人工肾

人工肾（英语：artificial kidney）经常作为血液透析的同义词，但更广义而言，也可以指已经投入使用和/或正在研究中的肾脏替代疗法（不包括肾移植）。本文涉及由肾细胞/肾组织培养的生物改造肾脏/生物人工肾脏。肾是位于人体腹腔后面的一对重要器官，大约位于胸腔底部，对应于脊椎T12-L3段。它们具有十多个生理功能，也较容易受损。这些功能包括：过滤和排出代谢废物；调节人体必需的电解质和体液；刺激红血球产生 。肾脏每天过滤120-150夸脱血液，约产生1-2夸脱尿液，尿液由废物和其他液体组成。肾衰竭导致体内慢慢累积氮废物、盐、水，破坏人体正常的酸碱平衡。这个衰竭过程通常历时较久，在这个过程中，当病人肾功能衰退到一定程度，通常就发展成末期肾脏病（ESRD，又称为5级或6级肾病，级别划分取决于是否使用透析治疗或肾脏替代治疗）。在肾脏开始罢工前检测到肾病并不常见，血压高和胃口减少是肾病的征兆。一直到第二次世界大战，肾衰竭普遍意味着死亡。在战争期间，有专家深入探究了肾功能和急性肾衰竭，其中最重要的是Bywaters和Beall在伦敦闪电战期间从自己的临床经历中得到的关于色素诱导肾病的说明。三分之一的美国成年人依靠血液透析来治疗肾衰竭。超过二千六百万的美国成年人患有肾脏疾病，但他们甚至没有意识到疾病的存在。但根据2005美国肾脏数据系统（USRDS）的数据显示，452000美国人患上末期肾病（ESKD）。来自伦敦、安大略省和多伦多的研究团队经过调查指出，将传统每周三次的透析治疗增加2-3倍可能提高临床治疗效果 。但是，每周实施6次整晚透析会击垮大多国家的现有资源。加上肾脏器官捐赠稀缺，促使学者开始研究其他的替代疗法，包括研发佩戴式或植入式设备。血液透析是出现肾衰竭时，用来去除废物的一种方法，废物包括肌酸酐、尿液、以及血液中的游离水。用于清洁病人血液的机械装置叫做渗透器，也是一种人工肾。人工肾又叫做洗肾机。现在的透析器一般由柱形钢套管中空纤维构成或由聚合物或共聚物中突出，通常具有所有权。中空纤维的结合部分一般为1-2平方米。很多团队做过大量研究，旨在优化透析器中的血液和渗透液流动，从而让废物有效地从血液转向渗透液。佩戴式人工肾是一种可佩带的洗肾机，患有末期肾病的病人可以每日甚至连续使用。直到2008年11月，佩戴式人工肾还没有广泛普及，但很多研究团队已经开始研发这种装置。现在科学家已经研发了一种可以替代衰竭肾脏的人工设备。FDA已经批准由加州比佛利山庄的血液净化技术有限公司设计的佩戴式人工肾可以在美国投入首次人体临床试验。它是一种管状结构，可以让不纯的血液穿过该装置，让内置液体净化不纯的血液，同时让副产品通过输尿管排出体外。现在还没有可行的生物改造肾。虽然有很多研究正在进行，但真正实现还存在大量阻碍。然而，制造一个像肾脏一样可以在吸收水和盐的同时过滤血液、排泄毒素的薄膜，为研发佩戴式和/或植入式人工肾提供了可能。利用微机电系统（MEMS）技术研发薄膜是制作植入性生物人工肾的关键步骤。克利夫兰医学中心勒纳研究所的生物微机电和肾纳米技术实验室致力于不断提高膜技术，旨在为末期肾病患者研发出植入性或佩戴式人工肾。现有的透析装置体积太大，需要超大生理压力才能促进血液循环，而且现有聚合物膜的孔径分布太宽，形状不规则。所以制作一种孔径密集分布的纳米硅膜能够提高膜区别过滤分子和保留分子的能力。此外，它的平均孔径接近膜的理想截断直径，因此能够增加透水性。批量制造流程可以严格控制孔径分布和孔径的几何结构。在最近的研究中，我们从不适合移植的捐赠肾脏上提取人类肾细胞，将它们置于这些细胞膜上生长。培植的细胞覆盖细胞膜，似乎保留了成人肾细胞的特点。MEMS材料上的肾细胞呈现差异生长，表明研发一种适合移植的微型设备或许具有可行性。旧金山加州大学带头开始一项研究，旨在为肾病患者制作可移植人工肾，这个项目是首批获得FDA审批和合作的肾设备项目其中之一。FDA于2012年4月9日宣布，它已经选出3个肾设备项目，开始试行一个新的获批项目，这个项目叫做Innovation Pathway 2.0，旨在更快、更有效地为病人研发出突破性医疗设备。人工肾项目的目标是2017年投入临床试用，它被选中，是因为它在治疗末期肾病方面具有革命性意义，而且它在审批环节可能得益于与FDA的早期互动。在研发过程早期，FDA将密切联系联邦政府机构和装置研发商，以找出、解决潜在的科学和管理障碍，并为项目的审批指明方向。此举旨在提高项目的整体成功率，减少FDA审查的时间和成本，并保持安全性。该机构指出，从中获得的经验教训将给其他领域的审批工作带来启发。