چگونه کلیه مصنوعی و دیالیز مینیاتوری جان میلیون‌ها انسان را نجات خواهد داد؟
مت ریشر در شرکتی نرم‌افزاری مشغول به کار بود و پژوهش‌هایی در زمینه‌ی شبیه‌ساز مسابقات اتومبیل‌رانی انجام می‌داد که آسیب کلیه ناشی‌از بیماری لوپوس، او را مجبور کرد که سه بار در هفته تحت درمان‌های تصفیه‌ی خون قرار گیرد. او در آغاز مصمم بود که اجازه ندهد درمان روی زندگی او تاثیری بگذارد. اما اکنون، پنج سال گذشته است و این جلسات درمانی او را از پای درآورده است. این مرد ۳۳ ساله اکنون به‌صورت پاره‌وقت کار می‌کند. او در روزهای خوب، از آزمایش دستورالعمل‌های جدید در برنامه‌های خود لذت می‌برد. در روزهای بد، لوپوس او شعه‌ور می‌شود و فشار دیالیز بی‌وقفه، رمقی برای او باقی نمی‌گذارد. ریشر که در حوالی سیاتل زندگی می‌کند، می‌گوید:
در روزهای دیالیز، نه زندگی اجتماعی و نه روابط دوستانه‌ای دارم و در اتاقم گوشه‌نشین می‌شوم.
البته ریشر نسبتا خوش‌شانس است. او به درمان دسترسی دارد درحالی‌که در جهان هر ساله ۷ میلیون نفر بدون دسترسی به چنین درمان‌هایی از دنیا می‌روند. اما ریشر که عضو هیئت مشاوره بیمار در مرکز نوآوری دیالیز سیاتل (CDI) است، بی‌صبرانه منتظر گزینه‌ی بهتری نسبت‌به دیالیز است که حدود ۵۰ سال است به همان وضعیت مانده است.
دیالیز کلیه برای بیماران، ناکارآمد و طاقت‌فرسا است
بادی رتنر، از مدیران CDI می‌گوید به هر مرکز درمانی بروید، دستگاهی بزرگ کنار تختخواب فردی که تحت دیالیز قرار دارد، می‌بینید. او توضیح می‌دهد که این روزها این سیستم به صفحات نمایش LCD و کنترل‌های مدرن مجهز شده است اما به تصاویر دهه‌ی ۱۹۶۰ آن‌ها نگاه کنید. آن‌ها همچنان مانند حالت قبل هستند. نرخ ماندگاری افزایش یافته است اما هنوز فقط ۴۲ درصد از بیماران آمریکایی به رایج‌ترین فرم درمان یعنی همودیالیز دسترسی دارند.
رتنر یکی از اعضای گروهی بین‌المللی از پزشکان، متخصصان مهندسی زیستی و کارآفرینان است که در تلاش هستند درمان نارسایی کلیه را متحول کنند و دستگاه‌هایی را طراحی کنند که بتوان به‌راحتی آن‌ها را حمل کرد و به محل کار برد یا بتوان آن‌ها را دور کمر بست. برخی از آن‌ها حتی درحال توسعه‌ی کلیه‌های مصنوعی هستند که بتوان آن‌ها را به بدن بیمار پیوند زد.
البته این نوآوری‌ها با پیچیدگی‌هایی همراه است. دیالیز به طور ضعیفی از عملکرد پیچیده‌ی کلیه‌ی انسان تقلید می‌کند و توسعه‌ی نسخه‌های پیشرفته و قابل حمل‌تر به کوچک‌تر شدن اجزا و کاهش قابل‌توجه در مقدار آب لازم برای این فرایند، نیاز دارد. علاوهبراین، هر رویکردی که در آن از مواد بیولوژیکی استفاده شود، با موانع نظارتی شدیدی نیز روبه‌رو خواهد شد.
در برخی کشورها دولت بودجه‌ای برای پژوهش در زمینه‌ی درمان‌های جدید نارسایی کلیه اختصاص داده است. برای مثال در کشور آمریکا، سال گذشته دولت ترامپ یک دستورالعمل اجرایی را درمورد سلامت کلیه‌ها صادر کرد که شامل استراتژی‌هایی برای کاهش کمبود کلیه‌های موجود برای پیوند، تشویق دیالیز بیشتر در خانه و تشویق پژوهش در زمینه‌ی کلیه‌های مصنوعی در قالب همکاری به نام کیدنی ایکس (KidneyX) می‌شد. همکاری مذکور تحت هدایت دولت آمریکا و انجمن نفرولوژی آمریکا انجام می‌شود و قصد دارد طی ۵ سال آینده ۲۵۰ میلیون دلار جمع‌آوری کند. سال گذشته، درمجموع ۱/۱ میلیون دلار به ۱۵ گروه پژوهشی آمریکایی اعطا شد تا درزمینه‌های مختلفی مانند طراحی دستگاه‌های دیالیز پوشیدنی و پیوند کلیه‌ی ساخته‌شده ازطریق مهندسی زیستی، فعالیت کنند.
در سرتاسر جهان، کارآزمایی‌های بالینی درزمینه‌ی دستگاه‌های قابل‌حمل درحال پیشرفت است و پژوهشگران درحال تکمیل یک رویکرد مبتنی‌بر فناوری سطح پایین هستند که امیدوارند به مناطقی از جهان برسد که در آن آب سالم و مطمئن موجود نیست و دیالیز کمیاب است. تمامی این تلاش‌ها درمقایسه‌با هزینه‌ی سنگینی که صرف درمان افرادی می‌شود که دچار بیماری کلیوی مراحل آخر هستند، قطره‌ای در دریا است.
اما این حوزه از علم درحال رشد است. جان سدور، نفرولوژیست کلینیک کلیولند در اوهایو که ریاست کمیته هدایت کیدنی ایکس را برعهده دارد، پیش‌بینی می‌کند که طی ۵ سال آینده، یک دستگاه بسیار قابل حمل‌تر در دسترس قرار خواهد گرفت و نخستین دستگاه پوشیدنی نیز طی دهه‌ی آینده معرفی خواهد شد. والری لوکس، نفرولوژیست بیمارستانی در سوئیس که بار جهانی بیماری‌های کلیوی را مورد مطالعه قرار می‌دهد، با اشاره به این موضوع که این نوآوری با تاخیر زیادی درحال رسیدن است می‌گوید دیالیز یک صنعت چند میلیارد دلاری است که از اوایل دهه‌ی ۱۹۶۰ چند میلیارد دلار سود داشته است و هیچ‌کس به خود زحمت تلاش برای نوآوری را نداده است.
دستگاه‌های دیالیز هنوز از همان فناوری ۵۰ سال پیش استفاده می‌کنند
یک اندام هوشمند
کلیه‌ها اندام‌های پیچیده و انعطاف‌پذیری هستند که اندازه‌ی هرکدام تقریبا به‌اندازه‌ی یک مشت است. آن‌ها هر روز حدود ۱۴۰ لیتر خون را تصفیه می‌کنند و یکی دو لیتر آب و مواد زائد را به‌صورت ادرار برجای می‌گذارند. هر کلیه حالت شبکه‌مانندی دارد که از حدود یک میلیون واحد تصفیه‌کننده‌ی کوچک به نام نفرون تشکیل شده است. خونی که وارد نفرون می‌شود، از مجموعه عروق ریزی به نام گلومرول می‌گذرد. دیواره‌های نازک گلومرول به آب و دیگر مولکول‌های کوچک اجازه ی عبور می‌دهد درحالی‌که مانع‌از عبور مولکول‌های بزرگ‌تری مانند پروتئین‌ها و سلول‌های خونی می‌شود. مایع تصفیه‌شده در لوله‌های کلیوی جریان پیدا می‌کند و در آن مسیر تعادل مواد معدنی، آب، نمک‌ها و گلوکز برقرار می‌شود و مولکول‌های مورد نیاز برای عملکردهای بدن بازجذب و وارد جریان خون می‌شوند.
بسیاری از بیماری‌ها و مشکلات جسمی مانند دیابت، چاقی و فشار خون بالا بر کلیه‌ها فشار می‌آورند و میزان شیوع این وضعیت‌ها درحال افزایش است. پیش‌بینی شده است که تا سال ۲۰۳۰، ۵/۴ میلیون نفر در سرتاسر جهان تحت دیالیز بوده یا پیوند کلیه دریافت کنند و بسیاری مردم نیز بدون دسترسی به این درمان‌ها از دنیا خواهند رفت.
برای انجام همودیالیز، بیماران معمولا باید به یک کلینیک بروند و در آن جا به دستگاهی متصل شوند که بیش از ۱۰۰ کیلوگرم وزن دارد و خون بیمار را ازطریق غشای نیمه‌تراوایی تصفیه می‌کند. برای برقراری تعادل مجدد اجزای خون و خارج کردن سموم، از محلول دیالیز مبتنی‌بر آب استفاده می‌شود.
جاناتان هیملفارب، مدیر دیگر CDI می‌گوید عملکرد همودیالیز در تصفیه بهتر از عملکرد آن در تنظیم مجدد اجزای خون است. او می‌گوید کلیه‌های سالم در تمام طول شبانه‌روز به انجام تنظیمات ظریف مشغول‌اند درحالی‌که بیماران فقط ۱۲ ساعت دیالیز را طی ۳ جلسه در هر هفته دریافت می‌کنند. برقراری ناگهانی تعادل مجدد اجزای خون می‌تواند شوکی برای بدن باشد و بازیابی از آن چندین ساعت طول بکشد. این دوره، دوره پاک‌سازی دیالیز نامیده می‌شود. ریشر که برای انجام دیالیز باید مسافتی را طی کند، اغلب در راه بازگشت به خانه خوابش می‌برد. این درمان ناکارآمد همچین بسیار هزینه‌بر است. در این روش، علاوهبراین که آب زیادی مصرف می‌شود، مقدار زیادی انرژی و پلاستیک نیز مورد مصرف قرار می‌گیرد. سدور می‌گوید:
ما از مقادیر زیادی آب استفاده می‌کنیم، این یک روش درمانی سبز نیست.
علاوهبراین، دسترسی به چنین درمان‌هایی در مناطق مختلف جهان یکنواخت نیست. حدود یک‌سوم از بیماران در کشورهای آسیایی تحت دیالیز قرار می‌گیرند و این نسبت در آفریقا از این هم کمتر است. حتی هنگامی که بیماران در آفریقای سیاه درمان را آغاز می‌کنند، به‌ندرت می‌توانند این رویه‌ی درمانی را ادامه دهند. علت اصلی، هزینه است. گلوریا آشونتانتانگ، نفرولوژیست بیمارستان عمومی یائونده در کامرون می‌گوید حتی وقتی دولت هزینه‌ی این جلسات درمانی را پرداخت می‌کند، خانواده‌ی بیمار اغلب باید هزینه‌هایی مانند هزینه‌ی آزمایش‌ها و داروها و موارد دیگر را بپردازد. بیشتر بیماران پس از اینکه تمام اموال خود را فروخته و کودکان آن‌ها مجبور به ترک مدرسه شده‌اند، درمان را در نیمه‌ی راه رها کرده‌اند.
موری شلدون، یکی از مسئولین سازمان غذا و داروی آمریکا می‌گوید انگیزه‌ای برای بهبود این رویه وجود نداشته است، تا‌حدی به این خاطر که این روش درمانی برای ارائه‌دهندگان دیالیز در سرتاسر جهان بسیار سودآور است و آن‌ها نیازی برای نوآوری نمی‌بینند. برد پافر، سخنگوی شرکت فرزنیوس مدیکال کر در والتم ماساچوست می‌گوید که شرکت وی درحال سرمایه‌گذاری روی پیشرفت‌هایی ازجمله طراحی یک دستگاه همودیالیز است که حاوی ماده‌ای باشد که موجب کاهش لخته‌شدن خون شود. لخته‌شدن خون یکی از عوارض جانبی است که بیماران باید برای پیشگیری از آن دارو مصرف کنند.
کلیه در کوله‌پشتی
هیملفارب می‌گوید یکی از مشکلات بزرگ دیالیز مدرن این است که دستگاه‌ها نیاز به مقادیر زیادی آب دارند: ۱۲۰ تا ۱۸۰ لیتر آب برای هر جلسه‌ی چهار ساعته. بدیهی است که کسی نمی‌تواند آن را با خود حمل کند چرا وزن بالایی دارد. چندین مدل خانگی باعنوان دستگاه‌های قابل‌حمل وارد بازار شده‌اند: فرزنیوس دستگاهی را می‌فروشد که می‌گوید امکان تحرک بیشتری برای بیمار فراهم می‌کند. وزن این دستگاه ۳۴ کیلوگرم است و تا زمانی که آب شیر از استانداردهای کیفی خاص برخوردار باشد، می‌توان از آن برای تامین آب مورد نیاز دستگاه استفاده کرد. اما اولویت نخست برای راحت‌تر کردن دیالیز آن است که نیاز به منبع آب خارجی برطرف شود.
در سیاتل، پژوهشگران CDI تکنیکی را توسعه داده‌اند که محلول دیالیز مورد استفاده را از کارتریجی عبور می‌دهد که از نور برای تبدیل اوره به نیتروژن و کربن‌دی‌کسید استفاده می‌کند بنابراین، محلول قابل بازیافت می‌شود. هیملفارب می‌گوید این روش می‌تواند ۱۵ گرم اوره را طی ۲۴ ساعت حذف کند که برای بیشتر افراد دچار نارسایی کلیه کافی است و تنها نیاز به ۷۵۰ میلی‌لیتر محلول دارد. به‌گفته‌ی او، دستگاه همودیالیز آن‌ها می‌تواند به‌اندازه‌ای جمع‌و‌جور ساخته شود تا درون یک چمدان جا داده شود. وزن دستگاه مذکور بیش از ۹ کیلوگرم نیست و بیماران می‌توانند به‌طور روزانه از آن استفاده کنند.
گروه دیگری که درحال تلاش برای کاهش اندازه‌ی سیستم دیالیز هستند، اخیرا با مشارکت بنیاد کلیه هلند، شرکت تجهیزات پزشکی دبایوتک در لوزان سوئیس و بیمه‌گذاران غیرانتفاعی تشکیل شده‌اند. به‌گفته‌ی تان رابلینک، نفرولوژیست مرکز پزشکی دانشگاه لیدن در هلند که در هیئت مشاوره پزشکی شرکت است، جدیدترین نمونه‌ی آن‌ها که انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۳ در دسترس بیماران قرار گیرد، حدود ۱۰ کیلوگرم وزن داشته و فقط به ۶ لیتر محلول نیاز دارد. رابلینک می‌گوید این دستگاه که در خانه قابل استفاده خواهد بود، مقدار محلول مورد نیاز دیالیز را با استفاده از ماده‌ی جاذبی برای جذب سموم، کاهش می‌دهد.
در کشور سنگاپور، پژوهشگران شرکت فناوری پزشکی AWAK درحال آزمایش دستگاه سبک‌تری هستند که بیشتر از ۳ کیلوگرم وزن ندارد. این دستگاه برای دیالیز صفاقی طراحی شده است. دیالیز صفاقی تکنیکی است که در آن برای فرستادن محلول دیالیز به حفره‌ی شکمی از یک کاتتر استفاده می‌شود. در آن جا، صفاق سموم را از خون تصفیه می‌کند و مواد زائد همراه با محلول درون یک کیسه‌ی خالی تخلیه می‌شود. در این دستگاه برای جذب سموم از محلول از یک پمپ و یک کارتریج استفاه می‌شود و محلول حاصل مجددا به گردش در می‌آید. هر درمان روزانه ۷ تا ۱۰ ساعت طول می‌کشد. این شرکت در سال ۲۰۱۸، یک کارآزمایی ایمنی را که شامل ۱۵ فرد بالغ بوده، در بیمارستان عمومی سنگاپور کامل کرد. براساس گزارش آن‌ها، هیچ عارضه‌ی جدی مشاهده نشد اگرچه برخی بیماران دچار ناراحتی شکمی یا نفخ شدند.
برای ایجاد یک کلیه‌ی مصنوعی بیولوژیکی، سلول‌های کلیه خوک حذف شده و با سلول‌های انسانی پر می‌شود
ارشیا غفاری، پژوهشگری که خدمات دیالیز را در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی در لس‌آنجلس هدایت می‌کند، می‌گوید آزمایش دستگاه در شرایط کنترل‌شده‌ی بیمارستان با استفاده از آن در زندگی روزمره بسیار متفاوت است. او می‌گوید علاوهبراین، این امکان وجود دارد که چرخش دائمی محلول دیالیز بر غشاهای نازک فشار آورده و صفاق را از کار بیندازد. یک سخنگوی شرکت در رابطه‌با این نگرانی توضیح می‌دهد که مایع در مقادیر کم و هر بار در حد ۲۵۰ میلی‌لیتر به گردش درمی‌آید.
در برخی مناطق جهان، دیالیز صفاقی به دلیل هزینه‌های حمل و‌نقل کیسه‌های سنگین محلول میسر نیست. رقابتی بین‌المللی تحت هدایت موسسه‌ی بهداشت جهانی جورج در کامپرداون استرالیا در سال ۲۰۱۵ به دنبال راه‌هایی برای بهبود دسترسی بود. فناوری برنده که به‌وسیله‌ی یک مهندس ایرلندی به نام وینسنت گاروی ساخته شد، یک کیت سبک وزن را ضمیمه می‌کند که شامل کیسه‌های استریل حاوی یک مخلوط خشک (دکستروز و نمک‌ها) همراه با یک دستگاه تقطیر آب کوچک است که آب مورد استفاده برای تهیه‌ی مخلوط را استریل می‌کند. جان نایت، مدیر شرکت دستگاه‌های پزشکی الن در کامپرداون که با هدف توسعه‌ی نمونه‌ی اولیه این دستگاه تشکیل شد، می‌گوید لوازم مورد نیاز برای یک ماه در یک جعبه‌ی ۳ کیلوگرمی حمل می‌شود که نسبت‌به حالت معمول که لوازم مورد نیاز یک روز ۸ کیلوگرم وزن دارد، پیشرفت قابل‌توجهی محسوب می‌شود.
بازتولید کلیه
پژوهشگرانی در دانشگاه کالیفرنیا (UCSF) و دانشگاه واندربیلت در نشویل، دستگاه‌های خارجی را کنار گذاشته و به‌جای آن بر توسعه‌ی نمونه‌ی اولیه‌ای از کلیه تمرکز کرده‌اند که بتوان ازطریق جراحی آن را به بدن بیمار پیوند زد. ویلیام فیسل، نفرولوژیست دانشگاه واندربیلت می‌گوید این دستگاه نیازی به پمپ ندارد زیرا به شریان‌های اصلی متصل شده و از فشار خون نیرو می‌گیرد. دستگاه مذکور شامل دو بخش است: سیستم تصفیه خون و ماژول تنظیم مجدد. فیلتر به کار رفته در آن، از غشاهای سیلیکونی حاوی منافذ نانومتری ساخته شده که با هدف تقلید عمل گلومرول طراحی شده است. فیسل می‌گوید ماژول تنظیم مجدد برای ایجاد تعادل مجدد اجزای خون، از سلول‌های توبول کلیه‌ی دورانداخته شده‌ی انسان استفاده می‌کند.
در اواخر سال گذشته، پژوهشگران در جلسه انجمن نفرولوژی آمریکا گزارش کردند که نخستین آزمایش ایمنی ماژول تنظم مجدد را در خوک‌ها انجام داده‌اند و هیچ‌یک از مشکلات جدی نظیر واکنش ایمنی یا لخته‌ی خون که اغلب درمورد دستگاه‌های کاشتنی دیده می‌شود، مشاهده نشده است.
نفرولوژیست‌ها در سانفرانسیسکو برخی از اجزای این کلیه‌ی مصنوعی را در حیوانات آزمایش کرده و امیدوارند روزی بتوانند این کلیه مصنوعی را به بدن بیماران پیوند بزنند
رابلینک فکر می‌کند با توجه به این که دستگاه‌های کاشتنی متکی‌بر ترکیب اجزای مهندسی‌شده و بیولوژیکی هستند و طراحی را پیچیده‌تر کرده و موانع مقرراتی دیگری ایجاد می‌کنند، توسعه‌ی آن‌ها دشوار است. در همین حین، او ادعا می‌کند که پیشرفت در پژوهش‌های سلول‌های بنیادی ممکن است از چنین تلاش‌هایی پیشی بگیرد. اما فیسل به این مساله اشاره می‌کند که تکنیک‌های سلول‌های بنیادی در زمینه‌های دیگری مانند درمان دیابت موفق نبوده‌اند، درحالی‌که دستگاه‌هایی مانند دستگاه‌های پمپ خودکار انسولین این مسیر را طی کرده‌اند.
فیسل مانع اصلی پروژه را تامین بودجه کافی برای ساخت دستگاهی توصیف می‌کند که بتواند به‌وسیله‌ی تنظیم‌کنندگان آمریکایی مورد ارزیابی قرار گیرد. در شرایطی که برخی از گروه‌ها به کار خود اعتماد دارند، شلدون فکر می‌کند بازسازی پیچیدگی‌های کلیه برای یک گروه واحد بسیار دشوار است و احتمالا به ترکیبی از مهندسی و بیولوژی و نیز سرمایه‌ی بیشتری نیاز دارد. او ایده‌ی تشکیل یک ائتلاف بین‌المللی را در نشست سال گذشته‌ی انجمن نفرولوژی آمریکا مطرح کرد و قرار است اواخر سال جاری نشست‌هایی با حضور گروه‌های پژوهشی و گروه‌های ذینفع برگزار شود. او می‌گوید برای بیمارانی مانند ریشر، دسترسی به هر نوع دستگاه قابل‌حملی می‌تواند به‌معنای آزادی باشد و به آن‌ها این امکان را می‌دهد که هر زمان می‌خواهند دیالیز کنند.