Riñones Biónicos: la Solución a la Diálisis

riñón biónico

Problema de la diálisis y solución planteada por los riñones biónicos

Crear un riñón artificial implantable sería un avance épico en la medicina y podría abordar una escasez crónica de riñones de donantes necesarios para el trasplante. Los investigadores han estado detrás de esta búsqueda durante los últimos 15 años y siguen enfrentándose a un problema extremadamente complejo: cómo mantener la sangre fluyendo sin problemas a través del dispositivo artificial sin coagulación. En tales dispositivos, como las plaquetas de la sangre responden a fuerzas mecánicas, tienen una tendencia natural a coagularse, causando un mal funcionamiento del dispositivo.

Para superar este problema, los beneficiarios de Quantum Awards del Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas (NIBIB en inglés) combinaron una experiencia poco común en el desarrollo de riñones artificiales y en la simulación por computadora del flujo sanguíneo, en un estudio publicado el 16 de enero de 2018. de la revista de biomecánica.

Si bien la diálisis salva miles, si no millones, de vidas cada año, no es una solución ideal para la enfermedad renal. En lugar de una filtración sanguínea continua, que mantiene la química sanguínea dentro de un rango saludable, los resultados de diálisis en sangre ultra limpia y agotada de nutrientes se vuelven gradualmente más tóxicos hasta el siguiente tratamiento de diálisis.

Un riñón biónico artificial proporcionaría el beneficio de la filtración continua de sangre. Reduciría la enfermedad renal y aumentaría la calidad de vida de los pacientes. Si bien los investigadores han avanzado en los modelos portátiles, para poder implantar el dispositivo, impulsado por los propios flujos de sangre del cuerpo, el problema de la coagulación debería resolverse.

“Como los desarrolladores de esta tecnología saben muy bien, es especialmente frustrante tratar con los coágulos de sangre, que pueden tanto taponar el dispositivo, hacer que sea inútil, y causar peligros a otras partes del cuerpo donde el flujo de sangre se vería comprometido” dijo Rosemarie Hunziker, Directora del programa NIBIB en Ingeniería de Tejidos y Medicina Regenerativa. “Un coágulo que migra al corazón podría causar un ataque al corazón; Podría causar un derrame cerebral si viajara al cerebro “.

Dispositivo experimental

El riñón biónico implantable, un dispositivo de bioingeniería que combina un filtro de silicona de alta eficiencia y un biorreactor de células de los túbulos renales, ha sido un proyecto a largo plazo para los coautores del estudio Shuvo Roy, Ph.D., Universidad de California, San Francisco (UCSF) profesor de bioingeniería y ciencias terapéuticas, y William H. Fissell, IV, MD, profesor asociado de medicina de la Universidad de Vanderbilt.

El dispositivo experimental está diseñado para alojar hasta un litro de sangre por minuto, filtrando a través de una serie de membranas de silicio. El fluido filtrado contiene toxinas, agua, electrolitos y azúcares. El líquido se somete a una segunda etapa de procesamiento en un biorreactor de células cultivadas en el laboratorio del tipo que normalmente recubre los conductos del riñón.

Estas células reabsorben la mayor parte de los azúcares, las sales y el agua al torrente sanguíneo. El resto se convierte en orina que se dirige a la vejiga y sale del cuerpo

Gran parte de la tecnología para implementar este complejo proceso existe. Parte de ella fue desarrollada por Roy y Fissell con fondos anteriores del programa NIBIB Quantum Award. Uno de los desafíos pendientes es que los investigadores integren las diversas innovaciones en un dispositivo funcional, compacto y, por lo tanto, implantable.

En el trabajo recientemente publicado, el equipo de UCSF-Vanderbilt colaboró ​​con el coautor Danny Bluestein, Ph.D., profesor de ingeniería biomédica en la Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook, quien también es un concesionario de Quantum Award. En 2010, el NIBIB otorgó al laboratorio de Bluestein una beca para estudiar la tromborresistencia, la prevención de la coagulación en la sangre circulante.

El grupo de Bluestein usó la técnica para estudiar dispositivos de implantes cardiovasculares, como válvulas cardíacas artificiales, así como el dispositivo utilizado en cirugía cuando se pasa por alto temporalmente la circulación cardíaca.

Roy y Fissell escucharon por primera vez acerca de la metodología de Bluestein, llamada dispositivo de emulación de trombogenicidad (DTE), en una reunión de 2014 en NIBIB para los beneficiarios del Quantum Award. La metodología Bluestein DTE cuantifica los patrones de flujo y los factores de estrés que se desarrollan durante el flujo sanguíneo.

Durante la descripción de DTE de Bluestein, Roy y Fissell vieron inmediatamente el potencial de aplicar sus teorías a su diseño de riñón artificial. La simulación por computadora adecuada podría reducir años o incluso décadas del proceso de diseño del riñón artificial y producir un dispositivo con un perfil de seguridad bien analizado y probado para la activación de plaquetas y la posterior formación de coágulos.

“Las plaquetas se activan e inician la coagulación de la sangre en respuesta a la gravedad de las fuerzas de estrés, así como a la cantidad de tiempo que las plaquetas están circulando a través del dispositivo”, dijo Bluestein. La metodología de simulación de Bluestein, desarrollada por primera vez para predecir numéricamente la acumulación de estrés en las plaquetas dentro de los dispositivos que favorecen la circulación en pacientes con insuficiencia cardíaca, fue fácilmente adaptable a los aspectos de la dinámica de fluidos del riñón artificial.

Dos tipos de diseños de riñón artificial

Los investigadores generaron resultados de simulación y optimización para dos diseños de dispositivos para cada canal de sangre a través del sistema de filtro de riñón artificial. A través de la simulación, calcularon que una plaqueta individual puede fluir a través del riñón artificial hasta 1000 veces, acumulando estrés y aumentando la tendencia a coagularse con cada pasada.

Un diseño distribuye sangre a través de canales paralelos que pasan a través de múltiples capas de membranas filtrantes. El otro canaliza la sangre de ida y vuelta a través de un único camino serpenteante.

Los resultados de la simulación se inclinaron a favor del sistema de flujo paralelo, particularmente con respecto al estado de las plaquetas de la sangre después de la circulación repetida dentro de los sistemas de filtración. Sin embargo, ambos diseños cumplieron con los criterios predeterminados de los investigadores para el flujo uniforme de sangre a través de los dispositivos y la acumulación de fuerzas de esfuerzo cortante en las plaquetas contra las paredes de los canales de flujo del dispositivo.

Por lo tanto, los investigadores planean probar ambos diseños de implantes en experimentos prospectivos en cerdos. Diseños adicionales podrían ser probados en el futuro.

“Estoy feliz de que decidieran adoptar nuestra metodología, por lo que su efectividad podría demostrarse en un tipo de dispositivo muy diferente”, dijo Bluestein. “La coagulación de la sangre es el principal problema clínico que puede ocurrir debido al estrés inducido por el flujo que existe en todos estos dispositivos”.

El enfoque de simulación ha acelerado el proyecto al ahorrar en la experimentación con animales y ofrecer una alternativa viable para examinar las ventajas y desventajas de los diferentes dispositivos que entran en contacto con la sangre. “Hacer eso en estudios con animales requiere mucho tiempo, es costoso y, en algún nivel, nunca se sabe si funcionará, porque la sangre animal no es lo mismo que la sangre humana”, dijo Roy. “Terminamos aprovechando el extenso conjunto de trabajos realizado por el Dr. Bluestein y sus colegas y las metodologías aplicadas en dinámica de fluidos computacional para ayudarnos a analizar nuestros diseños”.

¿Tendrá el nuevo dispositivo todas las funciones de un riñón original?

“No”, dijo Roy. “Pero el objetivo es que desempeñe las funciones que son fundamentales y que sea un dispositivo biónico que, una vez implantado, le permita a un paciente comer y beber libremente, tener movilidad, una mejor salud en general y, a diferencia de un trasplante, no requiere inmunosupresores, drogas “.

Hunziker aplaudió la colaboración entre los beneficiarios del NIBIB Quantum Award, un programa para traer nuevas tecnologías para enfrentar problemas grandes e intratables en medicina.

“Ver a los equipos financiados de forma independiente que se auto-ensamblan para aprovechar sus innovaciones cuánticas es extremadamente gratificante”, dijo. “La colaboración permite que el desarrollo del riñón artificial se acelere mediante un modelo predictivo efectivo, combinado con una capacidad exhaustiva para manipular biomateriales y un profundo conocimiento de la fisiopatología renal”.

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