Φορητός Τεχνητός Νεφρός: το μέλλον στην εξωνεφρική κάθαρση ή ουτοπικό όνειρο;

Η αιμοκάθαρση (ΑΜΚ/HD) χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Wilhem Kolff για τη θεραπεία ασθενών με οξεία νεφρική βλάβη κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου. Στη δεκαετία του 1960, μετά την πρόοδο στην αγγειακή πρόσβαση, τις συσκευές αιμοκάθαρσης και τον σχεδιασμό μηχανών αιμοκάθαρσης, άρχισε να γίνεται διαθέσιμη ως θεραπεία για ασθενείς με  χρόνια νεφρική νόσο (ΧΝΝ). Οι πολλοί περιορισμοί στον τρόπο ζωής των ασθενών εκείνη την εποχή (διατροφή και υγρά), οδήγησαν σε έρευνα για την ανάπτυξη φορητών και “φορετών” συσκευών HD, ωστόσο η διαθέσιμη τεχνολογία εκείνη την εποχή περιόριζε την ανάπτυξη.

Βασιλική Ζώη, RN, MSc, DipEd, PhD(c)
EDTNA/ERCA Executive Committee Member, Μονάδα Τεχνητού Νεφρού, Π.Γ.Ν. ΑΤΤΙΚΟΝ

Γιατί να αναπτυχθεί μια φορητή συσκευή αιμοκάθαρσης;

Υπάρχουν 4 εκατομμύρια ασθενείς με Χρόνια Νεφρική Νόσο Τελικού Σταδίου (ESRD) παγκοσμίως. Οι τρέχουσες μέθοδοι θεραπείας αναγκάζουν τους ασθενείς να προσαρμόσουν τον τρόπο ζωής τους στο θεραπευτικό σχήμα της ΑΜΚ. Υπολογίζεται, ότι 83.000$ είναι η μέση δαπάνη αιμοκάθαρσης ανά ασθενή ανά έτος στις ΗΠΑ, ενώ 85 δισεκατομμύρια δολάρια δαπανήθηκαν για αιμοκάθαρση παγκοσμίως. Οι τρέχουσες λύσεις, συνεπώς  επιβάλλουν βαρύ κόστος σε ασθενείς, πληρωτές και παρόχους.

Η αιμοκάθαρση κατ’ οικον ( Home HD) προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με την αιμοκάθαρση, δεδομένου ότι εάν οι ασθενείς δεν υποβληθούν σε αιμοκάθαρση κατά τη διάρκεια της νύχτας, εξακολουθούν να χάνουν δυνητικά παραγωγικό χρόνο. Μια φορητή συσκευή θα μπορούσε ενδεχομένως να παρέχει στους ασθενείς την ελευθερία:

•  να εργάζονται και να εκτελούν τις καθημερινές τους δραστηριότητες κατά τη διάρκεια της αιμοκάθαρσης
• για περισσότερες διατροφικές επιλογές

Θα μπορούσε να υποστηριχθεί ότι μια φορητή συσκευή αιμοκάθαρσης με τη μορφή περιτοναϊκής κάθαρσης (ΠΚ/PD) έχει ήδη αναπτυχθεί, ωστόσο, οι ασθενείς, είτε πρέπει να εκτελούν τρεις έως τέσσερις αλλαγές την ημέρα, είτε να συνδεθούν σε έναν αυτοματοποιημένο σύστημα κατά τη διάρκεια της νύχτας (μεταφερόμενο, αλλά απαιτεί παροχή ηλεκτρικού ρεύματος).

Επιπρόσθετα, οι υψηλού όγκου θεραπείες αιμοδιαδιήθησης (HDF), συγκρίθηκαν με την τυπική HD και τα αποτελέσματα φαίνεται να υποδεικνύουν όφελος, όσον αφορά τα αποτελέσματα στην κλινική εικόνα και την επιβίωση των ασθενών. Ο συνδυασμός συχνότερων συνεδριών αιμοκάθαρσης και αιμοδιαδιήθησης [5× εβδομάδα προαραίωσης ροής 18–27 l/m² επιφάνειας σώματος (BSA)] έδειξε όχι μόνο εξαιρετικά βιοχημικά αποτελέσματα, αλλά και εξαιρετικά σημαντική ανάπτυξη. Μια φορητή συσκευή αιμοκάθαρσης θα μπορούσε δυνητικά να είναι μια λύση σε αυτό το παράδοξο συνδυάζοντας μεγαλύτερους χρόνους θεραπείας, επιτρέποντας στους ασθενείς μεγαλύτερη ελευθερία

Η νέα γενιά φορητών συσκευών αιμοκάθαρσης

Η τρέχουσα γενιά φορητών συσκευών αιμοκάθαρσης έπρεπε να ξεπεράσει δύο σημαντικά βασικά προβλήματα σχεδιασμού: πρώτον, να λειτουργήσει χρησιμοποιώντας ισχυρές, μικρές, ελαφριές αντλίες με μπαταρία και, δεύτερον, να αποφύγει την εξάρτηση από φρέσκο ​​προϊόν αιμοκάθαρσης

Οι δημιουργοί του φορέσιμου τεχνητού νεφρού Vicenza (ViWAK) πρότειναν τη χρήση ενός τυπικού φρέσκου προϊόντος διάλυσης με βάση τη γλυκόζη, το οποίο έπρεπε να ενσταλάσσεται κάθε πρωί, να αφήνεται να παραμείνει για 2 ώρες και στη συνέχεια να ανακυκλώνεται συνεχώς μέσω ενός καθετήρα PD διπλού αυλού. Τα απόβλητα του διηθήματος θα αντλούνταν πρώτα μέσω ενός φίλτρου, για την απομάκρυνση των πρωτεϊνών και στη συνέχεια μέσω μιας σειράς φίλτρων, ακολουθούμενα από έναν θάλαμο απαέρωσης, πριν επιστρέψουν στον ασθενή. Το βράδυ, ο ασθενής αποστράγγιζε το προϊόν διάλυσης και ενστάλαζε ένα φρέσκο ​​σάκο 7,5 % εικοδεξτρίνης για να βοηθήσει την κάθαρση της διαλυμένης ουσίας και τον έλεγχο του όγκου. Ένα τέτοιο σύστημα όπως περιγράφεται θα απαιτούσε από τον ασθενή να πραγματοποιεί δύο τυπικές ανταλλαγές PD την ημέρα

Οι David Lee και Marty Roberts εργάστηκαν για πολλά χρόνια για την ανάπτυξη μιας φορητής συσκευής συνεχούς περιτοναϊκής κάθαρσης. Η τρέχουσα έκδοσή τους, ο αυτοματοποιημένος φορητός τεχνητός νεφρός (AWAK) βασίζεται στην αναγέννηση των χρησιμοποιημένων λυμάτων PD. Το AWAK χρησιμοποιεί έναν τυπικό καθετήρα PD ενός αυλού, οπότε το περιτοναϊκό διήθημα, είτε ρέει μέσα, είτε έξω από τον ασθενή και ως εκ τούτου πρέπει να υπάρχει ένας θάλαμος για την αποθήκευση του περιτοναϊκού διηθήματος. Η συσκευή AWAK αποτελείται από δύο μονάδες, η μία σχεδιασμένη για αλλαγή σε καθημερινή βάση και η άλλη για μηνιαία αλλαγή. 

Φορητές συσκευές υπερδιήθησης και αιμοδιήθησης (wearable haemofiltration device)

Η αιμοδιήθηση προκειμένου  να παρέχει αποτελεσματική κάθαρση, απαιτεί μεγάλους όγκους υπερδιήθησης, με την αντίστοιχη επιστροφή μεγάλων όγκων ενός υγρού αντικατάστασης. Αυτές οι τεχνικές δυσκολίες οδήγησαν στην εγκατάλειψη της πρώτης γενιάς φορητών συσκευών αιμοδιήθησης ή είχαν ως αποτέλεσμα οι συσκευές να περιορίζονται στην παροχή υπερδιήθησης χαμηλού όγκου για τη θεραπεία της ανθεκτικής καρδιακής ανεπάρκειας, παρά για τη θεραπεία της νεφρικής νόσου τελικού σταδίου. Πιο πρόσφατα, αναπτύχθηκε ένας νέος σχεδιασμός, που βασίζεται στη διέλευση ενός υπερδιηθήματος πλάσματος μέσω ενός προσροφητικού φίλτρου νανοάργιλου με βάση το πυρίτιο, με την πλειονότητα του υπερδιηθήματος πλάσματος να επιστρέφει στον ασθενή, αλλά μερικά να αποβάλλονται κιόλας για τον έλεγχο της ισορροπίας των υγρών.

Μέχρι στιγμής, οι κλινικές δοκιμές αυτού του πρωτοτύπου έχουν περιοριστεί σε μελέτες μεγάλων ζώων με κατσίκες. Αναμφισβήτητα απαιτείται περισσότερη δουλειά για τη βελτίωση αυτού του σχεδιασμού και για τον προσδιορισμό της χωρητικότητας των φίλτρων νανοάργιλου με βάση το πυρίτιο.

Φορέσιμες συσκευές HD (wearable arificial kidney WAK)

Η έλευση των τεχνικών κατασκευής νανοτεχνολογίας σε συνδυασμό με τη σμίκρυνση και την τεχνολογία υπολογιστών, επέτρεψε την ανάπτυξη πειραματικών φορητών συσκευών. Τα τρέχοντα σχέδια βασίζονται στην ιδέα της άντλησης αίματος και του προϊόντος διύλισης σε κατεύθυνση αντίθετου ρεύματος από τον ασθενή, μέσω ενός τυπικού συσκευής διάλυσης υψηλής ροής. Μια ενιαία αντλία μεταφοράς με μπαταρία διπλού θαλάμου σχεδιάστηκε για να μειώσει τις απαιτήσεις βάρους και ισχύος, εντούτοις το κύριο μειονέκτημα μιας φορητής συσκευής HD είναι ότι υπάρχει κίνδυνος θρόμβωσης στο εξωσωματικό κύκλωμα.

Κατά συνέπεια, τέτοια μελλοντικά σχέδια φορητών συσκευών HD μπορεί να απαιτούν εναλλακτικές αντιπηκτικές στρατηγικές, όπως από του στόματος αναστολείς αντιθρομβίνης ή αντι-παράγοντα Xa.

Χαρακτηριστικά:

• <2 kg
•  εξαιρετικά φορητό 
•  APD εν κινήσει
•  παλιρροϊκό πρωτόκολλο 
•  bedside| περιπατητικό | φορετό
•  απαιτούνται μόνο 2Lt διάλυμα PD την ημέρα
•  διάρκεια 6-8 ωρών
• παρέχει 12-16 L συνολικής ροής του διηθήματος
•  συναγερμοί για την ασφάλεια των ασθενών
•  σχεδιασμένο για απλότητα και ευκολία 

Εμφυτεύσιμες συσκευές HD (Implantamble Artificial Kidney)

Mία εμφυτεύσιμη συσκευή θα μπορούσε δυνητικά να διατεθεί σε όλους τους ασθενείς που υποβάλλονται σε αιμοκάθαρση. Οποιαδήποτε εμφυτεύσιμη συσκευή, όμως,  όχι μόνο πρέπει να έχει ελάχιστους κινδύνους κατά την εισαγωγή, αλλά πρέπει επίσης να λειτουργεί αποτελεσματικά και να μην αποτυγχάνει πρόωρα. Επί του παρόντος δεν υπάρχουν εμφυτεύσιμες συσκευές, που να υποβάλλονται σε δοκιμές σε ανθρώπους, αλλά η έρευνα βρίσκεται σε εξέλιξη για να ξεπεραστούν τα τρία κύρια εμπόδια που αντιμετωπίζει μια εμφυτεύσιμη συσκευή αιμοκάθαρσης

Εμπόδια:

•  η εμφύτευση μιας συσκευής μεταξύ των λαγόνιων αρτηριών και φλεβών έχει το πλεονέκτημα ότι δεν απαιτεί αντλία αίματος. Αν και τα αρτηριακά μοσχεύματα ήταν μεγάλη επιτυχία στη θεραπεία ασθενών με αρτηριακή αγγειακή νόσο, τα αρτηριοφλεβικά μοσχεύματα δεν ήταν τόσο επιτυχημένα για πρόσβαση HD λόγω αυξημένου κινδύνου θρόμβωσης του μοσχεύματος
• στον υγιή νεφρό, αν και μεγάλος όγκος υπερδιηθήματος παράγεται από το σπείραμα, υπάρχει τότε ένα εξαιρετικά εξειδικευμένο νεφρικό σωληνάριο σχεδιασμένο να επαναρροφεί επιλεκτικά το μεγαλύτερο μέρος του σπειραματικού διηθήματος. Έτσι, παρόλο που η τεχνολογία σχεδιασμού θα μπορούσε να καταλήξει σε ένα ισοδύναμο σχέδιο τεχνητού σπειράματος, η αναζήτηση εξακολουθεί να είναι σε εξέλιξη για ένα ισοδύναμο του ανθρώπινου νεφρικού σωληνίσκου
• το σύστημα νερού αντίστροφης όσμωσης χρησιμοποιεί μια μεμβράνη για να διαχωρίζει το οικιακό νερό της βρύσης σε απόβλητα και μια πολύ μικρότερη ποσότητα νερού για αιμοκάθαρση. Αυτή η αρχή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία του μεγάλου όγκου του διηθήματος, δηλ. για τη μείωση του όγκου, αλλά δεν θα παρείχε την εξαιρετικά εκλεκτική ικανότητα που παρέχεται από το νεφρικό σωληνάριο, ως προς το ποιες διαλυμένες ουσίες θα διατηρηθούν και ποιες θα απορριφθούν

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα αυτοματοποιημένου φορητού τεχνητού νεφρού AWAK, φορέσιμου WAK  και εμφυτεύσιμου IAK

Συμπεράσματα

Η ιδέα των φορητών και φορητών συσκευών αιμοκάθαρσης χρονολογείται από τις μέρες της πρωτοπορίας της δεκαετίας του 1970. Μόλις πρόσφατα με τις πιο πρόσφατες προόδους στις διαδικασίες παραγωγής νανοτεχνολογίας, τη σμίκρυνση και την τεχνολογία υπολογιστών κατέστη δυνατή η ανάπτυξη ενός αριθμού φορητών και φορετών συσκευών που βασίζονται σε περιτοναϊκή κάθαρση, αιμοδιαδιήθηση και κλασική αιμοκάθαρση.

Προσβλέπουμε στην ανάπτυξη μιας νεότερης γενιάς συσκευών αιμοκάθαρσης που θα μπορούσαν ενδεχομένως να βελτιώσουν σημαντικά την ποιότητα ζωής του ασθενούς με ΧΝΝ, πάντα με γνώμονα την αξιοπιστία, την ασφάλεια και αποτελεσματικότητα της συσκευής.

Βιβλιογραφία

1. Megha Salani et al. Innovations in Wearable and Implantable Artificial Kidneys, Am J Kidney Dis. 2018 Nov;72(5):745-751. doi: 10.1053/j.ajkd.2018.06.005. 
2. Biao Huang et al. Approaches to kidney replacement therapies-opportunities and challenges, Front Cell Dev Biol. 2022 Jul 22;10:953408. doi: 10.3389/fcell.2022.953408.
3. C Ronco et al.The future of the artificial kidney: moving towards wearable and miniaturized devices, Nefrologia.2011;31(1):9-16. doi: 10.3265/Nefrologia.pre2010.Nov.10758