Rim artificial - Artificial kidney

Rim artificial é frequentemente um sinônimo de hemodiálise , mas também pode se referir a terapias de substituição renal (com exclusão de transplante renal ) que estão em uso e / ou em desenvolvimento. Este artigo trata de rins modificados pela bioengenharia / rins bioartificiais que são cultivados a partir de linhas de células renais / tecido renal.

O primeiro rim artificial bem-sucedido foi desenvolvido por Willem Kolff na Holanda durante o início dos anos 1940. Kolff foi o primeiro a construir um dialisador funcional em 1943.

Usos médicos

Falência renal

Os rins são órgãos vitais pareados localizados atrás da cavidade abdominal na parte inferior da caixa torácica, correspondendo aos níveis T12-L3 das vértebras da coluna. Eles desempenham cerca de uma dúzia de funções fisiológicas e são danificados com bastante facilidade. Algumas dessas funções incluem filtração e excreção de produtos residuais metabólicos, regulação dos eletrólitos e fluidos necessários e estimulação da produção de glóbulos vermelhos. Esses órgãos filtram rotineiramente cerca de 100 a 140 litros de sangue por dia para produzir 1 a 2 litros de urina, composta de resíduos e excesso de líquido.

A insuficiência renal resulta no lento acúmulo de resíduos nitrogenados, sais, água e na interrupção do equilíbrio normal do pH do corpo. Essa falha ocorre por um longo período de tempo e, quando a função renal do paciente declina o suficiente no curso da doença, é comumente conhecida como doença renal em estágio terminal (ESRD; que também é conhecida como doença renal de nível 5 ou 6, dependendo de se a diálise ou terapia de substituição renal é usada). Detectar doença renal antes que os rins comecem a desligar é incomum, com pressão alta e diminuição do apetite sendo sintomas que indicam um problema. Diabetes e hipertensão são vistos como as 2 causas mais comuns de insuficiência renal. Os especialistas prevêem que a demanda por diálise aumentará à medida que a prevalência de diabetes aumenta. Até a Segunda Guerra Mundial, a insuficiência renal geralmente significava a morte do paciente. Vários insights sobre a função renal e insuficiência renal aguda foram feitos durante a guerra.

Um em cada três adultos americanos corre o risco de desenvolver doença renal. Mais de 26 milhões de americanos adultos têm doença renal e a maioria não tem conhecimento disso. Mais de 661.000 deles têm insuficiência renal e 468.000 estão em diálise. A grande população de indivíduos com insuficiência renal impulsiona os avanços contínuos na tecnologia de rins artificiais para que mais pessoas possam ter acesso aos tratamentos.

A hemodiálise domiciliar tornou-se rara devido às suas desvantagens. É caro, demorado e ineficiente em termos de espaço. Em 1980, 9,7% da população em diálise estava em hemodiálise domiciliar, mas em 1987 a proporção caiu para 3,6%.

De acordo com um relatório de 2011 da Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico, os Estados Unidos da América têm a segunda maior taxa de diálise entre os países avançados, depois do Japão. Os Estados Unidos têm a maior taxa de mortalidade entre pacientes com ESRD. Em média, 20% dos pacientes americanos com ESRD morrem anualmente, o que é mais do que o dobro do Japão. O crescimento das instalações de diálise nos Estados Unidos é o resultado de mais americanos desenvolvendo doença renal em estágio terminal. De 2001 a 2011, o número aumentou cerca de 49,7% de 411.000 cidadãos para 615.000 cidadãos. Em 2001, havia apenas 296.000 americanos em alguma forma de diálise. Dez anos depois, esse número aumentou para mais de 430.000 como resultado do desenvolvimento de doenças crônicas, como diabetes e hipertensão.

Necessidade de um rim bioartificial

Mais de 300.000 americanos são dependentes de hemodiálise como tratamento para a insuficiência renal, mas de acordo com dados do USRDS de 2005, 452.000 americanos têm doença renal em estágio terminal (ESKD). Investigações intrigantes de grupos em Londres, Ontário e Toronto, Ontário, sugeriram que os tratamentos de diálise que duram duas a três vezes mais e são administrados com mais frequência do que os tratamentos convencionais três vezes por semana podem estar associados a melhores resultados clínicos. A implementação de diálise seis vezes por semana durante toda a noite sobrecarregaria os recursos existentes na maioria dos países. Isso, assim como a escassez de órgãos de doadores para transplante de rim, levou à pesquisa no desenvolvimento de terapias alternativas, incluindo o desenvolvimento de um dispositivo vestível ou implantável.

Soluções propostas

Rim artificial

Dialisador usado em hemodiálise

A hemodiálise é um método para remover produtos residuais, como creatinina e ureia, bem como água livre do sangue quando os rins estão com insuficiência renal. O dispositivo mecânico usado para limpar o sangue do paciente é chamado de dialisador, também conhecido como rim artificial. Os dialisadores modernos normalmente consistem em um invólucro cilíndrico rígido envolvendo fibras ocas fundidas ou extrudadas de um polímero ou copolímero, que geralmente é uma formulação patenteada. A área combinada das fibras ocas é normalmente entre 1-2 metros quadrados. A pesquisa intensiva foi conduzida por muitos grupos para otimizar os fluxos de sangue e dialisado dentro do dialisador, a fim de alcançar uma transferência eficiente de resíduos do sangue para o dialisado.

Rim artificial implantável

O rim artificial implantável é um segundo projeto que está sendo co-desenvolvido por um nefrologista chamado William H. Fissell IV, MD, do Vanderbilt University Medical Center, com o professor Shuvo Roy da University of California, San Francisco . Fissell e seus colegas têm trabalhado no rim artificial implantável por mais de uma década, mas recentemente receberam uma doação de 6 milhões de dólares em novembro de 2015 para continuar a pesquisa e desenvolvimento do projeto. O objetivo deste projeto é criar um dispositivo bio-híbrido que pode imitar as funções de um rim saudável, removendo resíduos suficientes para evitar que um paciente precise de tratamento de diálise. A chave para o sucesso desse dispositivo é o uso da nanotecnologia de silício e do microchip, que é poroso e pode atuar como um filtro natural. Fissell e sua equipe projetaram cada poro (do filtro) para executar uma função ou tarefa específica. Os microchips também funcionarão como uma plataforma para a qual as células renais vivas residirão e crescerão ao redor dos filtros, com o objetivo de imitar as funções naturais do rim. O dispositivo bio-híbrido não estará ao alcance da resposta imunológica do corpo, o que permite que ele seja protegido contra a rejeição pelo corpo do paciente. O dispositivo será projetado para ser pequeno o suficiente para caber dentro do corpo do paciente, que funcionará com sucesso com o fluxo sanguíneo natural do paciente. Fissell e sua equipe de pesquisa continuam a fazer progressos e esperam que o rim artificial implantável entre em testes em humanos em 2017.

Rim artificial vestível

Um rim artificial vestível é uma máquina de diálise vestível que uma pessoa com doença renal em estágio terminal pode usar diariamente ou mesmo continuamente. Um rim artificial vestível (WAK) não está disponível, mas equipes de pesquisa estão em processo de desenvolvimento de tal dispositivo. O objetivo é desenvolver um dispositivo portátil que seja capaz de imitar as funções do rim normal. Este dispositivo permitiria que um paciente fosse tratado vinte e quatro horas por dia. Com o desenvolvimento de bombas em miniatura, a esperança de um dispositivo de hemodiálise vestível e eficaz tornou-se realidade. Alguns pacientes já recebem tratamento contínuo de diálise peritoneal, o que permite que eles permaneçam ambulatoriais. No entanto, apenas uma pequena parte dos pacientes em diálise usa o tratamento de diálise peritoneal porque requer que grandes quantidades de dialisado sejam armazenadas e descartadas. Os rins de um indivíduo saudável filtram o sangue 24 horas / dia, 168 horas / semana em comparação com um indivíduo com doença renal em estágio final cujo plano de tratamento de diálise é de aproximadamente 12 horas por semana. O tratamento resulta em uma qualidade de vida mais baixa, bem como em uma taxa de mortalidade mais alta para pacientes com doença renal em estágio terminal (ESRD). Portanto, há uma necessidade de um dispositivo 24 horas que permita aos pacientes com ESRD receber diálise continuamente, mantendo uma vida normal. O FDA aprovou o primeiro ensaio clínico em humanos nos Estados Unidos para um rim artificial vestível projetado pela Blood Purification Technologies Inc. O protótipo do WAK é um dispositivo de 10 libras, alimentado por baterias de nove volts, que se conecta a um paciente por meio de um cateter e deve usar menos de 500mL de dialisado. Ele é projetado para funcionar continuamente com baterias, permitindo que os pacientes permaneçam ambulatoriais durante o uso do dispositivo, levando a uma maior qualidade de vida. O dispositivo foi projetado para melhorar outros aspectos fisiológicos da saúde do paciente, como melhor controle de volume, diminuição da hipertensão e retenção de sódio, bem como diminuição da taxa de doenças cardiovasculares e derrames .

Experimentos do rim artificial vestível

O rim artificial vestível (WAK) foi constantemente modificado ao longo dos anos para melhorar as pessoas com insuficiência renal. Para tentar tornar o WAK utilizável, vários experimentos foram realizados. Ao conduzir esses experimentos para o WAK, objetivos semelhantes estão tentando ser alcançados. Por exemplo, um objetivo principal que esses experimentos estão tentando alcançar é ter certeza de que o WAK pode funcionar como um rim normal.

Um experimento que ocorreu incluiu oito pessoas que usaram o WAK por quatro a oito horas. Como os participantes usaram o WAK, vários resultados ocorreram. Por exemplo, um resultado durante o experimento foi que a remoção de fluido para o WAK foi controlada corretamente por uma bomba de ultrafiltração. Outro resultado que ocorreu durante este experimento foi que uma agulha conectada ao WAK acabou se desconectando. Quando isso aconteceu, o WAK foi capaz de reconhecer isso e o sangue parou de bombear. Quando o sangue para de bombear, a agulha pode ser inserida novamente sem que o corpo perca uma grande quantidade de sangue. Como outras pesquisas foram realizadas, argumentou-se que o uso de uma bomba de ultrafiltração pode não ser a melhor bomba para o WAK. Por exemplo, a pesquisa descobriu que, ao usar uma bomba peristáltica, permitiria a uma pessoa saber sua taxa de fluxo sanguíneo sem ter um sensor, que é necessário em uma bomba de ultrafiltração usada no experimento mencionado acima. Uma mudança no tipo de bomba usada para o WAK pode ser crucial porque poderia ajudar a tornar o dispositivo mais barato e mais confiável para o público por não ter um sensor.

Depois de fazer muita pesquisa sobre o WAK, várias perguntas de pesquisa foram respondidas. Por exemplo, os pesquisadores descobriram que o WAK pode funcionar sem uma tomada porque é capaz de funcionar com uma bateria de nove volts . No entanto, os pesquisadores argumentaram que o uso de baterias de nove volts não é eficaz o suficiente para o WAK porque não alimenta o dispositivo por tempo suficiente e, indiretamente, torna o WAK menos acessível ao ter que trocar as baterias constantemente. Devido a isso, outras fontes de energia estão sendo exploradas, por exemplo, os pesquisadores estão vendo se as células de combustível , a transmissão sem fio de energia de uma fonte ativa ou a coleta de energia do ambiente seriam as melhores maneiras de alimentar o WAK por períodos mais longos. Várias perguntas foram respondidas sobre o WAK, mas muitas perguntas de pesquisa ainda não foram respondidas. Os pesquisadores ainda estão tentando descobrir se o WAK pode ser energeticamente eficiente, acessível e se pode reutilizar pequenas quantidades de dialisado .

Dispositivo de assistência renal implantável (IRAD)

Atualmente, não existem rins viáveis ​​produzidos pela bioengenharia. Embora muitas pesquisas estejam em andamento, existem inúmeras barreiras para sua criação.

No entanto, a fabricação de uma membrana que imita a capacidade do rim de filtrar o sangue e subsequentemente excretar toxinas enquanto reabsorve água e sal permitiria um rim artificial vestível e / ou implantável. O desenvolvimento de uma membrana usando a tecnologia de sistemas microeletromecânicos (MEMS) é uma etapa limitante na criação de um rim bioartificial implantável.

Os Laboratórios BioMEMS e de Nanotecnologia Renal do Instituto de Pesquisa Lerner da Clínica Cleveland se concentraram no avanço da tecnologia de membrana para desenvolver uma terapia implantável ou vestível para doença renal em estágio terminal (ESKD). Os cartuchos de diálise atuais são muito grandes e requerem pressões superfisiológicas para a circulação sanguínea, e os poros nas atuais membranas de polímero têm uma distribuição de tamanho muito ampla e características irregulares. A fabricação de uma membrana nanoporosa de silício com distribuições estreitas de tamanho de poro melhora a capacidade da membrana de discriminar entre moléculas filtradas e retidas. Também aumenta a permeabilidade hidráulica, permitindo que o tamanho médio dos poros se aproxime do corte desejado da membrana. O uso de um processo de fabricação em lote permite um controle estrito sobre a distribuição e geometria do tamanho dos poros.

Estudos mostram que células de rim humano foram colhidas de órgãos doados inadequados para transplante e cultivadas nessas membranas. As células cultivadas cobriram as membranas e parecem reter características das células renais adultas. O crescimento diferenciado de células epiteliais renais em materiais MEMS sugere que um dispositivo miniaturizado adequado para implantação pode ser viável.

Um esforço liderado pela UCSF para criar um rim artificial implantável para pacientes em diálise foi selecionado como um dos primeiros projetos a passar por uma revisão mais oportuna e colaborativa na Food and Drug Administration.

O FDA anunciou em 9 de abril de 2012 que havia escolhido três projetos de dispositivos renais para pilotar um programa de aprovação regulatória chamado Innovation Pathway 2.0, com o objetivo de trazer tecnologias inovadoras de dispositivos médicos aos pacientes de forma mais rápida e eficiente.

O projeto de rim artificial, que é direcionado para ensaios clínicos em 2017, foi selecionado por seu potencial transformador no tratamento de doença renal em estágio terminal e por seu potencial de se beneficiar de interações precoces com o FDA no processo de aprovação.

O esforço da FDA envolverá contato próximo entre a agência federal e os desenvolvedores de dispositivos no início do processo de desenvolvimento para identificar e abordar os potenciais obstáculos científicos e regulatórios e criar um roteiro para a aprovação do projeto. O objetivo é melhorar a chance geral de sucesso dos projetos, ao mesmo tempo em que reduz o tempo e o custo da revisão do FDA e mantém a segurança. As lições, disse a agência, informarão as aprovações em outras áreas.

O Projeto Rim é uma iniciativa de pesquisa nacional que se concentra no desenvolvimento e teste de um rim bioartificial autônomo e implantado. O Projeto Rim recebeu seis milhões de dólares em subsídios do governo.

Veja também

Referências

links externos