Implanterbar biokunstig nyre har til formål at befri patienter fra dialyse – Physics World

Implanterbar biokunstig nyre har til formål at befri patienter fra dialyse – Physics World

Tidsstempel: 12. september 2023 kl. 5

Prototype bioreaktor til behandling af nyresvigt
En ny behandling for nyresvigt En prototype bioreaktor blev testet med succes i store dyr. (Med høflighed: The Kidney Project)

Nyresygdom i slutstadiet, hvor nyrerne ikke længere kan understøtte kroppens behov, behandles bedst via nyretransplantation. Udbuddet af donororganer er dog begrænset, og mange patienter må i stedet forlade sig på dialyse. Og mens en nyretransplantation giver fremragende resultater, kræver det, at patienten tager livslang immunsuppressionsmedicin, som forårsager deres egne helbredskomplikationer. For at løse disse problemer håber forskerne at udvikle en implanterbar biokunstig nyre til behandling af nyresvigt.

Forskere ved UC San Francisco (UCSF) arbejder på at skabe sådan en enhed. I deres seneste undersøgelse, rapporteret i Nature Communications, de viser, at nyreceller anbragt i en implanterbar bioreaktor kunne overleve inde i en gris og efterligne flere vigtige nyrefunktioner. Det er afgørende, at den implanterede enhed ikke fremkaldte en immunreaktion. Forskningen er en del af Nyreprojektet, ledet i fællesskab af UCSF'er Shuvo Roy , William Fissell fra Vanderbilt University Medical Center.

Som et indledende skridt mod en implanterbar biokunstig nyre skabte Roy, Fissel og kolleger en celleholdig bioreaktor, der replikerer nøglefunktioner i nyretubuli, som omfatter levering af ilt og næringsstoffer til nyreceller, mens de beskytter dem mod modtagerimmunceller, der kan forårsage afstødning. . For at opnå denne immunbeskyttelse konstruerede teamet en tynd (mindre end 1 μm) silicium nanopore-membran (SNM) fra siliciumwafers indeholdende spalteporer i nanoskala.

Forskerne byggede en prototype bioreaktor, der rummer en SNM med 10 nm brede porer, med humane nyreepitelceller (HREC'er) dyrket på akryl-indsatser på hver side af SNM. For at teste om SNM giver en immunbeskyttende barriere vitro, udsatte de den ene side af SNM for det proinflammatoriske cytokin TNF-α.

Seks timer efter eksponeringen var niveauerne af TNF-α i rummet beskyttet af SNM ubetydelige, hvilket viser, at de 10 nm brede porer forhindrer passage af store cytokiner (og dermed også større immunsystemkomponenter såsom T-celler og antistoffer) . Celler på den side, der var direkte udsat for TNF-α, havde mindre end 50 % levedygtighed, mens de, der var forseglet af SNM, opretholdt en høj levedygtighed på næsten 90 %.

Det er også vigtigt, at et implantat ikke forårsager blodpropper, som kan dannes på overflader i kontakt med blod og føre til apparatsvigt og alvorlige komplikationer for patienten. For at undgå dette brugte forskerne beregningsvæskedynamik til at optimere geometrien af ​​den U-formede blodstrømsvej gennem bioreaktoren.

Bioreaktor komponenter
Bioreaktor komponenter Til venstre: blodgennemstrømningskanalerne er i direkte kontakt med SNM'erne, som er adskilt fra celleindsatsen af ​​en silikonepakning. Til højre: hver sektion omfatter en SNM og en celleindsats mellem to silikonepakninger; en komplet bioreaktor indeholder fire sektioner. (Med høflighed: CC BY 4.0/Nat. Commun. 10.1038/s41467-023-39888-2)

De brugte dette design til at skabe en implanterbar bioreaktor indeholdende fire SNM'er i et polycarbonathus, justeret med top- og bundoverfladen af ​​blodkanalerne. De anbragte akryl-indsatser podet med sammenflydende HREC'er på de modsatte sider af hver SNM og brugte rustfri stålforbindelser til at overføre blodet mellem SNM'erne og PTFE vaskulære transplantater.

For at teste biokompatibiliteten af ​​disse bioreaktorprototyper samlede og kirurgisk implanterede enheder i fem raske grise på dobbelt antiblodpladebehandling (uden immunsuppression). Bioreaktorerne er forbundet med dyrenes vaskulatur via PTFE-transplantaterne. Der opstod ingen komplikationer relateret til anordningerne eller operationen, og dyrene forblev sunde under de tre eller syv dage lange eksperimenter (det tidspunkt, hvor hyperakut afstødning typisk ville forekomme), uden tegn på afstødning.

Forskerne vurderede, om implantering af bioreaktorer indeholdende xenogene humane celler fremkaldte en immunreaktion hos grisene. Undersøgelse af 13 almindelige inflammatoriske biomarkører afslørede en stigning i nogle cytokiner to dage efter implantation, som forventet på grund af postoperativ inflammation. Men syv dage efter implantationen var alle cytokinniveauer faldet til en tilstand af minimal inflammation. Dette fund er i modsætning til det kraftige respons, der forventes i en typisk xenograft-model med en immunkompetent modtager.

Efter tre eller syv dage fjernede forskerne bioreaktorerne fra dyrene til evaluering. De fandt ud af, at den eksplanterede SNM var intakt, med minimal celle- og proteinbinding og ingen blodpropper dannet i enheden - et vigtigt skridt i at demonstrere dets sikkerhed. Derudover forblev de indkapslede HREC-celler mere end 90% levedygtige, uden tegn på celleløsning og opretholdelse af tætte intercellulære forbindelser.

"Vi var nødt til at bevise, at en funktionel bioreaktor ikke vil kræve immunsuppressive lægemidler, og det gjorde vi," siger Roy i en pressemeddelelse. "Vi havde ingen komplikationer og kan nu iterere op og nå ud til hele panelet af nyrefunktioner på menneskelig skala."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden