Высокотехнологичные механические конструкции могут радикально улучшить качество жизни людей с хроническим заболеванием почек.

Ричард Стасевич знает, насколько диализ меняет жизнь человека. Впервые он подвергся этой процедуре после того, как в 1982 году у него по необъяснимой причине отказали почки, что прервало путешествие на мотоцикле по юго-западу Соединенных Штатов. Больше года он провел, посещая центр гемодиализа три раза в неделю по четыре часа. Там машина размером с небольшой холодильник удаляла токсины из его тела и восстанавливала химический состав крови. Процедура сохранила ему жизнь, но снизила ее качество. «Это было довольно жалко, — говорит он. — Я почти ничего не мог делать по крайней мере в течение следующих шести или около того часов после диализа — мне приходилось идти домой и лежать». Хуже того, ему пришлось отказаться от путешествий, которые он так любил.

В конце концов Стасевичу посчастливилось пересадить почку. В конце 1980-х годов они с женой возобновили путешествия, бороздя Восточную Европу на мотоциклах. Но в 1994 году трансплантат отказал, и Стасевич еще год провел сидя в кресле, подключенном к аппарату для диализа. В 1995 году его сестра пожертвовала свою почку, но около трех лет назад в ней возник рак, и ее пришлось удалить. С 2019 года он снова на диализе.

Этот опыт побудил Стасевича, недавно вышедшего на пенсию из Октонского муниципального колледжа недалеко от Чикаго, штат Иллинойс, где он преподавал историю и глобальные проблемы, присоединиться к проекту «Почка» — исследовательской программе, проводимой Калифорнийским университетом в Сан-Франциско (UCSF), которая работает над созданием имплантируемой биоискусственной почки. Стасевич входит в консультативный совет пациентов проекта и стремится повысить осведомленность и оказать финансовую поддержку дальнейших разработок и клинических испытаний.

Разрабатывается портативное устройство, которое перерабатывает диализат, используемый при гемодиализе. Фото: Джереми Баррибо.

Проект «Почка» — одна из немногих программ по всему миру, пытающихся заменить обычный диализ портативными или имплантируемыми искусственными почками. Усилия были поддержаны премией KidneyX, созданной в сотрудничестве между Министерством здравоохранения и социальных служб США и Американским обществом нефрологов, предоставляющим финансирование для запуска инноваций в этой области.

Диализ принципиально не изменился с начала 1960-х годов. Портативные или, в конечном счете, имплантируемые устройства могут улучшить выживаемость и качество жизни. Основная проблема заключается в том, чтобы максимально точно воспроизвести деятельность живых почек и сделать это без использования огромного объема воды, который требуется при обычном гемодиализе. Аппараты в диализных центрах, которые фильтруют кровь через полимерные мембраны, весят более 100 кг и требуют 120–180 литров воды на каждый сеанс для смывания отходов.

По словам Шуво Роя, биоинженера из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и технического директора проекта «Почка», такой стационарный гемодиализ, который получают большинство людей — плохая замена живым почкам. «Наши почки выполняют семь или восемь различных функций, — говорит он.— Аппарат для диализа обеспечивает только одну из этих функций, но даже в этом случае он не очень хорошо с этим справляется». Большие колебания в химическом составе крови, возникающие из-за быстрого очищения каждые пару дней вместо устойчивой, постоянной фильтрации, выполняемой почками, создают нагрузку на организм, особенно на сердце. Пятилетняя выживаемость людей на гемодиализе ниже 50% — хуже, чем при некоторых видах онкологических заболеваний.

Окончательным решением для всех, кто находится на диализе, стало бы приобретение новой почки, но донорских органов для трансплантации недостаточно. Итак, чтобы создать имплантируемый заменитель, который бы более точно воспроизводил почку, Рой и медицинский директор проекта «Почка» Уильям Фисселл, нефролог из Медицинского центра университета Вандербильта в Нэшвилле, штат Теннесси, обратились к работе, проделанной горсткой людей почти 20 лет назад.

Обратимся к кремнию

Еще в 2004 году исследователи соединили картридж для фильтрации крови, используемый при обычном диализе, с устройством, покрытым почечными клетками, которые были выращены из ткани донорской почки, непригодной для трансплантации [1]. Эти клетки всасывают воду и электролиты, такие как натрий и калий, а также контролируют выработку цитокинов — компонентов иммунной системы. Работа, предназначенная для людей с травмой почек, а не с хроническими заболеваниями, так и не была доведена до полноценных клинических испытаний. Но Фисселл и Рой подумали, что это может послужить основой для устройства, заменяющего отказавшие почки.

Чтобы воссоздать фильтрующую функцию почек, исследователи сконструировали кремниевую мембрану с применением тех же методов литографии, которые используются для изготовления компьютерных чипов. Кремниевый фильтр более эффективен, чем полимерные мембраны, обычно используемые при диализе, как говорит Рой. При толщине около 400 нанометров он достаточно тонкий, чтобы собственное кровяное давление тела могло прогонять через него кровь, поэтому нет необходимости во внешнем насосе и связанном с ним источнике питания. Кремниевый фильтр также имеет узкие щели вместо грубых цилиндрических отверстий полимерных мембран. Форма, размер и расположение цилиндрических отверстий могут варьировать, в то время как у прорезей их можно сделать более однородными. Это придает фильтру лучшую избирательность, позволяя пропускать молекулы мочевины для их удаления, но удерживать форменные элементы крови. Кремний также покрыт такими материалами, как полиэтиленгликоль, которые предотвращают накопление белков на поверхности или образование тромбов.

К фильтру прикреплен биореактор, выстланный клетками почек. Клетки выполняют физиологические функции, такие как транспорт натрия обратно в кровь и отвод избыточной воды и токсинов в мочевой пузырь для выработки мочи. А поскольку поры в фильтре слишком малы, чтобы позволить иммунным клеткам проникнуть в биореактор, устройство можно использовать, не опасаясь, что оно подвергнется иммунной атаке. Это дает ему преимущество перед трансплантацией почек, которая требует от пациентов приема иммунодепрессантов.
Это ранний прототип [2], но Рой надеется разработать версию, которая прослужит от семи до десяти лет. Это меньше, чем в случае пересаженной почки, которая может прослужить от 10 до 25 лет, но в том же диапазоне, что и батарея кардиостимулятора. Но, учитывая ежедневный график диализа, говорит он, некоторые люди могут согласиться на еще более короткий срок службы устройства.

Миниатюризация электроники кремниевой промышленностью может помочь исследователям создавать имплантируемые искусственные почки, говорит Фокко Виринга, инженер-биомедик из подразделения Межуниверситетского центра микроэлектроники (IMEC), исследовательской компании в области микроэлектроники в Эйндховене, Нидерланды. Виринга, который сотрудничает с Голландским почечным фондом в нидерландском Бюссуме, работает над компонентами, которые другие исследователи могли бы интегрировать в свои конструкции — как, например, датчики давления, которые могут проходить через искусственную почку и отслеживать обструкции.

Еще одним нововведением является устройство для удаления токсинов, которые нельзя устранить обычным диализом. Некоторые токсины прикрепляются к белкам плазмы крови и поэтому не могут пройти через фильтры. Виринга и его коллеги разработали систему на основе чипа, которая использует радиоволны для преодоления электростатической силы, которая заставляет токсины прилипать к белкам, — в результате они отделяются и могут выходить в мочу. По словам Виринги, приспособление, представляющее собой миниатюрную версию системы, созданной в Аахенском университете в Германии, улучшит любой вид диализа, включая современные аппараты, портативные устройства и имплантаты.

Продолжаем фильтровать

Вместо того, чтобы стремиться к разработке имплантируемого устройства, некоторые исследователи сосредоточились на портативном внешнем диализе, который может стать решением проблемы в ближайшей перспективе. Джонатан Химмельфарб, нефролог из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сиэтле, и Бадди Ратнер, инженер-химик и биоинженер из Университетского центра инноваций в области диализа, разрабатывают искусственную почку, рециклирующую диализат — жидкость, которая удаляет мочевину и возвращает электролиты, — вместо того, чтобы смывать его литрами воды. Аппарат оснащен модулем регенерации, через который проходит диализат, собравший из крови мочевину. Внутри ультрафиолетовый свет расщепляет поглощенную мочевину на азот и углекислый газ, которые затем выбрасываются в воздух, а диализат возвращается для повторного использования.
По словам Химмельфарба, устройство может весить около 14 кг, то есть оно достаточно легкое, чтобы люди могли взять его с собой в офис или в поездку. «Мы предполагаем более длительные и медленные процедуры диализа, возможно, даже непрерывные — подобно тому, как это делают почки», — говорит он. Так можно уменьшить нагрузку на организм. «Если мы или кто-то другой действительно сможем создать мобильные варианты диализа, не требующие подключения к внешней системе водоснабжения, это даст пациентам свободу», — говорит он.

Сходным образом, Айра Курц, нефролог из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, совместно с Корпорацией исследования почек США в Розвилле, штат Калифорния, разрабатывает устройство размером с чемодан, которое можно разместить на столе на работе или рядом с кроватью во время сна; будущие модели могут быть достаточно малы, чтобы их можно было носить или даже имплантировать. Его устройство использует уровни фильтрации и также осуществляет другие функции, чтобы более точно воспроизвести работу биологической почки, не полагаясь на живые клетки. Курц предпочитает избегать живых клеток, потому что полагает, что наука еще недостаточно развита, чтобы учесть множество типов почечных клеток.

Устройство Курца, которое он разрабатывает в сотрудничестве с исследователями [3] из Арканзасского университета в Фейетвилле, базируется на модуле ультрафильтрации, который содержит мембрану на основе целлюлозы. Эта мембрана, по словам Курца, фильтрует гораздо больший объем на единицу площади поверхности, чем существующие полимерные мембраны; она пропускает воду, мочевину и электролиты, но блокирует форменные элементы крови и белки. Затем поток достигает нанофильтра с гораздо меньшими порами, блокирующими прохождение молекул глюкозы. Кроме того, есть модули деионизации, которые используют электрические заряды, характерные для каждой молекулы, для управления движением ионов, включая натрий, калий, хлорид и кальций, — удаляя избыток, но позволяя необходимому количеству оставаться в крови. Наконец, модуль обратного осмоса переносит воду из синтетической мочи обратно в кровь. Это гарантирует, что количество воды, выходящей из организма, соответствует выпитому количеству: оно либо предварительно запрограммировано на основе среднего потребления, либо выбирается человеком, использующим устройство.

Исследователи, разрабатывающие все эти устройства, надеются, что их искусственные почки будут готовы к испытаниям на животных через год или два, а клинические испытания — через четыре или пять лет. Однако поиск достаточного финансирования для продвижения проектов остается проблемой. И именно поэтому Стасевич активно рассказывает о них, чтобы повысить интерес и привлечь финансирование. В настоящее он проходит диализ на дому, который занимает больше времени, но менее утомителен, чем лечение в центре. Они с женой даже ездят в автопутешествия, хотя для этого требуется запихнуть в машину 34-килограммовый аппарат и доставить к месту назначения 35 коробок жидкого диализата (на неделю). «Сейчас моя жизнь ограничена, потому что я на диализе, — говорит он. — У меня все еще есть диетические ограничения, ограничения потребления жидкости и все остальное, хотя делать это дома лучше».

Он не рассчитывает получить искусственную почку, но надеется, что его поддержка сделает это реальностью для людей в будущем. «Вероятно, это не принесет мне пользы, — говорит он. — Но я хотел бы, чтобы у других людей была возможность жить более нормальной жизнью и не тратить годы на ожидание пересадки почки».

Исследователи создали чип, содержащий осциллятор, который отделяет от белков определенные токсины, не удаляющиеся при обычном диализе. Фото: IMEC