Előrehaladás a mesterséges vese fejlesztésében

Előrehaladás a mesterséges vese fejlesztésében a NIBIB Quantum Grantees együttműködésnek köszönhetően

(A Nemzeti Orvosi Képalkotó és Biotechnikai Intézet (NIBIB) létrehozta a Kvantumtámogatási Programot, amelynek célja, hogy 10-12 éven belül komoly hatást gyakoroljon egy jelentős betegség vagy nemzeti közegészségügyi probléma megelőzésére, diagnosztizálására vagy kezelésére az orvosbiológiai technológiák fejlesztése és megvalósítása révén.)

 

Newswise – Egy beültethető mesterséges vese létrehozása egy hősies lépés lenne az orvostudományban, és megoldaná a transzplantációhoz szükséges krónikus donorvese hiányt. A kutatók már az elmúlt 15 évben erre törekedtek, de folyamatosan szembejött egy rendkívül bonyolult probléma: hogyan lehet fenntartani a vér áramlását a mesterséges eszközön véralvadás nélkül. Egy ilyen eszközben például a vérlemezkék reagálnak a mechanikai hatásokra, természetes reakció az alvadás, ami az eszköz hibás működését okozza.

 

Ennek a problémának a leküzdésére, a Nemzeti Orvosi Képalkotó és Biotechnikai Intézet (NIBIB) Kvantumtámogatási Programja kombinálta a művese fejlesztés kivételes szakértelmét és a véráramlás számítógépes szimulációját egy 2018 január 16-i tanulmányban a Journal of Biomechanics online kiadása szerint.   Bár a dialízis ezreket, sőt több millió életét ment minden évben, ez nem az ideális megoldás a vesebetegségre. A vér folyamatos szűrése helyett -amely megtartja a vér kémiai összetételét az egészséges tartományban- a dialízis ultratiszta és tápanyagszegény vért eredményez, amely fokozatosan válik toxikussá a következő dialízis kezelésig.    Egy mesterséges vese biztosíthatná a folyamatos vérszűrés előnyeit. Csökkentené a vesebetegség kellemetlenségeit és növelné a betegek életminőségét. Miközben a kutatók előrelépést tettek a hordható modellekben, ahhoz hogy az eszköz beültethetővé váljon a test saját véráramlásával működtetve, az alvadási problémát meg kellett oldani.

Sematikus kép egy beültethető művese eszközről a hasüregi erek használatával az artériás vér be- és a vénás vér visszaáramlásra, valamint az ultrafiltrátum elvezetésével a hólyagba.

 

Mint a technológia fejlesztői mindent jól ismerünk, ezért különösen frusztráló, hogy a vérrögökkel kell foglalkozni, amelyek egyrészt eltömítik a készüléket, használhatatlanná téve azt, másrészt veszélyt jelenthetnek a test olyan részeire, ahol a véráramlás sérülhet. "mondta Rosemarie Hunziker, az NIBIB Szövettechnika és a Regenerative Orvoslás NIBIB programjának igazgatója. "A szívbe vándorló vérrög szívrohamot; az agyba vándorló strokot okozhat. "

 

A beültethető művese -egy biotechnikai eszköz, amely kombinálja a nagy hatékonyságú szilicium szűrőt és a vese tubulus sejtek bioreaktorát- hosszútávú projekt a tanulmány társszerzőinek: Shuvo Roy, Ph.D., biotechnika és terápiás tudományok professzorának, University of California, San Francisco (UCSF) és William H. Fissell, IV, MD, az orvostudományok docensének, University of Vanderbilt.

 

Shuvo Roy orvos, professzor	William H. Fissell fizikus, egyetemi docens

 

A kísérleti eszközt úgy alakították ki, hogy percenként akár egy liter vérmennyiséget is befogadjon, megszűrve egy sor szilícium membránon keresztül. A szűrt folyadék toxinokat, vizet, elektrolitokat és cukrokat tartalmaz. A folyadék ezután a feldolgozás második fázisán megy keresztül, egy olyan laboratóriumi sejtek bioreaktorában, amelyek tipikusan a vese tubulusait bélelik. Ezek a sejtek visszaszívják a legtöbb cukrot, sót és vizet a véráramba. A maradék a vizelet, amely a húgyhólyagba, majd a testen kívülre kerül.

 

Az alkalmazott technikák nagy része már létezik, néhányat, Roy és Fissell fejlesztett ki a NIBIB Quantum Award program korábbi finanszírozásai alapján. A fennmaradó kihívások közé tartozik, hogy a kutatók integrálják a különböző újításokat egy funkcionális, kompakt és beültethető eszközbe.

 

Az újabb munkában az UCSF-Vanderbilt csapat együttműködött társszerzőkkel: Danny Bluestein-nel, a New York Állami Egyetem biokémiai mérnöki professzorával, Stony Brook-kal, aki szintén Quantum Award támogatott. 2010-ben a NIBIB díjazta Bluestein laboratóriumát a thromboresistance - a vérben levő vérrögképződés megakadályozása - tanulmányáért. Bluestein csoportja a szív-érrendszeri implantátumok technikáját használta tanulmányában, például a mesterséges szívbillentyűk, valamint olyan eszközök, amelyeket műtétek során a szívműködés megkerülésénél alkalmaznak.

 

Danny Bluestein orvos, professzor

 

Roy és Fissell először hallották Bluestein módszertanát, a Device Trombogenicity Emulációt (DTE), a 2014-es, a NIBIB-ben a kvantumdíjas pályázók számára tartott értekezleten. A Bluestein DTE módszertan számszerűsíti a véráramlás során kialakuló áramlási mintákat és a stresszt. A DTE-ről szóló Bluestein leírása során Roy és Fissell azonnal meglátták az elmélet alkalmazásának lehetőségét a mesterséges vese megvalósításában. A megfelelő számítógépes szimuláció éveket vagy akár évtizedeket faraghat a mesterséges vese tervezési folyamatán, és olyan eszközt eredményezhet, ami jól analizált és tesztelt biztonsági profillal rendelkezik a vérlemezke aktivizálódás és az ezt követő rögképződés terén.

 

"A vérlemezkék aktivizálódnak és válaszul elindítják a vérrögképződést a stresszhatás súlyossága, valamint a vérlemezkék eszközön keresztüli áramlásának időmennyiségétől függően," mondta Bluestein. A Bluestein szimulációs módszer -amely először a szívelégtelen betegek vérkeringését támogató készülékekben a vérlemezkéken a stressz felhalmozódásának számszerű megjóslására fejlesztettek ki- könnyen adaptálható volt a mesterséges vese folyadékdinamikai vonatkozásaira.

 

A kutatók szimulált és optimalizált megoldást hoztak létre két készülékmintára, amelyek mindegyike a mesterséges vese szűrőrendszeren keresztül vezeti a vért. Szimuláción keresztül kiszámították, hogy egy-egy vérlemezke akár 1000-szer is átjuthat a mesterséges vesén, minden áthaladással halmozva a stresszt és növelve a vérrögképződés esélyét. Az egyik minta párhuzamos csatornákon keresztül osztja el a vért, amelyek szűrőmembránok több rétegén haladnak át. A másik minta a vért egyetlen szerpentinen keresztül oda-vissza vezeti.

 

A szimulációs eredmények a párhuzamos áramlási rendszer előnyét tippelték, különösen a vérlemezkék szűrési rendszeren belüli ismételt keringés utáni állapotának tekintetében. Mindemellett mindkét terv megfelelt a kutatók előre meghatározott kritériumainak a készüléken keresztüli egyenletes véráramlás és a nyíróerő-erők felhalmozódása a vérlemezkéken a készülék áramlási csatornájának falával szemben tekintetében. Ezért a kutatók tervezik, hogy mindkét implantátummintát tesztelik sertésekben. További mintákat is lehet vizsgálni a jövőben.

 

„Boldog vagyok, hogy úgy döntöttek, hogy elfogadták a módszert, így annak hatékonyságát ki lehetett mutatni egy egészen más típusú eszközön,” mondta Bluestein. „A véralvadás a fő klinikai probléma, amelyet minden készülékben előforduló, áramlás-indukálta stressz okoz.”

 

A szimulációs megközelítés felgyorsította a projektet azáltal, hogy megmentette az állatkísérleteket, és életképes alternatívát kínált a vérrel érintkező különböző eszközök előnyeinek és hátrányainak megvizsgálására. "Az állatkísérletekben ez időigényes, drága, és bizonyos szinten soha nem tudjuk, hogy fog-e működni, mert az állati vér nem ugyanaz, mint az emberi vér" - mondta Roy. "A Bluestein és munkatársai által elvégzett munkák széles skáláját felhasználtuk, és a számítógépes folyadék dinamika módszerénekalkalmazása segített elemezni tervünket."

 

A készülék az igazi vese minden funkciójával rendelkezik? - Nem - felelte Roy. "De a cél az, hogy a kritikus fontosságú funkciókat végezze el, olyan eszköz legyen, amely beültetés után lehetővé teszi a beteg számára, hogy szabadon egyen és igyon, mozogjon, általában jobb egészségi állapotban legyen, és a transzplantációtól eltérően nem igényeljen immunszuppresszív gyógyszereket.”

 

Hunziker üdvözölte a NIBIB Quantum Award címzettjei közötti együttműködést - egy olyan programot, amely az új technológiákat hoz a nagy nehézségekkel küzdő orvosi problémákra. "Rendkívüli örömteli látni a független finanszírozású csapatok önálló összefogását a kvantum-innovációik kihasználására„ mondta. "Az együttműködés lehetővé teszi a mesterséges vese fejlesztésének felgyorsulását a hatékony jósló (prediktív) modellezés révén, kombinálva biológiai anyagok manipulálásának képességével és a vese korélettanának mély ismereteivel."

 

 A Newswise 2018. február 8-án megjelent cikke alapján fordította

Ádám Aurél