Megvalósulás előtt a mesterséges beültethető vese

A mesterséges bionikus^* vese egy kompakt, műtéti úton beültethető önálló eszköz a végstádiumú vesebetegség (ESRD) kezelésére. Elvégzi a természetes vese biológiai funkcióinak többségét.

A testen kívüli vesepótló eszköz miniatürizálása

A beültethető bionikus vese a már megvalósított testen kívüli vesepótló eszközre (Renal Assist Device - RAD) épül fel, egy mesterséges biológiai vesére, ami egy hemofilter és az emberi vese tubulus sejtek bioreaktorának kombinációja az egészséges vese metabolikus, endokrin és immunológiai funkcióinak utánzására.

 Bár a klinikai vizsgálatok megerősítették, hogy a RAD biztonságosan kezeli az akut veseelégtelenséget kritikus ellátási körülmények között, a RAD adoptálását az ESRD rutinszerű kezelésére akadályozza annak munkaigényessége, összetett működése, a nagy mérete és a magas összköltsége.

 A Vese Projekt végső célja, hogy a mikró-elektromechanikus rendszerek (MEMS) és a nanotechnológia alkalmazásával a testen kívüli RAD annyira miniatűré váljon, hogy egy műtétileg beültethető, önellenőrző és önszabályozó mesterséges biológiai vese legyen.

Egy műtéti beavatkozás után (az állandó vérkapcsolat kialakítására) a bionikus vesén keresztül 24 órán át folyamatosan áramlik a vér, ami enyhíti az időszakos hemodialízishez kapcsolódó kellemetlenségeket és a morbiditást.

 A beültethető bionikus vesének számos előnye van, beleértve a folyamatos orvosi felügyelet, az immunszupresszív kezelés és a gyógyszerek szükségességének csökkenését.

A tudomány fejlődésének kihasználása

 A természetes vese munkájának utánzásához a bionikus vesének tartalmaznia kell a nagy hatékonyságú ultraszűrő membránokat, képesnek kell lennie a véráram szabályozására és a szükséges sejtek stabilizálására egy mesterséges környezetben.

 Három kulcsfontosságú technológiai fejlesztésre volt szükség ezeknek a feladatoknak a megvalósításához:

    nagy hatékonyságú ultraszűrő membránok

    vér-anyag kölcsönhatások megfékezése (trombózis, eltömődés)

    a vesesejtek stabil differenciált funkciója egy tervezett konstrukcióban

 A szilicium nanotechnológia fejlődése kellett ahhoz, hogy megbízható, nagy porozitású, robosztus és kompakt membránok készülhessenek. A molekuláris bevonatok tökéletesedése biztosította a vérkompatibilitásra és a szilicium membrán pórusok elzárása nélküli bevonására való technikákat. És a sejtek beszerzési és tárolási kérdéseit is meg kellett oldani. Ezek a technológiák most rendelkezésünkre állnak.

Két komponens: hemofilter és sejtbioreaktor

A mi hemofilterünk szilicium nanotechnológiát alkalmaz egy rendkívül hatékony és kompakt membránt előállítására, amely a test vérnyomására támaszkodva pumpa vagy tápegység nélkül végzi a szűrést. A hemofilternek képesnek kell lennie jelentős ultrafiltrációs térfogat létrehozására a kapilláris perfúziós nyomáshoz hasonló nyomáson, miközben hónapokig nem tömődhet el. Továbbá, ha ezt a technológiát beültethető folyamatos terápiára általánosítani kell, a fehérje veszteségnek minimálisnak kell lennie.

 A sejtbioreaktor esetében a szövetkezelés legújabb eredményeit alkalmazzuk a vese tubulus-sejtek növekedésére és fenntartására. A bioreaktor képes kell legyen nagy mennyiségű só és víz reabszorpciójára (visszaszívására) az ultrafiltrátumból, miközben megakadályozza a toxinok reabszorpcióját. Ezen felül biológiai aktivitást kell biztosítania például a vérnyomás önszabályozása és a D-vitamin termelés terén.

Miniatürizációs kihívások

A tervezési folyamat korai szakaszában két nagy akadályt találtunk a RAD miniatürizálásához:

    a modern dialízis egységek mérete és pumpa szükségessége

    a dialízishez szükséges vízmennyiség

 Ugyanakkor inspirált minket a veseelégtelenség kezelésében alkalmazott üreges polimer membrán sikeressége. De észrevettük, hogy a vese természetes rostjainak struktúrája egyforma: hosszúkásak, rés alakúak, szemben a polimer membránok szabálytalan és többnyire hengeres alakú pórusaival. Csapatunk alkalmazta a biomedikai alkalmazásokhoz nem nagyon használt MEMS technológiát olyan szilicium nanopórusú membránok előállítására, amelyek rés alakú pórusokat tartalmaznak, és amelyek a mesterséges biológiai vesék megvalósítására szabottak.

*A bionika olyan új, több szaktudományt átfogó tudományág, amelynek célja az élő természetben kifejlődött megoldások átültetése a műszaki gyakorlatba, abból a megfontolásból is kiindulva, hogy a természetben fennálló természetes kiválasztódás az optimális megoldásokat jelenti egy-egy problémára.

University of California, San Francisco

Fordította: Ádám Aurél