Implantierbare künstliche Nieren, die auf Mikrochips basieren, sehen große Fortschritte

Eine implantierbare künstliche Niere könnte die Aussichten für Menschen, deren Nieren gescheitert sind und die auf eine Dialyse angewiesen sind, oder die seltene Chance einer Transplantation verändern, um am Leben zu bleiben. Forscher, die an dem ersten Gerät arbeiten, das diesem Bedarf gerecht werden soll, hoffen, im Laufe des Jahres Pilotversuche mit Menschen durchführen zu können.
Die Forscher wollen bis Ende 2017 Pilotversuche mit dem Mikrochipfilter bei Dialysepatienten beginnen.
Bildnachweis: Vanderbilt University

Nieren sind erstaunliche Instrumente, die rund um die Uhr arbeiten, um Blut zu reinigen und Abfall zu entsorgen. Diese bohnenförmigen, faustgroßen Organe, die an jeder Seite der Wirbelsäule direkt unter dem Brustkorb sitzen, filtern täglich etwa 150 Liter Blut, um 1-2 Liter Urin zu produzieren.

Transplantation ist die beste Behandlung für Nierenversagen, aber die Nachfrage nach Organen ist im Vergleich zu Angebot enorm.

Das US Organ Organ Procurement and Transplantation Network gibt an, dass über 100.000 Patienten auf der Warteliste für eine Nierentransplantation stehen, aber letztes Jahr erhielten nur 17.108 einen.

Insgesamt schätzt die National Kidney Foundation, dass über 460.000 Amerikaner eine Nierenerkrankung im Endstadium haben, und jeden Tag sterben 13 Menschen in den USA, die auf eine Spenderniere warten. Sie sagen, der Bundes-Medicare Rechnung für die Pflege von Patienten mit Nierenerkrankungen - ohne verschreibungspflichtige Medikamente - betrug rund 87 Milliarden Dollar im Jahr 2012.

William H. Fissell IV, ein Nierenspezialist und außerordentlicher Professor für Medizin am Vanderbilt University Medical Center in Nashville, TN, und sein Team hoffen, diesem verheerenden Szenario ein Ende zu setzen, wie er erklärt:

Ziel ist es, ein Gerät herzustellen, das klein genug ist - etwa so groß wie eine Getränkedose - und so in den Körper eines Patienten passt.

Die implantierbare künstliche Niere enthält Mikrochipfilter und lebende Nierenzellen und wird vom eigenen Herzen des Patienten angetrieben.

Silizium-Nanotechnologie plus lebende Nierenzellen

Der Mikrochip verwendet die gleiche Silizium-Nanotechnologie, die die Mikroelektronikindustrie für Computer verwendet.

Prof. Fissell sagt, die Chips sind preiswert, präzise und machen ideale Filter. Jedes Gerät enthält etwa 15 Mikrochips übereinander.

Jeder Mikrochipfilter enthält Poren, von denen jede ein Gerüst für eine Membran lebender Nierenzellen, die die natürlichen Funktionen der Niere nachahmen, enthält und als Gerüst dient. Das Team entwirft den Filter eine Pore nach der anderen, um genau das zu tun, was sie tun sollen.

Prof. Fissell sagt zum Glück, dass die Zellen in der Laborschale gut wachsen. Sie können eine Membran von Nierenzellen schaffen, die herausfinden kann, welche Verbindungen im Blut als Nährstoffe resorbieren, die im Blut verbleiben und die als Abfallprodukte im Urin entsorgt werden müssen.

Auf diese Weise, sagt Prof. Fissell, "können wir 60 Millionen Jahre Forschung und Entwicklung von Mutter Natur nutzen", um einen Bioreaktor aus lebenden Zellen im Herzen der künstlichen Niere zu schaffen.

Angetrieben durch den Blutfluss des Patienten ohne Risiko von Blutgerinnseln

• Die durchschnittliche Lebenserwartung der Dialyse beträgt 5-10 Jahre
• Viele Patienten haben jedoch 20 oder sogar 30 Jahre lang gut mit Dialyse gearbeitet
• Viele Patienten können bis auf die Behandlungszeit ein normales Leben führen.

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Das Gerät benötigt keine Stromquelle, weil es die Kraft des Herzens des Patienten nutzt - den natürlichen Druck des Blutflusses in den Blutgefäßen - um das Blut durch die Filter zu drücken.

Diese Funktion stellt jedoch auch eine Herausforderung dar: Wie kann die Strömungsdynamik so eingestellt werden, dass das Blut ohne Gerinnung durch das Gerät fließt?

Dr. Amanda Buck, eine biomedizinische Ingenieurin mit Interesse an Strömungsmechanik, ist verantwortlich für diesen Teil des Projekts.

Dr. Buck verwendet Computermodelle, um die Form der Kanäle im Inneren des Geräts zu verfeinern, um einen reibungslosen Blutfluss zu erreichen. Dann erstellt das Team mit Hilfe des 3D-Drucks einen Prototyp und testet ihn, um zu sehen, wie reibungslos Blut durch ihn fließt.

Prof. Fissell sagt, da das Bio-Hybrid-Gerät außerhalb der Reichweite der Immunantwort des Körpers sein wird, ist es unwahrscheinlich, dass Abstoßung entsteht. "Es geht nicht um Immunkonformität, um Übereinstimmung, wie bei einer Organtransplantation", erklärt er.

Über ein Jahrzehnt der Forschung, die Früchte trägt

Das Nierenprojekt begann vor über einem Jahrzehnt. Im Jahr 2003 wurde das erste Stipendium von den National Institutes of Health (NIH) vergeben, und die NIH hat kürzlich Prof. Fisell und seinem Forschungspartner und langjährigen Mitarbeiter Shuvo Roy von der Universität Zürich ein vierjähriges Stipendium in Höhe von 6 Millionen US-Dollar zugesprochen Universität von Kalifornien-San Francisco.

Im Jahr 2012 bewilligte die Food and Drug Administration (FDA) das Projekt die beschleunigte Zulassung - ein Status, den die Bundesbehörde für Therapien vorbehält, die sich mit ernsten oder lebensbedrohlichen Zuständen befassen und Möglichkeiten zur Deckung bisher nicht erfüllter medizinischer Bedürfnisse aufzeigen.

Das Team hofft, bis Ende 2017 Pilotversuche mit den Siliziumfiltern durchführen zu können. Prof. Fissell sagt, dass er eine lange Liste von Patienten hat, die sich gerne beteiligen würden, und er erklärt seine Bewunderung für sie, als er zu dem Schluss kommt:

"Meine Patienten sind absolut meine Helden. Sie kommen immer wieder zurück und sie akzeptieren eine erdrückende Krankheitslast, weil sie leben wollen. Und sie sind bereit, alles für einen anderen Patienten aufs Spiel zu setzen."

Im folgenden Video, das einen Blick in die künstliche Niere wirft, erklärt Prof. Fissell, wie sie die Patienten von der Dialyse fernhalten wollen:

Inzwischen, Medizinische Nachrichten heute vor kurzem gelernt, wie - zum ersten Mal - ein 3D-Drucker geholfen, eine erwachsene Niere in ein 2-jähriges Kind zu verpflanzen.Modelle des Spenders des Spenders und des Empfängers, die auf dem 3D-Drucker erzeugt wurden, halfen Chirurgen, die hochkomplexe Operation genau zu planen, um die Risiken zu minimieren.

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