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Construyendo un riñón artificial implantable
Casi 400.000 personas en los Estados Unidos, y hasta dos millones en todo el mundo, dependen de las máquinas de diálisis para filtrar las toxinas de la sangre debido a la insuficiencia renal crónica.
Bajo presión: Un riñón diseñado por bioingeniería aprovecha las membranas de silicio que permiten una filtración a muy baja presión. La membrana de esta imagen está cubierta de células renales. Los núcleos de las células se muestran en azul, sus microtúbulos en rojo y una proteína de unión llamada ZO-1 en verde.
Los pacientes deben estar atados a máquinas al menos tres veces por semana durante tres a cinco horas seguidas. Incluso entonces, una máquina de diálisis es solo un 13 por ciento más efectiva que un riñón funcional, y la tasa de supervivencia a cinco años de los pacientes en diálisis es solo del 33 al 35 por ciento. Para restaurar la salud, los pacientes necesitan un trasplante de riñón y simplemente no hay suficientes órganos de donantes para todos. En agosto, había 85,000 pacientes en la lista de espera de EE. UU. Para un riñón en EE. UU., Mientras que solo se realizaron 17,000 trasplantes de riñón el año pasado.
Un grupo colaborativo y multidisciplinario de laboratorios está trabajando para crear el primer riñón artificial implantable. El prototipo, revelado la semana pasada, es compacto, no más grande que una lata de sopa. No solo filtra las toxinas del torrente sanguíneo, sino que también utiliza células renales humanas para realizar otras funciones vitales, como regular la presión arterial y producir vitamina D.
La diálisis no solo requiere mucho tiempo, sino que también es debilitante. Muchos pacientes no se sienten bien porque no realiza todas las funciones de un riñón normal y sano, dice un bioingeniero. Shuvo Roy , cuyo laboratorio de la Universidad de California en San Francisco produjo el nuevo dispositivo y ya lo está probando en animales. El riñón no solo filtra toxinas. También tiene funciones metabólicas y funciones hormonales, y la diálisis no captura estas habilidades.
Sin embargo, hacer un riñón artificial lo suficientemente pequeño como para caber dentro del cuerpo es un gran desafío. Un riñón sano filtra 90 litros de agua al día. Las máquinas de diálisis actuales son del tamaño de un refrigerador pequeño y requieren una presión sustancial para bombear suficiente agua a través de las membranas porosas de la máquina para permitir que los contaminantes se filtren fuera de la sangre.
El nuevo implante es una fusión de múltiples líneas de investigación y aprovecha dos avances recientes en el campo. Nefrólogo de la Universidad de Michigan David Humes ha demostrado que las células renales humanas podrían usarse en una máquina de filtración del tamaño de una habitación para mejorar en gran medida la salud de los pacientes cuyos riñones han dejado de funcionar. Mientras tanto, Roy y William Fissell , un nefrólogo de la Clínica Cleveland, han producido una membrana de silicio de nanoporos que, con su estructura de poros densa y precisa, podría ayudar a miniaturizar las máquinas de diálisis.
El prototipo es un sistema de dos partes: la mitad consiste en un filtro de eliminación de toxinas, en el que se apilan miles de membranas de silicio. Sus nanoporos son tan densos y tienen una forma tan precisa que pueden filtrar con mucha precisión utilizando solo la fuerza de la presión arterial del propio cuerpo. La sangre fluye a través de este filtro, donde las toxinas, los azúcares, el agua y las sales se eliminan como una solución filtrada.
La sangre limpia y el filtrado acuoso se derivan a la otra mitad del sistema: un cartucho separado. Aquí, fluyen sobre más membranas de silicio, estas cubiertas con un solo tipo de célula de riñón humano, lo que ayuda al dispositivo a reabsorber parte del agua, azúcares y sales, así como a producir vitamina D y ayudar a evitar que la presión arterial también se hunda. funciones renales normales bajas que no ofrece la diálisis. Los desechos que no se reabsorben se derivan a un tubo conectado a la vejiga y se eliminan como desechos en la orina, tal como lo haría un riñón normal.
Está lejos de ser un sistema completo, y los investigadores señalan que nunca esperan que reemplace los trasplantes de riñón. Su riñón tiene de 20 a 30 tipos de células, todas las cuales cumplen funciones diferentes. Pero nos gustaría superar un problema crítico que ha surgido en la insuficiencia renal, dice Fissell. Si está en la lista para un trasplante de riñón, es mucho más probable que muera en la lista de espera que de recibir un riñón. Él dice que el dispositivo podría actuar como un puente para los pacientes que esperan un trasplante.
Desde una perspectiva general, cualquier dispositivo implantable reduciría drásticamente la carga que ahora experimentan los pacientes, dice Glenn Chertow , jefe de nefrología de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford. Y si algo de la magia adicional que proporciona un riñón nativo pudiera agregarse a un dispositivo implantable, podríamos acercarnos a la restauración de la buena salud.
Los investigadores ya han resuelto algunos de los problemas más difíciles: Humes ha descubierto cómo cultivar células renales en la escala necesaria (puede cultivar suficientes células para 100.000 dispositivos de un solo riñón). También ha determinado la mejor manera de congelarlos para uso futuro. Y Roy, ganador de TR35 en 2003, ha probado el implante en una docena de ratas y un puñado de cerdos. Todavía tienen que aumentar la eficiencia del implante a algo que pueda funcionar eficazmente en humanos, pero esperan comenzar las pruebas en humanos en cinco a siete años. En este momento, el biocartucho puede filtrar entre 30 y 35 litros de agua por día, y debe poder filtrar al menos 43. También deben encontrar formas de asegurarse de que los dispositivos no causen coágulos de sangre o reacciones inmunes.
Otros grupos también están trabajando hacia alternativas a las citas de diálisis tres veces por semana, aunque la mayoría se concentra en dispositivos de diálisis portátiles, una propuesta difícil en sí misma, dado el desafío de la filtración constante a volúmenes tan grandes sin una bomba externa. Uno de estos dispositivos ya se encuentra en la segunda etapa de ensayos clínicos. Pero incluso la diálisis constante no puede reemplazar las otras funciones del riñón.
Allen Nissenson, director de marketing de DaVita , uno de los proveedores de diálisis más grandes del país, dice que el concepto implantable es atractivo. Es un riñón biorreactor, un concepto increíblemente innovador y realmente emocionante si demuestra ser viable a mayor escala, dice.