美國科學(xué)家已發(fā)明人工腎臟 患者有望跟血液透析機(jī)告別

• 2017年11月14日 lihuizhen來源：造就 243 8
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經(jīng)過20多年的努力，一支由醫(yī)生和研究人員組成的團(tuán)隊(duì)用不了多久，就可以向患者提供一種可植入式人工腎臟。

醫(yī)療科技的進(jìn)步，無疑給很多人帶去了生的希望。

這種生物人工腎臟已經(jīng)給那些渴望擺脫透析機(jī)的患者帶去了希望。

每周，全世界有200萬人要靜坐數(shù)小時，把自己連接到一臺呼呼作響、指示燈忽閃、用于清洗血液的透析機(jī)。他們也有其他選擇：腎臟移植，或是死亡。

在美國，血液透析是一門400億美元的生意，46.8萬名終末期腎病患者要依靠它活命。

透析治療遠(yuǎn)非完美，但這并沒有阻礙該行業(yè)的增長。這得益于美國聯(lián)邦政府強(qiáng)制執(zhí)行的一項(xiàng)醫(yī)療保險福利，它保證了所有需要透析的美國人——不管他們年齡或財務(wù)狀況如何——都能得到透析，而且可以通過醫(yī)保報銷。

自從45年前透析被納入醫(yī)保以來，它無疑拯救了成千上萬人的生命。不過，這種治療方法在歷史上享有的特殊待遇也阻礙了創(chuàng)新。

如今，相比起資助腎病研究、以改善治療效果并發(fā)現(xiàn)新療法，美國政府對私營透析公司的投入大約是前者的50倍。在這樣的資金分配背景下，科學(xué)家進(jìn)展緩慢，難于拿出比透析機(jī)更好的解決方案。我們只能看到擺滿這些機(jī)器的私營公司為大量病情嚴(yán)重的患者提供著生死攸關(guān)的服務(wù)。

現(xiàn)在，經(jīng)過20多年的努力，一支由醫(yī)生和研究人員組成的團(tuán)隊(duì)用不了多久，就可以向患者提供一種可植入式人工腎臟。

這是一款仿生設(shè)備，它使用了與制造筆記本電腦芯片和智能手機(jī)芯片相同的技術(shù)。

科學(xué)家把精心設(shè)計的硅納米孔過濾器堆疊起來，然后把它們跟生長在生物反應(yīng)器里的活腎細(xì)胞組合在一起，將其封裝在一個對人體友好的盒子當(dāng)中，并連接到患者的循環(huán)系統(tǒng)和膀胱，不需要體外插管。

這種人工腎臟不僅能使患者遠(yuǎn)離折磨人的透析治療——同普通人相比，接受透析的患者更容易出現(xiàn)身體疲勞、慢性疼痛以及抑郁癥——它還能解決可移植器官嚴(yán)重短缺的問題。(盡管近些年的器官捐贈有所增加。)就去年而言，每有1個人接受了腎臟移植，等待名單上對應(yīng)就有5個人沒那么幸運(yùn)，4,000人不幸去世。

前方仍然存在著不少監(jiān)管障礙——人體試驗(yàn)定于明年初開始——但這種生物人工腎臟已經(jīng)給那些渴望擺脫透析機(jī)的患者帶去了希望。

被阻礙的創(chuàng)新

腎臟可以說是身體的記賬員，它負(fù)責(zé)對體內(nèi)好的和壞的東西進(jìn)行分類，這個過程對于維持身體化學(xué)物質(zhì)平衡來說至關(guān)重要。

但有時，腎臟會出現(xiàn)故障。

糖尿病、高血壓以及某些形式的癌癥都會引起腎臟損傷，從而破壞這種器官的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這就是為什么醫(yī)生長期以來一直在尋找各種方法，試圖在體外模仿腎臟的功能。

這方面的第一次成功嘗試出現(xiàn)在二戰(zhàn)期間。

1940年春天，一位名叫威廉·科爾夫(Willem Kolff)的荷蘭醫(yī)生從任職的大學(xué)逃到了一所鄉(xiāng)下醫(yī)院，等待納粹結(jié)束對荷蘭的占領(lǐng)。在那里，他用大約45米的腸衣、旋轉(zhuǎn)的木桶和鹽水浴制造了一臺笨重的裝置，用于治療那些因腎衰竭而生命垂危的患者。

半滲透性的腸衣可以過濾掉小分子的腎臟有毒廢物，同時讓較大的血細(xì)胞和其他分子保持完好。科爾夫的裝置可以抽取患者的血液，讓它們通過浸在鹽水中的腸衣，過濾掉有毒雜質(zhì)之后，再輸回患者體內(nèi)。

在某些方面，透析技術(shù)自1943年以來已經(jīng)進(jìn)步了很多。(比如腸衣已經(jīng)被淘汰，代之以批量生產(chǎn)的纖維素管。)不過，在70多年的時間里，它的基本功能沒有發(fā)生變化。

這并非因?yàn)闆]有太多的東西需要改進(jìn)。與真正的腎臟相比，設(shè)計和制造上的缺陷使得透析在對身體“去蕪存菁”時，顯得非常低效。而且，對于腎臟的其他生物功能，它根本無法復(fù)制。然而，任何對該技術(shù)進(jìn)行大幅改進(jìn)(或者代替它)的努力都被45年前做出的一項(xiàng)未能預(yù)見經(jīng)濟(jì)影響的政治承諾給阻礙了。

上世紀(jì)60年代，當(dāng)透析技術(shù)開始在治療慢性腎功能衰竭的醫(yī)生中開始流行時，大多數(shù)患者都無力承受其高達(dá)3萬美元的價格，而且透析費(fèi)用也不在醫(yī)保的報銷范圍之內(nèi)。這導(dǎo)致治療時出現(xiàn)了定量配給的局面，美國人覺得，這就像是一個“死亡判刑委員會”。

1972年，美國總統(tǒng)理查德·尼克松(Richard Nixon)簽署了一份行政令，要求政府為所有需要透析治療的人埋單。當(dāng)時人們覺得，如果未能提供這種救命措施，其道德成本要大于提供這種措施所帶來的財政損耗。

然而，政府部門的會計師們未能預(yù)見到美國即將出現(xiàn)的肥胖大流行以及隨之而來的各種健康問題，他們大大低估了國家未來的需求。

在之后的數(shù)十年里，需要做透析的患者人數(shù)增長了50倍。目前，美國聯(lián)邦政府每年用于治療腎病的開支將近310億美元，與國立衛(wèi)生研究院(簡稱NIH)全年的預(yù)算資金相當(dāng)。NIH今年拿出了5.74億美元用于腎病研究，以期改進(jìn)療效、發(fā)現(xiàn)新的治療方法。相對于美國每年在治療腎病上的花銷，這筆經(jīng)費(fèi)只相當(dāng)于它的1.7%。

不過，舒沃·羅伊(Shuvo Roy)在上世紀(jì)90年代末時還對此一無所知，當(dāng)時，這位來自加州大學(xué)舊金山分校藥學(xué)院的教授正在研究如何把自己的電氣工程學(xué)知識用于研發(fā)醫(yī)療器械。

這位剛剛畢業(yè)的博士在克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心找到了一份新工作，他希望找到一些有趣的問題，然后去解決。心臟病學(xué)和神經(jīng)外科看起來就是這樣一個令人興奮且資金充裕的領(lǐng)域。于是，他開始從事心臟超聲檢查的研究。直到有一天，在工作了幾個月后，凱斯西儲大學(xué)一位名叫威廉·費(fèi)塞爾(William Fissell)的內(nèi)科醫(yī)生找到了羅伊，并問他，“你有沒有想過研究腎臟?”

羅伊沒有想過。

但費(fèi)塞爾告訴他，腎臟領(lǐng)域的研究陷入了停滯，而另一方面，對透析進(jìn)行技術(shù)改革的條件已經(jīng)成熟。

這些事情聽得越多，羅伊就變得越感興趣。隨著他開始熟悉透析機(jī)及其背后的工程原理，羅伊開始意識到透析技術(shù)的局限性以及創(chuàng)新的潛力。

孔徑問題就是局限之一。

透析可以非常好地把廢物從血液中清理出去，但它也會濾掉那些有用的東西：鹽、糖分和氨基酸。這要?dú)w咎于聚合物的制造工藝：我們無法復(fù)制腎臟天然過濾器“腎元”7納米的精度。

制造透析膜的過程中，有一道名為“擠制”的程序，它會導(dǎo)致孔徑大小不一——大多數(shù)都在7納米左右，但有些會大得多，有些則會小得多。這意味著，一些有害物質(zhì)(比如尿素和過量的鹽)可能成為漏網(wǎng)之魚，而一些有益物質(zhì)(比如必不可少的血糖和氨基酸)則會被過濾掉。

7納米正好也是白蛋白的尺寸，這是一種防止血液從血管中滲出、給身體組織提供營養(yǎng)以及在體內(nèi)傳輸激素、維生素、藥物和其他物質(zhì)(比如鈣)的重要蛋白質(zhì)。如果血液中流失了太多的白蛋白，情況就不妙了。此外，對于腎臟的其他天然功能，比如分泌調(diào)解血壓的激素，透析根本做不到，只有活的細(xì)胞才可以。

“我們原先談?wù)摰氖侨绾沃谱饕环N更好的‘創(chuàng)可貼’?！绷_伊說。

但當(dāng)他和費(fèi)塞爾了解到活體組織工程技術(shù)取得的進(jìn)步之后，他們的想法開始不再局限于一種更好、更小和更快的過濾器。

“我們當(dāng)時就想，如果人們可以在老鼠的背上培殖耳朵，為什么我們不能培殖腎臟呢?”

事實(shí)證明，有人已經(jīng)嘗試過了，從某種意義上說算是吧。

顛覆傳統(tǒng)

早在1997年，當(dāng)費(fèi)塞爾和羅伊在凱斯西儲大學(xué)接受培訓(xùn)時，密歇根大學(xué)腎病學(xué)家大衛(wèi)·休姆斯(David Humes)就已在研究如何分離一種見于腎元后端的特定類型腎細(xì)胞。休姆斯找到了一種方法，可以從不適合移植的死尸腎臟中提取它們，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行培殖。然后，他把那些細(xì)胞涂覆在布滿中空纖維膜的導(dǎo)管內(nèi)側(cè)，這些導(dǎo)管類似于現(xiàn)代透析機(jī)所使用的筒式濾芯。這樣，他就發(fā)明了一種可以依靠持續(xù)血流在人體之外存活的人工腎臟，而它所能做的不僅僅限于過濾。

試驗(yàn)結(jié)果非常鼓舞人心。

在密歇根大學(xué)醫(yī)院進(jìn)行的臨床試驗(yàn)中，它讓重癥監(jiān)護(hù)室中急性腎功能衰竭患者的死亡率降低了50%。只不過還有一個問題：要讓這個人工腎臟發(fā)揮作用，患者必須一直連接在占到病房一半空間、由導(dǎo)管和泵組成的裝置上。

當(dāng)羅伊第一次看到休姆斯發(fā)明的裝置，他立刻看出了它的潛力——和局限性。他相信，這項(xiàng)技術(shù)能夠行得通。只不過對于實(shí)際使用的人來說，它太過笨重了。

這個生物人工腎臟是一款緊湊的獨(dú)立設(shè)備，可通過手術(shù)植入患者體內(nèi)，用于治療終末期腎病。它具備天然腎臟絕大多數(shù)的生物功能。

2000年，費(fèi)塞爾加入休姆斯的團(tuán)隊(duì)，開始在密歇根大學(xué)從事腎臟學(xué)研究。羅伊則留在克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心，繼續(xù)研發(fā)心臟病領(lǐng)域的醫(yī)療器械。

但之后的三年中，幾乎每個周四的下午，費(fèi)塞爾都會驅(qū)車三個小時來到羅伊的實(shí)驗(yàn)室，整個周末都泡在那里，只為解決21世紀(jì)一道典型的工程難題：小型化。

他們那時候沒有資金，也沒有人手。

不過，他們趕上了一個好時機(jī)：硅制造技術(shù)的進(jìn)步。

正是這種進(jìn)步讓各種電子產(chǎn)品的屏幕和電池組不斷縮小。

“硅是地球上最完美的人工材料。”羅伊在加州大學(xué)舊金山分校真空封閉無塵室的入口處說道，他手下的研究生就是在這里制造過濾器的。如果他們想得到7納米寬的狹縫，他們每次都能在硅上做出來，誤差率不到1%。

硅質(zhì)過濾器還有另一個優(yōu)點(diǎn)。

由于羅伊和費(fèi)塞爾想打造的是一種小型植入式裝置，他們需要確保患者不會產(chǎn)生免疫反應(yīng)(類似于移植排斥反應(yīng))。堆疊起來的硅質(zhì)過濾器可以充當(dāng)屏風(fēng)，把身體的免疫細(xì)胞隔離在休姆斯培殖的腎細(xì)胞之外，而后者會被嵌入另一側(cè)的微型支架中。唯一能通過它們的只有鹽和廢水，這些東西會被腎細(xì)胞進(jìn)一步濃縮為尿液，然后導(dǎo)向膀胱。

到2007年時，這三位研究人員已經(jīng)取得了足夠大的進(jìn)展，他們提出申請，成功從NIH獲得了三年300萬美元的科研經(jīng)費(fèi)。憑借這筆資金，他們在一個動物模型中，對植入式生物人工腎臟的概念進(jìn)行了驗(yàn)證。

與此同時，他們開始申請第二階段的經(jīng)費(fèi)，這次的金額是1,500萬美元，足以讓他們完成人體臨床試驗(yàn)。

羅伊搬到西部，加入了加州大學(xué)舊金山分校，以便跟灣區(qū)的半導(dǎo)體制造行業(yè)保持更近的距離。費(fèi)塞爾在克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心又為這個項(xiàng)目工作了幾年，之后他去了范德堡大學(xué)。休姆斯則一直留在密歇根大學(xué)，繼續(xù)研究他的那些細(xì)胞。然而，他們的申請沒有通過。在缺乏經(jīng)費(fèi)的情況下，研究工作開始陷入停滯。

不過那個時候，他們的腎臟研究項(xiàng)目已經(jīng)引起了一些人的關(guān)注。

來自世界各地的患者都希望它能成功。

隨后幾年間，這些人開始捐款，一些人寄來5美元的鈔票，也有人簽出了100萬美元的支票。紐約州有一個6歲的小女孩，她的哥哥需要接受透析治療，在征得母親同意后，她在路邊擺了一個攤子賣蔬菜，把收入都捐了出來。

大學(xué)院校也提供了支持，科學(xué)家開始取得更多的進(jìn)展。

他們利用3D打印對新的原型產(chǎn)品進(jìn)行了測試，并利用液壓流體的計算機(jī)模型，對所有部件的組裝方式進(jìn)行了優(yōu)化。他們開始同醫(yī)學(xué)院的外科醫(yī)生合作，以找出裝置的最佳植入步驟。2015年，NIH再次對這個項(xiàng)目產(chǎn)生了興趣，未來四年中計劃投入600萬美元。接著，美國食品藥品管理局(FDA)也產(chǎn)生了興趣。

當(dāng)年秋天，F(xiàn)DA把這個腎臟研究項(xiàng)目納入了一項(xiàng)新的加速審批計劃，該計劃旨在讓患者更快地享受到醫(yī)學(xué)創(chuàng)新成果。

羅伊和費(fèi)塞爾繼續(xù)對設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，而休姆斯的實(shí)驗(yàn)室每周都會寄來低溫冷凍的細(xì)胞，為他們的研究提供幫助。與此同時，F(xiàn)DA的官員指導(dǎo)他們完成了為期兩年的臨床前測試——大部分測試是在豬身上進(jìn)行的，結(jié)果顯示良好。4月，F(xiàn)DA把自家的20位科學(xué)家派到加州，為他們的下一步行動提供建議，也就是人體試驗(yàn)階段。

他們計劃從小部分人做起，也許最多招募10位患者參與人體試驗(yàn)，在此過程中，對硅質(zhì)過濾器材料的安全性進(jìn)行測試。

血液凝結(jié)是最大的擔(dān)憂，所以他們會通過手術(shù)把過濾器植入受試者腹部，為期一個月，以確保不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

如果人體試驗(yàn)進(jìn)展順利，他們將開展后續(xù)研究，確保裝置能夠以設(shè)計好的方式過濾血液。

只有在這一切都完成后，他們才會把過濾器和裝置的生物反應(yīng)器部分(也就是休姆斯培殖的腎細(xì)胞)組合起來，進(jìn)而對人工腎臟的完整功能進(jìn)行測試。

科學(xué)家預(yù)計，他們將在2020年通過監(jiān)管機(jī)構(gòu)的審批，進(jìn)入臨床試驗(yàn)的最后階段。這聽上去或許很快，但他們有一個步驟已經(jīng)提早完成，即招募患者。已有近9,000人加入了該項(xiàng)目的申請人名單，他們都在等待臨床試驗(yàn)獲批后被項(xiàng)目選中。

這些患者之所以愿意承受風(fēng)險，去嘗試“第三種選擇”，是因?yàn)橐环矫?，腎移植手術(shù)對大多數(shù)人來說太過昂貴也太難獲得機(jī)會，另一方面，透析又太過折磨人。

美國國家腎臟基金會首席醫(yī)療官、腎臟科醫(yī)生約瑟夫·瓦薩洛蒂(John Vassalotti)指出，“患者擁有的選擇越多越好”，盡管他本人對這款設(shè)備能否在未來幾年內(nèi)成為現(xiàn)實(shí)持懷疑態(tài)度。

植入式人工腎臟將能大幅提高患者的生活質(zhì)量，而且在治療方式多年未變的情況下，它將成為人們期待已久的創(chuàng)新。

“二戰(zhàn)期間，我們曾經(jīng)認(rèn)為透析是無法實(shí)現(xiàn)的?！蓖咚_洛蒂說，“現(xiàn)在，有50萬美國人正在接受透析治療。短短數(shù)十年所能取得的進(jìn)步是驚人的。”

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