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Costruire un rene artificiale impiantabile
Quasi 400.000 persone negli Stati Uniti, e fino a due milioni in tutto il mondo, si affidano alle macchine per la dialisi per filtrare le tossine dal sangue a causa dell'insufficienza renale cronica.
Sotto pressione: Un rene bioingegnerizzato sfrutta membrane di silicio che consentono una filtrazione a pressione molto bassa. La membrana in questa immagine è stratificata con cellule renali. I nuclei delle cellule sono mostrati in blu, i loro microtubuli in rosso e una proteina di giunzione chiamata ZO-1 in verde.
I pazienti devono essere legati alle macchine almeno tre volte alla settimana per tre o cinque ore consecutive. Anche allora, una macchina per la dialisi è efficace solo circa il 13% quanto un rene funzionante e il tasso di sopravvivenza a cinque anni dei pazienti in dialisi è solo del 33-35%. Per ripristinare la salute, i pazienti hanno bisogno di un trapianto di rene e semplicemente non ci sono abbastanza organi di donatori per andare in giro. Ad agosto, c'erano 85.000 pazienti nella lista d'attesa degli Stati Uniti per un rene negli Stati Uniti, mentre solo 17.000 trapianti di rene hanno avuto luogo l'anno scorso.
Un gruppo di laboratori collaborativo e multidisciplinare sta lavorando per creare il primo rene artificiale impiantabile. Il prototipo, rivelato la scorsa settimana, è compatto, non più grande di una lattina di zuppa. Non solo filtra le tossine dal flusso sanguigno, ma utilizza anche cellule renali umane per svolgere altre funzioni vitali, come la regolazione della pressione sanguigna e la produzione di vitamina D.
La dialisi non solo richiede tempo, ma è anche debilitante. Molti pazienti non si sentono bene, perché non svolge tutte le funzioni di un rene normale e sano, afferma il bioingegnere Shuvo Roy , il cui laboratorio presso l'Università della California, a San Francisco, ha prodotto il nuovo dispositivo e lo sta già testando sugli animali. Il rene non si limita a filtrare le tossine. Ha anche funzioni metaboliche e funzioni ormonali e la dialisi non cattura queste capacità.
Realizzare un rene artificiale abbastanza piccolo da stare all'interno del corpo è, tuttavia, una grande sfida. Un rene sano filtra 90 litri di acqua ogni giorno. Le attuali macchine per dialisi hanno le dimensioni di un piccolo frigorifero e richiedono una pressione sostanziale per pompare acqua sufficiente attraverso le membrane porose della macchina per consentire il filtraggio dei contaminanti dal sangue.
Il nuovo impianto è una fusione di più linee di ricerca e si avvale di due recenti progressi nel campo. Nefrologo dell'Università del Michigan David humes ha dimostrato che le cellule renali umane potrebbero essere utilizzate in una macchina di filtrazione delle dimensioni di una stanza per migliorare notevolmente la salute dei pazienti i cui reni hanno smesso di funzionare. Nel frattempo, Roy e William Fissell , un nefrologo della Cleveland Clinic, ha prodotto una membrana di silicio a nanopori che, con la sua struttura porosa densa e precisa, potrebbe aiutare a miniaturizzare le macchine per la dialisi.
Il prototipo è un sistema in due parti: la metà è costituita da un filtro per la rimozione delle tossine, in cui sono impilate insieme migliaia di membrane di silicio. I loro nanopori sono così densi e modellati in modo così preciso che possono filtrare in modo molto preciso usando solo la forza della pressione sanguigna del corpo. Il sangue scorre attraverso questo filtro, dove le tossine, gli zuccheri, l'acqua e i sali vengono rimossi come soluzione filtrata.
Il sangue pulito e il filtrato acquoso vengono entrambi deviati nell'altra metà del sistema: una cartuccia separata. Qui scorrono su più membrane di silicio, queste rivestite con un singolo tipo di cellula renale umana, che aiuta il dispositivo a riassorbire parte dell'acqua, zuccheri e sali, oltre a produrre vitamina D e aiutare a prevenire l'abbassamento della pressione sanguigna. funzioni renali basso-normali che non sono offerte dalla dialisi. I rifiuti che non vengono riassorbiti vengono deviati in un tubo attaccato alla vescica e rimossi come rifiuti nelle urine, proprio come farebbe un normale rene.
È tutt'altro che un sistema completo e i ricercatori fanno notare che non si aspettano mai che sostituisca i trapianti di rene. Il tuo rene contiene da 20 a 30 tipi di cellule, ognuna delle quali svolge funzioni diverse. Ma vorremmo superare un problema critico emerso nell'insufficienza renale, afferma Fissell. Se sei in lista per un trapianto di rene, è molto più probabile che tu muoia in lista d'attesa piuttosto che ottenere un rene. Dice che il dispositivo potrebbe fungere da ponte per i pazienti in attesa di trapianto.
Da un punto di vista generale, qualsiasi dispositivo impiantabile ridurrebbe drasticamente il carico che i pazienti ora devono affrontare, afferma Glenn Chertow , il capo della nefrologia presso la Stanford University School of Medicine. E se parte della magia aggiuntiva fornita da un rene nativo potesse essere aggiunta a un dispositivo impiantabile, potremmo avvicinarci al ripristino della buona salute.
I ricercatori hanno già risolto alcuni dei problemi più difficili: Humes ha scoperto come coltivare le cellule renali sulla scala necessaria (può coltivare cellule sufficienti per 100.000 dispositivi da un singolo rene). Ha anche determinato il modo migliore per congelarli per un uso futuro. E Roy, vincitore del TR35 nel 2003, ha testato l'impianto in una dozzina di ratti e in una manciata di maiali. Devono ancora aumentare l'efficienza dell'impianto a qualcosa che potrebbe funzionare efficacemente negli esseri umani, ma sperano di iniziare i test sull'uomo in cinque-sette anni. In questo momento la biocartuccia può filtrare da 30 a 35 litri di acqua al giorno e deve essere in grado di filtrarne almeno 43. Devono anche trovare modi per garantire che i dispositivi non causino coaguli di sangue o reazioni immunitarie.
Anche altri gruppi stanno lavorando per alternative agli appuntamenti di dialisi tre volte alla settimana, sebbene la maggior parte si concentri su dispositivi per dialisi indossabili, una proposta difficile in sé, data la sfida della filtrazione costante a volumi così grandi senza una pompa esterna. Uno di questi dispositivi è già nella seconda fase degli studi clinici. Ma anche la dialisi costante non può sostituire le altre funzioni del rene.
Allen Nissenson, CMO di DaVita , uno dei maggiori fornitori di dialisi del paese, afferma che il concetto impiantabile è attraente. È un rene bioreattore, un concetto incredibilmente innovativo e davvero eccitante se si dimostra realizzabile su scala più ampia, dice.