Künstliche NiereBearbeiten

Die Hämodialyse ist eine Methode zur Entfernung von Abfallprodukten wie Kreatinin und Harnstoff, sowie freies Wasser aus dem Blut, wenn die Nieren versagen. Das mechanische Gerät, mit dem das Blut des Patienten gereinigt wird, wird Dialysator genannt, auch bekannt als künstliche Niere. Moderne Dialysatoren bestehen typischerweise aus einem zylindrischen, starren Gehäuse, das Hohlfasern umschließt, die aus einem Polymer oder Copolymer gegossen oder extrudiert werden, wobei es sich in der Regel um eine proprietäre Formulierung handelt. Die kombinierte Fläche der Hohlfasern liegt typischerweise zwischen 1-2 Quadratmetern. Viele Gruppen haben intensive Forschung betrieben, um die Blut- und Dialysatströme innerhalb des Dialysators zu optimieren, um einen effizienten Transfer der Abfälle vom Blut in das Dialysat zu erreichen.

Implantierbare künstliche Niere

Die implantierbare künstliche Niere ist ein zweites Projekt, das von einem Nephrologen namens William H. Fissell IV, MD, vom Vanderbilt University Medical Center zusammen mit Professor Shuvo Roy von der University of California, San Francisco, entwickelt wird. Fissell und seine Kollegen arbeiten bereits seit über einem Jahrzehnt an der implantierbaren künstlichen Niere und haben im November 2015 einen Zuschuss von 6 Millionen Dollar erhalten, um die Forschung und Entwicklung des Projekts weiter voranzutreiben. Das Ziel dieses Projekts ist es, ein Bio-Hybrid-Gerät zu schaffen, das die Funktionen einer gesunden Niere imitieren kann, indem es genügend Abfallprodukte entfernt, damit ein Patient keine Dialysebehandlung benötigt. Der Schlüssel zum Erfolg dieses Geräts liegt in der Verwendung von Silizium-Nanotechnologie und dem Mikrochip, der porös ist und als natürlicher Filter fungieren kann. Fissell und sein Team haben jede Pore (des Filters) so konzipiert, dass sie eine bestimmte Funktion oder Aufgabe erfüllt. Die Mikrochips werden auch als Plattform dienen, auf der sich lebende Nierenzellen ansiedeln und um die Filter herum wachsen, mit dem Ziel, die natürlichen Funktionen der Niere zu imitieren. Das Bio-Hybrid-Gerät wird nicht in die Reichweite der körpereigenen Immunreaktion gelangen, wodurch es davor geschützt ist, vom Körper des Patienten abgestoßen zu werden. Das Gerät wird so konstruiert, dass es klein genug ist, um in den Körper des Patienten zu passen und erfolgreich mit dem natürlichen Blutfluss des Patienten zu arbeiten. Fissell und sein Forschungsteam machen weiterhin Fortschritte und sie erwarten, dass die implantierbare künstliche Niere bis 2017 in Studien am Menschen eingesetzt werden kann.

Wearable artificial kidneyEdit

Eine tragbare künstliche Niere ist eine tragbare Dialysemaschine, die eine Person mit Nierenerkrankung im Endstadium täglich oder sogar kontinuierlich benutzen könnte. Eine tragbare künstliche Niere (WAK) gibt es noch nicht, aber Forschungsteams sind dabei, ein solches Gerät zu entwickeln. Das Ziel ist es, ein tragbares Gerät zu entwickeln, das die Funktionen der normalen Niere imitieren kann. Mit diesem Gerät könnte ein Patient vierundzwanzig Stunden am Tag behandelt werden. Mit der Entwicklung von Miniaturpumpen ist die Hoffnung auf ein effektives, tragbares Hämodialysegerät realisierbar geworden. Einige Patienten erhalten bereits eine kontinuierliche Peritonealdialysebehandlung, die es ihnen ermöglicht, ambulant zu bleiben. Allerdings nutzt nur ein kleiner Teil der Dialysepatienten die Peritonealdialysebehandlung, weil dabei große Mengen an Dialysat gelagert und entsorgt werden müssen. Die Nieren eines gesunden Menschen filtern das Blut 24 Stunden am Tag, 168 Stunden in der Woche, im Vergleich zu einem Menschen mit terminaler Niereninsuffizienz, dessen Dialysebehandlungsplan etwa 12 Stunden pro Woche vorsieht. Die Behandlung führt zu einer geringeren Lebensqualität sowie zu einer höheren Sterblichkeitsrate bei Patienten mit terminaler Niereninsuffizienz (ESRD). Daher besteht ein Bedarf an einem Gerät, das ESRD-Patienten rund um die Uhr eine kontinuierliche Dialysebehandlung ermöglicht und gleichzeitig ein normales Leben aufrechterhält. Die FDA hat die erste klinische Studie am Menschen in den Vereinigten Staaten für eine tragbare künstliche Niere genehmigt, die von Blood Purification Technologies Inc. entwickelt wurde. Der Prototyp der WAK ist ein 10 Pfund schweres Gerät, das mit 9-Volt-Batterien betrieben wird, über einen Katheter an den Patienten angeschlossen wird und weniger als 500 ml Dialysat verbrauchen soll. Es ist so konzipiert, dass es kontinuierlich mit Batterien betrieben werden kann, so dass die Patienten beim Tragen des Geräts ambulant bleiben können, was zu einer höheren Lebensqualität führt. Das Gerät soll auch andere physiologische Aspekte der Gesundheit des Patienten verbessern, wie z.B. eine verbesserte Volumenkontrolle, eine verringerte Hypertonie und Natriumretention sowie eine verringerte Rate an kardiovaskulären Erkrankungen und Schlaganfällen.

Experimente der tragbaren künstlichen Niere

Die tragbare künstliche Niere (WAK) wurde im Laufe der Jahre immer wieder zum Wohle von Menschen mit Nierenversagen modifiziert. Um zu versuchen, die WAK nutzbar zu machen, wurden mehrere Experimente durchgeführt. Bei der Durchführung dieser Experimente für die WAK wird versucht, ähnliche Ziele zu erreichen. Ein Hauptziel dieser Experimente ist es zum Beispiel, sicherzustellen, dass die WAK wie eine normale Niere funktionieren kann.

Ein Experiment, das stattfand, umfasste acht Personen, die die WAK für vier bis acht Stunden trugen. Als die Teilnehmer die WAK trugen, traten verschiedene Ergebnisse auf. Ein Ergebnis während des Experiments war zum Beispiel, dass der Flüssigkeitsentzug für die WAK durch eine Ultrafiltrationspumpe korrekt gesteuert wurde. Ein weiteres Ergebnis während des Experiments war, dass sich eine Nadel, die mit dem WAK verbunden war, ablöste. Als dies geschah, konnte der WAK dies erkennen, und das Blut hörte auf zu pumpen. Als das Blut aufhörte zu pumpen, konnte die Nadel wieder eingesteckt werden, ohne dass der Körper eine große Menge Blut verlor. Im Zuge weiterer Forschungen wurde argumentiert, dass die Verwendung einer Ultrafiltrationspumpe möglicherweise nicht die beste Pumpe für den WAK ist. Die Forschung hat zum Beispiel herausgefunden, dass die Verwendung einer peristaltischen Pumpe stattdessen es einer Person ermöglichen würde, ihre Blutflussrate zu kennen, ohne einen Sensor zu haben, der in einer Ultrafiltrationspumpe benötigt wird, die in dem oben erwähnten Experiment verwendet wurde. Eine Änderung des Pumpentyps, der für die WAK verwendet wird, könnte entscheidend sein, da sie dazu beitragen könnte, das Gerät billiger und zuverlässiger für die Öffentlichkeit zu machen, da kein Sensor benötigt wird.

Nachdem viele Untersuchungen an der WAK durchgeführt wurden, konnten mehrere Forschungsfragen beantwortet werden. Zum Beispiel haben die Forscher herausgefunden, dass der WAK ohne Steckdose funktionieren kann, weil er mit einer Neun-Volt-Batterie betrieben werden kann. Allerdings wurde von den Forschern argumentiert, dass die Verwendung von Neun-Volt-Batterien für den WAK nicht effektiv genug ist, da sie das Gerät nicht lange genug mit Strom versorgen und indirekt den WAK weniger erschwinglich machen, wenn man ständig die Batterien wechseln muss. Aus diesem Grund werden andere Energiequellen erforscht, z. B. wird untersucht, ob Brennstoffzellen, drahtlose Übertragung von Energie von einer aktiven Quelle oder das Sammeln von Energie aus der Umwelt bessere Möglichkeiten wären, um den WAK über längere Zeiträume mit Energie zu versorgen. Einige Fragen zum WAK wurden bereits beantwortet, aber viele Forschungsfragen sind noch offen. Die Forscher versuchen immer noch herauszufinden, ob die WAK energieeffizient und erschwinglich sein kann und ob sie kleine Mengen von Dialysat wiederverwenden kann.

Implantierbares Nierenunterstützungssystem (IRAD)

Zurzeit gibt es keine brauchbaren biotechnisch hergestellten Nieren. Die Herstellung einer Membran, die die Fähigkeit der Niere, Blut zu filtern und anschließend Giftstoffe auszuscheiden sowie Wasser und Salz zu resorbieren, nachahmt, würde jedoch eine tragbare und/oder implantierbare künstliche Niere ermöglichen. Die Entwicklung einer Membran mit Hilfe der MEMS-Technologie (microelectromechanical systems) ist ein limitierender Schritt auf dem Weg zu einer implantierbaren, bioartifiziellen Niere.

Die BioMEMS und Renal Nanotechnology Laboratories am Lerner Research Institute der Cleveland Clinic haben sich auf die Weiterentwicklung der Membrantechnologie konzentriert, um eine implantierbare oder tragbare Therapie für Nierenerkrankungen im Endstadium (ESKD) zu entwickeln. Die derzeitigen Dialysekartuschen sind zu groß und erfordern einen superphysiologischen Druck für die Blutzirkulation, und die Poren in den derzeitigen Polymermembranen haben eine zu breite Größenverteilung und unregelmäßige Merkmale. Die Herstellung einer nanoporösen Siliziummembran mit enger Porengrößenverteilung verbessert die Fähigkeit der Membran, zwischen gefilterten und zurückgehaltenen Molekülen zu unterscheiden. Außerdem wird die hydraulische Durchlässigkeit erhöht, da sich die mittlere Porengröße dem gewünschten Grenzwert der Membran annähert. Die Verwendung eines Batch-Herstellungsprozesses ermöglicht eine strenge Kontrolle über die Porengrößenverteilung und -geometrie.

Studien zeigen, dass menschliche Nierenzellen aus gespendeten Organen, die nicht für eine Transplantation geeignet sind, geerntet und auf diesen Membranen gezüchtet wurden. Die kultivierten Zellen bedeckten die Membranen und scheinen Merkmale von adulten Nierenzellen zu erhalten. Das differenzierte Wachstum von Nierenepithelzellen auf MEMS-Materialien deutet darauf hin, dass ein miniaturisiertes Gerät, das für die Implantation geeignet ist, realisierbar sein könnte.

Eine von der UCSF geleitete Bemühung, eine implantierbare künstliche Niere für Dialysepatienten zu entwickeln, wurde als eines der ersten Projekte ausgewählt, die von der Food and Drug Administration (FDA) einer schnelleren und kooperativen Prüfung unterzogen werden sollen.

Die FDA gab am 9. April 2012 bekannt, dass sie drei Nierengeräteprojekte ausgewählt hat, um ein Zulassungsprogramm namens Innovation Pathway 2.

Das Projekt der künstlichen Niere, das 2017 in die klinische Erprobung gehen soll, wurde aufgrund seines transformativen Potenzials für die Behandlung von Nierenerkrankungen im Endstadium und seines Potenzials, von einer frühen Interaktion mit der FDA im Zulassungsprozess zu profitieren, ausgewählt.

Die Bemühungen der FDA beinhalten einen engen Kontakt zwischen der Bundesbehörde und den Geräteentwicklern zu einem frühen Zeitpunkt im Entwicklungsprozess, um potenzielle wissenschaftliche und regulatorische Hürden zu identifizieren und zu adressieren und eine Roadmap für die Projektzulassung zu erstellen. Ziel ist es, die Erfolgschancen der Projekte zu verbessern und gleichzeitig den Zeit- und Kostenaufwand für die Prüfung durch die FDA zu reduzieren und die Sicherheit zu gewährleisten. Die Lehren, so die Behörde, werden in die Zulassungen in anderen Bereichen einfließen.

Das Kidney Project ist eine nationale Forschungsinitiative, die sich auf die Entwicklung und Erprobung einer implantierten, freistehenden bioartifiziellen Niere konzentriert. Das Kidney Project erhielt sechs Millionen Dollar an staatlichen Zuschüssen.