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Dialisi scollegata
La dialisi convenzionale, in cui il sangue di un paziente viene pompato attraverso un filtro esterno per drenare le tossine accumulate, è tutt'altro che ideale per 1,4 milioni di persone con malattie renali in tutto il mondo le cui vite dipendono da essa. Il regime comune di tre sessioni di pulizia del sangue di mezza giornata a settimana rimuove, in media, solo il 17% delle tossine che un rene sano eliminerebbe, in modo che solo un terzo di tutti i pazienti in dialisi sopravviva a più di cinque anni di trattamento.
La nanotecnologia potrebbe offrire un'alternativa, secondo il nefrologo William Fissell presso l'Università del Michigan. Lui e i suoi colleghi stanno lavorando su membrane a nanopori che potrebbero consentire la miniaturizzazione della dialisi in dispositivi impiantabili che forniscono l'eliminazione 24 ore su 24 delle tossine, liberando i pazienti in dialisi da ingombranti pompe e cliniche. Questa è una tecnologia fondamentalmente liberatoria, afferma Fissell.
Fissell e il collega Shuvo Roy, ingegnere biomedico presso il Fondazione della clinica di Cleveland , affermano di aver risolto metà della sfida: ingegnerizzare nano-membrane sufficientemente efficienti da supportare un impianto compatto e a bassa potenza. Il team ha ottenuto un brevetto per il concetto all'inizio di quest'anno. Tuttavia, l'ingegneria dei pori con la selettività richiesta - pori che drenano le tossine peggiori senza privare il corpo di proteine critiche come albumina, fattori di coagulazione del sangue e anticorpi - si sta rivelando più difficile del previsto.
Come attualmente praticato, la dialisi è una procedura rozza. I pazienti sono collegati per via endovenosa a una potente pompa che fa circolare il loro sangue attraverso una cartuccia di fibre di plastica porose. Fluidi, tossine disciolte e sali passano attraverso le fibre e vengono scartati, mentre le proteine e le cellule del sangue catturate nel setaccio vengono integrate con l'elettrolita prima di tornare al paziente. La scarsa fluidodinamica del filtro è funzione della loro imprecisione: la fabbricazione del filtro produce un'ampia gamma di pori, quindi per evitare di avere troppi pori grandi, che risucchierebbero proteine preziose, le fibre devono essere fabbricate con una preponderanza di pori molto piccoli. La pompa della macchina fa la differenza, forzando il sangue attraverso questi setacci inefficienti.
Al contrario, Fissell e Roy incidono i pori in wafer di silicio ultrasottili con precisione litografica. Il risultato è una serie omogenea di pori, ciascuno in grado di raggiungere portate di diversi ordini di grandezza superiori al poro medio di un filtro convenzionale. I pori imitano i diaframmi squisitamente precisi ma efficienti che filtrano il sangue in un rene umano, simile a un pannello di veneziane, afferma Fissell.
Secondo Fissell, i prototipi attuali contengono circa 10.000 pori per millimetro quadrato. Le membrane di nuova generazione, ora in fase di ingegneria, avranno più di 100.000 pori o fessure per millimetro quadrato e forniranno più di 10 volte il flusso. Un dispositivo impiantato che trasporta diverse centinaia di centimetri quadrati di questa membrana di nuova generazione dovrebbe, stima Fissell, filtrare almeno 30 millilitri di sangue al minuto a pressioni medie, circa un terzo della normale funzione renale. L'impianto sarebbe nascosto sotto la pelle; piccole sacche di fluido indossate esternamente potrebbero ricevere l'ultrafiltrato e fornire elettroliti sostitutivi.
Il controllo di ciò che passa attraverso le fessure, tuttavia, rimane un problema. Mentre anche le tossine più grandi del sangue scivolano facilmente attraverso le fessure della membrana, gli esperimenti con i prototipi suggeriscono che anche la più piccola delle preziose proteine, l'albumina, verrà drenata. Il destrano, uno zucchero complesso utilizzato come surrogato dell'albumina nei test di filtrazione, vola attraverso i pori del prototipo, nonostante misuri circa 40 nanometri di diametro, che è da tre a quattro volte più largo dei pori. Fissell pensa che il destrano, una molecola a catena lunga normalmente accartocciata come un batuffolo di carta, si allunga quando incontra i pori tagliati e serpeggia attraverso, cosa che potrebbe fare anche una catena proteica come l'albumina.
Il team di Fissell sta testando se il rene si ordina non solo in base alle dimensioni, ma anche generando cariche elettriche che respingono le catene proteiche, anch'esse cariche. Stanno modellando varie modifiche chimiche per introdurre cariche sulla superficie dei pori di silicio.
Per rendere pratico il sistema sarà necessario rendere le membrane biocompatibili. Il silicio non modificato attrae fortemente le proteine e quindi una membrana di nanopori di silicio si ostruirebbe rapidamente se impiantata nel corpo. Il collega di Fissell all'Università del Michigan, David Humes, ha avviato studi sugli animali con le nanomembrane per identificare trattamenti superficiali o materiali di membrana alternativi che prevengono l'intasamento degli impianti.
Humes spera di utilizzare le membrane per modellare una versione più sofisticata dell'impianto che conterrebbe cellule renali viventi, analoghe al suo dispositivo di assistenza renale bioartificiale che è attualmente in fase due di studi clinici (vedi Saving Lives with Living Machines, luglio/agosto 2003). In una versione impiantabile del rene bioartificiale, le membrane a nanopori proteggerebbero le cellule renali vive dalle cellule immunitarie e dagli anticorpi, che fino ad oggi hanno ostacolato la maggior parte degli impianti di organi bioartificiali. Le cellule renali vive, a loro volta, migliorerebbero la funzione dell'impianto riassorbendo e restituendo al flusso sanguigno parte dei fluidi e dei sali che passano attraverso la membrana dei nanopori. Alla fine, gli impianti bio-artificiali che recuperano fluidi e sali e deviano l'ultrafiltrato rimanente nella vescica potrebbero persino eliminare la necessità di elettroliti esterni e sacche di ultrafiltrato.
Il nefrologo della UCLA Medical School Allen Nissenson, che ha lavorato a lungo per supportare lo sviluppo di dispositivi portatili per la dialisi, afferma che resta da vedere se i ricercatori dell'Università del Michigan riusciranno a spremere i loro sistemi di filtrazione in un pacchetto abbastanza piccolo e robusto per l'impianto. Ma dice che il loro obiettivo di emulare in modo più preciso la funzione del rene è giusto e una gradita alternativa ai miglioramenti incrementali nelle tecnologie più convenzionali che hanno dominato gli sviluppi della dialisi negli ultimi 20 anni. Le innovazioni che imitano più da vicino il modo in cui funzionano i reni naturali sono davvero l'avanguardia per il futuro della terapia, afferma.
I 30 millilitri di Fissell al minuto di filtrazione fornirebbero più del 30% della normale funzione renale, un enorme miglioramento, secondo William Harmon, direttore della nefrologia al Children's Hospital di Boston. È una soglia importante, dice, al di sopra della quale molti sintomi della malattia renale svanirebbero: se sei al 30 percento stai andando abbastanza bene.