Riñón artificial es a menudo sinónimo de hemodiálisis , pero también puede referirse a otras terapias de reemplazo renal (con exclusión del trasplante de riñón ) que están en uso y/o en desarrollo. Este artículo trata principalmente sobre riñones bioartificiales con células cultivadas a partir de líneas celulares renales o tejido renal.
El primer riñón artificial exitoso fue desarrollado por Willem Kolff en los Países Bajos a principios de la década de 1940: Kolff fue el primero en construir un dializador funcional en 1943.
Los riñones son órganos vitales emparejados ubicados detrás de la cavidad abdominal en la parte inferior de la caja torácica correspondiente a los niveles T12-L3 de las vértebras de la columna. Realizan alrededor de una docena de funciones fisiológicas y se dañan con bastante facilidad. Algunas de estas funciones incluyen la filtración y excreción de productos de desecho metabólicos, la regulación de los electrolitos y líquidos necesarios y la estimulación de la producción de glóbulos rojos. [1] Estos órganos filtran habitualmente entre 100 y 140 litros de sangre al día para producir de 1 a 2 litros de orina, compuesta de desechos y exceso de líquido. [2]
La insuficiencia renal provoca la acumulación lenta de desechos nitrogenados, sales, agua y la alteración del equilibrio normal del pH del cuerpo. Esta falla generalmente ocurre durante un largo período de tiempo, y cuando la función renal del paciente disminuye lo suficiente durante el curso de la enfermedad, se conoce comúnmente como enfermedad renal en etapa terminal (ESRD; que también se conoce como enfermedad renal de nivel 5 o 6, según dependiendo de si se utiliza diálisis o terapia de reemplazo renal). Detectar la enfermedad renal antes de que los riñones comiencen a fallar es poco común; la presión arterial alta y la disminución del apetito son síntomas que indican un problema. [3] La diabetes y la presión arterial alta se consideran las dos causas más comunes de insuficiencia renal. [4] Los expertos predicen que la demanda de diálisis aumentará a medida que aumente la prevalencia de la diabetes. [5] Hasta la Segunda Guerra Mundial, la insuficiencia renal generalmente significaba la muerte del paciente. Durante la guerra se obtuvieron varios conocimientos sobre la función renal y la insuficiencia renal aguda. [6]
Uno de cada tres adultos estadounidenses corre el riesgo de desarrollar enfermedad renal. Más de 26 millones de adultos estadounidenses padecen enfermedad renal y la mayoría no lo sabe. Más de 661.000 de ellos padecen insuficiencia renal y 468.000 están en diálisis. La gran población de personas con insuficiencia renal impulsa continuos avances en la tecnología de riñones artificiales para que más personas puedan tener acceso a los tratamientos. [7]
La hemodiálisis domiciliaria se ha vuelto poco común debido a sus desventajas. Es caro, consume mucho tiempo y no ahorra espacio. En 1980, el 9,7% de la población en diálisis estaba en hemodiálisis domiciliaria, pero en 1987 la proporción había caído al 3,6%. [8]
Según un informe de 2011 de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico, Estados Unidos de América tiene la segunda tasa más alta de diálisis entre los países avanzados después de Japón. Estados Unidos tiene la tasa de mortalidad más alta entre pacientes con ESRD. En promedio, el 20% de los pacientes estadounidenses con ESRD mueren anualmente, lo que representa más del doble que en Japón. El crecimiento de los centros de diálisis en los Estados Unidos es el resultado de que más estadounidenses desarrollan enfermedad renal terminal. De 2001 a 2011, el número aumentó aproximadamente un 49,7%, de 411.000 ciudadanos a 615.000 ciudadanos. En 2001 había sólo 296.000 estadounidenses en algún tipo de diálisis. Diez años más tarde, esa cifra aumentó a más de 430.000 como resultado del desarrollo de enfermedades crónicas como la diabetes y la hipertensión. [5]
Más de 300.000 estadounidenses dependen de la hemodiálisis como tratamiento para la insuficiencia renal, pero según datos del USRDS de 2005, 452.000 estadounidenses padecen enfermedad renal terminal (ESKD). [9] Investigaciones intrigantes de grupos en Londres, Ontario y Toronto, Ontario, han sugerido que los tratamientos de diálisis que duran dos o tres veces más que los tratamientos convencionales tres veces por semana y se administran con más frecuencia que los tratamientos convencionales tres veces por semana pueden estar asociados con mejores resultados clínicos. [10] La implementación de diálisis seis veces por semana y durante toda la noche abrumaría los recursos existentes en la mayoría de los países. Esto, además de la escasez de órganos de donantes para trasplantes de riñón, ha impulsado la investigación para desarrollar terapias alternativas, incluido el desarrollo de un dispositivo portátil o implantable. [11]
El riñón bioartificial implantable es un proyecto que está siendo desarrollado conjuntamente por un nefrólogo llamado William H. Fissell IV, MD, del Centro Médico de la Universidad de Vanderbilt con el profesor Shuvo Roy , bioingeniero de la Universidad de California en San Francisco . El objetivo de este proyecto es crear un dispositivo biohíbrido que pueda eliminar los productos de desecho del torrente sanguíneo para evitar que un paciente necesite diálisis o un trasplante de riñón, y también imitar las funciones de un riñón sano, mejorando la calidad de vida y la longevidad.
La clave del éxito de este dispositivo es el uso de una membrana de nanoporos de silicio (SEM) fabricada con tecnología MEMS similar al proceso de fabricación de semiconductores. Estos SEM presentan poros que son lo suficientemente grandes como para permitir la transferencia de líquidos y electrolitos, pero demasiado pequeños para que el sistema inmunológico interactúe con las células renales vivas contenidas en el dispositivo.
En consecuencia, el SEM no sólo funcionará como hemofiltro, sino también como una plataforma para que las células renales vivas puedan residir y prosperar dentro de la unidad. De este modo, estas células pueden realizar las funciones metabólicas y endocrinas de un riñón sano. Al estar protegidas por el SEM, las células renales permanecerán sanas y viables dentro del dispositivo. Un beneficio adicional del iBAK es que los pacientes que usan el dispositivo no necesitarán tomar medicamentos de supresión inmune de por vida como lo necesitan los receptores de trasplantes de riñón. Además, debido a que las células renales del iBAK realizarán funciones de regulación hormonal como un riñón natural, los receptores estarán más sanos y sufrirán menos morbilidades que los pacientes en diálisis. El dispositivo estará diseñado para ser lo suficientemente pequeño como para caber dentro del cuerpo de un paciente y funcionará con el flujo sanguíneo natural. En otras palabras, el dispositivo no requiere baterías, componentes electrónicos ni mantenimiento. El dispositivo también creará orina como un riñón natural y estará conectado a la vejiga; Los receptores recuperarán la capacidad de orinar de forma natural.
En 2020, un experimento de prueba de concepto demostró que los prototipos de dispositivos iBAK permanecían libres de coágulos de sangre y rechazos. Los prototipos contenían células renales humanas que permanecieron sanas durante la implantación de prueba de 7 días en cerdos juveniles sanos de Yucatán (n=5). Se necesitarán más pruebas con una mayor cantidad de células renales en los dispositivos en cerdos con insuficiencia renal para demostrar que el biorreactor puede realizar funciones fisiológicamente similares a las de un riñón natural. Profes. Roy, Fissell y el equipo de investigación continúan progresando y esperan que el dispositivo haya completado los ensayos de la FDA para 2030. [12]
Un riñón artificial portátil es una máquina de diálisis portátil que una persona con enfermedad renal terminal podría usar a diario o incluso de forma continua. No se dispone de un riñón artificial portátil (WAK), pero los equipos de investigación están en el proceso de desarrollar dicho dispositivo. El objetivo es desarrollar un dispositivo portátil que pueda imitar las funciones del riñón normal. Este dispositivo permitiría tratar a un paciente las veinticuatro horas del día. Con el desarrollo de bombas en miniatura, la esperanza de un dispositivo portátil de hemodiálisis eficaz se ha hecho realidad. Algunos pacientes ya reciben tratamiento de diálisis peritoneal continua que les permite permanecer ambulatorios. Sin embargo, sólo una pequeña parte de los pacientes en diálisis utilizan el tratamiento de diálisis peritoneal porque requiere almacenar y eliminar grandes cantidades de dializado . Los riñones de un individuo sano filtran la sangre las 24 horas del día, 168 horas a la semana en comparación con un individuo con enfermedad renal terminal cuyo plan de tratamiento de diálisis es de aproximadamente 12 horas a la semana. El tratamiento da como resultado una menor calidad de vida, así como una mayor tasa de mortalidad para pacientes con enfermedad renal terminal (ESRD). Por lo tanto, existe la necesidad de un dispositivo que funcione las 24 horas del día y que permita a los pacientes con ESRD recibir diálisis de forma continua mientras mantienen una vida normal. [13] [14] [15] La FDA aprobó el primer ensayo clínico en humanos en los Estados Unidos para un riñón artificial portátil diseñado por Blood Purification Technologies Inc. El prototipo del WAK es un dispositivo de 10 libras, alimentado por corriente de nueve voltios. baterías, que se conectan a un paciente a través de un catéter, y deben usar menos de 500 ml de dializado. [13] Está diseñado para funcionar continuamente con baterías, lo que permite a los pacientes permanecer ambulatorios cuando usan el dispositivo, lo que conduce a una mayor calidad de vida. El dispositivo está diseñado para mejorar otros aspectos fisiológicos de la salud del paciente, como un mejor control del volumen, una disminución de la hipertensión y la retención de sodio, así como una menor tasa de enfermedades cardiovasculares y accidentes cerebrovasculares . [13] [14] [15]
El riñón artificial portátil (WAK) se ha modificado constantemente a lo largo de los años para mejorar a las personas que padecen insuficiencia renal. Para intentar que WAK sea utilizable, se han realizado varios experimentos. Mientras se llevan a cabo estos experimentos para el WAK, se intentan alcanzar objetivos similares. Por ejemplo, un objetivo principal que estos experimentos intentan lograr es asegurarse de que el WAK pueda funcionar como un riñón normal. [13]
Un experimento que se llevó a cabo incluyó a ocho personas que usaron el WAK durante cuatro a ocho horas. Mientras los participantes usaban el WAK, ocurrieron varios resultados. Por ejemplo, un resultado del experimento fue que la extracción de líquido para el WAK se controló correctamente mediante una bomba de ultrafiltración. Otro resultado que se produjo durante este experimento fue que una aguja conectada al WAK terminó desconectándose. Cuando esto sucedió, el WAK pudo reconocerlo y la sangre dejó de bombear. Cuando la sangre dejaba de bombear, se podía reinsertar la aguja sin que el cuerpo perdiera una gran cantidad de sangre. [13] Como se han realizado otras investigaciones, se ha argumentado que el uso de una bomba de ultrafiltración puede no ser la mejor bomba para el WAK. Por ejemplo, la investigación ha descubierto que el uso de una bomba peristáltica permitiría a una persona conocer su flujo sanguíneo sin tener un sensor, que es necesario en una bomba de ultrafiltración utilizada en el experimento mencionado anteriormente. Un cambio en el tipo de bomba utilizada para el WAK puede ser crucial porque podría ayudar a que el dispositivo sea más barato y más confiable para el público al no tener un sensor. [dieciséis]
Después de una considerable cantidad de investigación sobre el WAK, se han respondido varias preguntas de investigación. Por ejemplo, los investigadores han descubierto que el WAK puede funcionar sin toma de corriente porque ha podido funcionar con una batería de nueve voltios . [13] Sin embargo, los investigadores han argumentado que el uso de baterías de nueve voltios no es lo suficientemente efectivo para el WAK porque no alimenta el dispositivo durante el tiempo suficiente e indirectamente hace que el WAK sea menos asequible al tener que cambiar las baterías constantemente. [17] Debido a esto, se están explorando otras fuentes de energía, por ejemplo, los investigadores están viendo si las celdas de combustible , la transmisión inalámbrica de energía desde una fuente activa o la recolección de energía del medio ambiente serían mejores formas de alimentar el WAK durante períodos más largos. de tiempo. [17] Se han respondido varias preguntas sobre el WAK, pero muchas preguntas de investigación aún quedan sin respuesta. Los investigadores todavía están tratando de determinar si el WAK puede ser energéticamente eficiente, asequible y si puede reutilizar pequeñas cantidades de dializado . [13]