Svake godine više ljudi umire od bolesti bubrega nego od raka dojke. Centri za kontrolu i prevenciju bolesti procenjuju da 37 miliona ljudi u Sjedinjenim Državama — 15% odraslih u SAD — ima neki oblik hronične bolesti bubrega.
Od ove populacije, oko 100.000 ljudi će razviti bubrežnu bolest u završnoj fazi. Opcije lečenja za ovu grupu — hemodijaliza, peritonealna dijaliza ili transplantacija bubrega — nisu se značajno promenile u poslednjih 50 godina. Prema CDC-u, prosečno trajanje preživljavanja pacijenata na dijalizi je otprilike sedam godina, ali većina pacijenata mora da čeka 10 godina da dobiju donirani bubreg. Stotinu hiljada ljudi umire svake godine na dijalizi, mnogi čekaju na transplantaciju bubrega.
Bolest bubrega je takođe veliki javnozdravstveni problem. Vlada SAD troši više od 100 milijardi dolara na Medicare plaćanja — skoro 10% godišnjeg budžeta Medicare-a od 1 bilion dolara — za brigu o pacijentima sa oboljenjem bubrega.
Saradnja između inženjerskih istraživača na Univerzitetu u Arkanzasu i doktora bubrega u južnoj Kaliforniji mogla bi sve ovo da promeni. Ako uspe, njihov rad će revolucionisati lečenje bolesti bubrega i ponuditi nadu za nešto bolje od dijalize ili transplantacije.
Pre nekoliko godina, deceniju svoje karijere na Univerzitetu u Arkanzasu, profesor hemijskog inženjerstva Džejmi Hestekin primio je poziv od Ire Kurtza, istaknutog nefrologa iz južne Kalifornije. Hestekinovo istraživanje nije imalo medicinsku primenu, pa je poziv bio neočekivan i pomalo nasumičan. Ali na druge načine, imalo je savršenog smisla. U to vreme, Hestekin nije mogao da zna da će Kurcov poziv promeniti pravac njegovog rada i na kraju dominirati njegovom istraživačkom agendom.
Hestekin je specijalizovan za hemijski proces koji se zove elektrodeionizacija, zbog čega je Kurc zvao. Korišćena prvenstveno u tretmanu vode, elektrodeionizacija uklanja ili odvaja jone (električno nabijene molekule) iz vode primenom električnog naboja na posebno dizajnirane membrane.
Pre Kurcovog poziva, Hestekin je koristio tehnologiju za uklanjanje jona iz sokova grožđa, ćelija iz biogoriva i organskih kiselina iz fermentacije. Nedavno je radio konsultantska istraživanja za kompanije za fraking, primenjujući proces elektrodejonizacije za uklanjanje po životnu sredinu opasnih čestica iz otpadnih voda.
Kao uvaženi profesor medicine i šef nefrologije na UCLA Health, Kurtz je vodeći osnovni istraživač strukturalne biologije i fiziologije ljudskog bubrega. Fokusira se na proteine koji transportuju različite jone u bubrežna i ekstrarenalna tkiva. U bubrezima, jonski transporteri igraju važnu ulogu u određivanju konačne hemije urina.
Kurc naglašava da ljudski bubreg nije jednostavan filter. Umesto toga, više liči na kompjuter, koji oseća hemiju naše krvi i održava je konstantnom, uprkos svim hemikalijama koje hrana i piće unose u krv. Kako bubreg to postiže je glavni fokus njegovog istraživanja.
Pored proučavanja procesa transporta jona u bubrezima, Kurtz je, zajedno sa američkom korporacijom za istraživanje bubrega, istraživao novu, radikalnu ideju.
„Razmišljao sam o stvaranju veštačkog bubrega“, rekao je. „Tako da sam pogledao okolo da vidim šta je tamo. Bilo je nekoliko napora, ali sam video da na kraju neće funkcionisati. Takav uređaj je bio potreban za filtriranje krvi, kao što su svi znali, ali u poređenju sa zahtevom potreba da se napravi uređaj koji bi mogao posebno da transportuje jone, zahtev za filtraciju je bio dečija igra.“
Kurc je počeo da istražuje tehnike koje bi mogle da transportuju kritične jone, kao što su natrijum i kalijum, bez upotrebe dijalize. Uređaj koji je zamislio mogao bi da se implantira i stoga ne bi mogao da koristi vodu, dijalizat ili dijalizator, koji se trenutno koriste za lečenje pacijenata. Na kraju je došao na elektrodeionizaciju kao tehnologiju koja bi potencijalno mogla da transportuje jone poput ljudskog bubrega. Nakon što je pogledao nekoliko istraživača širom zemlje sa iskustvom u ovom procesu, Kurc je pozvao Hestekina – zbog rada koji je napisao u kojem je opisao pristup transportu monovalentnih katjona putem elektrodeionizacije.
Kurc voli da kaže da je bubreg složeniji od 747. Teži oko jedne trećine funte, svaki bubreg se nalazi prema zadnjem delu gornjeg abdomena. Njegova mikroanatomija je posebno složena, sadrži otprilike milion nefrona, od kojih je svaki odgovoran za filtriranje i transport jona i drugih supstanci koje će završiti u urinu. Svaki nefron sadrži filter, nazvan glomerul, i cevasti transportni deo koji je dalje anatomski i funkcionalno podeljen na oko 15 segmenata koji sadrže različite tipove ćelija. Bubrezi takođe imaju nerve, arterijske i venske krvne sudove i limfne organe koji su, zajedno sa nefronima, konfigurisani u složenu trodimenzionalnu strukturu.
Nikada ne prestaju da rade. Uprkos činjenici da ljudi obično jedu i piju tri puta dnevno, što je proces koji može značajno da utiče na hemiju krvi i ćelija, bubrezi prepoznaju ove promene i izlučuju tačnu količinu elektrolita, vode i organskih jedinjenja kako bi nadoknadili ono što se apsorbuje. iz ljudske ishrane u krvotok preko gastrointestinalnog trakta. Bubrezi sprečavaju promenu hemije krvi tako što izlučuju elektrolite, vodu i organske supstance u urinu.
Kalijum, jedan od mnogih važnih elektrolita koje bubrezi regulišu, igra ulogu u električnim svojstvima svih ćelija u telu, uključujući i srčane ćelije – pejsmejkere koje kontrolišu rad srca. Nažalost, kod pacijenata bez funkcije bubrega, sve što jedu i piju ostaje u njihovom telu. Kod takvih pacijenata, nefrolozi treba da kontrolišu šta bi bubrezi normalno radili veštačkim uklanjanjem neophodne količine vode i elektrolita tokom tretmana dijalizom.
Stvaranje veštačkog uređaja koji obavlja gore navedene funkcije je ogroman i složen zadatak. Kurcov poziv doveo je do plodne saradnje. Pored Hestekina i Kurca, tim takođe uključuje Christa Hestekin, profesorku hemijskog inženjerstva i pomoćnicu dekana Fakulteta za postdiplomske studije i međunarodno obrazovanje, i US Kidnei Research Corporation, čiji je osnivač/izvršni direktor Roland Ludlov. Kurtz je uspostavio veze sa ovom privatnom kompanijom sa sedištem u Kaliforniji pre nego što je upoznao Hestekinove. Američka korporacija za istraživanje bubrega podržava istraživanje i planira da plasira na tržište prvi stoni veštački bubreg na svetu, zasnovan na prototipu koji će na kraju razviti tim Kurtz-Hestekin-Ludlov.
Uz 4 miliona dolara finansiranja kompanije, istraživački tim, uključujući studente u laboratoriji Hestekin, pravi prototip uređaja koji stane na desktop. Može se koristiti na poslu ili staviti na noćni stočić i koristiti dok pacijent spava.
Uređaj ima četiri osnovne komponente koje simuliraju filtriranje i kritične funkcije transporta jona pojedinačnog nefrona. Postoji ultrafiltracijski modul koji filtrira krv. Proteini i krvne ćelije se vraćaju u krv pacijenta, dok voda, joni, urea i neki uremični toksini prodiru do sledeće komponente u uređaju. Modul za nanofiltraciju pomaže da se glukoza vrati u krv, dok omogućava prožimanje svih drugih supstanci. Moduli za elektrodejonizaciju ispunjavaju zahteve za transport jona, a modul reverzne osmoze koncentriše sintetički urin i istovremeno kontroliše izlučivanje vode, obezbeđujući da zapremina urina približno odgovara pacijentovom unosu vode.
U početku se većina rada fokusirala na modul za elektrodeionizaciju, koji selektivno uklanja jone iz urina i vraća ih u krv. Ovaj proces je postignut umetanjem platinastih poroznih mreža između dve pločice za jonsku izmjenu kako bi se stvorila jedna pločica koja koristi električno polje za prisiljavanje jona kroz membrane. Mrežice služe kao elektrode kada se primenjuje napon. Ovo omogućava nezavisnu kontrolu transportnih komora unutar uređaja, što zauzvrat omogućava istraživačima da izaberu različite jone i nezavisno podese brzinu transporta. Istraživači su uspešno testirali ovu tehnologiju sa nekoliko fiziološki relevantnih jona, oponašajući specifičnu kontrolu transporta jona putem bubrega.
Nedavno, „slučajno“ otkriće dalo je istraživačkom timu dodatni razlog za uzbuđenje. Ultrafiltracione membrane koje se koriste u hemodijalizi, primarnom lečenju ljudi sa završnom stadijumom bolesti bubrega, imaju problema. Oni imaju tendenciju zgrušavanja. Poslednjih godina, u nastojanju da razviju bolju membranu, biomedicinski istraživači su se fokusirali na takozvani „srednji molekul“, odnosno dizajn membrane koja postiže optimalne performanse u smislu veličine molekula i električnog naboja, one koja filtrira. izbaci uremične toksine bez gubitka kritičnih proteina i jona.
Kao deo drugog projekta, Džejmi Hestekin i studenti u njegovoj laboratoriji su eksperimentisali sa različitim tipovima membrana koje su koristili kao materijal za trenje za površinsko inženjerstvo. Imali su uspeha sa membranom od celuloze. Onda je jedan student odlučio da ga isproba na krvi. Rezultati su bili ohrabrujući.
„Ova membrana više liči na prirodu“, kaže Džejmi Hestekin. „Ona oponaša glomerul i sitna vlakna povezana sa njim bolje od bilo čega tamo. Ovo je bilo slučajno otkriće. Još uvek nismo sigurni zašto bolje oponaša glomerul.“
Istraživači su koristili celuloznu membranu u studijama na životinjama, ali ona još nije testirana kao deo uređaja za veštački bubreg. Celulozna membrana bi se potencijalno mogla koristiti i u dijalizatorima za hemodijalizu. Njegove performanse filtriranja su superiornije od onih koje se trenutno koriste, kaže Hestekin. Američka korporacija za istraživanje bubrega licencirala je membranu za ovu svrhu i istražuje potencijalnu saradnju.
Razvoj i marketing veštačkog bubrega mogao bi pacijentima sa bubrežnom bolešću dati više mogućnosti i nezavisnosti, uz potencijalno značajno smanjenje troškova Medicare-a. Pacijenti koji koriste uređaj više ne bi morali da idu u kliniku za dijalizu tri puta nedeljno radi lečenja. Pošto bi se njihov tretman obavljao svakodnevno kod kuće ili u kancelariji, sa manje stresa na kardiovaskularni sistem nego tri puta nedeljno na hemodijalizi, verovatno bi došlo do poboljšanja i kvaliteta života i životnog veka pacijenata.
Postoji još jedna velika prednost — životna sredina. Milijarde galona otpadnih voda koje se godišnje proizvode tretmanima dijalizom više ne bi ulazile u postrojenja za prečišćavanje vode. Razvoj veštačkog bubrega bez vode bi značajno smanjio ugljenični otisak povezan sa upotrebom i proizvodnjom sistema za prečišćavanje vode, rastvora za dijalizate i dijalizatora. Ova dodatna prednost nekorišćenja vode znači da bi sistem bio optimalan u zemljama u kojima je vode malo.
Tim takođe pokušava da smanji komponente kako bi napravio delimično ili potpuno implantabilni uređaj, koji bi bio veličine dve pesnice. Prvo treba da završe testiranje nove filtracione membrane i da naprave dodatna poboljšanja na stolnom uređaju pre nego što naprave protip koji se može koristiti u ispitivanjima na životinjama. Hestekins i Kurtz procenjuju da će za ovo biti potrebno dodatnih 5 miliona dolara u finansiranju istraživanja, i nadaju se da će započeti ispitivanja na životinjama za prototip za oko 18 meseci.
