范德堡大学医学中心肾病专家兼医学副教授Dr. William H. Fissell IV,在首个可以让肾病患者免除透析治疗的人工肾装置研究中取得了巨大进展。他利用微芯片过滤器和由病人的心脏提供动力的肾脏活细胞建立一种植入性人工肾。

“我们正在创造一种跟天然肾脏一样能够清除体内废物、盐分和水分的生物混杂装置,让病人免于透析治疗,”Fissell说道。

Fissell说这个项目的目标是尽量微型化这个装置,让它大概跟苏打水罐子一样大,才能植入病人体内。

纳米技术

这个装置的关键是微芯片。

“它使用了硅纳米技术。它的流程与微电子产业研发电脑芯片的流程一样,”Fissell说道。

芯片价格实惠、精巧,能够做出理想的过滤器。Fissell及其团队根据孔径的期望功能,正逐个设计过滤器的每个孔径。通过层层叠加,每个装置大概能安装15个微芯片。

但是除了过滤外,微芯片还有一个关键作用。

“它们也是肾脏活细胞耐以生存的地方,”Fissell说道。

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Fissell人工肾装置内部使用的微芯片过滤器(范德堡大学)

肾脏活细胞

Fissell及其团队使用能够在微芯片过滤器上面和周围生长的肾脏活细胞,目的是让这些细胞模仿真实肾脏的自然活性。

“我们可以利用大自然6千万年的研发成果,利用能在实验室培养皿中完好生长的肾脏细胞,将它们培养成活细胞反应器,做出世界上唯一一个能够区分化学物质好坏的细胞膜。它们可以重新吸收身体所需的营养物质,排出身体拼命想丢弃的废物,”Fissell说道。

避免器官排斥

因为这个生物混杂装置不受身体免疫系统影响,所以不会出现器官排斥。

“不会出现器官移植中的那种免疫顺从或匹配问题,”Fissell说道。

装置如何工作

装置与病人的血流一起自然运行。

“我们的挑战在于如何从血管中抽出血液并推进装置中。我们必须改变动脉中不稳定的脉动血流,让它穿过人工装置,同时不能产生血凝或损害。”

流体动力学

这正是范德堡大学生物医学工程师Amanda Buck加入这个项目的原因。Buck利用流体动力学查看装置中是否存在某些区域可能引起血液凝块。

“加入这个项目,从事自己喜爱的流体力学工作,看到它能帮助别人,是一件很开心的事情,”Buck说道。

她利用电脑模型来改善通道形状,保证血流畅通无阻。然后他们利用3D打印技术快速做成原型模式,并进行测试,保证血流尽可能顺畅。

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范德堡大学生物医学工程师Amanda Buck正在利用流体动力学查看装置中是否存在某些区域可能引起血液凝块。

未来人体试验

Fissell说他有很多透析病人非常想加入未来的人体试验。硅过滤器的试验研究能够在2017年底开始在病人身上做试验。

“我的病人绝对是我心中的英雄,”Fissell说道。“他们一次又一次回来,接受病痛的巨大压力,是因为他们想要活下去。他们为了其他病人愿意承担所有风险。”

政府投资

国立卫生研究院(NIH)给了Fissell和他的研究伙伴Shuvo Roy(就职于旧金山加州大学)一笔为期4年、价值600万美元的拨款。他们一起研究这个项目很久了。早在2003年,肾项目收到了NIH提供的资金,2012年,食品和药物管理局将这个研究列为快速审批项目。这个工作得到了NIH拨款1U01EB021214-01的支持。

根据国家肾脏基金会的报告,2012年,联邦医疗保险项目支付870亿美元来帮助肾病患者(不包括处方药)。

极度需求

肾脏移植是治疗肾衰竭的最佳治疗方法,但肾脏供不应求。根据美国器官供应移植网数据显示,美国有超过10万病人在等待肾脏移植,但去年只有17,108得到了肾脏捐赠。

国家肾脏基金会指出,一共有46万多美国人患有终末期肾脏疾病,每天有13人在等待肾移植中死去。