无水人工肾

每年死于肾脏疾病的人比死于乳腺癌的人多。美国疾病控制与预防中心估计，美国有3700万人(占美国成年人的15%)患有某种形式的慢性肾病。

　　

               

博士生Anelisse Claros演示了人工肾脏原型的使用

每年死于肾脏疾病的人比死于乳腺癌的人多。美国疾病控制和预防中心估计，美国有3700万人——占美国成年人的15%——患有某种形式的慢性肾病。

在这一人群中，约有10万人将发展为终末期肾病。这一组的治疗选择——血液透析、腹膜透析或肾移植——在过去的50年里没有显著改变。根据美国疾病控制与预防中心的数据，接受透析治疗的患者平均存活时间约为7年，但大多数患者必须等待10年才能接受捐赠的肾脏。每年有10万人死于透析，许多人在等待肾脏移植。

肾脏疾病也是一个主要的公共卫生问题。美国政府在医疗保险支付上花费了1000多亿美元——几乎是医疗保险1万亿美元年度预算的10%——用于治疗肾病患者。

阿肯色大学的工程研究人员和南加州的一名肾脏医生的合作可能会改变这一切。如果成功，他们的工作将彻底改变肾脏疾病的治疗方法，并带来比透析或移植更好的治疗方法的希望。

电去离子化的力量

几年前，在阿肯色大学(University of Arkansas)工作了十年的化学工程教授Jamie Hestekin接到了南加州著名肾病学家Ira Kurtz的电话。Hestekin的研究并没有医学应用，所以这个电话是出乎意料的，有点随机。但在其他方面，这是完全有道理的。当时，Hestekin不知道Kurtz的电话会改变他的工作方向，并最终主导他的研究议程。

Hestekin专门研究一种叫做电去离子的化学过程，这就是库尔茨打电话来的原因。电去离子化主要用于水处理，通过在特殊设计的膜上施加电荷，从水中去除或分离离子(带电分子)。

在Kurtz的号召之前，Hestekin已经用这项技术从葡萄汁中去除离子，从生物燃料中去除细胞，从发酵中去除有机酸。最近，他在为水力压裂公司做咨询研究，将电去离子过程应用于从废水中去除对环境有害的颗粒。

作为加州大学洛杉矶分校健康中心的杰出医学教授和肾脏病学主任，Kurtz是人类肾脏结构生物学和生理学的主要基础研究员。他专注于在肾脏和肾外组织中运输各种离子的蛋白质。在肾脏中，离子转运体在帮助决定尿液的最终化学成分方面起着重要作用。

Hestekin强调，人体肾脏不是一个简单的过滤器。相反，它更像是一台电脑，感知我们血液中的化学成分，并使其保持不变，尽管食物和饮料会将所有化学物质引入血液。肾脏如何做到这一点是他研究的主要焦点。除了研究肾脏中的离子传输过程外，Hestekin还与美国肾脏研究公司一起研究了一个新的、激进的想法。“我一直在考虑制造一个人造肾脏，”他说。“所以，我环顾四周，看看那里有什么。有一些努力，但我可以看到他们最终不会成功。众所周知，这样的设备需要过滤血液，但与需要创造一种可以专门运输离子的设备相比，过滤的要求是小菜一碟。”

Kurtz开始探索不需要透析就能运输钠和钾等关键离子的技术。他设想的装置是可植入的，因此不能使用目前用于治疗病人的水、透析液或透析器。他最终将电去离子技术作为一种可能像人体肾脏一样传输离子的技术。在考察了全国各地有此研究背景的几位研究人员之后，Kurtz打电话给Hestekin——因为他写了一篇论文，描述了一种通过电去离子化传输单价阳离子的方法。

肾脏就像一台化学计算机

Kurtz喜欢说，肾脏比波音747还要复杂。每个肾脏的重量约为三分之一磅，位于上腹部的后部。它的微观解剖结构特别复杂，包含大约一百万个肾单位，每个肾单位都负责过滤和运输离子和其他最终进入尿液的物质。每个肾元包含一个过滤器，称为肾小球，和一个管状运输部分，该部分在解剖学和功能上进一步细分为包含不同细胞类型的约15段。肾脏也有神经、动脉和静脉血管、淋巴管，它们与肾单位一起构成一个复杂的三维结构。

他们从不停止工作。尽管人们通常一天吃三顿，喝三顿，这一过程会对血液和细胞的化学成分产生重大影响，但肾脏能识别这些变化，并分泌出准确数量的电解质、水和有机化合物，以补偿从人类饮食中吸收的通过胃肠道进入血液的物质。肾脏通过排泄尿液中的电解质、水和有机物质来防止血液化学变化。

钾是肾脏调节的许多重要电解质之一，在身体所有细胞的电学特性中起着重要作用，包括控制心率的心脏起搏器细胞。不幸的是，对于没有肾脏功能的病人来说，无论他们吃什么喝什么都会留在体内。对于这样的病人，肾病学家需要通过在透析治疗过程中人工去除必要数量的水和电解质来控制肾脏的正常功能。

公文包大小的人工肾脏

创造一个执行上述功能的人工装置是一项巨大而复杂的任务。Kurtz的电话促成了卓有成效的合作。除了Hestekin和Kurtz，该团队还包括化学工程教授、研究生院和国际教育副院长Christa Hestekin，以及美国肾脏研究公司，在认识Hestekin夫妇之前，Kurtz就与这家总部位于加州的私人公司建立了联系。美国肾脏研究公司支持这项研究，并计划以Kurtz-Hestekin-Ludlow团队最终开发的原型为基础，将世界上第一个桌面人工肾脏推向市场。

在该公司提供的400万美元资金支持下，包括Hestekin实验室学生在内的研究团队正在打造一款可以放在桌面上的原型设备。它可以在工作时使用，也可以放在床头柜上，在病人睡觉时使用。

该装置有四个基本组件来模拟单个肾元的过滤和临界离子传输功能。有一个超滤模块可以过滤血液。蛋白质和血细胞回到病人的血液中，而水、离子、尿素和一些尿毒症毒素则渗透到装置的下一个组件中。纳滤模块帮助葡萄糖返回血液，同时允许所有其他物质渗透。电去离子模块执行离子运输要求，反渗透模块浓缩合成尿液并同时控制水的排泄，确保尿液的体积与患者的饮水量大致匹配。

早期，大部分工作都集中在电去离子模块上，该模块可以选择性地从尿液中去除离子并将其返回血液。这个过程是通过在两个离子交换晶片之间插入铂多孔网来实现的，从而形成一个利用电场迫使离子通过膜的晶片。当施加电压时，网格充当电极。这使得设备内的传输室能够独立控制，从而使研究人员能够选择不同的离子并独立调整传输速率。研究人员已经成功地用几种生理上相关的离子测试了这项技术，模拟了肾脏对离子运输的特定控制。

最近，一个“偶然”的发现给了研究小组进一步兴奋的理由。用于血液透析(终末期肾病患者的主要治疗方法)的超滤膜存在问题。它们容易凝结。近年来，在开发更好的膜的过程中，生物医学研究人员把重点放在了所谓的“中间分子”上，也就是说，设计一种在分子大小和电荷方面达到最佳性能的膜，这种膜可以过滤掉尿毒症毒素，而不会失去关键的蛋白质和离子。

作为另一个项目的一部分，Jamie Hestekin和他实验室的学生们正在试验不同类型的膜，将其用作表面工程的摩擦材料。他们成功地制造了一种由纤维素制成的膜。然后，一个学生决定在血上试一试。结果令人鼓舞。

“这种膜看起来更像大自然，”Hestekin说。“它比其他任何东西都能更好地模仿肾小球和与其相连的微小纤维。这是一个偶然的发现。我们仍然不确定为什么它能更好地模仿肾小球。”

研究人员已经在动物实验中使用了纤维素膜，但它还没有作为人工肾脏装置的一部分进行测试。纤维素膜也有可能用于血液透析透析器。Hestekin说，它的过滤性能比目前使用的要好。美国肾脏研究公司已授权该膜用于此目的，并正在探索潜在的合作。

这意味着什么?

开发和销售人工肾脏可以给肾病患者更多的选择和独立性，同时有可能显著减少医疗保险支出。使用该设备的患者将不再需要每周三次去透析诊所接受治疗。因为他们的治疗可以每天在家或在办公室进行，对心血管系统的压力比每周三次的血液透析要小，所以患者的生活质量和寿命都有可能得到改善。

还有一个主要的好处——环境。每年由透析处理产生的数十亿加仑废水将不再进入水处理设施。无水人工肾脏的开发将显著减少与使用和制造水净化系统、透析液溶液和透析器相关的碳足迹。这种不用水的额外优势意味着该系统在缺水的国家将是最佳选择。

该团队还在尝试缩小部件的尺寸，以制造一种部分或完全可植入的设备，这种设备大约有两个拳头那么大。他们首先需要完成对新过滤膜的测试，并对桌面设备进行额外的改进，然后才能制作出可用于动物试验的原型。Hestekin和Kurtz估计，这将需要额外的500万美元研究资金，他们希望在大约18个月内开始对原型进行动物试验。