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「可穿戴人工肾」发展如何?

 limingxin1969 2021-03-15

近年来,进行透析治疗的患者数量不断增多,给各国的医疗保健系统带来沉重负担。

血液透析主要在医疗机构的血液净化中心进行,每周透析 2-3 次,每次耗时 4 小时,治疗过程需要消耗电力和水,还会产生大量医疗废物;腹膜透析虽可居家进行,但也需使用大量腹膜透析液,治疗过程中也会限制患者活动;可以说当前的两种透析治疗模式均给患者带来诸多不便,影响生活质量。

因此,可穿戴人工肾作为未来透析方式的方向之一,受到诸多终末期肾病患者的期待;其实早在上世纪 70 年代就已有关于穿戴式透析机的研究,发展至今,该技术到了什么程度呢?

可穿戴血液透析设备

2005 年人们在动物模型中完成了第一个关于可穿戴人工肾的安全性和有效性的研究;2016 年,美国著名肾脏病专家 Victor Gura 等人发表题为《A wearable artificial kidney for patients with end-stage renal disease》的文章,详细介绍了他们的团队进行的一项可穿戴人工肾的人体试验。

他们应用一种基于透析液再生吸附剂技术的小型可穿戴血液透析机(重 4.5 kg),测试设备在连续 24 小时内实现溶质清除,电解质浓度变化等方面的安全性和有效性。

共有 7 名患者进行了该临床试验,平均年龄为 49 岁(27-73 岁),其中 4 名是女性,3 名患有糖尿病,3 名患有合并性充血性心力衰竭。

研究入组前维持性血液透析的平均持续时间为 15 个月,平均体重指数为 24。在 24 小时治疗期间,血清电解质的平均浓度保持稳定,在 24 小时治疗时间内,尿素氮和 β2-微球蛋白的加权平均浓度明显低于过去 48 小时常规血液透析治疗时的浓度。

在超滤方面,在完成计划的 24 小时治疗期的 5 名受试者中,平均 24 小时超滤量为 1,002±380 ml。超滤已按预期完成,研究期间规定的超滤与已实现的超滤之间的平均差为 3±15 ml。平均收缩压从基线时的 140±23 mmHg 下降到治疗结束时的 127±6 mmHg,这种变化没有统计学意义。治疗期间,没有观察到收缩压小于 100 mmHg 的受试者,只有 1 个收缩压小于 120 mmHg 的受试者。

在 7 名受试者中的 6 名中,未观察到明显的凝血,所有受试者中平均 24 小时普通肝素给药为 956±218 单位。在 1 名受试者中,由于走动后血液回路的凝结,在 4 小时后中止了治疗。在第二位受试者中,由于观察到透析液粉红色变色,因此在 10 小时后中断了治疗。

除了上诉不良反应以外,实验中还发现了一些其他的技术缺陷,例如透析液中的氨浓度升高、电池故障、血液回路中出现气泡、透析液回路中二氧化碳积聚,管路扭结及透析液和血液流速波动 ( 考虑与泵的不稳定性相关) 。

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图片 1:血液和透析液回路的详细流程示意图

2018 年 Victor Gura 在年度透析会议上曾报告过该设备的升级款(第三代产品),新的设备更轻只有 2 磅(0.91 kg),也没有二氧化碳气泡堵塞透析管,透析效果更好,患者的肌酐清除率可达到 30 ml/min,在报告的最后 Gura 教授说到 「我们已经从事该工作 17 年,我想我们已胜利在望」

另一个方向:可穿戴腹透透析设备

2018 年 10 月,世界首个可穿戴、便携式的新型腹膜透析装置,成功的在新加坡中央医院进行了首次人体试验。该设备由一家名为 AWAK 的科技公司研制,它体积小巧、重量不到 2 公斤,能够给患者随身携带,随意走动,进行实时透析。

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他们利用专利吸附剂技术将用过的透析液再生并重组为新鲜液,同时从用过的透析液中去除尿毒症毒素。AWAK 腹膜透析设备只需要 1.5 到 2 升的透析液来执行患者的整个日常治疗。

试验在新加坡综合医院的 14 名腹膜透析患者进行,试验连续 3 天,患者平均每天进行超过 10.5 小时的治疗,尿素、肌酐和磷酸盐的血浆浓度分别从 20.8 下降到 14.9 mmol/L(p = 0.001)、976 下降到 668μmol/L(p = 0.001)和 1.7 下降到 1.5 mmol/L(p = 0.03)。每周腹膜 Kt/Vurea>1.7,这也是国际腹膜透析学会指南推荐的无尿病人的最小 Kt/Vurea。

试验没有发生严重的不良反应,部分患者表现出短暂的腹部不适,在透析液引流或排便后也自行缓解。试验过程中患者的血钾、钠、碳酸氢盐浓度稳定,但并未报到血氨情况。

2019 年,FDA 给予了这项新技术高度认可,宣布 AWAK 腹膜透析设备获得突破性设备称号,根据 FDA 的规定,要想授权突破性设备,必须是挽救人类危重疾病的重大突破。能够获得 FDA 授权突破性设备,意味着会加快这类设备的开发和审查。

可穿戴设备之外

可穿戴设备需要管路与人体进行连接才开进行肾脏替代治疗,这就存在管路断开和接触性感染的问题,于是,也有研究者开始尝试将模拟肾脏功能的装置植入体内。

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2016 年报道的一项动物实验,利用硅纳米技术,以动脉压差为动力,仅以阿司匹林作为抗凝剂,装置与主动脉和腔静脉相连后 5 天,收集袋中可见黄色无血超滤液。但该装置仅模拟了肾脏过滤功能,并未解决重吸收功能;血栓、生物相容性等问题也是该项技术需要克服的诸多难点。此外,还有利用干细胞技术分化出类肾脏器官、利用细胞重编程技术修复受损肾脏等研究也还都有许多问题需要突破。

从可行性上来说,可穿戴人工肾可能是突破现有透析方式的方案之一,但有实际临床价值的可穿戴的人工肾设备也必须满足苛刻的技术性能和临床标准。

2020 年 Nature Reviews Nephrology 杂志的评论文章认为,当前限制可穿戴人工肾的最大障碍是缺乏在不大量使用透析液的前提下有效清除毒素的解决方案,以及其他诸如不能持续进行肝素化,血管通路断开时失血等问题,但文中也承认「Despite these obstacles, momentum is steadily growing to support  contemporary efforts to emulate, in a wearable format, the superb efficiency of the healthy kidney」。

策划 | 静姝
投稿 | 503356829@qq.com

参考文献:

1.Gura V, Rivara MB, Bieber S, et al. A wearable artificial kidney for patients with end-stage renal disease. JCI Insight.2016;1(8):e86397

2. A automated wearable artificial kidney (AWAK). [ONLINE]. Retrieved from:/product/ , Accessed date: 30 December 2018.

3. H. Htay, S. Gow, M. Jayaballa, E. Oei, S.N.H. Jamaluddin, J. Lim, M. Foo,Evaluation of Safety of Automated Wearable Artificial Kidney (AWAK) Device in PD Patients [poster], ISN WCN19-0817 Melbourne, Australia, 2019.

4.A, Maaike K. Van Gelder , et al. Urea removal strategies for dialysate regeneration in a wearable artificial kidney[J]. Biomaterials, 234.

5.Himmelfarb J , Ratner B . Wearable artificial kidney: problems, progress and prospects[J]. Nature Reviews Nephrology, 2020, 16(10):1-2.

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