硅纳米技术助力植入式人工肾脏取得重大进展

“我们正在开发一种生物混合装置,可以模拟肾脏清除足够多的废物、盐和水,使得患者不再需要进行透析。”

肾脏是个令人惊奇的脏器,每天24小时不停地工作,清洁血液,处理废物。每一天,这些位于脊柱两侧、肋骨下方,大豆形、拳头大小的器官,滤过150升血液产生12升尿液。



移植是肾功能衰竭的最佳治疗方案,但对器官的需求量远远大于供应量。


美国器官获取和移植网络说,有超过100,000例患者在等待肾移植的名单上,但去年,只有17,108例患者获得移植。


总的来说,全国肾脏基金会估计,超过460,000名美国人患有终末期肾病,并且每天在美国都有13名患者在等待捐献肾脏的过程中死去。他们说,关爱肾脏病患者的联邦医保账单——包括处方药在内——2012年是870亿美元左右。


肾病专科和在美国田纳西州纳什维尔范德堡大学医学中心的医学助理教授,肾病专家William H. Fissell IV和他的研究团队希望终结这种灾难性的场景,他说:


“我们正在开发一种生物混合装置,可以模拟肾脏清除足够多的废物、盐和水,使得患者不再需要进行透析。”


目标是制作一种足够小的装置——大约汽水瓶大小的尺寸——这样就可以装进患者体内。


植入的人工肾脏包含微芯片过滤器和活体肾脏细胞,并将由患者自己的心脏供能。


硅纳米技术加上活体肾脏细胞


微芯片采用的是与微电子工业用于计算机相同的硅纳米技术。


Fissell教授表示,芯片价格便宜、精确且滤过功能令人满意。每个装置都含有约15个芯片,一片片叠在一起。


每一个微芯片过滤器都包含微孔,每一个微孔都将包含并作为活体肾脏细胞膜的支架,后者模仿肾脏的自然功能。该小组正在逐一精确地设计过滤器的每一个孔,力求每一个孔都做成他们想要的模样。


Fissell教授说,幸运的是,细胞在实验室的培养皿中顺利生长着。他们可以研制出一种肾细胞膜,可以分辨哪些化合物可以作为营养物质重吸收回血液并保留在血液中,哪些作为应该通过尿液排泄的废物从血液中移除。


通过这种方法,Fissell教授说,“我们可以利用大自然母亲6,000万年的研究和发展成果”,开发出一种置于人工肾脏核心位置的活体细胞生物反应器。


由患者血流功能且无血栓危险



该装置不需要能量来源,因为它使用来自患者心脏的能量——在血管中产生的自然压力——推动血液通过过滤器。


然而,这一特点也提出了一个挑战:如何微调流体动力学,使得血液可以流动通过该设备而不发生血栓。


Amanda Buck博士是一位生物医学工程师,对流体力学很有兴趣,负责该项目的这一部分。


Buck博士使用计算机模型来改进装置内部管道形状以获得平稳血流。然后,在3D打印的帮助下,研究团队创建了一个雏形,并测试其血液流动的流畅性。


Fissell教授说,因为生物混合装置将不对人体免疫反应产生应答,不太可能会发生排斥反应。“它与器官移植不同,不是一个免疫顺应、匹配的问题,”他解释说。


十几年来的研究即将开花结果


这个肾脏项目早在十多年前就已经开始。2003年,它获得了第一批来自美国国立卫生研究院(NIH)的财政拨款、最近美国国立卫生研究院(NIH)为Fissell教授和他的研究伙伴,加利福尼亚三藩大学的长期合作者Shuvo Roy提供了长达4年,高达600万美元的资助。


2012年,食品和药品管理局(FDA)给予该项目快速通道审评——一种是用来促进和加速用于治疗严重疾病且有可能解决无法满足目前医疗需求药物的审评方式。


该小组希望在2017年底之前能够进行硅过滤器的试验性研究。Fissell教授说他有一大堆的患者渴望能够参与其中,他对这些患者表示钦佩,正如他总结道:


“我的患者绝对是我的英雄。他们一次又一次地从鬼门关回来,他们接受了沉重的疾病负担,因为他们想生存下去。他们愿意把为了其他患者承担所有的风险。”


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