肾脏替代工程技术进展

肾脏替代工程技术进展

1. 用于人血浆的外入式过滤双层混合基质中空纤维膜的体外研究

血液透析主要去除分子量小的水溶性尿毒症毒素，但不能有效去除中分子和蛋白质结合的尿毒症毒素。此外，间歇性的治疗导致内环境波动，对患者健康产生不利影响。荷兰学者O E M Ter Beek等人首次提出了用于人血浆在外入式过滤（OIF）模式的混合基质膜（MMM）的开发。外入式过滤（OIF）是一种新的过滤模式：透析液流经纤维腔，血液在纤维间流动（图1）。与传统模式下的透析器（即血液流经纤维腔）相比，膜表面积显著增大，使用时间更长。在OIF模式下开发和应用双层中空纤维混合基质膜（MMM），以实现更高毒素的清除，特别是蛋白结合尿毒症毒素的去除。这种MMM结合了扩散和吸附，由内层带有活性炭（AC）颗粒的聚合物膜基质和外层纤维层上的无聚合物颗粒层组成。图2显示了MMM-OIF纤维和商用Polyflux 2H纤维横截面的SEM图像。表1列出了MMM-OIF纤维、Polyflux 2H纤维以及低通量（LF）和高通量（HF）MMM纤维的差异。研究结果表明，用于OIF的体外MMM纤维具有更高的膜超滤系数，对尿毒症毒素肌酐、蛋白质结合的马尿酸和硫酸吲哚的去除效果优于早期用于外入式过滤模式的MMM纤维和商用高通量纤维。这将为便携式或可穿戴人工肾的开发提供更灵活性的透析方案。

图1

图2

表1

文献参考：O E M Ter Beek,M K van Gelder,C Lokhorst,D H M Hazenbrink,B H Lentferink,K G F Gerritsen,D Stamatialis.In vitro study of dual layer mixed matrix hollow fiber membranes for outside-in filtration of human blood plasma.Acta Biomaterialia  , 2021,123:244-253.

2. 应用于人工肾脏尿素吸附的共价有机骨架单层的分子研究

近年来，便携式人工肾（PAK）和可穿戴式人工肾（WAK）装置经历了大量的理论和实验研究，显示了终末期肾病患者（ESRD）的治疗将可能转变为一种非常方便的方法。便携式和可穿戴透析装置一般基于通过闭环系统中的净化单元连续再生少量透析液得以实现，由于尿素的亲水性和低反应性，从透析废液中去除很困难，但透析液再生对于这个装置能否成功至关重要。在所有可用的尿素去除方法中，吸附法被认为是一种经济有效且简单的技术，许多材料被试用为尿素吸收剂，但由于各种存在的问题限制了尿素吸附剂材料的使用，因此，尿素吸附剂材料的选择至关重要。近年来，共价有机框架（COF）因具有高表面积、坚固稳定性、轻质、化学稳定性、低密度等独特的性质而受到人们的关注。伊朗学者Ahmad Miri Jahromi等人首次利用分子模拟，包括全原子（AA）、粗颗粒（CG）和密度泛函理论（DFT）作为强有力的技术，通过AA模拟研究了五种新型共价有机骨架（COF）纳米片（NSs）的尿素去除效率，包括TPA-COF、DAAQ-TFP、DAPH-TFP、Tp-PaSO3Li-COF和FOS-COF-1。AA模拟进行了吉布斯自由能、相互作用能、氢键、回转半径（Rg）、溶剂可及表面积（SASA）、吸附速率、径向分布函数（RDF）、均方根偏差（RMSD）和均方根波动（RMSF）等分析。模拟结果表明，虽然所有COF-NSs均吸附尿素分子，但TPA-COF是最适合吸附尿素分子的NSs。吉布斯自由能、能量相互作用和氢键数的结果表明，尿素分子分别与TPA-COF、DAAQ-TFP、DAPH-TFP、Tp-PaSO3Li-COF和HOS-COF-1具有最强的吸引力。在TPA-COF中观察到Rg的最大下降，表明更复杂的聚集性和致密性以及吸附过程的稳定性。此外，SASA分析和COF-NSs吸附率评估证实TPA-COF具有优越的吸附能力。关于RDF分析，对NSs周围尿素分子分布的评估表明，在TPA-COF周围产生了尿素分子最接近的聚集。最后，为了研究模拟中涉及的颗粒的波动，进行了RMSD和RMSF分析，结果表明，在TPA-COF的情况下，尿素分子发生了最稳定的吸附过程。相比之下，最差的稳定性归因于FOS-COF。此外，作者进行了一系列CG和DFT模拟，以在更大范围内捕获尿素吸附行为。在这些模拟中，考虑了用–OH官能团修饰TPA-COF纳米颗粒，结果表明，TPA-COF-OH比TPA-COF本身具有更好的尿素吸附性能。综上所述，AA分析表明TPA-COF是吸附尿素分子最有效的NS，CG分析表明TPA-COF-OH更有用。这两种吸附剂可以积极改善尿素的吸附，使PAK和WAK装置在应用于ESRD方面变得可行。

文献参考：Ahmad Miri Jahromi,Mohammad Khedri,Mehdi Ghasemi,Sina Omrani,Reza Maleki,Nima Rezaei.  Molecular insight into COF monolayers for urea sorption in artificial kidneys.scientific reports,2021,11,12085.

3. 用于腹膜透析患者的自动穿戴式人工肾（AWAK）的初步安全性研究

近年来，用于 PD 的新型小型化设备研究不断发展，通过吸附剂技术再生腹膜透析液，可以将腹膜透析液连续再生，透析液在闭环系统中连续循环进出腹膜腔。目前，尽管市场上没有商用的基于吸附剂的PD装置，但仍有一些系统正在开发中，包括Nanodiasis Inc（荷兰）的WEAKID和Triomed（瑞典隆）的CarryLife等。新加坡总医院肾内科的学者研究考察了自动穿戴式人工肾（AWAK）装置在PD患者中使用的安全性和有效性。这项试验性研究包括2016年至2018年间来自新加坡一个中心的普遍PD患者。参与者在72小时内接受多达9次AWAK治疗，并随访1个月。主要结果是使用AWAK设备后出现的严重不良事件（SAE），以及每位参与者完成九次AWAK治疗有无设备缺陷；次要结果包括每周Kt/V尿素至少达到1.7，比较AWAK治疗前后的血清小分子和中分子水平以及与使用AWAK-PD装置相关的任何不良事件。试验筛选了21名患者，15名患者被纳入研究。在研究期间和随访期间未观察到严重不良事件。常见不良事件为腹痛/不适（60%）和腹胀（47%）。每周估计腹膜Kt/V尿素的中位数为3.0（四分位间距：2.2–4.8）。研究前后血清尿素中位数（、肌酐、血磷和β2-微球蛋白均显著降低。研究前后的体重没有显著差异。这项初步研究表明，AWAK-PD装置未观察到严重不良事件；然而，60%的参与者出现腹痛不适，可能需要进一步调整设备，以改善超滤和减少不良事件。

    参考文献：Htay Htay,Sheena K Gow,Mathini Jayaballa,Elizabeth L Oei,Choong-Meng Chan,Sin-Yan Wu,Marjorie Wy Foo. Preliminary safety study of the Automated Wearable Artificial Kidney (AWAK) in Peritoneal Dialysis patients. Peritoneal Dialysis International,June 9, 2021.

4. 新水质监测技术的卫生技术评估：透析单元水质监测自动化、数字化和远程化的应用

透析用水质量是透析安全和透析质量的重要要素之一，国际和国内对其都有严格的标准（国际：ISO13500；国内YY-0572-2015）。透析单元的水质监测至关重要，需要定期监测硬度、总氯和水电导率，化学污染物，微生物细菌和内毒素等指标，但通常水质检测过程由技术操作人员（工程师）手动测量。西班牙学者Borja García-Lorenzo等人通过采用自动化、数字化和远程监控的方式对透析用水进行监测，评估其有效性、经济性和社会影响。在透析单元的透析用水方面，与传统水技术（CWT）相比，这是一种新的水技术（NWT）。研究者在巴塞罗那克莱尼克医院进行一项自身对照研究，CWT定义为1年内运行（N=313次观察/天；2018年6月-2019年5月），而NWT在定义为7个月内运行（N=183次观察/天；2019年8月-2020年2月）。对水质、资源利用和单位成本的数据进行了回顾性和前瞻性收集，对NWT和CWT之间的水质参数符合国际准则的比率进行了有效性分析，随后进行了成本最小化分析，并从医院角度分析了社会影响。结果显示与CWT相比，NWT在水质国际要求符合率（100%对100%）方面的有效性没有差异，但与CWT相比，NWT每年节省3599欧元。NWT提供了更高的数据准确性，优化了技术操作员工的工作量和工作流程。通过远程和连续监控，确保了质量控制数据和过程的可靠性。虽然与CWT相比，NWT效率较高，但仍需谨慎考虑其设备及维护成本。

参考文献：Borja García-Lorenzo,Carla Fernández-Barceló,Francisco Maduell,Laura Sampietro-Colom. Health Technology Assessment of a new water quality monitoring technology: Impact of automation, digitalization and remoteness in dialysis units.PLoS One,2021, 16 (2)  e0247450.

供稿 | 高程明

编辑 | 李畅 徐玮