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Diálisis desconectada
La diálisis convencional, en la que la sangre de un paciente se bombea a través de un filtro externo para drenar las toxinas acumuladas, está lejos de ser ideal para los 1,4 millones de personas con enfermedad renal en todo el mundo cuyas vidas dependen de ella. El régimen común de tres sesiones de limpieza de sangre de medio día por semana elimina, en promedio, solo el 17 por ciento de las toxinas que un riñón sano eliminaría, de modo que solo un tercio de todos los pacientes de diálisis sobreviven más de cinco años de tratamiento.
La nanotecnología podría ofrecer una alternativa, según nefrólogo William Fissell en la Universidad de Michigan. Él y sus colegas están trabajando en membranas de nanoporos que podrían permitir que la diálisis se miniaturice en dispositivos implantables que proporcionen una eliminación de toxinas las 24 horas del día, liberando a los pacientes de diálisis de las bombas y clínicas voluminosas. Esta es una tecnología fundamentalmente liberadora, dice Fissell.
Fissell y su colega Shuvo Roy, ingeniero biomédico de la Fundación de la Clínica Cleveland , afirman haber resuelto la mitad del desafío: diseñar nanomembranas que sean lo suficientemente eficientes como para soportar un implante compacto de bajo consumo. El equipo obtuvo una patente para el concepto a principios de este año. Sin embargo, diseñar poros con la selectividad requerida (poros que drenan las peores toxinas sin robar al cuerpo proteínas críticas como la albúmina, los factores de coagulación sanguínea y los anticuerpos) está demostrando ser más resistente de lo esperado.
Como se practica actualmente, la diálisis es un procedimiento tosco. Los pacientes están conectados por vía intravenosa a una potente bomba que hace circular su sangre a través de un cartucho de fibras plásticas porosas. Los líquidos, las toxinas disueltas y las sales atraviesan las fibras y se desechan, mientras que las proteínas y las células sanguíneas atrapadas en el tamiz se suplementan con electrolitos antes de regresar al paciente. La mala dinámica de fluidos del filtro es una función de su imprecisión: la fabricación del filtro produce una amplia gama de poros, por lo que para evitar tener demasiados poros grandes, que succionarían proteínas valiosas, las fibras deben fabricarse con una preponderancia de poros muy pequeños. La bomba de la máquina compensa la diferencia, obligando a la sangre a pasar por estos tamices ineficientes.
Por el contrario, Fissell y Roy graban poros en obleas ultrafinas de silicio con precisión litográfica. El resultado es una matriz homogénea de poros, cada uno de los cuales puede tener velocidades de flujo varios órdenes de magnitud más altas que el poro promedio en un filtro convencional. Los poros imitan los diafragmas exquisitamente precisos pero eficientes que filtran la sangre en un riñón humano, asemejándose a un panel de persianas venecianas, dice Fissell.
Los prototipos actuales contienen aproximadamente 10.000 poros por milímetro cuadrado, según Fissell. Las membranas de próxima generación, que ahora se están diseñando, tendrán más de 100.000 poros o hendiduras por milímetro cuadrado y proporcionarán más de 10 veces el flujo. Fissell estima que un dispositivo implantado que lleve varios cientos de centímetros cuadrados de esta membrana de próxima generación debería filtrar al menos 30 mililitros de sangre por minuto a presiones sanguíneas promedio, aproximadamente un tercio de la función renal normal. El implante se colocaría debajo de la piel; pequeñas bolsas de líquido usadas externamente podrían recibir el ultrafiltrado y suministrar electrolitos de reemplazo.
Sin embargo, controlar lo que pasa por las rendijas sigue siendo un problema. Si bien incluso las toxinas sanguíneas más grandes se deslizan fácilmente a través de las ranuras de la membrana, los experimentos con prototipos sugieren que la más pequeña de las valiosas proteínas, la albúmina, también se drenará. El dextrano, un azúcar complejo que se utiliza como sustituto de la albúmina en las pruebas de filtración, atraviesa los poros del prototipo, a pesar de medir aproximadamente 40 nanómetros de diámetro, que es de tres a cuatro veces más ancho que los poros. Fissell piensa que el dextrano, una molécula de cadena larga que normalmente se arruga como un fajo de papel, se estira cuando encuentra los poros abiertos y se desliza, algo que también podría hacer una cadena de proteínas como la albúmina.
El equipo de Fissell está probando si el riñón se clasifica no solo por tamaño, sino también generando cargas eléctricas que repelen las cadenas de proteínas, que también están cargadas. Están modelando varias modificaciones químicas para introducir cargas en la superficie de los poros de silicio.
Para que el sistema sea práctico, será necesario convertir las membranas en biocompatibles. El silicio no modificado atrae fuertemente las proteínas y, por lo tanto, una membrana de nanoporos de silicio se obstruiría rápidamente si se implantara en el cuerpo. El colega de Fissell en la Universidad de Michigan, David Humes, ha iniciado estudios en animales con las nano membranas para identificar tratamientos de superficie o materiales de membrana alternativos que evitarán la obstrucción de los implantes.
Humes espera usar las membranas para crear una versión más sofisticada del implante que contenga células renales vivas, análoga a su dispositivo de asistencia renal bioartificial que se encuentra actualmente en ensayos clínicos de fase dos (ver Salvar vidas con máquinas vivas, julio / agosto de 2003). En una versión implantable del riñón bio-artificial, las membranas de nanoporos protegerían las células renales vivas de las células inmunes y los anticuerpos, que han frustrado la mayoría de los implantes de órganos bio-artificiales hasta la fecha. Las células renales vivas, a su vez, mejorarían la función del implante al reabsorber y devolver al torrente sanguíneo algunos de los fluidos y sales que atraviesan la membrana de nanoporos. Eventualmente, los implantes bio-artificiales que recuperan líquidos y sales y desvían el ultrafiltrado restante a la vejiga podrían incluso eliminar la necesidad de bolsas de ultrafiltrado y electrolito externo.
El nefrólogo de la Facultad de Medicina de UCLA, Allen Nissenson, quien ha trabajado extensamente para apoyar el desarrollo de dispositivos portátiles de diálisis, dice que queda por ver si los investigadores de la Universidad de Michigan pueden comprimir sus sistemas de filtración en un paquete lo suficientemente pequeño y robusto para la implantación. Pero dice que su objetivo de emular con mayor precisión la función del riñón es correcto y una alternativa bienvenida a las mejoras incrementales en tecnologías más convencionales que han dominado los desarrollos de diálisis durante los últimos 20 años. Las innovaciones que imitan más de cerca la forma en que funcionan los riñones naturales son realmente la vanguardia para el futuro de la terapia, dice.
Los 30 mililitros por minuto de filtración de Fissell proporcionarían más del 30 por ciento de la función renal normal, una gran mejora, según William Harmon, director de nefrología del Children's Hospital en Boston. Es un umbral importante, dice, por encima del cual muchos síntomas de la enfermedad renal desaparecerían: si estás al 30 por ciento, te está yendo bastante bien.