Імплантована біоштучна нирка має на меті позбавити пацієнтів від діалізу – Physics World

Імплантована біоштучна нирка має на меті позбавити пацієнтів від діалізу – Physics World

Мітка часу: 12 вересня 2023 р., 5:00

Прототип біореактора для лікування ниркової недостатності
Нове лікування ниркової недостатності Прототип біореактора був успішно випробуваний на великих тваринах. (З дозволу: The Kidney Project)

Останню стадію ниркової недостатності, коли нирки більше не можуть задовольняти потреби організму, найкраще лікувати за допомогою трансплантації нирки. Проте кількість донорських органів обмежена, і багато пацієнтів змушені замість цього покладатися на діаліз. І хоча трансплантація нирки дає чудові результати, вона вимагає від пацієнта довічного прийому препаратів для пригнічення імунітету, які спричиняють його власні ускладнення. Щоб вирішити ці проблеми, дослідники сподіваються розробити імплантовану біоштучну нирку для лікування ниркової недостатності.

Дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско (UCSF) працюють над створенням такого пристрою. У своєму останньому дослідженні, повідомленому в Природа зв'язку, вони демонструють, що клітини нирок, розміщені в імплантованому біореакторі, можуть вижити всередині свині та імітувати кілька важливих функцій нирок. Важливо те, що імплантований пристрій не спровокував імунної реакції. Дослідження є частиною Проект «Нирка»., спільно очолювані UCSF Шуво Рой та Вільям Фісселл Медичного центру університету Вандербільта.

Як перший крок до імплантованої біоштучної нирки, Рой, Фіссель та його колеги створили клітинний біореактор, який повторює ключові функції ниркових канальців, включаючи доставку кисню та поживних речовин до клітин нирки, захищаючи їх від імунних клітин реципієнта, які можуть спричинити відторгнення. . Щоб досягти цього імунозахисту, команда розробила тонку (менше 1 мкм) кремнієву нанопористу мембрану (SNM) із кремнієвих пластин, що містять нанорозмірні щілинні пори.

Дослідники побудували прототип біореактора, що містить SNM з порами шириною 10 нм, з клітинами ниркового епітелію людини (HREC), культивованими на акрилових вставках по обидва боки від SNM. Щоб перевірити, чи забезпечує SNM імунозахисний бар’єр пробірці, вони піддали одну сторону SNM дії прозапального цитокіну TNF-α.

Через шість годин після впливу рівні TNF-α у відділі, захищеному SNM, були незначними, демонструючи, що пори шириною 10 нм перешкоджають проходженню великих цитокінів (і, отже, також більших компонентів імунної системи, таких як Т-клітини та антитіла). . Клітини на тій стороні, яка була безпосередньо піддана TNF-α, мали менше 50% життєздатності, тоді як клітини, запечатані SNM, підтримували високу життєздатність майже 90%.

Також важливо, щоб імплантат не спричиняв утворення тромбів, які можуть утворюватися на поверхнях, що контактують з кров’ю, і призводити до поломки пристрою та серйозних ускладнень для пацієнта. Щоб уникнути цього, дослідники застосували обчислювальну гідродинаміку для оптимізації геометрії U-подібного шляху кровотоку через біореактор.

Компоненти біореактора
Компоненти біореактора Зліва: канали кровотоку знаходяться в прямому контакті з SNM, які відокремлені від клітинної вставки силіконовою прокладкою. Праворуч: кожна секція містить SNM і коміркову вставку між двома силіконовими прокладками; повний біореактор містить чотири секції. (З дозволу: CC BY 4.0/Nat. Commun. 10.1038/s41467-023-39888-2)

Вони використовували цю конструкцію для створення імплантованого біореактора, що містить чотири SNM в полікарбонатному корпусі, вирівняних з верхньою та нижньою поверхнями кровоносних каналів. Вони розмістили акрилові вставки, засіяні конфлюентними HREC, на протилежних сторонах кожного SNM і використовували з’єднувачі з нержавіючої сталі для переміщення крові між SNM і PTFE судинними трансплантатами.

Щоб перевірити біосумісність цих прототипів біореакторів, команда зібрала та хірургічним шляхом імплантувала пристрої п’яти здоровим свиням на подвійній антитромбоцитарній терапії (без імуносупресії). Біореактори з’єднувалися з судинною системою тварин через трансплантати з ПТФЕ. Жодних ускладнень, пов’язаних із пристроями чи хірургічним втручанням, не виникло, і тварини залишалися здоровими протягом трьох- або семиденних експериментів (час, протягом якого зазвичай відбувається надгостре відторгнення), без ознак відторгнення.

Дослідники оцінювали, чи імплантація біореакторів, що містять ксеногенні клітини людини, викликає імунну реакцію у свиней. Дослідження 13 загальних запальних біомаркерів виявило збільшення деяких цитокінів через два дні після імплантації, як і очікувалося через післяопераційне запалення. Але через сім днів після імплантації всі рівні цитокінів знизилися до стану мінімального запалення. Цей висновок відрізняється від сильної відповіді, очікуваної в типовій моделі ксенотрансплантата з імунокомпетентним реципієнтом.

Через три або сім днів дослідники вилучили біореактори з тварин для оцінки. Вони виявили, що експлантований SNM був інтактним, з мінімальним приєднанням клітин і білків, і в пристрої не утворилися згустки крові, що є важливим кроком у демонстрації його безпеки. Крім того, інкапсульовані клітини HREC залишалися більш ніж на 90% життєздатними, без жодних ознак від’єднання клітин і збереження щільних міжклітинних з’єднань.

«Нам потрібно було довести, що функціональний біореактор не потребуватиме імунодепресантів, і ми це зробили», — сказав Рой у заяві для преси. «У нас не було ускладнень, і тепер ми можемо повторювати, охоплюючи всю панель функцій нирок у людському масштабі».

Часова мітка:

Більше від Світ фізики