных исследований оказалось, что RAD является эффективным устройством для критических случаев заболеваний, но непригодным для массового лечения почечной недостаточности из-за слишком больших размеров, трудоемкости и дороговизны в разработке. «The Kidney Project» был запущен с целью проведения тестирований кремниевой нанотехнологии, которая при правильном применении способна была бы помочь учёным в разработке тканеинженерной почки, которая стала бы на порядок лучше механического устройства (сниженная необходимость использования внешнего насоса, иммунодепрессантов, антикоагулянтов и даже жидкости для диализата). Как заявил доктор Шуво Рой в своем недавнем выступлении в Институте нефрологии UCSF:

«Мы стремимся разработать то, что мы не можем вырастить биологически (фильтр), и вырастить то, что мы не можем разработать механически (трубчатые клетки)».

 

Разработать то, что мы не можем вырастить

Фильтрация — гломерула (почечные клубки) является естественным гемофильтром и состоит из однородных, щелевидных пор, которые допускают селективность. Доктор Рой с командой «The Kidney Project» стали применять кремний, который до настоящего времени активно использовался во многих электронных устройствах (отсюда название «Кремниевая долина»), для создания мембран с геометрическими размерами, которые имитируют естественный гемофильтр почечных клубочков. Важные характеристики таких мембран включают достаточно высокую проницаемость, чтобы обеспечить фильтрацию только с перфузионным давлением сердца (чтобы избежать необходимости использования внешнего насоса), но с высокой селективностью, чтобы позволить малым и средним молекулам очищаться, не жертвуя важными молекулами, такими как альбумин.

Свертывание — кремний это элемент, который получен из встречающегося в природном песке диоксида кремния. Как небиологическое вещество кремний может спровоцировать воспалительную реакцию и как мы знаем по опыту разработки других биомеханических устройств (искусственных сердечных клапанов, ECMO и т.п.), активация и потребление прокоагулянтов и антикоагулянтов может приводить к кровотечениям и тромбозам с высоким риском заболеваемости и последующей смертности пациентов. Кроме того, кремнезем, который образуется на поверхности кремния при воздействии на него кислорода, также ускоряет свертывание крови. Чтобы предотвратить возникновение этих проблем, д-р Рой и команда проекта «The Kidney Project» разработали цвиттер-ионные тонкие покрытия, такие как polySBMA, применяющие один молекулярный слой за раз для предотвращения засорения поры фильтра и защиты от осложнений без необходимости введения антикоагулянтов.

Вырастить то, что мы не можем разработать

Статические условия против динамических — выращивание клеток в культуре позволяет нам изучать их в статических условиях, но клетки, имеющие искусственную мембрану, будут подвергаться воздействию динамических (сдвиговых) условий от постоянного кровотока. В то время как клетки могут получать оксигенацию и питание от воздействия на них крови и ультрафильтрата, крайне важно, чтобы клетки с искусственной мембраной могли противостоять сдвиговым условиям. Сейчас команда проекта «The Kidney Project» продемонстрировала, что клетки на их моделях животных могут выжить в течение по крайней мере одного месяца и уже следующим шагом будет стремление к более длительному выживанию таких клеток у пациентов-людей.

Транспортировка — в идеале клетки с искусственной мембраной переносят воду, электролиты и лекарства между другими важными молекулами. Оптимизация скорости транспортировки важных молекул предотвратит потребность в жидкости для диализата или для того, чтобы пациент мог выпить лишнюю жидкость, чтобы оставаться гидратированным, и на данный момент это активная область работы «The Kidney Project». Для решения этого вопроса необходимо учитывать скорость ультрафильтрации. Учитывая нормальную скорость фильтрации 60-100 мл/мин, доктор Рой и его команда считают, что цель биоинженерии приблизительно в 30 мл/мин может быть вполне разумной и достижимой.

Мембранная иммуноизоляция — точно так же однородный и точный размер пор позволит транспортировать питательные вещества, но избегать переноса иммуноглобулинов, которые могут атаковать искусственную почку для предотвращения потребности в иммунодепрессантах.

Когда искусственная почка будет готова к испытаниям на людях?

«The Kidney Project» тесно сотрудничает с US FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) в рамках инновационной программы «Pathway 2.0», которая представляет собой поэтапный план развития, позволяющий проекту безопасно и эффективно продвигаться от исследований к клиническим испытаниям и в конечном итоге к клинической практике. Сотрудничество с FDA позволяет заранее определить промежуточные цели (например, демонстрировать безопасность и эффективность на животных моделях в течение одного месяца), а также одновременно разрабатывать технологию для других задач, если это применимо и целесообразно, в том числе для реализации больничного CRRT или домашнего гемодиализа.

Для перехода к клиническим испытаниям на людях сначала необходимо использовать мембраны из нанопористого кремния у здоровых пациентов с диализом, чтобы показать, что материалы в гемофильтре безопасны для воздействия на кровеносную систему. Следующие шаги заключаются в проверке фильтрации, затем клеточных компонентов и, наконец, переходе в стадию, когда искусственная почка может быть имплантирована человеку. Этот процесс влечёт большие финансовые и регуляторные барьеры, но согласно веб-сайту «The Kidney Project», ожидается, что клинические испытания на людях могут быть завершены к 2020 году, после чего искусственная почка станет доступной для общественности.

Нынешние успехи в научного проекта являются кульминацией многолетней напряженной работы и самоотверженности очень талантливых врачей и ученых, и потенциальное воздействие разрабатываемых решений на пациентов с почечной недостаточностью в мире будет поистине огромно!

Добавить комментарий