人工腎臓

腎臓は、胸郭の底、脊椎のT12-L3レベルに相当する腹腔の後ろに位置する一対の重要な臓器です。腎臓は約12の生理機能を果たし、比較的損傷を受けやすい臓器です。これらの機能には、代謝老廃物の濾過と排泄、必要な電解質と体液の調節、赤血球産生の刺激などが含まれます。^{[ 2 ]}これらの臓器は通常、1日に約100～140リットルの血液を濾過し、老廃物と余分な体液からなる1～2リットルの尿を生成します。^{[ 3 ]}

腎不全は、窒素性老廃物、塩分、水分が徐々に蓄積し、体の正常なpHバランスが崩れることで起こります。この腎不全は通常、長期間にわたって発生し、病気の経過中に患者の腎機能が十分に低下すると、末期腎不全（ESRD、透析または腎代替療法が使用されるかどうかに応じてレベル5または6の腎疾患とも呼ばれる）として一般的に知られています。腎臓が機能停止し始める前に腎疾患を検出することはまれで、高血圧と食欲不振が問題を示す症状です。^{[ 4 ]}糖尿病と高血圧は、腎不全の2つの最も一般的な原因と考えられています。^{[ 5 ]}専門家は、糖尿病の有病率の増加に伴い、透析の需要が増加すると予測しています。^{[ 6 ]}第二次世界大戦までは、腎不全は一般的に患者の死を意味していました。戦争中に、腎機能と急性腎不全に関するいくつかの知見が得られました^{。[ 7 ]}

アメリカの成人の3人に1人は腎臓病を発症するリスクがある。3550万人以上のアメリカの成人が腎臓病を患っているが、そのほとんどは自覚していない。そのうち80万8000人以上が腎不全で、55万7000人が透析を受けている。腎不全患者の多さが、より多くの人が治療を受けられるように人工腎臓の技術の継続的な進歩を促している。^{[ 8 ]}

在宅血液透析は、その欠点のために稀になってきている。費用がかかり、時間がかかり、場所も取らない。1980年には透析患者の9.7%が在宅血液透析を受けていたが、1987年にはその割合は3.6%にまで低下した。^{[ 9 ]}

経済協力開発機構による2011年の報告書によると、米国は先進国の中で日本に次いで2番目に透析率が高い。米国は末期腎不全患者の死亡率が最も高い。平均して米国の末期腎不全患者の20%が毎年死亡しており、これは日本の2倍以上である。米国における透析施設の増加は、末期腎不全を発症する米国人の増加によるものである。2001年から2011年にかけて、その数は41万1000人から61万5000人へと約49.7%増加した。2001年には、何らかの形で透析を受けている米国人はわずか29万6000人であった。10年後には、糖尿病や高血圧などの慢性疾患の発症により、その数は43万人以上に増加した。^{[ 6 ]}

30万人以上のアメリカ人が腎不全の治療として血液透析に依存しているが、2005年のUSRDSのデータによると、45万2千人のアメリカ人が末期腎疾患（ESKD）を患っている。^{[ 10 ]}オンタリオ州ロンドンとトロントのグループによる興味深い調査では、従来の週3回の治療よりも2～3倍長く、より頻繁に行われる透析治療が、臨床転帰の改善と関連している可能性があることが示唆されている。^{[ 11 ]} 週6回の夜間透析を実施すると、ほとんどの国で既存のリソースが逼迫するだろう。このことと、腎臓移植のためのドナー臓器の不足により、ウェアラブルまたは埋め込み型デバイスの開発を含む代替療法の開発の研究が促されている。^{[ 12 ]}

埋め込み型生体人工腎臓は、ヴァンダービルト大学医療センターの腎臓専門医であるウィリアム・H・フィッセル4世医師と、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の生物工学者であるシュヴォ・ロイ教授が共同で開発しているプロジェクトです。このプロジェクトの目標は、血液から老廃物を除去し、透析や腎臓移植を必要としないようにするとともに、健康な腎臓の機能を模倣することで、患者のQOL（生活の質）と寿命を向上させる生体ハイブリッドデバイスを開発することです。

このデバイスの成功の鍵は、半導体製造プロセスと同様のMEMS技術を用いて作製されたシリコンナノポア膜（SEM）の使用にある。これらのSEMは、体液や電解質の輸送を可能にするのに十分な大きさでありながら、デバイス内に含まれる生きた腎細胞と免疫系が相互作用するには小さすぎる細孔を備えている。

したがって、SEMは血液濾過器として機能するだけでなく、生きた腎臓細胞が装置内で生存し、増殖できるプラットフォームとしても機能します。これらの細胞は、健康な腎臓の代謝機能と内分泌機能を果たすことができます。SEMによって保護されているため、腎臓細胞は装置内で健康で生存可能な状態を維持します。iBAKのもう一つの利点は、この装置を使用する患者は、腎臓移植を受けた患者のように生涯にわたって免疫抑制剤を服用する必要がないことです。また、iBAK内の腎臓細胞は自然の腎臓のようにホルモン調節機能を果たすため、移植を受けた患者は透析患者よりも健康で、合併症も少なくなります。この装置は患者の体内に収まるほど小型に設計され、自然な血流によって駆動されます。つまり、電池、電子機器、メンテナンスは一切不要です。この装置は自然の腎臓のように尿を生成し、膀胱に接続されるため、移植を受けた患者は自然に排尿する能力を取り戻すことができます。

2020年に行われた概念実証実験では、プロトタイプのiBAKデバイスが血栓や拒絶反応を起こさずに維持されたことが示されました。プロトタイプにはヒト腎細胞が含まれており、健康な若いユカタン豚（n=5）への7日間の試験移植期間中、健康な状態を維持しました。バイオリアクターが自然の腎臓と生理学的に類似した機能を果たすことができることを示すには、腎不全の豚にデバイス内の腎細胞数を増やしてさらに試験を行う必要があります。ロイ教授とフィッセル教授および研究チームは引き続き進歩を遂げており、2030年までにデバイスがFDAの試験を完了することを期待しています。^{[ 13 ]}

ウェアラブル人工腎臓は、末期腎疾患の人が毎日または継続的に使用できるウェアラブル透析装置です。ウェアラブル人工腎臓（WAK）はまだ市販されていませんが、研究チームがそのような装置の開発を進めています。目標は、通常の腎臓の機能を模倣できる携帯型装置を開発することです。この装置により、患者は1日24時間治療を受けることができます。小型ポンプの開発により、効果的なウェアラブル血液透析装置の実現が期待されています。一部の患者はすでに持続的腹膜透析治療を受けており、歩行を維持しています。しかし、腹膜透析治療は大量の透析液を保管および廃棄する必要があるため、透析患者のうち腹膜透析治療を受けているのはごく一部です。健康な人の腎臓は1日24時間、1週間に168時間血液をろ過しますが、末期腎疾患の人の透析治療計画は週に約12時間です。この治療法は、末期腎不全（ESRD）患者の生活の質を低下させ、死亡率を上昇させる。そのため、ESRD患者が通常の生活を維持しながら継続的に透析を受けられる24時間体制の装置が必要である。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} FDAは、Blood Purification Technologies Inc.が設計したウェアラブル人工腎臓の米国初のヒト臨床試験を承認した。WAKのプロトタイプは、9ボルトの電池で駆動する10ポンドの装置で、カテーテルを介して患者に接続され、500mL未満の透析液を使用するはずである。^{[ 14 ]}電池で継続的に動作するように設計されているため、患者は装置を装着している間も歩行可能であり、生活の質が向上する。この装置は、体液量制御の改善、高血圧とナトリウム貯留の減少、心血管疾患と脳卒中の発生率の低下など、患者の健康の他の生理学的側面を改善するように設計されている。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

ウェアラブル人工腎臓（WAK）は、腎不全患者の生活を改善するために長年にわたり改良が続けられてきました。WAKを実用化するために、いくつかの実験が行われてきました。これらのWAKに関する実験では、同様の目標が達成されようとしています。例えば、これらの実験で達成しようとしている主な目標は、WAKが通常の腎臓のように機能できるようにすることです。^{[ 14 ]}

ある実験では、8人が4～8時間WAKを装着しました。参加者がWAKを装着している間、いくつかの結果が生じました。例えば、実験中の結果の一つとして、WAKの体液除去が限外濾過ポンプによって正しく制御されたことが挙げられます。この実験中に発生したもう一つの結果は、WAKに接続された針が外れてしまったことです。この場合、WAKはこれを認識することができ、血液のポンプ作用が停止しました。血液のポンプ作用が停止すると、大量の血液を失うことなく針を再挿入することができました。^{[ 14 ]}他の研究が行われている中で、限外濾過ポンプの使用はWAKにとって最適なポンプではない可能性があると主張されています。例えば、蠕動ポンプを使用することで、上記の実験で使用された限外濾過ポンプに必要なセンサーなしで、血流速度を知ることができることが研究で明らかになっています。WAKに使用するポンプの種類を変更することは、センサーが不要になることでデバイスをより安価で信頼性の高いものにするのに役立つ可能性があるため、重要かもしれません。^{[ 17 ]}

WAKに関するかなりの量の研究の後、いくつかの研究課題が解決されました。たとえば、WAKは9ボルトのバッテリーで動作できるため、コンセントなしでも動作できることが研究者によって発見されました。^{[ 14 ]}ただし、9ボルトのバッテリーを使用するとデバイスを十分に長時間駆動できないため、バッテリーを頻繁に交換する必要があるため、WAKのコストが間接的に低くなるため、WAKには9ボルトのバッテリーを使用するのは効果的ではないと研究者によって主張されています。^{[ 18 ]}このため、他のエネルギー源が検討されており、たとえば、燃料電池、アクティブソースからのエネルギーの無線伝送、または環境からのエネルギーの収穫が、WAKをより長時間駆動するためのより良い方法かどうかを研究者が調べています。^{[ 18 ]} WAKに関するいくつかの疑問は解決されましたが、多くの研究課題はまだ未解決のままです。研究者は、WAKがエネルギー効率が良く、手頃な価格で、少量の透析液を再利用できるかどうかをまだ解明しようとしています。^{[ 14 ]}