يتحدث خبراء الأعضاء الاصطناعية عن حالة تطور الكلى الصناعية وتحدياتها وفرصها

حاليًا ، أصبح الفشل الكلوي مشكلة صحية عامة رئيسية في جميع أنحاء العالم. وفقًا لبيانات عام 2021 ، يتلقى حوالي 4.7 مليون مريض العلاج الكلوي التعويضي. بسبب نقص موارد الكلى وعوامل أخرى ، يتلقى معظم المرضى الذين يعانون من الفشل الكلوي العلاج البديل الكلوي بغسيل الكلى وغسيل الكلى البريتوني ، ولكن كلا وضعي غسيل الكلى لهما عيوبهما. غسيل الكلى له نوعية حياة رديئة ومعدل وفيات مرتفع نسبيًا. جودة حياة غسيل الكلى البريتوني عالية ، ومعدل الوفيات منخفض نسبيًا ، ولكن التكلفة مرتفعة ، وبعد بضع سنوات ، قد يضطر مرضى غسيل الكلى البريتوني إلى التحول إلى غسيل الكلى بسبب عوامل مثل الفشل الفني. نظرًا للأسباب المذكورة أعلاه ، يأمل الناس دائمًا في تطوير نظام الكلى الاصطناعي ، والذي يمكن أن يحرر المرضى من عيوب غسيل الكلى التقليدي ، ويزيد من استقلالية المرضى حتى يتمكنوا من التمتع بالحياة الطبيعية وحقوق العمل.

انقر فوق cistanche tubulosa كبسولات لمرض الكلى

في 5 يونيو 2023 ، نشرت مجلة Nature Reviews لأمراض الكلى مراجعة كتبها خبراء من الفريق الأوروبي لتطوير الكلى الاصطناعية وفريق تطوير الأعضاء الاصطناعية. بعد مراجعة النماذج الأولية الحالية للكلى الاصطناعية ، قسم الخبراء الكلى الاصطناعية إلى فئتين ، آلات غسيل الكلى التي يمكن ارتداؤها ، والكلى الاصطناعية الحيوية. لهذين النوعين من الكلى الصناعية مزاياها وعيوبها ، وتتعايش الفرص والتحديات. بالإضافة إلى ذلك ، ستساعد تقنية الأغشية شبه المنفذة الجديدة على تطوير الكلى الاصطناعية وحتى تحسين تقنية غسيل الكلى الحالية.

آلة غسيل الكلى التي يمكن ارتداؤها

تعتبر نقطة الألم في آلات غسيل الكلى القابلة للارتداء مهمة جدًا ، وهي تجديد غسيل الكلى. إذا أخذنا غسيل الكلى التقليدي كمثال ، تتطلب 4 ساعات من غسيل الكلى 120-150 لترًا من الديالة. لا يستطيع المرضى حمل الكثير من السائل معهم. لذلك ، يجب أن تقوم الآلة القابلة للارتداء بتنفيذ جهاز يقوم باستمرار بإعادة توليد الديالة في نظام الحلقة المغلقة.

في الوقت الحالي ، عادةً ما تشتمل أجهزة تجديد الديالة المستخدمة في أجهزة غسيل الكلى القابلة للارتداء على مبادلات / أغشية كاتيون ، مثل راتنجات البوليسترين. يزيلون الكاتيونات مثل أيونات البوتاسيوم والصوديوم والهيدروجين. وتتم إزالة الأنيونات أيضًا بطرق مختلفة ، مثل أكسيد الزركونيوم / قاعدة البوليسترين مع أيونات معدنية ثابتة (مثل الحديد أو اللانثانم) لتحويل الفوسفات إلى قاعدة. يمكن للطريقة المذكورة أعلاه ضبط قيمة الأس الهيدروجيني للديالة ، وبالتالي استعادة توازن القاعدة الحمضية والتوازن الأيوني للمريض. في إزالة المواد المذابة العضوية ، الطريقة الشائعة الاستخدام هي امتزاز الكربون المنشط. أظهرت الدراسات أن 81 في المائة من المواد المذابة العضوية الموجودة في الديالة يتم امتصاصها بواسطة الكربون المنشط ، بما في ذلك المواد المذابة المرتبطة بالبروتين.

ومع ذلك ، لا يمكن استخدام الكربون المنشط لإزالة اليوريا لأن تقارب الكربون المنشط لليوريا منخفض جدًا ({0}. 1–0.2 ملي مول / جم عادةً) ، وإنتاجية اليوريا أعلى من غيرها المذابات اليوريمية العضوية. لذلك ، يجب استخدام طرق أخرى للإزالة ، مثل التحلل المائي الأنزيمي ، والتحلل الكهروكيميائي ، والامتصاص.

1 التحلل الأنزيمي

يعتبر التحلل المائي لليورياز إستراتيجية فعالة للغاية ، حيث يمكن لـ 30 ~ 50 جرام من اليورياز النشط إزالة اليوريا بالكامل خلال غسيل الكلى لمدة 4 ساعات. ومع ذلك ، فإن تحلل اليوريا ينتج الأمونيوم ، وهو أكثر سمية. يمكن لفوسفات الزركونيوم أن يربط الأمونيوم ، ولكن في الوقت نفسه ، يمكن لفوسفات الزركونيوم أيضًا إزالة أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم والبوتاسيوم تمامًا في الديالة ، مما يتطلب إعادة التسريب. ومع ذلك ، فإن هذا يزيد من حجم ووزن جهاز غسيل الكلى. إذا كان هناك نوع جديد من الغشاء شبه المنفذ يمكنه فقط امتصاص الأمونيوم ، فيمكن استخدام طريقة التحلل المائي الأنزيمي على نطاق واسع.

2 التحلل الكهروكيميائي

من الناحية النظرية ، يمكن أن يسمح التحلل الكهروكيميائي بالتحويل المباشر لليوريا إلى النيتروجين وثاني أكسيد الكربون. هاتان المادتان ليستا سامتين ويمكن تصريفهما مباشرة في الغلاف الجوي. ومع ذلك ، فإن طريقة التحلل الكهروكيميائي يمكنها أيضًا تحويل أيونات الكلوريد في الدم لتكوين هيبوكلوريت ، وقد يؤدي المزيد من الأكسدة إلى تكوين النتريت والنترات والأمونيوم وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الجهد والطاقة اللازمتين للتحليل الكهربائي هي أيضًا نقاط ألم لآلات غسيل الكلى التي يمكن ارتداؤها.

يبدو أن تجربة مواد قطب كهربائي أخرى تعمل على تحسين نقاط الألم المذكورة أعلاه. الجرافيت وسبائك النيكل والنحاس وثاني أكسيد التيتانيوم كلها حلول جيدة. في ظل ظروف محايدة أو قلوية قليلاً ، يمكن للأقطاب الكهربائية المذكورة أعلاه أكسدة / تحلل اليوريا بالكهرباء ، مما ينتج عنه مواد أقل سمية. ومع ذلك ، ما إذا كان يمكن للأقطاب الكهربائية المذكورة أعلاه أن تعمل بشكل أفضل في بيئات الديالة المعقدة والمتغيرة والمستعملة لا يزال بحاجة إلى مزيد من البحث.

3 الامتزاز

في الوقت الحالي ، يبدو أن الامتزاز هو أفضل طريقة لحل مشكلة اليوريا في السائل. يمكن تقسيم الامتزاز إلى امتزاز كيميائي (رابطة تساهمية) وامتصاص فيزيائي (تفاعل ثنائي القطب يتكون من الرابطة الهيدروجينية) ، حيث يكون الامتصاص الكيميائي مستقرًا ، ولا رجوع فيه ، ولكنه بطيء ؛ الامتزاز الجسدي سريع ولكنه غير مستقر. في الوقت الحاضر ، يمكن لبعض السبائك والمواد الجديدة تحسين نقاط الألم المذكورة أعلاه. الشيتوزان مادة تمتص اليوريا عن طريق الامتزاز الجسدي. على الرغم من أن قوة الارتباط لامتصاص الكيتوزان منخفضة (فقط 0. 2 مليمول / جم) ، بعد تكوين مركب مع أيونات معدنية ، مثل أيونات النحاس ، يمكن أن ترتفع قوة الربط إلى 4.4 ممول / جم.

بالإضافة إلى ذلك ، أظهر الغشاء القاعدي المختلط (MMM) المكون من بوليسترين نينهيدرين وبولي إيثرسولفون وبولي فينيل بيروليدون أيضًا قوة ربط جيدة. مبدأ الامتزاز لـ MMM هو الامتصاص الكيميائي بالإضافة إلى الامتصاص الفيزيائي ، بمعدل واستقرار مرتفعين. تجدر الإشارة إلى أن قدرة امتصاص MMM هي الأعلى عند 70 درجة. لذلك ، لا تزال كيفية جعل MMM تتمتع بقدرة امتصاص أعلى عند 37 درجة بحاجة إلى مزيد من الدراسة.

الكلى الاصطناعية الحيوية

الكلية الاصطناعية الحيوية (BAK) هي كلية صناعية تجمع بين علم الأحياء والكيمياء الفيزيائية. يحتوي BAK على خلايا كلوية قريبة وله أنشطة النقل والتمثيل الغذائي والغدد الصماء ، والتي يمكن أن تحاكي وظيفة الأنابيب الكلوية البشرية. على عكس آلات غسيل الكلى التي يمكن ارتداؤها ، يعمل BAK جزئيًا بالطرق البيولوجية (الخلايا). تشير الدراسات التي أجريت على المرضى الذين يعانون من إصابات الكلى الحادة (AKI) إلى أن BAK يمكن أن يحسن معدل بقاء المرضى. ومع ذلك ، فإن أكبر مشكلة في BAK هي الحصول على الخلايا وتخزينها. إذا لم تتمكن المؤسسات الطبية أو الشركات ذات الصلة من حل إنتاج الخلايا المذكورة أعلاه ونقلها وتخزينها وتوزيعها بفعالية ، فستظل إمكانية الوصول إلى BAK منخفضة دائمًا. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن أيضًا دراسة كيفية إطالة عمر الخلايا لتقليل تكلفة استخدام BAK.

ملاحظات: يمر دم المريض أولاً عبر أجهزة غسيل الكلى التقليدية لإزالة الألبومين والجزيئات الصغيرة والسموم البوليسية المرتبطة بالبروتينات ، ثم يدخل إلى جهاز التفاعل البيولوجي. في جهاز التفاعل الحيوي ، تقوم الخلايا الأنبوبية بإعادة امتصاص ونقل بعض المواد ، وإعادة الألبومين والمواد المفيدة الأخرى إلى الجسم في الدم.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن التحدي المتمثل في BAK هو التصغير. في الوقت الحاضر ، حقق BAK القابل للارتداء نجاحًا أوليًا في النماذج الحيوانية (الأغنام / الخنازير الخالية من الكلى). في نموذج الأغنام غير الكلوية ، لم يحدث أي رفض في الأغنام ، وكان وقت البقاء الناجح أكثر من 7 أيام. في نموذج الخنازير ، بعد زرع BAK ، لم تتعرض الخنازير للرفض ، وكان التأثير العلاجي مثاليًا.

غشاء غسيل الكلى الجديد

تمامًا مثل تكنولوجيا الفضاء ، ستعمل في النهاية على تحسين التكنولوجيا المدنية. عزز نظام الكلى الاصطناعي المصمم للظروف القاسية (التصغير ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، وكمية صغيرة من الديالة ، وما إلى ذلك) في نهاية المطاف تقدم أغشية غسيل الكلى وحتى تحسين تقنية غسيل الكلى الحالية.

1 فيلم بوليمر

لزيادة عمر جهاز غسيل الكلى وتقليل حاجة المرضى لاستبدال أجزاء من جهاز غسيل الكلى. يتصارع الباحثون مع التوافق الحيوي لأغشية غسيل الكلى. تعتبر أغشية البوليمر فكرة فعالة. يمكن أن يؤدي غشاء فلوريد البولي فينيلدين المعدل بواسطة كحول البولي فينيل والشيتوزان إلى تحسين التوافق الحيوي بشكل فعال. طريقة أخرى للتفكير هي أن إضافة مادة الأرجاتروبان أو المواد المحبة للماء إلى غشاء بولي سلفون يمكن أن تقلل من خطر تجلط الدم وتزيد من سلامة غسيل الكلى.

2- فيلم نانومتر قاعدة السليكون

الأغشية التقليدية القائمة على السيليكون لها توافق حيوي ضعيف ، وعمر خدمة قصير ، وعرضة لتكوين الجلطة. ومع ذلك ، مع تطور التكنولوجيا الإلكترونية ، وخاصة آلات الطباعة الحجرية الضوئية ، لم يعد من الصعب تصنيع أفلام نانو سيليكون بدقة. يمكن أن تكون الأغشية القائمة على النانو سيليكا فجر أجهزة غسيل الكلى في الجسم الحي. في عام 2022 ، تم زرع جهاز غسيل الكلى بغشاء نانو السيليكون بنجاح في الخنازير. يمكن لجهاز غسيل الكلى إجراء غسيل الكلى تلقائيًا. معدلات تصفية الكرياتينين واليوريا تعادل تلك الموجودة في أجهزة غسيل الكلى التقليدية ، ولكن معدل تدفق الدم هو 1/20 فقط. لذلك لم تعد هناك حاجة لمضخة الدم. يتم تحقيق تدفق الدم من خلال اختلاف الضغط الشرياني الوريدي الفسيولوجي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لهذا النوع من جهاز غسيل الكلى أن يدمج أجهزة الاستشعار الإلكترونية وأنظمة المحركات الدقيقة ، جنبًا إلى جنب مع شريحة سيليكون 5 × 5m2 ، والتي يمكن أن تولد نظام مراقبة طبيًا متعدد المعلمات لمراقبة حالة غسيل الكلى في الوقت الفعلي ، وهو ما يفضي إلى للعلاج الطبي الفردي.

تمت إعادة امتصاص 3 أيونات

AWEDI هو عبارة عن أيون يعاد امتصاصه يجمع بين راتينج التبادل الأيوني وغشاء التبادل الأيوني والجهد المطبق لتحقيق إعادة امتصاص أيون انتقائي ، مما يحاكي بشكل فعال عمل الأنابيب الكلوية. أظهرت الدراسات أن نظام AWEDI يمكنه إعادة امتصاص أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم بشكل فعال ، وحتى الجلوكوز يمكن إعادة امتصاصه. ومع ذلك ، يواجه نظام AWEDI أيضًا ثلاثة تحديات. أولاً ، يتمتع نظام AWEDI بقدرة ضعيفة على إزالة السموم البوليسية ذات الوزن الجزيئي> 180 Da ؛ ثانيًا ، ترتبط كفاءة النقل الأيوني بالجهد. إذا كان الجهد مرتفعًا جدًا ، يمكن تقسيم الماء لتكوين الهيدروجين والأكسجين ؛ إذا كان الجهد منخفضًا جدًا ، فلن تكون كفاءة إعادة الامتصاص عالية ؛ أخيرًا ، يوجد اختلاف كبير في انتقائية الأيونات في البلورات المختلفة (تصل إلى 42 بالمائة) ، وترتبط هذه الاختلافات بحجم AWEDI وتركيز الديالة وقيمة الأس الهيدروجيني وحتى الجهد.

نموذج أولي لآلة غسيل الكلى / الكلى الاصطناعية

في الوقت الحاضر ، تعد PAKs و WAK من النماذج الأولية لآلات غسيل الكلى / الكلى الصناعية التي يمكن ارتداؤها والتي تم استخدامها في الأبحاث السريرية ، ومن بينها WAK هو الأكثر شهرة. وزن WAK حوالي 5 كجم. أكدت الدراسات السريرية أن WAK يمكن أن يعمل بشكل مستمر لمدة 4 ~ 8 ساعات أو حتى 24 ساعة. يمكن أن يوفر WAK ترشيحًا فائقًا فعالًا في غضون 24 ساعة ، ومعدلات إزالة اليوريا والكرياتينين والفوسفور هي 17 ± 10 و 16 ± 8 و 15 ± 9 مل / دقيقة ، على التوالي. ومع ذلك ، أثناء 24- الدراسة السريرية ، أدى استخدام غاز ثاني أكسيد الكربون المفرط في الديالة والتخثر في الدائرة خارج الجسم إلى الإنهاء المبكر للدراسة.

If hemodialysis is not considered, automatic WAK (AWAK) is a smaller (2kg) peritoneal dialysis device, which can significantly reduce the consumption of dialysate, and most adult patients can carry it with them. A study in 2022 showed that in 14 patients with peritoneal dialysis, AWAK could work 10.5 hours a day for 3 consecutive days. The study showed that AWAK significantly cleared urea (20.8 to 14.9mm; P = 0.001), creatinine (976 to 668uM; P = 0.001), and phosphorus (1.7 to 1.5mM; P = 0.03), and weekly peritoneal Urea clearance index, Kt/V>1.7 لم تحدث أي أحداث سلبية خطيرة في المرضى. على الرغم من أن بعض المرضى عانوا من ألم في البطن ، إلا أنهم ارتاحوا بعد تصريف السائل أو التغوط.

تم إصدار 4 نماذج أولية أخرى من PAK وتجري الأبحاث السريرية ذات الصلة. ومع ذلك ، فإن وزن نماذج PAK هذه أكبر من أو يساوي 10 كجم. لذلك ، من حيث قابلية النقل ، فهو مشابه لـ WAK.

بشكل عام ، ظهرت النماذج الأولية للكلى الاصطناعية و BAK واحدة تلو الأخرى. على الرغم من وجود العديد من التحديات ، مع تقدم الطب والتخصصات الأخرى ، سيتم حل هذه التحديات واحدة تلو الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إضافة الأعضاء الاصطناعية إلى أنظمة الاستشعار الدقيقة (مثل مراقبة حمل السوائل ومكونات الدم المحددة) ، ودمجها مع تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي لتشكيل استشارة طبية فردية.

مراجع:

1. رمادا دي إل ، دي فريس جيه ، فولنبروك جيه ، وآخرون. أنظمة الكلى الاصطناعية المحمولة والقابلة للارتداء والقابلة للزرع: الاحتياجات والفرص والتحديات. نات ريف نفرول. 2023 5 يونيو: 1-10.