新型人工腎： 讓透析不再是患者救命的“最后底牌”
關(guān)注人工器官發(fā)展③
目前，科學(xué)家在研究新型人造生物腎的征途上已經(jīng)邁出了“萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步”，3D技術(shù)打印生物腎、干細(xì)胞培養(yǎng)的生物腎以及將動(dòng)物腎進(jìn)行改造后移植給人等路徑都有科學(xué)家在進(jìn)行實(shí)踐。隨著腎臟替代技術(shù)的發(fā)展，這些新型人工腎最終或?qū)⒂糜谂R床，讓為透析所困的患者重獲新生。
自1943年荷蘭醫(yī)生Kolff與工程師Berk共同研制出世界上第一臺(tái)體積龐大的轉(zhuǎn)鼓式人工腎后，血液凈化技術(shù)取得了非常大的進(jìn)步和發(fā)展，挽救了無(wú)數(shù)生命。然而，這種被稱(chēng)為尿毒癥患者救命的“最后底牌”的透析技術(shù)，卻往往因?yàn)橥肝鲱l次多、時(shí)間長(zhǎng)、可能出現(xiàn)透析失衡、感染等并發(fā)癥，讓許多患者望而生畏。
據(jù)2020世界頂級(jí)醫(yī)學(xué)期刊《柳葉刀》公布的全球慢性腎臟病流行病學(xué)報(bào)告顯示：截止到2017年，全球慢性腎臟病患者人數(shù)達(dá)6.975億，中國(guó)患病人數(shù)達(dá)1.323億。我國(guó)國(guó)家腎臟病醫(yī)療質(zhì)量控制中心數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)透析患者數(shù)量已接近80萬(wàn)人，而且呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。
目前，隨著納米科技、3D打印、生物醫(yī)學(xué)、人工智能等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新型人工腎的研發(fā)取得了重要進(jìn)展，有望將患者從透析中解放出來(lái)。
人工腎可挽救腎衰竭患者生命
人體內(nèi)的每個(gè)器官都各司其職。腎臟擔(dān)負(fù)著人體內(nèi)代謝廢物的排泄，以及維持酸堿平衡及各種電解質(zhì)穩(wěn)定的功能。一旦腎臟失去功能，人體內(nèi)毒素和廢物的代謝將受到很大影響，毒素和廢物排出不暢，就會(huì)堆積在體內(nèi)，對(duì)身體造成傷害。目前腎替代治療的主要方式仍然是在醫(yī)院或血液凈化中心進(jìn)行透析治療。
“人工腎是可以模擬人體腎臟功能進(jìn)行腎臟替代治療的裝置的統(tǒng)稱(chēng)，主要包括目前臨床廣泛使用的血液透析、腹膜透析等技術(shù)設(shè)備，用于救治急、慢性腎功能衰竭患者的生命。”天津市醫(yī)學(xué)會(huì)腎病學(xué)分會(huì)委員、武警特色醫(yī)學(xué)中心腎病學(xué)科主任醫(yī)師宋潔介紹，血液透析是將血液引出體外流經(jīng)人工合成的生物膜，通過(guò)彌散、對(duì)流、吸附等原理將血液中的代謝廢物、毒素、過(guò)多的水分等清除，然后再讓經(jīng)過(guò)凈化的血液回流到人體內(nèi)。
“雖然人工腎可以挽救生命，但也存在很多弊端。”宋潔介紹，全球有將近400萬(wàn)人接受人工腎的替代治療，但由于透析相關(guān)并發(fā)癥多，死亡風(fēng)險(xiǎn)高，患者平均5年生存率只有50%左右。
血液透析患者往往需每周往返醫(yī)院3—4次，每次透析耗時(shí)3—4小時(shí)，治療過(guò)程中患者需要躺在治療床上，通過(guò)特殊的管路與透析機(jī)連接。這種頻繁且被固定機(jī)器所束縛的治療模式，使患者的自由受限，嚴(yán)重影響了他們的正常生活。從能源和環(huán)保方面看，目前人工腎工作需要消耗大量的水和電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果按每人每次血液透析4小時(shí)，透析液流速500毫升/分計(jì)算，每分鐘就需要用約1升的市政供水來(lái)準(zhǔn)備透析液，4小時(shí)的透析需要消耗240升市政供水。此外，血液透析的電力消耗也非常大，每年全球血液透析估計(jì)消耗27.5億千瓦時(shí)電力。
“因此，近年來(lái)，人工腎的創(chuàng)新性研究方向主要集中在如何提高尿毒癥患者長(zhǎng)期生存率、改善其生活質(zhì)量，以及使用過(guò)程中如何節(jié)能環(huán)保。”宋潔表示。
可穿戴人工腎有望改善患者生活
近年來(lái)，科研人員一直在孜孜不倦地研發(fā)更高科技、更便攜，不影響工作、生活的人工腎。其中，離臨床最近的當(dāng)屬便攜式可穿戴人工腎。
隨著吸附劑技術(shù)、納米技術(shù)和細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的進(jìn)步，重量小于2公斤的可穿戴式人工腎(AWAK)已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。“AWAK人工腎是一款重量很輕、內(nèi)含特殊吸附劑的新型腹膜透析裝置。與傳統(tǒng)腹膜透析相比，它不需要依賴(lài)大量的透析液體，患者背著它可以隨意走動(dòng)。”宋潔介紹，“今年3月，還有一種名為WAK3.0的穿戴式人工腎獲批美國(guó)專(zhuān)利，WAK3.0僅重0.9公斤，體積更小，可像腰帶一樣佩戴。它可以模擬腎臟，24小時(shí)持續(xù)穩(wěn)定地清除患者體內(nèi)的毒素和水分，不影響患者日常活動(dòng)。”
但由于便攜式設(shè)備經(jīng)常與人體進(jìn)行連接、斷開(kāi)的操作，可能會(huì)導(dǎo)致感染風(fēng)險(xiǎn)。于是，也有科研人員嘗試將小型透析裝置直接植入人體內(nèi)。
“植入式人工腎(IAKs)是一種結(jié)合了硅納米技術(shù)和人工培養(yǎng)生物腎小管上皮細(xì)胞的模擬人工腎，重量只有約0.5公斤，目前也已植入動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”宋潔認(rèn)為，從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò)渡到人體臨床試驗(yàn)，還需進(jìn)一步觀察硅納米膜材料與人體的生物相容性，驗(yàn)證其清除廢物、凈化血液的效能。“雖然最終達(dá)到植入人體的目標(biāo)可能還需要更多研究充分驗(yàn)證，但I(xiàn)AKs的研制仍然讓人興奮，不久的將來(lái)可能會(huì)改變?cè)S多透析患者的命運(yùn)。”
目前，計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，Quanta SC+、NxStage System One等各種智慧化的血液透析系統(tǒng)的研發(fā)成功和推廣應(yīng)用，已經(jīng)使家庭透析進(jìn)入遠(yuǎn)程智能化時(shí)代，患者在家中就可以安全地完成治療，時(shí)間更自由，也更節(jié)約水電，將來(lái)有望在全球范圍內(nèi)推廣。
“在我國(guó)，天津大學(xué)、四川大學(xué)、武警特色醫(yī)學(xué)中心等多家單位的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)也一直致力于小型便攜式人工腎、可穿戴式人工腎的研發(fā)，關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。”宋潔舉例說(shuō)，“比如武警特色醫(yī)學(xué)中心研制了一種便攜式人工腎，重量約12公斤，和家用電腦主機(jī)箱一樣大小，單人即可攜帶，電池驅(qū)動(dòng)，方便醫(yī)護(hù)人員攜帶到地震等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救治重癥腎功能衰竭患者。四川大學(xué)的專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)也采用新材料及微型化技術(shù)，正在研制能像腰帶一樣戴在身上的佩戴式人工腎。”
人造生物腎或?qū)⒆尰颊邤[脫透析
“目前研發(fā)的人工腎，還僅僅只是一個(gè)機(jī)器。各種人工生物材料對(duì)人體來(lái)說(shuō)仍然是外來(lái)物，它可以模仿人類(lèi)腎臟的功能，但可能永遠(yuǎn)無(wú)法取代它。”宋潔介紹，腎移植仍然是終末期腎病患者的最佳治療方式。但用于移植的器官供求之間存在巨大差距，因此國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，嘗試研制出更接近天然腎臟的人造生物腎。
目前，科學(xué)家在研究新型人造生物腎的征途上已經(jīng)邁出了“萬(wàn)里長(zhǎng)征第一步”，3D技術(shù)打印生物腎、干細(xì)胞培養(yǎng)的生物腎以及將動(dòng)物腎進(jìn)行改造后移植給人等路徑都有科學(xué)家在進(jìn)行實(shí)踐。
“目前要想通過(guò)3D技術(shù)打印生物腎臟還面臨許多挑戰(zhàn)。”宋潔解釋?zhuān)环矫婺I臟結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，由26種不同類(lèi)型的細(xì)胞組成，要達(dá)到或接近天然腎臟的功能，上皮細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和系膜細(xì)胞都是必需具備的，這些細(xì)胞不僅要達(dá)到足夠的數(shù)量，還要能模擬天然腎臟的自分泌和旁分泌功能，來(lái)達(dá)到傳遞生物信號(hào)的作用；另一方面還需要有豐富的人類(lèi)腎臟細(xì)胞來(lái)源，這就涉及到醫(yī)學(xué)倫理問(wèn)題；此外，還需具備納米尺度分辨率的高速生物打印技術(shù)；最后，生物打印的腎臟在植入人體前還要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的生理成熟性和功能性測(cè)試。
目前，還有一些研究人員正在開(kāi)展將去細(xì)胞腎臟作為移植腎臟替代方案的實(shí)驗(yàn)，去細(xì)胞化是指去除所有細(xì)胞材料，即去除了出現(xiàn)負(fù)面影響的免疫原，只保留腎臟的支架結(jié)構(gòu)，包括基質(zhì)結(jié)構(gòu)和固有的生物連接，這樣動(dòng)物腎臟也可以作為人體腎臟移植的潛在來(lái)源，在去細(xì)胞化后的支架結(jié)構(gòu)上重新植入一個(gè)祖細(xì)胞群，包括誘導(dǎo)多能干細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、骨髓來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞等，形成人體新的腎臟。
盡管目前還存在很多困難，但隨著腎臟替代技術(shù)的發(fā)展，這些新型人工腎最終或?qū)⒂糜谂R床，讓為透析所困的患者重獲新生。
本報(bào)記者 陳 曦
