Около десяти процентов населения планеты страдают от той или иной формы заболевания почек – важнейшего элемента для поддержания нашей жизни и здоровья. Почка по сути – это своего рода химический компьютер, который поддерживает стабильность состава крови, предотвращает накопление отходов в организме, стабилизирует электролитический уровень и вырабатывает гормоны, необходимые, чтобы регулировать кровяное давление и производить красные кровяные клетки.

Почки очищают нашу кровь с помощью нефронов, которые по сути являются фильтрами, пропускающими через себя жидкость и продукты жизнедеятельности, при этом блокируя клетки крови, белки и минералы, не позволяя им покидать организм с мочой.

Ученые повсеместно прикладывают большие усилия, чтобы придумать эффективные методы для лечения тяжелых форм почечной недостаточности и помощи пациентам, у которых по тем или иным причинам осталась только одна почка. Идеальным решением стало бы создание полностью работоспособной искусственной почки, но ее невероятно трудно синтетически воссоздать, в том числе и потому, что каждая из почек содержит около миллиона нефронов сложной структуры.

Суть разработки

shutterstock_390909169.jpg

Новая разработка ученых-химиков из Арканзасского университета (США) нацелена на решение именно этой проблемы и делает появление функционирующей искусственной почки ближе еще на один шаг. В новой статье, опубликованной в Nature Communications Materials, авторы подробно описывают созданное ими устройство, которое способно фильтровать кровь подобно биологическим нефронам.

Есть два основных процесса, которые происходят, когда кровь проходит через почки: фильтрационный (клубочковый) и транспортный (нефронный). На первом этапе кластеры кровеносных сосудов, называемые клубочками, пропускают небольшие молекулы, отходы и воду, при этом все нужные организму белки и клетки крови остаются позади. Затем материал, который прошел через этот первый фильтр, попадает в нефронную сеть, где происходят сложные химические процессы фильтрации, основанные на переносе ионов. Учеными уже были предложены методы для моделирования работы первичного фильтра, функции клубочков с использованием мембранной ультрафильтрации, но до сих пор нет известных технологий для моделирования ион-транспортных функций нефрона.

Работа исследователей была сосредоточена именно на втором этапе процесса. Они создали синтетический нефрон (рабочее название AWEDI), в котором между ионообменными пластинами помещается пористая сетка из платины, она служит электродом, и позволяет регулировать ион-обменные процессы в ходе подачи на нее напряжения. С помощью этого устройства ученым удалось смоделировать химические процессы ионной транспортировки в почках, при этом они могли регулировать селективность ионов и скорости переноса. В опубликованной работе продемонстрированы возможности AWEDI с несколькими физиологически значимыми ионами, которые имитируют точный контроль транспортировки ионов почками. Кроме того, благодаря интеграции технологии AWEDI с модулями ультрафильтрации и нанофильтрации, демонстрируется возможность ее внедрения в искусственную почку.

Обозримые перспективы

shutterstock_516703873.jpg

Криста Хестекин, доцент кафедры химической инженерии и ведущий автор статьи, отмечает: «Система может работать как автономное устройство или в сочетании с перитонеальным диализом для контроля химического состава растворов, используемых при лечении. А незначительные модификации устройства могут позволить ему функционировать как носимая и потенциально имплантируемая искусственная почка».

Сотни тысяч человек в разных странах находятся в очереди на пересадку почки. И, хотя полностью функциональная искусственная почка – это долгий проект, ученые постепенно, а самое главное, регулярно, прогрессируют в воссоздании этого жизненно важного органа. Можно представить процесс ее создания как огромную и сложную головоломку, которая состоит из множества микро-деталей. Искусственный нефрон, является лишь ее частью, но очень важной. И таких частей на самом деле уже подобрано немало.

В 2015 году ученые Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса создали при помощи биопечати ткани почек, которые воспроизводили некоторые функции биологических нефронов. В 2016 году группа из Гарвардской лаборатории Льюиса использовала 3D-печать для воссоздания канальцев нефронов с сосудистой сетью для кровотока, но они оставались в живых лишь немногим более двух месяцев. Таким образом, полностью синтетическая природа разработки арканзасской команды могла бы опираться на существующие биологические подходы.

Конечно, учитывая предстоящий объём работы и огромное количество людей, уждающихся в искусственной почке, массово эти искусственно созданные органы появятся еще не скоро, но, когда они появятся, это станет крупнейшим прорывом в современной науке и медицине. А подобные исследования дают нам возможность, рассуждая об этом событии, говорить «когда» вместо «если».

Текст: Юлия Долженкова.