Des experts en organes artificiels parlent de l'état de développement, des défis et des opportunités du rein artificiel
Jun 13, 2023
Actuellement, l'insuffisance rénale est devenue un problème majeur de santé publique dans le monde. Selon les données de 2021, environ 4,7 millions de patients reçoivent une thérapie de remplacement rénal. En raison du manque de ressources rénales et d'autres facteurs, la plupart des patients insuffisants rénaux reçoivent une thérapie de remplacement rénal par hémodialyse et dialyse péritonéale, mais les deux modes de dialyse ont leurs inconvénients. L'hémodialyse a une mauvaise qualité de vie et un taux de mortalité relativement élevé. La qualité de vie de la dialyse péritonéale est élevée et le taux de mortalité est relativement faible, mais le coût est élevé et après quelques années, les patients sous dialyse péritonéale peuvent devoir passer à l'hémodialyse en raison de facteurs tels qu'un échec technique. Compte tenu des raisons ci-dessus, les gens espèrent toujours développer un système de rein artificiel, qui peut libérer les patients des lacunes de la dialyse traditionnelle et augmenter l'autonomie des patients afin qu'ils puissent profiter d'une vie normale et de leurs droits au travail.
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Le 5 juin 2023, Nature Reviews Nephrology a publié une revue rédigée par des experts de l'équipe européenne de développement du rein artificiel et de l'équipe de développement des organes artificiels. Après avoir examiné les prototypes actuels de reins artificiels, les experts ont divisé les reins artificiels en deux catégories, les appareils de dialyse portables et les reins bioartificiels. Ces deux types de reins artificiels ont leurs avantages et leurs inconvénients, et les opportunités et les défis coexistent. De plus, la nouvelle technologie de membrane semi-perméable contribuera au développement de reins artificiels et améliorera même la technologie d'hémodialyse existante.
Appareil de dialyse portable
Le point douloureux des appareils de dialyse portables est très important, à savoir la régénération du dialysat. En prenant l'hémodialyse traditionnelle comme exemple, 4 heures de dialyse nécessitent 120-150 L de dialysat. Les patients ne peuvent pas transporter autant de dialysat avec eux. Par conséquent, une machine portable doit mettre en œuvre un dispositif qui régénère en continu le dialysat dans un système en boucle fermée.
Actuellement, les dispositifs de régénération de dialysat utilisés dans les machines de dialyse portables comprennent généralement des échangeurs de cations/membranes, telles que des résines de polystyrène. Ils éliminent les cations tels que les ions potassium, sodium et hydrogène. Et les anions sont également éliminés par diverses méthodes, telles que la base d'oxyde de zirconium / polystyrène avec des ions métalliques immobilisés (tels que le fer ou le lanthane) pour convertir le phosphate en base. La méthode ci-dessus peut ajuster la valeur du pH du dialysat, rétablissant ainsi l'équilibre acido-basique et ionique du patient. Dans l'élimination des solutés organiques, la méthode couramment utilisée est l'adsorption sur charbon actif. Des études ont montré que 81 % des solutés urémiques organiques trouvés dans le dialysat sont adsorbés par le charbon actif, y compris les solutés liés aux protéines.
Cependant, le charbon actif ne peut pas être utilisé pour l'élimination de l'urée car l'affinité du charbon actif pour l'urée est assez faible ({{0}}.1–0,2 mmol/g généralement), et le rendement en urée est supérieur à celui des autres solutés urémiques organiques. Par conséquent, d'autres méthodes doivent être utilisées pour les éliminations, telles que l'hydrolyse enzymatique, la décomposition électrochimique et l'adsorption.
1 Hydrolyse enzymatique
L'hydrolyse de l'uréase est une stratégie très efficace, 30 à 50 g d'uréase active peuvent éliminer complètement l'urée produite pendant les dialyses de 4h. Cependant, la décomposition de l'urée produit de l'ammonium, qui est plus toxique. Le phosphate de zirconium peut lier l'ammonium, mais en même temps, le phosphate de zirconium peut également éliminer complètement les ions calcium, magnésium et potassium dans le dialysat, nécessitant une réinfusion. Cependant, cela augmente la taille et le poids de la machine de dialyse. Si un nouveau type de membrane semi-perméable ne peut adsorber que l'ammonium, la méthode d'hydrolyse enzymatique peut être largement utilisée.
2 Décomposition électrochimique
Théoriquement, la décomposition électrochimique pourrait permettre la conversion directe de l'urée en azote et en dioxyde de carbone. Ces deux substances ne sont pas toxiques et peuvent être rejetées directement dans l'atmosphère. Cependant, la méthode de décomposition électrochimique peut également convertir les ions chlorure dans le sang pour former de l'hypochlorite, et une oxydation supplémentaire peut former du nitrite, du nitrate, de l'ammonium, etc. De plus, la tension et la puissance requises pour l'électrolyse sont également des points douloureux pour les appareils de dialyse portables.
Essayer d'autres matériaux d'électrode semble améliorer les points douloureux susmentionnés. Le graphite, l'alliage nickel-cuivre et le dioxyde de titane sont de bonnes solutions. Dans des conditions neutres ou légèrement alcalines, les électrodes ci-dessus peuvent oxyder/électrolyser l'urée, produisant moins de substances toxiques. Cependant, la question de savoir si les électrodes mentionnées ci-dessus peuvent mieux fonctionner dans des environnements de dialysat complexes et variables et utilisés nécessite encore plus de recherches.
3 adsorption
Actuellement, l'adsorption semble être la meilleure méthode pour résoudre l'urée dans le dialysat. L'adsorption peut être divisée en adsorption chimique (liaison covalente) et adsorption physique (interaction dipolaire formée par une liaison hydrogène), dans laquelle l'adsorption chimique est stable, irréversible mais lente ; l'adsorption physique est rapide mais instable. À l'heure actuelle, certains alliages et nouveaux matériaux peuvent améliorer les points douloureux ci-dessus. Le chitosane est une substance qui adsorbe l'urée par adsorption physique. Bien que la force de liaison de l'adsorption du chitosane soit faible (seulement 0.2mmol/g), après avoir formé un complexe avec des ions métalliques, tels que les ions cuivre, la force de liaison peut atteindre 4,4 mmol/g.
De plus, la membrane basale mixte (MMM) composée de ninhydrine de polystyrène, de polyéthersulfone et de polyvinylpyrrolidone a également montré une bonne force de liaison. Le principe d'adsorption du MMM est l'adsorption chimique plus l'adsorption physique, avec un taux et une stabilité élevés. Il convient de noter que la capacité d'adsorption du MMM est la plus élevée à 70 degrés. Par conséquent, la façon de faire en sorte que le MMM ait une capacité d'adsorption plus élevée à 37 degrés nécessite encore une étude plus approfondie.
rein bioartificiel
Un rein bioartificiel (BAK) est un rein artificiel qui combine biologie et physico-chimie. BAK contient des cellules rénales proximales et a des activités de transport, de métabolisme et endocriniennes, qui peuvent imiter la fonction des tubules rénaux humains. Contrairement aux appareils de dialyse portables, BAK est partiellement fonctionnel par des méthodes biologiques (cellules). Des études sur des patients atteints d'insuffisance rénale aiguë (IRA) suggèrent que le BAK peut améliorer le taux de survie des patients. Cependant, le plus gros problème avec BAK est l'acquisition et le stockage des cellules. Si les institutions médicales ou les sociétés apparentées ne peuvent pas résoudre la production, le transport, le stockage et la distribution efficace des cellules ci-dessus, l'accessibilité de BAK sera toujours faible. De plus, il est également possible d'étudier comment prolonger la durée de vie des cellules pour réduire le coût d'utilisation du BAK.
Remarques : Le sang du patient passe d'abord dans l'équipement de dialyse traditionnel pour éliminer l'albumine, les petites molécules et les toxines urémiques liées aux protéines, puis pénètre dans l'équipement de réaction biologique. Dans le dispositif de bioréaction, les cellules tubulaires réabsorbent et transportent certaines des substances, renvoyant l'albumine et d'autres substances utiles au corps dans le sang.
De plus, le défi de BAK est la miniaturisation. À l'heure actuelle, le BAK portable a obtenu un succès initial dans des modèles animaux (moutons/porcs sans rein). Dans le modèle de mouton sans rein, aucun rejet ne s'est produit chez le mouton et le temps de survie réussi était supérieur à 7 jours. Dans le modèle porcin, après l'implantation de BAK, les porcs n'ont pas subi de rejet et l'effet curatif a été idéal.
Nouvelle membrane de dialyse
Tout comme la technologie aérospatiale finira par améliorer la technologie civile. Le système de rein artificiel conçu pour des conditions extrêmes (miniaturisation, faible consommation d'énergie, faible quantité de dialysat, etc.) a finalement favorisé le progrès des membranes de dialyse et encore optimisé la technologie d'hémodialyse existante.
1 film polymère
Pour augmenter la durée de vie du dialyseur et réduire la nécessité pour les patients de remplacer des pièces de l'appareil de dialyse. Les chercheurs se sont penchés sur la biocompatibilité des membranes de dialyse. Les membranes polymères sont une idée efficace. La membrane de fluorure de polyvinylidène modifiée par de l'alcool polyvinylique et du chitosane peut améliorer efficacement la biocompatibilité. Une autre façon de penser est que l'ajout d'argatroban ou de substances hydrophiles à la membrane en polysulfone peut réduire le risque de thrombose et augmenter la sécurité de l'hémodialyse.
2-film à base de silicium nanométrique
Les membranes traditionnelles à base de silicium ont une faible biocompatibilité, une courte durée de vie et sont sujettes à la formation de thrombus. Cependant, avec le développement de la technologie électronique, notamment des machines de photolithographie, il n'est plus difficile de fabriquer finement des films à base de nano-silicium. Les membranes à base de nanosilice pourraient être à l'aube des dispositifs d'hémodialyse in vivo. En 2022, un hémodialyseur à membrane à base de nano-silicium a été implanté avec succès chez le porc. Cet hémodialyseur peut effectuer une hémodialyse automatiquement. Ses taux de clairance de la créatinine et de l'urée sont équivalents à ceux des dialyseurs à fibre traditionnels, mais le débit sanguin n'est que de 1/20. Une pompe à sang n'est donc plus nécessaire. Le débit sanguin est obtenu par la différence physiologique de pression artério-veineuse. De plus, ce type d'hémodialyseur peut intégrer des capteurs électroniques et des systèmes de micro-moteur, associés à une puce de silicium de 5 × 5 m2, qui peut générer un système de surveillance médicale multiparamètres pour surveiller la situation de l'hémodialyse en temps réel, ce qui est propice à un traitement médical individualisé.
3 ions réabsorbés
AWEDI est un ion réabsorbé qui combine une résine échangeuse d'ions, une membrane échangeuse d'ions et une tension appliquée pour obtenir une réabsorption sélective des ions, imitant efficacement l'action des tubules rénaux. Des études ont montré que le système AWEDI peut réabsorber efficacement les ions sodium, potassium, magnésium et calcium, et même le glucose peut être réabsorbé. Cependant, le système AWEDI est également confronté à trois défis. Premièrement, le système AWEDI a une faible capacité à éliminer les toxines urémiques de poids moléculaire > 180 Da ; deuxièmement, l'efficacité du transport des ions est liée à la tension. Si la tension est trop élevée, l'eau peut être divisée pour former de l'hydrogène et de l'oxygène ; si la tension est trop basse, le rendement de réabsorption ne sera pas élevé ; enfin, la sélectivité ionique des différents cristaux présente une grande différence (jusqu'à 42 %), et ces différences sont liées à la taille de l'AWEDI, à la concentration du dialysat, à la valeur du pH et même à la tension.
Prototype de rein artificiel/appareil de dialyse portable
À l'heure actuelle, les PAK et WAK sont des prototypes de reins artificiels/appareils de dialyse portables qui ont été utilisés dans la recherche clinique, parmi lesquels WAK est le plus célèbre. Le poids de WAK est d'environ 5 kg. Des études cliniques ont confirmé que WAK peut fonctionner en continu pendant 4 à 8h ou même 24h. WAK peut fournir une ultrafiltration efficace dans les 24 heures, et les taux de clairance de l'urée, de la créatinine et du phosphore sont respectivement de 17 ± 10, 16 ± 8 et 15 ± 9 ml/min. Cependant, au cours de l'étude clinique 24-h, un excès de gaz carbonique dans le dialysat et une coagulation dans le circuit extracorporel ont entraîné l'arrêt prématuré de l'étude.
If hemodialysis is not considered, automatic WAK (AWAK) is a smaller (2kg) peritoneal dialysis device, which can significantly reduce the consumption of dialysate, and most adult patients can carry it with them. A study in 2022 showed that in 14 patients with peritoneal dialysis, AWAK could work 10.5 hours a day for 3 consecutive days. The study showed that AWAK significantly cleared urea (20.8 to 14.9mm; P = 0.001), creatinine (976 to 668uM; P = 0.001), and phosphorus (1.7 to 1.5mM; P = 0.03), and weekly peritoneal Urea clearance index, Kt/V>1.7. Aucun événement indésirable grave n'est survenu chez les patients. Bien que certains patients aient ressenti une gêne abdominale, ils ont été soulagés après le drainage du dialysat ou la défécation.
4 autres prototypes de PAK ont été lancés et des recherches cliniques connexes sont en cours. Cependant, le poids de ces prototypes PAK est supérieur ou égal à 10kg. Par conséquent, en termes de portabilité, il est similaire à WAK.
En général, les prototypes de reins artificiels et de BAK sont sortis les uns après les autres. Bien qu'il existe de nombreux défis, avec les progrès de la médecine et d'autres disciplines, ces défis seront résolus les uns après les autres. De plus, des organes artificiels peuvent être ajoutés à des systèmes de micro-détection (tels que la surveillance de la charge liquidienne et de composants sanguins spécifiques) et combinés à des technologies telles que l'IA pour former des conseils médicaux individualisés.
Les références:
1. Ramada DL, de Vries J, Vollenbroek J, et al. Systèmes de reins artificiels portables, portables et implantables : besoins, opportunités et défis. Nat Rev Néphrol. 5:1–10 juin 2023.
