چگونه كليه مصنوعي و دياليز مينياتوري جان ميليون‌ها انسان را نجات خواهد داد؟
مت ريشر در شركتي نرم‌افزاري مشغول به كار بود و پژوهش‌هايي در زمينه‌ي شبيه‌ساز مسابقات اتومبيل‌راني انجام مي‌داد كه آسيب كليه ناشي‌از بيماري لوپوس، او را مجبور كرد كه سه بار در هفته تحت درمان‌هاي تصفيه‌ي خون قرار گيرد. او در آغاز مصمم بود كه اجازه ندهد درمان روي زندگي او تاثيري بگذارد. اما اكنون، پنج سال گذشته است و اين جلسات درماني او را از پاي درآورده است. اين مرد ۳۳ ساله اكنون به‌صورت پاره‌وقت كار مي‌كند. او در روزهاي خوب، از آزمايش دستورالعمل‌هاي جديد در برنامه‌هاي خود لذت مي‌برد. در روزهاي بد، لوپوس او شعه‌ور مي‌شود و فشار دياليز بي‌وقفه، رمقي براي او باقي نمي‌گذارد. ريشر كه در حوالي سياتل زندگي مي‌كند، مي‌گويد:
در روزهاي دياليز، نه زندگي اجتماعي و نه روابط دوستانه‌اي دارم و در اتاقم گوشه‌نشين مي‌شوم.
البته ريشر نسبتا خوش‌شانس است. او به درمان دسترسي دارد درحالي‌كه در جهان هر ساله ۷ ميليون نفر بدون دسترسي به چنين درمان‌هايي از دنيا مي‌روند. اما ريشر كه عضو هيئت مشاوره بيمار در مركز نوآوري دياليز سياتل (CDI) است، بي‌صبرانه منتظر گزينه‌ي بهتري نسبت‌به دياليز است كه حدود ۵۰ سال است به همان وضعيت مانده است.
دياليز كليه براي بيماران، ناكارآمد و طاقت‌فرسا است
بادي رتنر، از مديران CDI مي‌گويد به هر مركز درماني برويد، دستگاهي بزرگ كنار تختخواب فردي كه تحت دياليز قرار دارد، مي‌بينيد. او توضيح مي‌دهد كه اين روزها اين سيستم به صفحات نمايش LCD و كنترل‌هاي مدرن مجهز شده است اما به تصاوير دهه‌ي ۱۹۶۰ آن‌ها نگاه كنيد. آن‌ها همچنان مانند حالت قبل هستند. نرخ ماندگاري افزايش يافته است اما هنوز فقط ۴۲ درصد از بيماران آمريكايي به رايج‌ترين فرم درمان يعني همودياليز دسترسي دارند.
رتنر يكي از اعضاي گروهي بين‌المللي از پزشكان، متخصصان مهندسي زيستي و كارآفرينان است كه در تلاش هستند درمان نارسايي كليه را متحول كنند و دستگاه‌هايي را طراحي كنند كه بتوان به‌راحتي آن‌ها را حمل كرد و به محل كار برد يا بتوان آن‌ها را دور كمر بست. برخي از آن‌ها حتي درحال توسعه‌ي كليه‌هاي مصنوعي هستند كه بتوان آن‌ها را به بدن بيمار پيوند زد.
البته اين نوآوري‌ها با پيچيدگي‌هايي همراه است. دياليز به طور ضعيفي از عملكرد پيچيده‌ي كليه‌ي انسان تقليد مي‌كند و توسعه‌ي نسخه‌هاي پيشرفته و قابل حمل‌تر به كوچك‌تر شدن اجزا و كاهش قابل‌توجه در مقدار آب لازم براي اين فرايند، نياز دارد. علاوهبراين، هر رويكردي كه در آن از مواد بيولوژيكي استفاده شود، با موانع نظارتي شديدي نيز روبه‌رو خواهد شد.
در برخي كشورها دولت بودجه‌اي براي پژوهش در زمينه‌ي درمان‌هاي جديد نارسايي كليه اختصاص داده است. براي مثال در كشور آمريكا، سال گذشته دولت ترامپ يك دستورالعمل اجرايي را درمورد سلامت كليه‌ها صادر كرد كه شامل استراتژي‌هايي براي كاهش كمبود كليه‌هاي موجود براي پيوند، تشويق دياليز بيشتر در خانه و تشويق پژوهش در زمينه‌ي كليه‌هاي مصنوعي در قالب همكاري به نام كيدني ايكس (KidneyX) مي‌شد. همكاري مذكور تحت هدايت دولت آمريكا و انجمن نفرولوژي آمريكا انجام مي‌شود و قصد دارد طي ۵ سال آينده ۲۵۰ ميليون دلار جمع‌آوري كند. سال گذشته، درمجموع ۱/۱ ميليون دلار به ۱۵ گروه پژوهشي آمريكايي اعطا شد تا درزمينه‌هاي مختلفي مانند طراحي دستگاه‌هاي دياليز پوشيدني و پيوند كليه‌ي ساخته‌شده ازطريق مهندسي زيستي، فعاليت كنند.
در سرتاسر جهان، كارآزمايي‌هاي باليني درزمينه‌ي دستگاه‌هاي قابل‌حمل درحال پيشرفت است و پژوهشگران درحال تكميل يك رويكرد مبتني‌بر فناوري سطح پايين هستند كه اميدوارند به مناطقي از جهان برسد كه در آن آب سالم و مطمئن موجود نيست و دياليز كمياب است. تمامي اين تلاش‌ها درمقايسه‌با هزينه‌ي سنگيني كه صرف درمان افرادي مي‌شود كه دچار بيماري كليوي مراحل آخر هستند، قطره‌اي در دريا است.
اما اين حوزه از علم درحال رشد است. جان سدور، نفرولوژيست كلينيك كليولند در اوهايو كه رياست كميته هدايت كيدني ايكس را برعهده دارد، پيش‌بيني مي‌كند كه طي ۵ سال آينده، يك دستگاه بسيار قابل حمل‌تر در دسترس قرار خواهد گرفت و نخستين دستگاه پوشيدني نيز طي دهه‌ي آينده معرفي خواهد شد. والري لوكس، نفرولوژيست بيمارستاني در سوئيس كه بار جهاني بيماري‌هاي كليوي را مورد مطالعه قرار مي‌دهد، با اشاره به اين موضوع كه اين نوآوري با تاخير زيادي درحال رسيدن است مي‌گويد دياليز يك صنعت چند ميليارد دلاري است كه از اوايل دهه‌ي ۱۹۶۰ چند ميليارد دلار سود داشته است و هيچ‌كس به خود زحمت تلاش براي نوآوري را نداده است.
دستگاه‌هاي دياليز هنوز از همان فناوري ۵۰ سال پيش استفاده مي‌كنند
يك اندام هوشمند
كليه‌ها اندام‌هاي پيچيده و انعطاف‌پذيري هستند كه اندازه‌ي هركدام تقريبا به‌اندازه‌ي يك مشت است. آن‌ها هر روز حدود ۱۴۰ ليتر خون را تصفيه مي‌كنند و يكي دو ليتر آب و مواد زائد را به‌صورت ادرار برجاي مي‌گذارند. هر كليه حالت شبكه‌مانندي دارد كه از حدود يك ميليون واحد تصفيه‌كننده‌ي كوچك به نام نفرون تشكيل شده است. خوني كه وارد نفرون مي‌شود، از مجموعه عروق ريزي به نام گلومرول مي‌گذرد. ديواره‌هاي نازك گلومرول به آب و ديگر مولكول‌هاي كوچك اجازه ي عبور مي‌دهد درحالي‌كه مانع‌از عبور مولكول‌هاي بزرگ‌تري مانند پروتئين‌ها و سلول‌هاي خوني مي‌شود. مايع تصفيه‌شده در لوله‌هاي كليوي جريان پيدا مي‌كند و در آن مسير تعادل مواد معدني، آب، نمك‌ها و گلوكز برقرار مي‌شود و مولكول‌هاي مورد نياز براي عملكردهاي بدن بازجذب و وارد جريان خون مي‌شوند.
بسياري از بيماري‌ها و اشكالات جسمي مانند ديابت، چاقي و فشار خون بالا بر كليه‌ها فشار مي‌آورند و ميزان شيوع اين وضعيت‌ها درحال افزايش است. پيش‌بيني شده است كه تا سال ۲۰۳۰، ۵/۴ ميليون نفر در سرتاسر جهان تحت دياليز بوده يا پيوند كليه دريافت كنند و بسياري مردم نيز بدون دسترسي به اين درمان‌ها از دنيا خواهند رفت.
براي انجام همودياليز، بيماران معمولا بايد به يك كلينيك بروند و در آن جا به دستگاهي متصل شوند كه بيش از ۱۰۰ كيلوگرم وزن دارد و خون بيمار را ازطريق غشاي نيمه‌تراوايي تصفيه مي‌كند. براي برقراري تعادل مجدد اجزاي خون و خارج كردن سموم، از محلول دياليز مبتني‌بر آب استفاده مي‌شود.
جاناتان هيملفارب، مدير ديگر CDI مي‌گويد عملكرد همودياليز در تصفيه بهتر از عملكرد آن در تنظيم مجدد اجزاي خون است. او مي‌گويد كليه‌هاي سالم در تمام طول شبانه‌روز به انجام تنظيمات ظريف مشغول‌اند درحالي‌كه بيماران فقط ۱۲ ساعت دياليز را طي ۳ جلسه در هر هفته دريافت مي‌كنند. برقراري ناگهاني تعادل مجدد اجزاي خون مي‌تواند شوكي براي بدن باشد و بازيابي از آن چندين ساعت طول بكشد. اين دوره، دوره پاك‌سازي دياليز ناميده مي‌شود. ريشر كه براي انجام دياليز بايد مسافتي را طي كند، اغلب در راه بازگشت به خانه خوابش مي‌برد. اين درمان ناكارآمد همچين بسيار هزينه‌بر است. در اين روش، علاوهبراين كه آب زيادي مصرف مي‌شود، مقدار زيادي انرژي و پلاستيك نيز مورد مصرف قرار مي‌گيرد. سدور مي‌گويد:
ما از مقادير زيادي آب استفاده مي‌كنيم، اين يك روش درماني سبز نيست.
علاوهبراين، دسترسي به چنين درمان‌هايي در مناطق مختلف جهان يكنواخت نيست. حدود يك‌سوم از بيماران در كشورهاي آسيايي تحت دياليز قرار مي‌گيرند و اين نسبت در آفريقا از اين هم كمتر است. حتي هنگامي كه بيماران در آفريقاي سياه درمان را آغاز مي‌كنند، به‌ندرت مي‌توانند اين رويه‌ي درماني را ادامه دهند. علت اصلي، هزينه است. گلوريا آشونتانتانگ، نفرولوژيست بيمارستان عمومي يائونده در كامرون مي‌گويد حتي وقتي دولت هزينه‌ي اين جلسات درماني را پرداخت مي‌كند، خانواده‌ي بيمار اغلب بايد هزينه‌هايي مانند هزينه‌ي آزمايش‌ها و داروها و موارد ديگر را بپردازد. بيشتر بيماران پس از اينكه تمام اموال خود را فروخته و كودكان آن‌ها مجبور به ترك مدرسه شده‌اند، درمان را در نيمه‌ي راه رها كرده‌اند.
موري شلدون، يكي از مسئولين سازمان غذا و داروي آمريكا مي‌گويد انگيزه‌اي براي بهبود اين رويه وجود نداشته است، تا‌حدي به اين خاطر كه اين روش درماني براي ارائه‌دهندگان دياليز در سرتاسر جهان بسيار سودآور است و آن‌ها نيازي براي نوآوري نمي‌بينند. برد پافر، سخنگوي شركت فرزنيوس مديكال كر در والتم ماساچوست مي‌گويد كه شركت وي درحال سرمايه‌گذاري روي پيشرفت‌هايي ازجمله طراحي يك دستگاه همودياليز است كه حاوي ماده‌اي باشد كه موجب كاهش لخته‌شدن خون شود. لخته‌شدن خون يكي از عوارض جانبي است كه بيماران بايد براي پيشگيري از آن دارو مصرف كنند.
كليه در كوله‌پشتي
هيملفارب مي‌گويد يكي از اشكالات بزرگ دياليز مدرن اين است كه دستگاه‌ها نياز به مقادير زيادي آب دارند: ۱۲۰ تا ۱۸۰ ليتر آب براي هر جلسه‌ي چهار ساعته. بديهي است كه كسي نمي‌تواند آن را با خود حمل كند چرا وزن بالايي دارد. چندين مدل خانگي باعنوان دستگاه‌هاي قابل‌حمل وارد بازار شده‌اند: فرزنيوس دستگاهي را مي‌فروشد كه مي‌گويد امكان تحرك بيشتري براي بيمار فراهم مي‌كند. وزن اين دستگاه ۳۴ كيلوگرم است و تا زماني كه آب شير از استانداردهاي كيفي خاص برخوردار باشد، مي‌توان از آن براي تامين آب مورد نياز دستگاه استفاده كرد. اما اولويت نخست براي راحت‌تر كردن دياليز آن است كه نياز به منبع آب خارجي برطرف شود.
در سياتل، پژوهشگران CDI تكنيكي را توسعه داده‌اند كه محلول دياليز مورد استفاده را از كارتريجي عبور مي‌دهد كه از نور براي تبديل اوره به نيتروژن و كربن‌دي‌كسيد استفاده مي‌كند بنابراين، محلول قابل بازيافت مي‌شود. هيملفارب مي‌گويد اين روش مي‌تواند ۱۵ گرم اوره را طي ۲۴ ساعت حذف كند كه براي بيشتر افراد دچار نارسايي كليه كافي است و تنها نياز به ۷۵۰ ميلي‌ليتر محلول دارد. به‌گفته‌ي او، دستگاه همودياليز آن‌ها مي‌تواند به‌اندازه‌اي جمع‌و‌جور ساخته شود تا درون يك چمدان جا داده شود. وزن دستگاه مذكور بيش از ۹ كيلوگرم نيست و بيماران مي‌توانند به‌طور روزانه از آن استفاده كنند.
گروه ديگري كه درحال تلاش براي كاهش اندازه‌ي سيستم دياليز هستند، اخيرا با مشاركت بنياد كليه هلند، شركت تجهيزات پزشكي دبايوتك در لوزان سوئيس و بيمه‌گذاران غيرانتفاعي تشكيل شده‌اند. به‌گفته‌ي تان رابلينك، نفرولوژيست مركز پزشكي دانشگاه ليدن در هلند كه در هيئت مشاوره پزشكي شركت است، جديدترين نمونه‌ي آن‌ها كه انتظار مي‌رود تا سال ۲۰۲۳ در دسترس بيماران قرار گيرد، حدود ۱۰ كيلوگرم وزن داشته و فقط به ۶ ليتر محلول نياز دارد. رابلينك مي‌گويد اين دستگاه كه در خانه قابل استفاده خواهد بود، مقدار محلول مورد نياز دياليز را با استفاده از ماده‌ي جاذبي براي جذب سموم، كاهش مي‌دهد.
در كشور سنگاپور، پژوهشگران شركت فناوري پزشكي AWAK درحال آزمايش دستگاه سبك‌تري هستند كه بيشتر از ۳ كيلوگرم وزن ندارد. اين دستگاه براي دياليز صفاقي طراحي شده است. دياليز صفاقي تكنيكي است كه در آن براي فرستادن محلول دياليز به حفره‌ي شكمي از يك كاتتر استفاده مي‌شود. در آن جا، صفاق سموم را از خون تصفيه مي‌كند و مواد زائد همراه با محلول درون يك كيسه‌ي خالي تخليه مي‌شود. در اين دستگاه براي جذب سموم از محلول از يك پمپ و يك كارتريج استفاه مي‌شود و محلول حاصل مجددا به گردش در مي‌آيد. هر درمان روزانه ۷ تا ۱۰ ساعت طول مي‌كشد. اين شركت در سال ۲۰۱۸، يك كارآزمايي ايمني را كه شامل ۱۵ فرد بالغ بوده، در بيمارستان عمومي سنگاپور كامل كرد. براساس گزارش آن‌ها، هيچ عارضه‌ي جدي مشاهده نشد اگرچه برخي بيماران دچار ناراحتي شكمي يا نفخ شدند.
براي ايجاد يك كليه‌ي مصنوعي بيولوژيكي، سلول‌هاي كليه خوك حذف شده و با سلول‌هاي انساني پر مي‌شود
ارشيا غفاري، پژوهشگري كه خدمات دياليز را در دانشگاه كاليفرنياي جنوبي در لس‌آنجلس هدايت مي‌كند، مي‌گويد آزمايش دستگاه در شرايط كنترل‌شده‌ي بيمارستان با استفاده از آن در زندگي روزمره بسيار متفاوت است. او مي‌گويد علاوهبراين، اين امكان وجود دارد كه چرخش دائمي محلول دياليز بر غشاهاي نازك فشار آورده و صفاق را از كار بيندازد. يك سخنگوي شركت در رابطه‌با اين نگراني توضيح مي‌دهد كه مايع در مقادير كم و هر بار در حد ۲۵۰ ميلي‌ليتر به گردش درمي‌آيد.
در برخي مناطق جهان، دياليز صفاقي به دليل هزينه‌هاي حمل و‌نقل كيسه‌هاي سنگين محلول ميسر نيست. رقابتي بين‌المللي تحت هدايت موسسه‌ي بهداشت جهاني جورج در كامپرداون استراليا در سال ۲۰۱۵ به دنبال راه‌هايي براي بهبود دسترسي بود. فناوري برنده كه به‌وسيله‌ي يك مهندس ايرلندي به نام وينسنت گاروي ساخته شد، يك كيت سبك وزن را ضميمه مي‌كند كه شامل كيسه‌هاي استريل حاوي يك مخلوط خشك (دكستروز و نمك‌ها) همراه با يك دستگاه تقطير آب كوچك است كه آب مورد استفاده براي تهيه‌ي مخلوط را استريل مي‌كند. جان نايت، مدير شركت دستگاه‌هاي پزشكي الن در كامپرداون كه با هدف توسعه‌ي نمونه‌ي اوليه اين دستگاه تشكيل شد، مي‌گويد لوازم مورد نياز براي يك ماه در يك جعبه‌ي ۳ كيلوگرمي حمل مي‌شود كه نسبت‌به حالت معمول كه لوازم مورد نياز يك روز ۸ كيلوگرم وزن دارد، پيشرفت قابل‌توجهي محسوب مي‌شود.
بازتوليد كليه
پژوهشگراني در دانشگاه كاليفرنيا (UCSF) و دانشگاه واندربيلت در نشويل، دستگاه‌هاي خارجي را كنار گذاشته و به‌جاي آن بر توسعه‌ي نمونه‌ي اوليه‌اي از كليه تمركز كرده‌اند كه بتوان ازطريق جراحي آن را به بدن بيمار پيوند زد. ويليام فيسل، نفرولوژيست دانشگاه واندربيلت مي‌گويد اين دستگاه نيازي به پمپ ندارد زيرا به شريان‌هاي اصلي متصل شده و از فشار خون نيرو مي‌گيرد. دستگاه مذكور شامل دو بخش است: سيستم تصفيه خون و ماژول تنظيم مجدد. فيلتر به كار رفته در آن، از غشاهاي سيليكوني حاوي منافذ نانومتري ساخته شده كه با هدف تقليد عمل گلومرول طراحي شده است. فيسل مي‌گويد ماژول تنظيم مجدد براي ايجاد تعادل مجدد اجزاي خون، از سلول‌هاي توبول كليه‌ي دورانداخته شده‌ي انسان استفاده مي‌كند.
در اواخر سال گذشته، پژوهشگران در جلسه انجمن نفرولوژي آمريكا گزارش كردند كه نخستين آزمايش ايمني ماژول تنظم مجدد را در خوك‌ها انجام داده‌اند و هيچ‌يك از اشكالات جدي نظير واكنش ايمني يا لخته‌ي خون كه اغلب درمورد دستگاه‌هاي كاشتني ديده مي‌شود، مشاهده نشده است.
نفرولوژيست‌ها در سانفرانسيسكو برخي از اجزاي اين كليه‌ي مصنوعي را در حيوانات آزمايش كرده و اميدوارند روزي بتوانند اين كليه مصنوعي را به بدن بيماران پيوند بزنند
رابلينك فكر مي‌كند با توجه به اين كه دستگاه‌هاي كاشتني متكي‌بر تركيب اجزاي مهندسي‌شده و بيولوژيكي هستند و طراحي را پيچيده‌تر كرده و موانع مقرراتي ديگري ايجاد مي‌كنند، توسعه‌ي آن‌ها دشوار است. در همين حين، او ادعا مي‌كند كه پيشرفت در پژوهش‌هاي سلول‌هاي بنيادي ممكن است از چنين تلاش‌هايي پيشي بگيرد. اما فيسل به اين مساله اشاره مي‌كند كه تكنيك‌هاي سلول‌هاي بنيادي در زمينه‌هاي ديگري مانند درمان ديابت موفق نبوده‌اند، درحالي‌كه دستگاه‌هايي مانند دستگاه‌هاي پمپ خودكار انسولين اين مسير را طي كرده‌اند.
فيسل مانع اصلي پروژه را تامين بودجه كافي براي ساخت دستگاهي توصيف مي‌كند كه بتواند به‌وسيله‌ي تنظيم‌كنندگان آمريكايي مورد ارزيابي قرار گيرد. در شرايطي كه برخي از گروه‌ها به كار خود اعتماد دارند، شلدون فكر مي‌كند بازسازي پيچيدگي‌هاي كليه براي يك گروه واحد بسيار دشوار است و احتمالا به تركيبي از مهندسي و بيولوژي و نيز سرمايه‌ي بيشتري نياز دارد. او ايده‌ي تشكيل يك ائتلاف بين‌المللي را در نشست سال گذشته‌ي انجمن نفرولوژي آمريكا مطرح كرد و قرار است اواخر سال جاري نشست‌هايي با حضور گروه‌هاي پژوهشي و گروه‌هاي ذينفع برگزار شود. او مي‌گويد براي بيماراني مانند ريشر، دسترسي به هر نوع دستگاه قابل‌حملي مي‌تواند به‌معناي آزادي باشد و به آن‌ها اين امكان را مي‌دهد كه هر زمان مي‌خواهند دياليز كنند.
هم انديشي ها