كلية اصطناعية

الكليتان عضوان حيويان مزدوجان يقعان خلف تجويف البطن أسفل القفص الصدري، عند مستوى الفقرات الصدرية الثانية عشرة إلى القطنية الثالثة (T12-L3). تؤديان نحو اثنتي عشرة وظيفة فسيولوجية، وهما عرضة للتلف بسهولة. تشمل بعض هذه الوظائف ترشيح وإخراج الفضلات الأيضية ، وتنظيم توازن الكهارل والسوائل الضرورية، وتحفيز إنتاج خلايا الدم الحمراء. ^{[ 2 ]} تقوم الكليتان بترشيح ما بين 100 إلى 140 لترًا من الدم يوميًا لإنتاج ما بين 1 إلى 2 لتر من البول، الذي يتكون من الفضلات والسوائل الزائدة. ^{[ 3 ]}

يؤدي الفشل الكلوي إلى تراكم بطيء للفضلات النيتروجينية والأملاح والماء، واضطراب في توازن الرقم الهيدروجيني الطبيعي للجسم. يحدث هذا الفشل عادةً على مدى فترة طويلة، وعندما تتدهور وظائف الكلى لدى المريض بشكل كبير خلال مسار المرض، يُعرف ذلك باسم مرض الكلى في مراحله النهائية (ESRD؛ والذي يُعرف أيضًا باسم مرض الكلى من المستوى 5 أو 6، اعتمادًا على ما إذا كان غسيل الكلى أو العلاج البديل الكلوي مُستخدمًا). من النادر اكتشاف مرض الكلى قبل أن تبدأ الكلى في التوقف عن العمل، حيث يُعد ارتفاع ضغط الدم وانخفاض الشهية من الأعراض التي تُشير إلى وجود مشكلة. ^{[ 4 ]} يُعتبر داء السكري وارتفاع ضغط الدم من أكثر الأسباب شيوعًا للفشل الكلوي. ^{[ 5 ]} يتوقع الخبراء أن يزداد الطلب على غسيل الكلى مع ازدياد انتشار داء السكري. ^{[ 6 ]} حتى الحرب العالمية الثانية، كان الفشل الكلوي يعني الموت في الغالب للمريض. وقد تم التوصل إلى العديد من الاكتشافات المهمة حول وظائف الكلى والفشل الكلوي الحاد خلال الحرب. ^{[ 7 ]}

واحد من كل ثلاثة بالغين أمريكيين معرض لخطر الإصابة بأمراض الكلى. يعاني أكثر من 35.5 مليون بالغ أمريكي من أمراض الكلى، ومعظمهم لا يدركون ذلك. أكثر من 808,000 منهم يعانون من الفشل الكلوي، و557,000 يخضعون لغسيل الكلى. يدفع هذا العدد الكبير من المصابين بالفشل الكلوي إلى مواصلة تطوير تقنيات الكلى الاصطناعية، بهدف إتاحة العلاج لعدد أكبر من المرضى. ^{[ 8 ]}

أصبح غسيل الكلى المنزلي نادرًا بسبب عيوبه، فهو مكلف، ويستغرق وقتًا طويلاً، ويشغل مساحة كبيرة. في عام 1980، كان 9.7% من مرضى غسيل الكلى يتلقون غسيل الكلى المنزلي، ولكن بحلول عام 1987 انخفضت هذه النسبة إلى 3.6%. ^{[ 9 ]}

بحسب تقرير صادر عن منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية عام 2011، تحتل الولايات المتحدة الأمريكية المرتبة الثانية بين الدول المتقدمة من حيث معدل غسيل الكلى بعد اليابان. وتُسجل الولايات المتحدة أعلى معدل وفيات بين مرضى الفشل الكلوي المزمن. ففي المتوسط، يتوفى 20% من مرضى الفشل الكلوي المزمن في الولايات المتحدة سنويًا، أي أكثر من ضعف النسبة في اليابان. ويعود ازدياد مراكز غسيل الكلى في الولايات المتحدة إلى ارتفاع عدد الأمريكيين المصابين بالفشل الكلوي المزمن. ففي الفترة من 2001 إلى 2011، ارتفع العدد بنحو 49.7%، من 411,000 مواطن إلى 615,000 مواطن. في عام 2001، كان هناك 296,000 أمريكي فقط يخضعون لغسيل الكلى. وبعد عشر سنوات، ارتفع هذا العدد إلى أكثر من 430,000 نتيجةً لانتشار الأمراض المزمنة مثل السكري وارتفاع ضغط الدم. ^{[ 6 ]}

يعتمد أكثر من 300 ألف أمريكي على غسيل الكلى كعلاج للفشل الكلوي، ولكن وفقًا لبيانات نظام بيانات الكلى في الولايات المتحدة لعام 2005، يعاني 452 ألف أمريكي من مرض الكلى في مراحله النهائية . ^{[ 10 ]} وقد أشارت دراسات مثيرة للاهتمام أجرتها مجموعات بحثية في لندن وتورنتو، أونتاريو، إلى أن جلسات غسيل الكلى التي تستغرق ضعفين إلى ثلاثة أضعاف مدة جلسات العلاج التقليدية التي تُجرى ثلاث مرات أسبوعيًا، وتُجرى بوتيرة أعلى، قد تُسهم في تحسين النتائج السريرية. ^{[ 11 ]} إن تطبيق غسيل الكلى ست مرات أسبوعيًا طوال الليل من شأنه أن يُرهق الموارد المتاحة في معظم البلدان. ​​هذا، بالإضافة إلى ندرة الأعضاء المتبرع بها لزراعة الكلى، دفع إلى البحث عن تطوير علاجات بديلة، بما في ذلك تطوير جهاز قابل للارتداء أو الزرع. ^{[ 12 ]}

الكلية الحيوية الاصطناعية القابلة للزرع مشروعٌ يُطوّره بالتعاون بين طبيب الكلى ويليام إتش. فيسيل الرابع، الحاصل على دكتوراه في الطب، من المركز الطبي بجامعة فاندربيلت، والبروفيسور شوفو روي ، مهندس الطب الحيوي من جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو . يهدف هذا المشروع إلى ابتكار جهاز حيوي هجين قادر على إزالة الفضلات من مجرى الدم، ما يُجنّب المريض الحاجة إلى غسيل الكلى أو زراعة الكلى، كما يُحاكي وظائف الكلية السليمة، مُحسّنًا بذلك جودة الحياة ومُطيلًا العمر.

يكمن سر نجاح هذا الجهاز في استخدام غشاء السيليكون ذي المسام النانوية (SEM) المصنّع بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، المشابهة لعملية تصنيع أشباه الموصلات. تتميز هذه الأغشية بمسام كبيرة بما يكفي للسماح بانتقال السوائل والكهارل، ولكنها صغيرة جدًا بحيث لا تسمح للجهاز المناعي بالتفاعل مع خلايا الكلى الحية الموجودة في الجهاز.

وبناءً على ذلك، لن يقتصر دور جهاز SEM على كونه مرشحًا للدم، بل سيعمل أيضًا كمنصة تستقر فيها خلايا الكلى الحية وتنمو داخله. وبذلك، تستطيع هذه الخلايا أداء وظائفها الأيضية والهرمونية كأي كلية سليمة. وبفضل حماية جهاز SEM لها، ستبقى خلايا الكلى سليمة وقادرة على البقاء داخل الجهاز. ومن المزايا الإضافية لجهاز iBAK أن المرضى الذين يستخدمونه لن يحتاجوا إلى تناول أدوية مثبطة للمناعة مدى الحياة، كما هو الحال مع متلقي زراعة الكلى. كذلك، ولأن خلايا الكلى في جهاز iBAK ستؤدي وظائف تنظيم الهرمونات كالكلى الطبيعية، فسيكون متلقو الجهاز أكثر صحة وأقل عرضة للأمراض من مرضى غسيل الكلى. سيُصمم الجهاز ليكون صغيرًا بما يكفي ليناسب جسم المريض، وسيعمل بتدفق الدم الطبيعي. بعبارة أخرى، لا يحتاج الجهاز إلى بطاريات أو إلكترونيات أو صيانة. كما سيُنتج الجهاز البول كالكلى الطبيعية، وسيكون متصلًا بالمثانة؛ ما يُمكّن متلقي الجهاز من استعادة قدرتهم على التبول بشكل طبيعي.

في عام 2020، أظهرت تجربة إثبات المفهوم أن أجهزة iBAK النموذجية ظلت خالية من تجلط الدم ورفض الجسم لها. احتوت النماذج الأولية على خلايا كلوية بشرية ظلت سليمة طوال فترة التجربة التي استمرت 7 أيام، والتي تم خلالها زرعها في خنازير يوكاتان صغيرة سليمة (ن=5). ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات باستخدام عدد أكبر من الخلايا الكلوية في الأجهزة على خنازير مصابة بالفشل الكلوي لإثبات قدرة المفاعل الحيوي على أداء وظائف فسيولوجية مشابهة للكلى الطبيعية. يواصل البروفيسوران روي وفيسيل وفريق البحث إحراز تقدم، ويأملون في أن يكمل الجهاز تجارب إدارة الغذاء والدواء الأمريكية بحلول عام 2030. ^{[ 13 ]}

الكلية الاصطناعية القابلة للارتداء هي جهاز غسيل كلى يُرتدى على الجسم، ويمكن لمرضى الفشل الكلوي المزمن استخدامه يوميًا أو حتى بشكل مستمر. لا تتوفر حاليًا كلية اصطناعية قابلة للارتداء، لكن فرق البحث تعمل على تطويرها. الهدف هو تطوير جهاز محمول يحاكي وظائف الكلية الطبيعية، مما يسمح بتلقي المريض العلاج على مدار الساعة. مع تطور المضخات المصغرة، أصبح الأمل في تطوير جهاز غسيل كلى دموي فعال وقابل للارتداء ممكنًا. يتلقى بعض المرضى بالفعل علاج غسيل الكلى البريتوني المستمر، مما يسمح لهم بالبقاء قادرين على الحركة. مع ذلك، لا يستخدم سوى عدد قليل من مرضى غسيل الكلى هذا العلاج، نظرًا لحاجته إلى كميات كبيرة من سائل الغسيل للتخزين والتخلص منه. تقوم كليتا الشخص السليم بتصفية الدم على مدار 24 ساعة يوميًا، أي 168 ساعة أسبوعيًا، مقارنةً بمرضى الفشل الكلوي المزمن الذين يتلقون علاج غسيل الكلى لمدة 12 ساعة أسبوعيًا تقريبًا. يؤدي هذا العلاج إلى انخفاض جودة الحياة وارتفاع معدل الوفيات لدى مرضى الفشل الكلوي المزمن . لذا، ثمة حاجة ماسة إلى جهاز يعمل على مدار الساعة يُمكّن مرضى الفشل الكلوي المزمن من تلقي غسيل الكلى بشكل مستمر مع الحفاظ على حياتهم الطبيعية. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} وقد وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على أول تجربة سريرية بشرية في الولايات المتحدة لكلية اصطناعية قابلة للارتداء صممتها شركة "Blood Purification Technologies Inc.". يبلغ وزن النموذج الأولي للكلية الاصطناعية القابلة للارتداء 10 أرطال، ويعمل ببطاريات 9 فولت، ويتصل بالمريض عبر قسطرة، ويستهلك أقل من 500 مل من سائل الغسيل الكلوي. ^{[ 14 ]} صُمم الجهاز ليعمل باستمرار بالبطاريات، مما يسمح للمرضى بالبقاء قادرين على الحركة أثناء ارتدائه، وبالتالي تحسين جودة حياتهم. كما صُمم الجهاز لتحسين جوانب فسيولوجية أخرى لصحة المريض، مثل تحسين التحكم في حجم السوائل، وخفض ضغط الدم واحتباس الصوديوم، بالإضافة إلى خفض معدل الإصابة بأمراض القلب والأوعية الدموية والسكتة الدماغية . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

خضعت الكلية الاصطناعية القابلة للارتداء (WAK) لتعديلات مستمرة على مر السنين لتحسين حياة مرضى الفشل الكلوي. ولجعلها قابلة للاستخدام، أُجريت العديد من التجارب. وتهدف هذه التجارب إلى تحقيق أهداف مماثلة، منها على سبيل المثال، التأكد من قدرة الكلية الاصطناعية القابلة للارتداء على العمل ككلية طبيعية. ^{[ 14 ]}

شملت إحدى التجارب ثمانية أشخاص ارتدوا جهاز WAK لمدة تتراوح بين أربع وثماني ساعات. وخلال ارتدائهم للجهاز، ظهرت عدة نتائج. على سبيل المثال، تبين أن مضخة الترشيح الفائق تتحكم بشكل صحيح في سحب السوائل من الجهاز. كما لوحظ انفصال إبرة موصولة بالجهاز، وعندها استطاع الجهاز رصد ذلك، فتوقف ضخ الدم. وعند توقف الضخ، أمكن إعادة إدخال الإبرة دون فقدان كمية كبيرة من الدم. ^{[ 14 ]} وفي سياق أبحاث أخرى، أشير إلى أن استخدام مضخة الترشيح الفائق قد لا يكون الخيار الأمثل لجهاز WAK. فقد وجدت الأبحاث، على سبيل المثال، أن استخدام مضخة تمعجية بدلاً من ذلك، يُمكّن الشخص من معرفة معدل تدفق دمه دون الحاجة إلى مستشعر، وهو ضروري في مضخة الترشيح الفائق المستخدمة في التجربة المذكورة. وقد يكون تغيير نوع المضخة المستخدمة في جهاز WAK بالغ الأهمية، لأنه قد يُسهم في جعل الجهاز أرخص وأكثر موثوقية للاستخدام العام، وذلك بالاستغناء عن المستشعر. ^{[ 17 ]}

بعد إجراء قدر كبير من الأبحاث على جهاز غسيل الكلى WAK، تمت الإجابة على العديد من التساؤلات البحثية. على سبيل المثال، اكتشف الباحثون أن الجهاز يعمل بدون مأخذ كهربائي لأنه قادر على العمل ببطارية 9 فولت . ^{[ 14 ]} ومع ذلك، يرى بعض الباحثين أن استخدام بطاريات 9 فولت غير فعال بما يكفي لتشغيل الجهاز لفترة غير كافية، مما يجعله أقل جدوى اقتصادياً بسبب الحاجة المستمرة لتغيير البطاريات. ^{[ 18 ]} لهذا السبب، يجري استكشاف مصادر طاقة أخرى، مثل خلايا الوقود ، أو نقل الطاقة لاسلكياً من مصدر نشط، أو استخلاص الطاقة من البيئة، وهي طرق أفضل لتشغيل الجهاز لفترات أطول. ^{[ 18 ]} على الرغم من الإجابة على العديد من التساؤلات حول جهاز غسيل الكلى WAK، إلا أن العديد من التساؤلات البحثية لا تزال قائمة. لا يزال الباحثون يحاولون تحديد ما إذا كان الجهاز موفراً للطاقة، وبأسعار معقولة، وما إذا كان بإمكانه إعادة استخدام كميات صغيرة من سائل غسيل الكلى . ^{[ 14 ]}