Dialyse nicht angeschlossen

Die konventionelle Dialyse, bei der das Blut eines Patienten durch einen externen Filter gepumpt wird, um sich ansammelnde Giftstoffe abzuleiten, ist für die 1,4 Millionen Menschen mit Nierenerkrankungen weltweit, deren Leben davon abhängt, alles andere als ideal. Das übliche Schema von drei halbtägigen Blutreinigungssitzungen pro Woche entfernt im Durchschnitt nur 17 Prozent der Giftstoffe, die eine gesunde Niere ausscheiden würde, sodass nur ein Drittel aller Dialysepatienten eine Behandlung von mehr als fünf Jahren überleben.

Nanotechnologie könnte laut Nephrologe eine Alternative bieten William Fissell an der University of Michigan. Er und Kollegen arbeiten an Nanoporen-Membranen, die es ermöglichen könnten, die Dialyse in implantierbare Geräte zu miniaturisieren, die rund um die Uhr Giftstoffe beseitigen und Dialysepatienten von sperrigen Pumpen und Kliniken abbinden. Dies sei eine grundlegend befreiende Technologie, sagt Fissell.

Fissell und sein Kollege Shuvo Roy, ein biomedizinischer Ingenieur an der Cleveland Clinic Foundation , behaupten, die Hälfte der Herausforderung gelöst zu haben: die Entwicklung von Nanomembranen, die effizient genug sind, um ein kompaktes Implantat mit geringer Leistung zu tragen. Das Team hat sich Anfang des Jahres ein Patent für das Konzept gesichert. Die Herstellung von Poren mit der erforderlichen Selektivität – Poren, die die schlimmsten Giftstoffe ableiten, ohne dem Körper wichtige Proteine ​​wie Albumin, Blutgerinnungsfaktoren und Antikörper zu entziehen – erweist sich jedoch als schwieriger als erwartet.

Wie derzeit praktiziert, ist die Dialyse ein grobes Verfahren. Die Patienten werden intravenös an eine leistungsstarke Pumpe angeschlossen, die ihr Blut durch eine Patrone aus porösen Kunststofffasern zirkuliert. Flüssigkeiten, gelöste Giftstoffe und Salze passieren die Fasern und werden verworfen, während die im Sieb aufgefangenen Proteine ​​und Blutkörperchen mit Elektrolyt ergänzt werden, bevor sie zum Patienten zurückkehren. Die schlechte Fluiddynamik der Filter ist eine Funktion ihrer Ungenauigkeit: Die Filterherstellung erzeugt eine Vielzahl von Poren. Die Pumpe der Maschine macht den Unterschied und drückt Blut durch diese ineffizienten Siebe.

Im Gegensatz dazu ätzen Fissell und Roy mit lithographischer Präzision Poren in ultradünne Wafer aus Silizium. Das Ergebnis ist eine homogene Anordnung von Poren, von denen jede in der Lage ist, Durchflussraten um mehrere Größenordnungen höher als die durchschnittliche Pore in einem herkömmlichen Filter zu erreichen. Die Poren ahmen die äußerst präzisen und dennoch effizienten Membranen nach, die das Blut in einer menschlichen Niere filtern, und ähneln einer Jalousieplatte, sagt Fissell.

Laut Fissell enthalten aktuelle Prototypen etwa 10.000 Poren pro Quadratmillimeter. Membranen der nächsten Generation, die derzeit entwickelt werden, werden mehr als 100.000 Poren oder Schlitze pro Quadratmillimeter aufweisen und mehr als das Zehnfache des Durchflusses bieten. Ein implantiertes Gerät, das mehrere hundert Quadratzentimeter dieser Membran der nächsten Generation trägt, sollte, schätzt Fissell, bei durchschnittlichem Blutdruck mindestens 30 Milliliter Blut pro Minute filtern – etwa ein Drittel der normalen Nierenfunktion. Das Implantat würde unter die Haut gesteckt; Äußerlich getragene kleine Flüssigkeitsbeutel können das Ultrafiltrat aufnehmen und Ersatzelektrolyte liefern.

Die Kontrolle dessen, was durch die Schlitze geht, bleibt jedoch ein Problem. Während selbst die größten Blutgifte leicht durch die Schlitze der Membran gleiten, legen Experimente mit Prototypen nahe, dass auch das kleinste der wertvollen Proteine, Albumin, durchdringt. Dextran, ein komplexer Zucker, der in Filtrationstests als Ersatz für Albumin verwendet wird, fliegt trotz eines Durchmessers von etwa 40 Nanometern, der drei- bis viermal breiter als die Poren ist, direkt durch die Poren des Prototyps. Fissell denkt, dass sich das Dextran, ein langkettiges Molekül, das normalerweise wie ein Papierknäuel zusammengeknüllt wird, ausdehnt, wenn es auf die geschlitzten Poren trifft und sich hindurchschlängelt – etwas, das eine Proteinkette wie Albumin auch tun könnte.

Fissells Team testet, ob die Niere nicht nur nach Größe sortiert, sondern auch elektrische Ladungen erzeugt, die ebenfalls geladene Proteinketten abstoßen. Sie modellieren verschiedene chemische Modifikationen, um Ladungen auf der Oberfläche der Siliziumporen einzuführen.

Um das System praktisch zu machen, müssen die Membranen biokompatibel gemacht werden. Unmodifiziertes Silizium zieht Proteine ​​stark an, und daher würde eine Silizium-Nanoporen-Membran schnell verstopfen, wenn sie in den Körper implantiert wird. Fissells Kollege von der University of Michigan, David Humes, hat Tierversuche mit den Nanomembranen initiiert, um Oberflächenbehandlungen oder alternative Membranmaterialien zu identifizieren, die das Verstopfen von Implantaten verhindern.

Humes hofft, die Membranen verwenden zu können, um eine anspruchsvollere Version des Implantats herzustellen, die lebende Nierenzellen enthält – analog zu seinem bioartifiziellen Nierenunterstützungsgerät, das sich derzeit in Phase zwei der klinischen Studien befindet (siehe Saving Lives with Living Machines , Juli/August 2003). In einer implantierbaren Version der bio-künstlichen Niere würden Nanoporen-Membranen die lebenden Nierenzellen vor Immunzellen und Antikörpern schützen, die bisher die meisten bio-künstlichen Organimplantate vereitelt haben. Die lebenden Nierenzellen wiederum würden die Funktion des Implantats verbessern, indem sie einen Teil der Flüssigkeiten und Salze, die die Nanoporenmembran passieren, resorbieren und in den Blutkreislauf zurückführen. Schließlich könnten bio-künstliche Implantate, die Flüssigkeiten und Salze zurückgewinnen und das verbleibende Ultrafiltrat in die Blase umleiten, sogar die Notwendigkeit externer Elektrolyt- und Ultrafiltratbeutel überflüssig machen.

Der Nephrologe Allen Nissenson von der UCLA Medical School, der intensiv an der Entwicklung tragbarer Dialysegeräte gearbeitet hat, sagt, es bleibt abzuwarten, ob die Forscher der University of Michigan ihre Filtersysteme in ein Paket bringen können, das klein und robust genug für die Implantation ist. Aber er sagt, ihr Ziel, die Funktion der Niere genauer nachzubilden, sei richtig – und eine willkommene Alternative zu den schrittweisen Verbesserungen konventionellerer Technologien, die die Dialyseentwicklung in den letzten 20 Jahren dominiert haben. Innovationen, die die Funktion der natürlichen Nieren besser nachahmen, seien wirklich der Vorreiter für die Therapie der Zukunft, sagt er.

Die Filtration von 30 Millilitern pro Minute von Fissell würde mehr als 30 Prozent der normalen Nierenfunktion liefern – eine enorme Verbesserung, so William Harmon, Direktor der Nephrologie am Children’s Hospital in Boston. Es sei eine wichtige Schwelle, sagt er, ab der viele Symptome einer Nierenerkrankung verblassen würden: Bei 30 Prozent geht es ganz gut.

verbergen

Tatsächliche Technologien

Kategorie

Unkategorisiert

Technologie

Biotechnologie

Technologierichtlinie

Klimawandel

Mensch Und Technik

Silicon Valley

Computer

Mit News Magazine

Künstliche Intelligenz

Platz

Intelligente Städte

Blockchain

Reportage

Alumni-Profil

Alumni-Verbindung

Mit News Feature

1865

Meine Sicht

77 Mass Avenue

Treffen Sie Den Autor

Profile In Großzügigkeit

Auf Dem Campus Gesehen

Lerne Den Autor Kennen

Alumni-Briefe

Nicht Kategorisiert

77 Massenallee

Rechnen

Tech-Richtlinie

Lernen Sie Den Autor Kennen

Nachrichten

Wahl 2020

Mit Index

Unter Der Kuppel

Feuerwehrschlauch

Unendliche Geschichten

Pandemie-Technologieprojekt

Vom Präsidenten

Titelstory

Fotogallerie

Empfohlen