211service.com
Dialīze ir atvienota
Tradicionālā dialīze, kurā pacienta asinis tiek sūknētas caur ārēju filtru, lai izvadītu uzkrājušos toksīnus, nebūt nav ideāla 1,4 miljoniem cilvēku ar nieru slimību visā pasaulē, kuru dzīvība ir atkarīga no tā. Parasti trīs pusi dienas ilgas asins attīrīšanas sesijas nedēļā izvada vidēji tikai 17 procentus toksīnu, ko veselas nieres izvada, tādējādi tikai viena trešdaļa no visiem dialīzes pacientiem izdzīvo vairāk nekā piecus ārstēšanas gadus.
Pēc nefrologa domām, nanotehnoloģijas varētu piedāvāt alternatīvu Viljams Fisels Mičiganas Universitātē. Viņš un kolēģi strādā pie nanoporu membrānām, kas varētu ļaut dialīzi miniaturizēt implantējamās ierīcēs, kas nodrošina diennakts toksīnu attīrīšanu, atsaistot dialīzes pacientus no lielgabarīta sūkņiem un klīnikām. Šī ir fundamentāli atbrīvojoša tehnoloģija, saka Fisels.
Fisels un kolēģis Šuvo Rojs, biomedicīnas inženieris uzņēmumā Klīvlendas klīnikas fonds , apgalvo, ka ir atrisinājis pusi no izaicinājuma: izstrādāt nanomembrānas, kas ir pietiekami efektīvas, lai atbalstītu kompaktu, mazjaudas implantu. Šī gada sākumā komanda ieguva patentu šai koncepcijai. Tomēr poras ar nepieciešamo selektivitāti — poras, kas izvada vissliktākos toksīnus, neatsavinot ķermenim kritiskās olbaltumvielas, piemēram, albumīnu, asinsreces faktorus un antivielas — izrādās stingrākas, nekā gaidīts.
Kā pašlaik praksē, dialīze ir neapstrādāta procedūra. Pacienti tiek intravenozi savienoti ar jaudīgu sūkni, kas cirkulē viņu asinis caur porainu plastmasas šķiedru kārtridžu. Šķidrumi, izšķīdušie toksīni un sāļi iziet cauri šķiedrām un tiek izmesti, savukārt sietā noķertās olbaltumvielas un asins šūnas tiek papildinātas ar elektrolītu pirms atgriešanās pie pacienta. Filtra sliktā šķidruma dinamika ir saistīta ar to neprecizitāti: filtru ražošanā veidojas plašs poru klāsts, tāpēc, lai nebūtu pārāk lielu poru, kas izsūktu vērtīgos proteīnus, šķiedras jāražo ar ļoti mazām porām. Iekārtas sūknis veido atšķirību, izspiežot asinis caur šiem neefektīvajiem sietiem.
Turpretim Fisels un Rojs ar litogrāfisku precizitāti iegravē poras īpaši plānās silīcija plāksnēs. Rezultāts ir viendabīgs poru klāsts, un katra no tām spēj nodrošināt plūsmas ātrumu, kas ir par vairākām kārtām lielāks nekā parastā filtra vidējās poras. Poras atdarina izcili precīzas, bet efektīvas diafragmas, kas filtrē asinis cilvēka nierēs, atgādinot žalūziju paneli, saka Fisels.
Saskaņā ar Fissell teikto, pašreizējie prototipi satur aptuveni 10 000 poru uz kvadrātmilimetru. Nākamās paaudzes membrānām, kas tagad tiek izstrādātas, būs vairāk nekā 100 000 poru vai spraugu uz kvadrātmilimetru, un tās nodrošinās vairāk nekā 10 reižu lielāku plūsmu. Pēc Fisela aplēsēm, implantētai ierīcei, kurā ir vairāki simti kvadrātcentimetru šīs nākamās paaudzes membrānas, ir jāfiltrē vismaz 30 mililitrus asiņu minūtē ar vidējo asinsspiedienu, kas ir aptuveni viena trešdaļa no normālas nieru darbības. Implants tiktu iespiests zem ādas; mazi šķidruma maisiņi, kas valkāti ārēji, var uzņemt ultrafiltrātu un piegādāt rezerves elektrolītus.
Tomēr joprojām ir problēma kontrolēt to, kas iet caur spraugām. Lai gan pat lielākie asins toksīni viegli izslīd cauri membrānas spraugām, eksperimenti ar prototipiem liecina, ka cauri iztecēs arī mazākais no vērtīgajiem proteīniem – albumīns. Dekstrāns, komplekss cukurs, ko izmanto kā albumīna surogātu filtrēšanas testos, izplūst tieši cauri prototipa porām, neskatoties uz to, ka tā diametrs ir aptuveni 40 nanometri, kas ir trīs līdz četras reizes platāks par porām. Fisels domā, ka dekstrāns, garas ķēdes molekula, kas parasti tiek saburzīta kā papīra žūksnis, izstiepjas, saskaroties ar spraugām porām un čūskām cauri — kaut ko varētu darīt arī proteīna ķēde, piemēram, albumīns.
Fisella komanda pārbauda, vai nieres šķirojas ne tikai pēc izmēra, bet arī ģenerējot elektriskos lādiņus, kas atgrūž proteīnu ķēdes, kas arī ir uzlādētas. Viņi modelē dažādas ķīmiskas modifikācijas, lai ieviestu lādiņus uz silīcija poru virsmas.
Lai sistēma būtu praktiska, membrānas būs jāpadara bioloģiski saderīgas. Nemodificēts silīcijs spēcīgi piesaista olbaltumvielas, un tādējādi silīcija nanoporu membrāna ātri aizsērētu, ja to implantētu ķermenī. Fisella kolēģis Mičiganas Universitātē Deivids Hamss ir uzsācis pētījumus ar dzīvniekiem ar nano membrānām, lai noteiktu virsmas apstrādi vai alternatīvus membrānas materiālus, kas novērsīs implantu aizsērēšanu.
Hjūmss cer izmantot membrānas, lai izveidotu sarežģītāku implanta versiju, kurā būtu dzīvas nieru šūnas – līdzīgi viņa biomākslīgajai nieru palīgierīcei, kas pašlaik atrodas otrajā fāzē klīniskajos pētījumos (skatiet Saving Lives with Living Machines, 2003. gada jūlijs/augusts). Implantējamā biomākslīgās nieres versijā nanoporu membrānas aizsargātu dzīvās nieru šūnas no imūnās šūnām un antivielām, kas līdz šim ir traucējušas lielāko daļu bioloģiski mākslīgo orgānu implantu. Savukārt dzīvās nieru šūnas uzlabotu implanta darbību, reabsorbējot un atgriežot asinsritē dažus šķidrumus un sāļus, kas iet caur nanoporu membrānu. Galu galā bioloģiski mākslīgie implanti, kas atgūst šķidrumus un sāļus un novirza atlikušo ultrafiltrātu uz urīnpūsli, var pat novērst vajadzību pēc ārējiem elektrolītu un ultrafiltrātu maisiņiem.
UCLA Medicīnas skolas nefrologs Alens Nisensons, kurš ir daudz strādājis, lai atbalstītu pārnēsājamo dialīzes ierīču izstrādi, saka, ka vēl ir jānoskaidro, vai Mičiganas Universitātes pētnieki var izspiest savas filtrēšanas sistēmas iepakojumā, kas ir pietiekami mazs un izturīgs implantācijai. Taču viņš saka, ka viņu mērķis precīzāk līdzināties nieru funkcijai ir īstais, un tā ir apsveicama alternatīva pakāpeniskiem uzlabojumiem tradicionālajās tehnoloģijās, kas pēdējos 20 gadus dominējušas dialīzes attīstībā. Viņš saka, ka jauninājumi, kas vairāk atdarina dabisko nieru darbību, patiešām ir terapijas nākotnes līderi.
Saskaņā ar Bostonas Bērnu slimnīcas nefroloģijas direktoru Viljamu Harmonu, Fisela 30 mililitri minūtē nodrošinātu vairāk nekā 30 procentus no normālas nieru darbības, kas ir milzīgs uzlabojums. Viņš saka, ka tas ir svarīgs slieksnis, kuru pārsniedzot daudzi nieru slimības simptomi izzustu: ja jums ir 30 procenti, jums klājas diezgan labi.